自动蒸发设备在水文工作中的应用及误差分析

白声宇

摘要：结合四川省绵阳水文局灾后重建项目中设备建设和使用经验，简要对项目中的自动蒸发观测设备运行情况进行分析，着重介绍了设备运行中存在的各种影响设备正常工作的情况和误差检定，可为其他地区管理自动蒸发观测设备提供参考和经验借鉴，为保证蒸发设备正常工作提供实用、有效的管理方法。

关键词：水文测验；自动蒸发；影响因素；误差检定

1 前言

蒸发观测是水文测验工作中一项重要而严肃的测验科目。几十年来蒸发量一直沿用人工每日8：00准时观测并记录的方法，受大风、降雨的自然影响很大。近年来随着科技的发展，水文测验中的雨量、水位、流量等测验逐步走向自动化监测，不但减轻了一线水文职工的工作量，测验精度和时效性也大幅提升。自动蒸发观测设备也是近年来逐步开始使用的一种新型自动化监测设备，在四川省绵阳水文水资源勘测局（以下简称绵阳水文局）灾后重建项目中，部分测站安装了这种设备并已经运行了数年。在使用过程中，由于蒸发观测的复杂性和特殊性，导致设备运行初期不顺利。

复杂性，蒸发量的观测不仅仅是测量蒸发器中的水位高低，还涉及到加水量、溢流量、雨量，任何一条出现问题都会影响数据的准确。特殊性，每天都必须观测蒸发量而且只在8：00观测，少一天都是资料缺失，不能在其他时间观测。可是电子产品不可能无故障长期运行，一旦发生故障就会导致资料缺失、数据异常等无法挽回的错误。

2 自动蒸发系统介绍

2.1 自动雨量器

自动蒸发设备配套的自动雨量器精度为0.1mm，和普通自动雨量站配备的0.5mm自动雨量器相比精度高出很多，分为翻斗式和称重式两种测量方式，该设备技术已经很成熟，安装比较简单。

2.2 自动补水单元

自动补水单元由储水器和小型水泵组成，其工作原理为储水器中平时储满水，当蒸发器中水位低于设定值时，由控制器触发水泵工作，为蒸发器注水，控制器自动记录补水后蒸发器内水位值，作为下一日蒸发水位起算值。

2.3 自动溢流单元

自动溢流单元结构比较复杂，由水泵、溢流量测量设备组成与蒸发器之间由水管连通。由于溢流动作主要发生在降雨过程中，溢流量的多少不能简单通过测量蒸发器中水位变化值来确定，所以要为溢流抽出的水单独设置测量单元以记录溢流量。

2.4 蒸发器

由E601蒸发器、水圈、连接管组成，其上部由管道连接补水装置，下部由管道连接测量单元和溢流单元

2.5 电源系统

由太阳能电池板、充电控制器、蓄电池组成，连接到数据采集器，为整套系统供电。

2.6 上位机

上位机是电脑通过上位机程序监控设备运行情况，任何一台电脑安装上位机程序，通过数据线均可对设备运行情况进行实时监控，是判断设备运行是否正常最直接的工具。通过上位机程序，我们可以直观的监控设备的内部时钟，实时蒸发器水位、降雨量、溢流量、电压等重要参数，为判断设备运行情况提供重要参考，同时可随时备份蒸发数据。

2.7 测量及控制单元

测量及控制单元是自动蒸发系统中最复杂的部分，功能为测量蒸发器中水位值、收集雨量数据，同时根据蒸发器中水位情况判断是否需要补水、溢流。其内部由高精度浮子水位计、数据采集器（RTU）组成，下部为水位计储水桶，采用连通器原理通过管道与蒸发器相连，可有效减少波浪对测量精度的影响。RTU负责水位、雨量、补水量、溢流量、电压等重要数据的采集、计算和存储，同时控制补水单元和溢流单元的工作，是整套系统的大脑，是一个小而完善的微型计算机系统。系统组成见图1。

3 影响系统运行因素分析及处理

由于自动蒸发系统的复杂性，影响设备正常工作的因素很多，主要有：

⑴ 0.1mm自动雨量器故障

自动雨量器目前技术已经比较成熟，内部电子器件出厂前经过严格检测，一般都可以达到正常记录10万次以上，所以设备本身故障的几率非常低，但是不能忽略。运行过程中影响雨量器正常工作的情况主要为沙、土、杂物、鸟粪等异物进入仪器内部，造成雨量记录不准确。

