ZDZFZ—01型數(shù)字式自動(dòng)蒸發(fā)站運(yùn)行過程的技術(shù)探討

黃義輝

【摘 要】本文通過對(duì)ZDZFZ-01型自動(dòng)蒸發(fā)器系統(tǒng)的組成、工作原理及安裝要求等相關(guān)理論的介紹，根據(jù)儀器的運(yùn)行情況，通過與人工蒸發(fā)測(cè)量精度進(jìn)行對(duì)比分析、運(yùn)行過程中存在故障的處理與維護(hù)，分析探討自動(dòng)蒸發(fā)器存在的問題，意在為更好的使用自動(dòng)蒸發(fā)儀器，充分發(fā)揮信息化設(shè)備的作用。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)蒸發(fā)站；水文信息化；蒸發(fā)量

ZDZFZ-01型數(shù)字式全自動(dòng)蒸發(fā)站（以下簡稱自動(dòng)蒸發(fā)站）可自動(dòng)觀測(cè)陸面上水面蒸發(fā)量的全過程。其主要是由太陽能供電系統(tǒng)、國際標(biāo)準(zhǔn)的E-601型蒸發(fā)皿、高精度浮子式水位計(jì)、自記雨量計(jì)、溢流桶、數(shù)據(jù)采集控制過程、補(bǔ)水過程全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的水面蒸發(fā)量觀測(cè)站。自動(dòng)蒸發(fā)站可與GPRS數(shù)據(jù)傳輸裝置連接組成無人值守遙測(cè)站。

自動(dòng)蒸發(fā)站的蒸發(fā)皿、雨量計(jì)的分辨率均為0.1mm，溢流量分辨率為0.1mm，符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求。降水量、蒸發(fā)量數(shù)據(jù)表格形式符合數(shù)據(jù)入庫整編要求，可用于裝備各種類型的水面蒸發(fā)觀測(cè)站，取代繁瑣、復(fù)雜的傳統(tǒng)人工觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)水面蒸發(fā)量的自動(dòng)觀測(cè)、記錄。

一、自動(dòng)蒸發(fā)站系統(tǒng)組成及工作原理

（一）自動(dòng)蒸發(fā)站系統(tǒng)組成

自動(dòng)蒸發(fā)站主要是由一臺(tái)數(shù)字式水位測(cè)量系統(tǒng)和一個(gè)由單片計(jì)算機(jī)為核心的電氣控制裝置組合在一起的一臺(tái)機(jī)電一體化的設(shè)備，它用于檢測(cè)蒸發(fā)桶水位，控制補(bǔ)水泵和排水閥動(dòng)作，蒸發(fā)計(jì)與采集器通過系統(tǒng)內(nèi)部RS-485通訊總線通訊。水位計(jì)由靜水桶、光電旋轉(zhuǎn)編碼器、浮子、平衡重錘、固定于光電旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)軸上的圓形鋼絲繩掛輪，以及光電旋轉(zhuǎn)編碼器保護(hù)罩、底座等組成。控制水泵和電動(dòng)閥的繼電器在采集器內(nèi)，繼電器吸合時(shí)，水泵或者電動(dòng)閥開始工作，繼電器斷開，停止工作。蒸發(fā)站的靜水桶埋于觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的土中，靜水桶下部通過連通管與蒸發(fā)桶連接，與蒸發(fā)桶形成連通結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩者水面同步變化。雨量計(jì)采用0.1mm/min 高精度分辨率，其基本原理是雙翻斗機(jī)械式，輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)。供電部分采用大功率太陽能板和65AH鉛酸蓄電池的供電方式，保證不間斷的自動(dòng)供電。

（二）自動(dòng)蒸發(fā)站工作原理

自動(dòng)蒸發(fā)站系統(tǒng)以蒸發(fā)計(jì)、雨量計(jì)、溢流桶為基本觀測(cè)工具，以采集器自動(dòng)采集、處理、顯示蒸發(fā)、降水、溢流過程信息、自動(dòng)控制蒸發(fā)桶、溢流補(bǔ)、排水過程。采集器通過RS485/232通信接口分別與上位機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信連接，利用系統(tǒng)配套的應(yīng)用軟件可以實(shí)現(xiàn)水面蒸發(fā)過程信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及資料整編入庫。

