勐朗水文站全自動稱重式蒸發比測

高觀林 郭健

摘? 要：蒸發量的自動監測是水文氣象自動化建設的難題，全自動稱重式蒸發系統是集補水溢流、定時稱重、適時計算、及時傳輸為一體的全新系統，在本地區勐朗水文站安裝應用后，同傳統水面觀測的蒸發量作對比，獲得了大量的比測數據。通過對系統的結構、運行的可靠性、數據的精度以及存在的問題進行研究分析，得出全自動稱重式蒸發系統在理論精度較高的同時能實現蒸發及雨量的可靠測量的結論，具備代替人工蒸發及雨量測量的潛力，可以推廣應用。

關鍵詞：勐朗水文站;蒸發量;全自動稱重式蒸發系統

中圖分類號：P332? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0084-02

Abstract： The automatic monitoring of evaporation is a difficult problem in the construction of hydrometeorological automation. The automatic weighing evaporation system is a brand-new system which integrates replenishment overflow， timing weighing， timely calculation and timely transmission. After installation and application in Menglang Hydrological Station in this area， compared with the evaporation of traditional water surface observation， a large number of comparative data have been obtained. Through the research and analysis of the structure， operation reliability， data accuracy and existing problems of the system， it is concluded that the automatic weighing evaporation system can realize the reliable measurement of evaporation and rainfall while having high theoretical accuracy， hence has the potential to replace artificial evaporation and rainfall measurement， and can be popularized and applied.

Keywords： Menglang Hydrological Station; evaporation; automatic weighing evaporation system

1 概述

在水文蒸發監測實踐中，水面蒸發量以及降水和水位等多個水文參數相同，均為水文測驗過程中的重要參數。同時，也存在著一定的差異，就自動觀測，同時這也是國內外遇到的共同棘手問題。水面蒸發的測量在蒸發站進行，現有技術存在著的問題主要表現為水面形狀易變形、不固定，而且水面波動對測量精度會產生較大的影響，進而影響其精度，同時難以實現真正的無人值守。隨著科技水平的不斷提升，現階段國內水文信息化技術水平不斷提升，同時降雨量、流量以及水位等監測自動化水平不斷提升。實踐中為了進一步對比分析不同類型的水文站情況，我分局在2019年7月引進了一套TEZ-601全自動稱重式蒸發系統，并在2019年7月開始在勐朗水文站與人工觀測蒸發開展同步比測工作。

2 選型依據及市場技術水平

蒸發問題：目前市場上大部分自動蒸發系統都因傳感器本身誤差大，導致精度要求不能滿足規范的0.1mm精度，造成蒸發至今不能實現自動化，嚴重影響了水文現代化的進程。而TEZ-601自動稱重蒸發系統從原理上解決了這個問題，采用信號放大的方法，利用天平的精度使蒸發的測量精度提高到了100倍，完全解決了傳感器本身誤差大的根源。由于技術局限性造成蒸發至今不能實現自動化，嚴重影響了水文現代化的進程。如TEZ-601全自動稱重式蒸發系統結果可行、實用、有效，將為現代水文測驗方式理念、新技術、新應用的學習和使用提供強有力的科學數據支撐，提高對新形勢下水文測報的新需求。

傳統的水面蒸發量的觀測，都是采用測針在每天08：00定時進行人工觀測[1]，并計算日蒸發量。引進全自動稱重式蒸發系統取代了人工值守觀測，實現了水面蒸發量的全自動采集、記錄、存儲，其相較于現有的測量方式而言，測量精度更高，配合通信模塊，很方便地實現遠距離數據遙測，同時系統穩定可靠。

3 全自動稱重式蒸發系統的組成及工作原理

3.1 系統組成

全自動稱重式蒸發系統由控制箱、稱重蒸發儀、補水溢流系統、稱重式雨量計四部分組成，其硬件模塊結構見圖1。

3.1.1 控制箱

控制箱的控制系統主機是整套系統的神經中樞，主要負責整套系統的工作流程和邏輯處理。控制主機直接控制蒸發和雨量的稱重變送模塊和外設開關量主控模塊，另外還負責與服務器通訊和數據交換。外設控制模塊主要負責蒸發、雨量、補水溢流系統內部的開關量模塊控制，下發開關量指令。通訊模塊GPRS主要是與服務器進行數據透傳交換。太陽能與充電控制器負責對整套系統進行供電。

3.1.2 稱重蒸發儀

稱重系統用于稱量蒸發皿和雨量桶內水的重量，稱重系統包括蒸發秤、蒸發秤座和蒸發秤盤，當蒸發皿/雨量桶被電動推桿帶動放置在蒸發秤盤上時，蒸發皿/雨量桶應當不再受到電動推桿的力，使其保持自由狀態下進行稱重。稱重傳感器與稱重模塊將測量皿中的水重量傳送給控制系統主機，由控制主機通過水的體積和密度關系計算出水位變化高度，從而得出E601水位變化高度，以及進行下一步的數據匯報。升降裝置與截水閥配合測量皿一起工作，使稱重傳感器始終保持最佳狀態。

