自動蒸發(fā)系統(tǒng)在濟西水文科研基地中的應(yīng)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(fā)是指發(fā)生在自由水面上的蒸發(fā)過程，它反映一個地區(qū)蒸發(fā)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(huán)過程中水量平衡的重要指標(biāo)之一。本文只討論水面蒸發(fā)相關(guān)監(jiān)測技術(shù)，針對濟南水文局濟西科研基地安裝的自動蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)使用情況，結(jié)合前期蒸發(fā)傳統(tǒng)人工觀測流程、監(jiān)測手段以及人工觀測數(shù)據(jù)的分析，論述蒸發(fā)自動監(jiān)測的使用經(jīng)驗和價值，以便更好地提高蒸發(fā)觀測的準(zhǔn)確性、時效性。

1 原人工蒸發(fā)觀測存在問題

1.1 受外界因素影響較大，準(zhǔn)確度、精度較低

濟西基地地處市郊，日常蒸發(fā)觀測是委托社會人員進行簡單的技術(shù)培訓(xùn)后進行觀測，觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度、精度較低，數(shù)據(jù)質(zhì)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(tǒng)計分析、資料整編功能低

人工觀測的蒸發(fā)數(shù)據(jù)只有在輸入計算機后才能進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，時效性較低。

2 自動蒸發(fā)觀測系統(tǒng)功能描述

2.1 自動蒸發(fā)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和原理

自動蒸發(fā)系統(tǒng)主要由E601蒸發(fā)桶、水位測井、專用雨量計、智能測控器、電磁閥、DTU、相應(yīng)管路以及數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)組成。

自動蒸發(fā)系統(tǒng)保留前期的E601蒸發(fā)桶邊緣的測針底座和靜水器，在蒸發(fā)桶底部連接φ20mm連接水位測井桶，并保證測井桶水面與蒸發(fā)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(fā)皿的進水口，溢水裝置通過電磁閥管路連接蒸發(fā)皿標(biāo)準(zhǔn)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(fā)系統(tǒng)的核心設(shè)備就是豎井的水位自動監(jiān)測系統(tǒng)，水位監(jiān)測主要依靠磁致伸縮傳感器，該設(shè)備具有高精度的水位變化分辨率，最大分辨率可達(dá)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(jiān)測數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)依靠設(shè)備箱內(nèi)的RTU和DTU，傳輸線路使用公網(wǎng)的GPRS，時段蒸發(fā)量和當(dāng)時豎井水位轉(zhuǎn)發(fā)時段為每4h一發(fā)，并在每日8時發(fā)送前一日的蒸發(fā)量。此外，自動蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)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(fā)量。

2.2 自動蒸發(fā)系統(tǒng)接收平臺

1）數(shù)據(jù)采集接收模塊。負(fù)責(zé)接收前段的時段（每4h和前一日）蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)包。

2）實時數(shù)據(jù)模塊。解析接收數(shù)據(jù)包，并計算實時水位和當(dāng)前蒸發(fā)量。由于自動蒸發(fā)系統(tǒng)增加量水位豎井，需在計算蒸發(fā)量時，按原蒸發(fā)皿的1.1倍面積進行換算，同時顯示監(jiān)測豎井的實時水位、當(dāng)前蒸發(fā)量（距今日8時）、前日蒸發(fā)量、降水量、設(shè)備運行狀態(tài)等信息。

3）統(tǒng)計報表模塊?？蓪θ?、月、年的蒸發(fā)數(shù)據(jù)進行匯總，便于數(shù)據(jù)整編和分析，以EXCEL格式輸出，并且對日蒸發(fā)數(shù)據(jù)具有追溯性，便于發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變和異常。

4）系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)，同時也可接入降水、水位、墑情等自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 自動觀測與人工觀測對比分析

3.1 遙測數(shù)據(jù)連續(xù)性分析

圖18 .1～31日蒸發(fā)量變化曲線

3.2 數(shù)據(jù)比測分析

比測分析依據(jù)蒸發(fā)觀測規(guī)范，采用自動蒸發(fā)站的遙測數(shù)據(jù)與人工測針測量方式。由于自動蒸發(fā)站在每日8點（如果液位低于標(biāo)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(fā)站（人工）納入到比測數(shù)據(jù)分析序列中。

比測期間經(jīng)歷7月初至9月中旬，共計50組數(shù)據(jù)，日蒸發(fā)量變化區(qū)間1.5~5.4mm。比測分析見圖2、圖3。

經(jīng)過分析這50組的比測數(shù)據(jù)，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(tǒng)誤差和FFH100的傳輸誤差，由圖2、圖3可以看出，F(xiàn)FH100自動蒸發(fā)站的遙測數(shù)據(jù)與人工實測數(shù)據(jù)相關(guān)性較強。

圖2 FFH-100遙測數(shù)據(jù)與人工實測對比分析

圖3 FFH-100遙測與人工比測數(shù)據(jù)對比分析

4 自動蒸發(fā)觀測優(yōu)勢

4.1 蒸發(fā)監(jiān)測準(zhǔn)確度和精度大幅度提高

由于在原蒸發(fā)皿的基礎(chǔ)上外聯(lián)了水位豎井，水位豎井采用全密封，內(nèi)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(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精度。

4.2 適合無人蒸發(fā)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(shè)備的勞動強度，提高效率。此外，由于軟件平臺的自動監(jiān)測、自動轉(zhuǎn)發(fā)、自動統(tǒng)計分析功能，使蒸發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)可實時顯示，更適合未來的無人蒸發(fā)觀測的實施。

4.3 蒸發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計功能大幅度提高

數(shù)據(jù)接收平臺將采集數(shù)據(jù)實時進入數(shù)據(jù)庫，提高了蒸發(fā)數(shù)據(jù)后期的統(tǒng)計分析功能，便于蒸發(fā)資料整編。

4.4 蒸發(fā)與降雨有效整合

該裝置配有蒸發(fā)專用的雨量計，使裝置在降雨期間仍能對蒸發(fā)量進行計量。