投入運(yùn)行的蒸發(fā)站蒸發(fā)桶水位高度應(yīng)保持在水位標(biāo)志線上。無降水日時(shí)，采集器自動(dòng)采集蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度變化計(jì)算蒸發(fā)量。每當(dāng)蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度降至約定值（20mm）以下時(shí)，采集器在觀測(cè)日分界時(shí)刻（水文分界日為8：00，氣象分界日為20：00）控制補(bǔ)水泵工作，給蒸發(fā)桶、水圈自動(dòng)補(bǔ)水，使桶中水位恢復(fù)至水位標(biāo)志線高度。然后，以補(bǔ)水后的高度作為起測(cè)點(diǎn)，測(cè)量下一時(shí)段的蒸發(fā)量。

在降水日，當(dāng)蒸發(fā)桶水位升高至約定值（55mm）以上時(shí)，采集器驅(qū)動(dòng)電磁閥關(guān)閉，記錄此時(shí)的靜水桶的水位H1，然后采集器驅(qū)動(dòng)溢流水泵打開，當(dāng)靜水桶中的水面下降至約定值（30mm）時(shí)，采集器驅(qū)動(dòng)溢流泵停止工作，采集器記錄靜水桶的水位H2，此時(shí)記錄器計(jì)算此次排水高度差，從而根據(jù)測(cè)井的橫截面積s計(jì)算出此次的溢流量。采集器驅(qū)動(dòng)電磁閥打開，以便下次測(cè)量。

二、自動(dòng)蒸發(fā)站的安裝要求

自動(dòng)蒸發(fā)站的蒸發(fā)儀器應(yīng)安裝在四周空曠平坦，以保證氣流通暢。附近的山丘、建筑物、樹木、籬笆等障礙物所造成的遮擋率應(yīng)小于10%。其太陽能安裝在觀測(cè)場(chǎng)的北面，方向?yàn)槟掀?50，也是為了最大化利用太陽能的功效，保持電瓶電量充足。E-601型蒸發(fā)器的埋設(shè)，蒸發(fā)器口緣高出地面30.0cm，并保持水平。埋設(shè)時(shí)可用水準(zhǔn)儀進(jìn)行檢驗(yàn)，器口高差應(yīng)小于0.2cm。同時(shí)水圈應(yīng)緊靠蒸發(fā)桶，蒸發(fā)桶的外壁與水圈內(nèi)壁的間隙應(yīng)小于0.5cm。蒸發(fā)器四周設(shè)一寬50.0cm（包括防坍墻在內(nèi)）、高約22.5cm的土圈。土圈外層的防坍墻用磚砌而成。土圈北面留一小于40.0cm的觀測(cè)缺口。蒸發(fā)桶一般距離靜水桶2m左右（連接管），一是為了更好的靜水傳遞，提高精度。二是為了兩者之間在太陽照射時(shí)相互不受影響。雨量計(jì)的安裝，器口離地面高度0.7cm。

三、自動(dòng)蒸發(fā)站的運(yùn)行情況

（一）自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)與人工觀測(cè)對(duì)比蒸發(fā)量誤差分析

永泰水文站于2018年3月中旬引進(jìn)自動(dòng)蒸發(fā)站，運(yùn)行時(shí)間是從2018年5月1日開始。在運(yùn)行過程中信號(hào)傳送正常，數(shù)據(jù)較為完整。現(xiàn)在選取其運(yùn)行開始時(shí)間起至2018年6月30日這段時(shí)間內(nèi)，其蒸發(fā)觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)分析。