针对以上问题，我们主要从两方面入手：一、所有测站原有的人工雨量器不能丢弃，作为备用设备保留，在自动雨量器故障时借用人工雨量数据计算。二、不定期检查雨量设备，清理承雨器及内部的异物，保持仪器清洁。由于设备在出厂和安装过程中均经过率定，通常情况下不需要对设备做率定检测。

⑵ 自动补水单元故障

由于自动补水单元结构相对简单，故障形式主要表现为水泵不工作和储水器中无水可用。水泵不工作可能为水泵故障或控制单元未发出指令；储水器中水量日常检查中注意即可。

⑶ 自动溢流单元故障

自动溢流单元通常在降雨过程中启动，所以故障会产生严重的后果：雨水从蒸发器中溢出导致蒸发严重偏大。对于自动溢流单元的运行情况，主要通过上位机在可能发生溢流动作的时候监控设备运行情况，如果发现溢流单元故障，需立即强制溢流，并做好记录，待天气转好后检查设备，排除故障。

⑷ 蒸发器的日常维护

蒸发器的日常维护与人工蒸发器相同，定期清洗，需注意的是自动蒸发器内部连接管道通过密封圈防漏，应尽量在清洗过程中避免碰撞。

⑸ 电源系统

电源系统可根据上位机实时监控各种工况信息，发现异常可及时处理。

⑹ 测量及控制单元故障

经过数年的运行，绵阳水文局安装的自动蒸发设备中测量及控制单元未出现设备损坏、电路烧毁等需要更换设备的严重故障，但是为了防止这样的严重情况发生，我们制订了如下操作流程：每日8：00定时通过上位机程序人工记录前一日蒸发量；对比设备时钟与标准北京时间差值，若差值超过5分钟，通过上位机程序校时。endprint

4 自动蒸发设备误差分析

选择风力很小、无雨的阴天对自动蒸发设备进行误差检定。首先测定蒸发器内原始水位，然后人为减少蒸发器中水量，人工测量减水后水位三次取平均值计算蒸发量，同时通过上位机程序记录自动蒸发设备测定值，反复操作多次，然后作对比分析。为了得到比较有代表性的数据，结合本地水文站历史蒸发情况，我前后共进行了80次操作，具体数据见表一，其中人工观测值为X；自动蒸发器记录值为Y；偏差值（%）为Z。

通过测量数据分别计算系统误差A；偏差在±3%内的测次所占比重 P3； 偏差在±5%内的测次所占比重 P5。A=∑Zi/N，其中zi为偏差值，N为总测次，代入数据得出A=-0.51%；P3=N3/N*100%，其中N为总测次，N3为偏差在±3%内的测次总数，代入数据得P3=90%；

P5=N5/N*100%，其中N为总测次，N5为偏差在±5%内的测次总数，代入数据得P5=97.5%。

成果判断条件 ①A=-0.51%，在±1%内，满足条件；

②P3=90%>75%，满足条件；

③P5=97.5%>95%，满足条件。

通过测试，自动蒸发器误差在允许范围内，可正常使用。

5 结语

对于自动蒸发设备的使用，我们仍处于起步阶段，部分站点使用情况不太理想。分析其原因，并非设备精度不达标，而是自动蒸发设备的使用和维护较人工蒸发设备复杂，无法减轻测站工作量。但是我们能看到自动蒸发设备也有它的优势：受自然因素影响很小、受人为因素影响很小，精度更高。只要能尽心维护，注意观察、备份，一定能收到良好的效果。

参考文献：

[1]水利电力部水利司.水文测验手册，1983 Water Resources Department of Ministry of Water Resources and Electric Power.Test Manual of Hydrologic，1983（in Chinese））

[2]中华人民共和国水利部.水文年鉴汇编刊印规范 2009.（Ministry of Water Resources of the People's Republic of China .Print standard compilation of hydrological Yearbook，2009（in Chinese））

Application and error analysis of automatic evaporation equipment in hydrological work

Bai Shengyu

（Mianyang hydrology and Water Resources Survey Bureau，Mianyang 621000，China）

Abstract： Combined with the experience of the construction and use of equipment in the Mianyang Hydrological Bureau of Sichuan Province，analysis of the operating conditions of automatic evaporation observation equipment in the project，this paper mainly introduces the normal operation of the equipment and the error detection，can provide reference and experience for other areas to manage automatic evaporation observation equipment，to provide practical and effective management method for ensuring the normal operation of evaporation equipment.

Key words：Hydrological test；Automatic evaporation；Influence factors；Error verificationendprint