3.1.3 補水溢流系統

該系統配備了一個60L補水箱，補水箱上部有2臺高速自吸水泵，一臺負責補水，一臺負責溢流，通過主機進行自動控制。當E601蒸發皿內水面上升到“上警戒高度（軟件設置）”時，溢流泵開始啟動，將E601蒸發皿內的水抽到補水箱中，直至水位達到預設高度（軟件設置）。反之，當E601蒸發皿內水面下降到“下警戒高度（軟件設置）”時，補水泵開始啟動，將補水箱內的水抽到E601蒸發皿中，直至水位達到預設高度（軟件設置）。

3.1.4 稱重式雨量計

為了保證蒸發的高精度測量，全自動稱重式蒸發系統配備了稱重式雨量計，該雨量計的精度可以達到0.01mm，量程可達80mm/5min。截流閥與溢流閥是截止雨水流入與雨水自動溢出的裝置，主要是配合雨量觀測時間與主機控制系統邏輯一起工作。雨量內的稱重傳感器與稱重模塊將一定時間內的雨水重量傳送給控制系統主機，由控制系統主機來計算雨天蒸發量，同時上報雨量或進行其他操作。

3.2 工作原理

全自動稱重式蒸發系統依據傳統E601蒸發皿基礎上通過連通器的原理，結合信號放大方法，采用高精度精密稱重傳感器實現對蒸發量的測量，蒸發精度可達到0.01mm，測量不受風雨影響，觀測時間最小可達30分鐘。該儀器默認的工作模式是“24h”模式，即蒸發每隔24小時觀測一次，每次的觀測時間為早上8：00。系統內置9種工作模式，包括8種常規工作模式和加測模式，能夠看出一天內的蒸發過程圖。勐朗水文站于2019年7月正式進入比測階段，采用人工觀測與全自動稱重式蒸發系統觀測同步進行。本分析報告從2019年7月18日至2019年12月31日共167天對人工觀測蒸發和自動遙測蒸發進行了數據比測。

4 全自動稱重式蒸發系統應用誤差對比分析

4.1 月降雨量誤差分析

全自動稱重式蒸發系統雨量觀測分辨率很高可以達到0.01mm，完全安裝水文規范5分鐘進行一次數據采集。通過對2019年7月18日至2019年12月31日的稱重式雨量計與人工觀測雨量進行了數據比對，自動雨量比人工雨量偏小，自動雨量精度還是比較有保障的，自設備安裝比測期間降雨量都很小，有待進一步驗證。

4.2日蒸發量誤差分析

全自動稱重式蒸發系統觀測采用2019年7月-2019年12月的日蒸發量數據進行分析，誤差<±1.0mm達83.8%，誤差≥1.0mm僅16.2%，日最大誤差為1.7mm。

4.3 月蒸發量誤差分析

全自動蒸發觀測采用2019年7月-2019年12月的各月蒸發總量數據進行分析，月蒸發總量最大絕對誤差-12.5mm，月蒸發總量最小絕對誤差0.4 mm。從以上的比測成果的分析結果可以看出，全自動稱重式蒸發系統與人工觀測的蒸發量誤差較小，符合觀測技術要求。

5 結束語

全自動稱重式蒸發系統與人工觀測的方法對同一地測量的降雨量和蒸發量的差別不明顯，系統自安裝以來穩定，沒有出現過連續幾天的設備故障及數據中斷問題，這說明全自動稱重式蒸發系統的測量結果在理論精度較高的同時能實現蒸發及雨量的可靠測量，具備代替人工蒸發及雨量測量的潛力。通過對2019年7月-2019年12月的自動觀測數據與人工觀測數據對比分析，在同步比測過程中，注意提高比測精度，全自動稱重式蒸發系統觀測所得的日、月蒸發量完全可以滿足《水面蒸發觀測規范》的技術要求。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利行業標準.SL 630-2013水面蒸發觀測規范[S].北京：中國水利水電出版社，2013.

[2]周明華，黃俊，黃新平.FFZ-01Z型數字式水面自動蒸發站的實際應用[J].資源節約與環保，2015（3）：107-112.

[3]阮川平，韋廣龍.ZFZ-01數字式水面蒸發自動站在南寧水文站的應用[J].廣西水利水電，2011（03）：42-44.

[4]黃江輝，丁奕，許偉強.一種自動蒸發器的應用試驗分析[J].浙江水利科技，2015（5）：99-103.