選取2018年5月1日至2018年6月30日之間60組自動(dòng)蒸發(fā)站的日蒸發(fā)量、降雨量與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，部分天數(shù)蒸發(fā)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)比較接近，但也有部分天數(shù)存在偏差。據(jù)統(tǒng)計(jì)蒸發(fā)量偏差1.0mm以上的有13次，偏差0.5mm-1.0mm的有15次；降雨量偏差1.0mm-3.0mm的有20次，降雨量偏差超過3.0mm以上有9次。若日降雨非常大時(shí)，自動(dòng)蒸發(fā)站測(cè)得降雨量與人工觀測(cè)降雨量差距會(huì)更大等。有此可見，自動(dòng)蒸發(fā)站觀測(cè)數(shù)據(jù)存在不穩(wěn)定性，存在的數(shù)據(jù)偏差的原因如下：可能存在人工觀測(cè)操作存在誤差；可能是兩個(gè)系統(tǒng)之間存在一定的系統(tǒng)誤差；也可能是自動(dòng)蒸發(fā)站的儀器參數(shù)設(shè)置有問題等。這些問題都需要通過長期的數(shù)據(jù)比對(duì)分析，找到其存在數(shù)據(jù)偏差的原因。

（二）自動(dòng)蒸發(fā)站存在的故障情況

自動(dòng)蒸發(fā)站在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)以下幾種故障4種故障情況。

1.補(bǔ)水故障。主要是自動(dòng)蒸發(fā)水位且又在8時(shí)正點(diǎn)小于20mm時(shí)，不自動(dòng)補(bǔ)水。

2.溢流故障。主要是自動(dòng)蒸發(fā)水位大于55mm，不自動(dòng)溢流。

3.傳輸故障。主要是在網(wǎng)頁上沒有顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)。

4.儀器故障。主要是儀器不能正常工作等。

若發(fā)現(xiàn)以上情況，應(yīng)及時(shí)查找原因、排除故障，使其恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

（三）自動(dòng)蒸發(fā)站的維護(hù)

清洗維護(hù)周期：汛期每月清洗一次，非汛期一個(gè)季度清洗一次。清洗維護(hù)之前應(yīng)斷開設(shè)備工作電源（采集儀上電源）。清洗維護(hù)應(yīng)在8時(shí)以后記錄完成一天的蒸發(fā)計(jì)算后（約8點(diǎn)5分之后）開始，下一個(gè)整點(diǎn)之前結(jié)束。清洗后的當(dāng)日數(shù)據(jù)可能比正常日數(shù)據(jù)略有偏小。

四、結(jié)論及建議

根據(jù)自動(dòng)蒸發(fā)站在永泰水文站的運(yùn)行情況，目前其觀測(cè)的數(shù)據(jù)存在不穩(wěn)定性，部分天數(shù)蒸發(fā)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)蒸發(fā)量差距比較大，需要通過的長期的數(shù)據(jù)觀測(cè)，經(jīng)過比對(duì)分析后方可替代常規(guī)人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行資料整編。

自動(dòng)蒸發(fā)站運(yùn)行過程值班人員應(yīng)每天不定時(shí)上網(wǎng)一次，確保網(wǎng)頁上有當(dāng)日數(shù)據(jù)，若無數(shù)據(jù)要檢查原因，確保傳輸正常。同時(shí)應(yīng)注意人工雨量與自動(dòng)蒸發(fā)儀器雨量的誤差，若發(fā)現(xiàn)以上雨量相差太大，要對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)量根據(jù)人工雨量進(jìn)行訂正。必要時(shí)對(duì)雨量記錄儀器進(jìn)行調(diào)試。錄入計(jì)算機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)自動(dòng)蒸發(fā)確因發(fā)生故障不能使用，采用人工觀測(cè)日蒸發(fā)量來彌補(bǔ)自動(dòng)缺失數(shù)據(jù)。每月應(yīng)對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行下載備份，防止自動(dòng)蒸發(fā)儀器或者計(jì)算機(jī)出現(xiàn)問題丟失數(shù)據(jù)。處理好這些細(xì)節(jié)問題，才能充分發(fā)揮信息化設(shè)備的作用，讓基層水文工作更加適應(yīng)現(xiàn)代化水文的要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳明，周天雄.新型自動(dòng)站大型蒸發(fā)器自動(dòng)測(cè)量值的誤差分析[J].科技資訊，2014（30）：48-49.