自動蒸發系統在濟西水文科研基地中的應用

仇東山，蔣國民，鄭小樂

（濟南市水文局，山東 濟南 250002）

水面蒸發是指發生在自由水面上的蒸發過程，它反映一個地區蒸發能力的大小，是水文測驗中重要的水文要素之一，也是研究水循環過程中水量平衡的重要指標之一。本文只討論水面蒸發相關監測技術，針對濟南水文局濟西科研基地安裝的自動蒸發監測系統使用情況，結合前期蒸發傳統人工觀測流程、監測手段以及人工觀測數據的分析，論述蒸發自動監測的使用經驗和價值，以便更好地提高蒸發觀測的準確性、時效性。

1 原人工蒸發觀測存在問題

1.1 受外界因素影響較大，準確度、精度較低

濟西基地地處市郊，日常蒸發觀測是委托社會人員進行簡單的技術培訓后進行觀測，觀測數據的準確度、精度較低，數據質量得不到保障。

1.2 效率較低

人工觀測必須在每日8點進行定點觀測，同時進行補水、排水計算觀測，費時費力。

1.3 統計分析、資料整編功能低

人工觀測的蒸發數據只有在輸入計算機后才能進行數據的統計分析，時效性較低。

2 自動蒸發觀測系統功能描述

2.1 自動蒸發系統的主要結構和原理

自動蒸發系統主要由E601蒸發桶、水位測井、專用雨量計、智能測控器、電磁閥、DTU、相應管路以及數據接收系統組成。

自動蒸發系統保留前期的E601蒸發桶邊緣的測針底座和靜水器，在蒸發桶底部連接φ20mm連接水位測井桶，并保證測井桶水面與蒸發皿水面保持一致，補水裝置采用控制柜上方的蓄水箱通過電磁閥管路連接蒸發皿的進水口，溢水裝置通過電磁閥管路連接蒸發皿標準線以上的出水口至外部的儲水桶，其中，補水和進水都通過電磁閥來控制水量的大小。該自動蒸發系統的核心設備就是豎井的水位自動監測系統，水位監測主要依靠磁致伸縮傳感器，該設備具有高精度的水位變化分辨率，最大分辨率可達到0.0001m，水位豎井上覆蓋有遮陽板，防止陽光對水溫的影響。監測數據的轉發依靠設備箱內的RTU和DTU，傳輸線路使用公網的GPRS，時段蒸發量和當時豎井水位轉發時段為每4h一發，并在每日8時發送前一日的蒸發量。此外，自動蒸發監測系統輔助配套有0.1mm分辨率的翻斗式雨量計，在降水期間可實時采集降水量，并在平臺軟件中計算時段的凈蒸發量。

2.2 自動蒸發系統接收平臺

1）數據采集接收模塊。負責接收前段的時段（每4h和前一日）蒸發觀測數據包。

2）實時數據模塊。解析接收數據包，并計算實時水位和當前蒸發量。由于自動蒸發系統增加量水位豎井，需在計算蒸發量時，按原蒸發皿的1.1倍面積進行換算，同時顯示監測豎井的實時水位、當前蒸發量（距今日8時）、前日蒸發量、降水量、設備運行狀態等信息。

3）統計報表模塊。可對日、月、年的蒸發數據進行匯總，便于數據整編和分析，以EXCEL格式輸出，并且對日蒸發數據具有追溯性，便于發現監測數據出現跳變和異常。

4）系統設置模塊。平臺軟件在滿足傳輸帶寬的條件時可接入無線觀測點數據，同時也可接入降水、水位、墑情等自動化監測數據。

3 自動觀測與人工觀測對比分析

3.1 遙測數據連續性分析

圖18 .1～31日蒸發量變化曲線

3.2 數據比測分析

比測分析依據蒸發觀測規范，采用自動蒸發站的遙測數據與人工測針測量方式。由于自動蒸發站在每日8點（如果液位低于標志線10mm）進行補水操作，所以在人工測量分別在每日8點前和8:30后兩個時段進行，考慮到人工測驗誤差，又把長清崮山蒸發站（人工）納入到比測數據分析序列中。

比測期間經歷7月初至9月中旬，共計50組數據，日蒸發量變化區間1.5~5.4mm。比測分析見圖2、圖3。

經過分析這50組的比測數據，平均誤差為5.67%，大于20%的測次占總樣本的16%，誤差小于10%的測次占總樣本的66%，這些樣本序列不排除人工測量的系統誤差和FFH100的傳輸誤差，由圖2、圖3可以看出，FFH100自動蒸發站的遙測數據與人工實測數據相關性較強。

圖2 FFH-100遙測數據與人工實測對比分析

圖3 FFH-100遙測與人工比測數據對比分析

4 自動蒸發觀測優勢

4.1 蒸發監測準確度和精度大幅度提高

由于在原蒸發皿的基礎上外聯了水位豎井，水位豎井采用全密封，內部采用高精度的磁致伸縮傳感器，受外界干擾因素較小，更能保障監測數據的準確度和精度。

4.2 適合無人蒸發站觀測，提高觀測效率

水箱具有自動補水功能，并配有浮球閥，可外接自來水對水箱進行補水，水位測井能夠通過檢修閥直接排水，控制器模塊中可對電動閥體進行手動操作，減輕檢修清設備的勞動強度，提高效率。此外，由于軟件平臺的自動監測、自動轉發、自動統計分析功能，使蒸發監測數據可實時顯示，更適合未來的無人蒸發觀測的實施。

4.3 蒸發監測數據的統計功能大幅度提高

數據接收平臺將采集數據實時進入數據庫，提高了蒸發數據后期的統計分析功能，便于蒸發資料整編。

4.4 蒸發與降雨有效整合

該裝置配有蒸發專用的雨量計，使裝置在降雨期間仍能對蒸發量進行計量。