FFZ-01Z自动水面蒸发站在陡河水库站的应用

李绍坤

（河北省唐山水文勘测研究中心，河北 唐山 063000）

蒸发观测要求数据比较严格，同时蒸发数据又受外部环境因素影响较大，尤其是下雨天，下雨溅出水滴会造成称重数出现误差。人工称重在实际应用中受环境影响较大，故在追求实时性的同时，对日常观测蒸发数据方式进行了更改，以自动观测逐步替代人工观测，自动观测受外部环境因素影响小，从而保证了观测数据的准确性。本文对6—10 月FFZ-01Z自动水面蒸发站（以下简称自动蒸发站）自动观测数据进行了分析。

1 自动蒸发站组成及工作原理

1.1 自动蒸发站组成

自动蒸发站由FFZ-01型数字水面蒸发计（以下简称数字蒸发计）、JFZ-01 型数字雨量计（以下简称数字雨量计）、自动补水装置、采集控制柜（以下简称采集器）、上位机系统和供电系统组成。

自动蒸发站的数字蒸发计、数字雨量计的分辨率为0.1 mm，溢流量分辨率为0.01 mm，符合水文行业水面蒸发观测规范的要求［1］，导出的降水量、蒸发量数据表格形式符合水文资料整编程序要求，从而取代繁琐的人工观测，实现水面蒸发量的自动观测、记录。此自动水面蒸发站只用于4—10 月，其他月份依然采用20 cm蒸发器观测。

1.2 自动蒸发站工作原理

自动蒸发站共有2 个基本功能即蒸发量观测及降雨量观测。通过采集器采集、处理、显示蒸发量、降雨量、溢流量以及当前平滑水位。采集器通过RS485/232 的通信接口分别与RTU 及远端传输系统相连接［2］，实现水面蒸发过程远程监测以及蒸发数据下载整编录入的目标。

蒸发桶水位高度保持在水位标志线上，一般蒸发桶水位在70 ～90 mm。当没有降雨时，通过蒸发桶水位高度的变化计算当日蒸发量。当蒸发桶内水位低于70 mm 时，补水泵会在观测日分界时自动进行补水，使桶内水位恢复至标志线高度，待补水后水位平稳，自动蒸发仪器会进行下一时段的蒸发量计算。

当出现降雨时，蒸发桶内水位升高至最大数值（标志线以上10 mm），电磁阀门会自动关闭，采集器记录当前水面高度，排水泵工作将多余水排出，当水位降到允许范围内时，排水泵关闭，采集器记录当前水面高度，计算出此次水位的高度差，根据横截面算出此次的溢流量，最后再打开电磁阀等待下次溢流情况的出现。

根据《水面蒸发观测规范》规定，蒸发量的计算公式为蒸发量=（蒸发桶前一时段水位值-蒸发桶本时段水位值）+降水量-溢流量[3]，即：

式中：E为水面蒸发量（mm）；h1为蒸发桶前一时段水位值（mm）；h2为蒸发桶本时段水位值（mm）；h1，h2值由数字蒸发计自动测量；p为被测时段内的降水量（mm），由数字雨量计提供；q为被测时段内的溢流量（mm），由测井自动测量。

数字雨量计由承雨器组件、筒身、底座、降水开关组件、测量组件、泄水电磁阀等组成，分辨率0.1 mm，承雨口直径200+0.60 mm，刃口锐角40°～45°，降雨强度测量范围0.01～8 mm/min。其依靠浮子输出信号：①RS485 接口，输出实时累计降雨量、雨量编码器真值、相关报警信号；②脉冲接口，每0.1 mm 降雨量继电器输出触点接通1 次，接通时间100 ms，最小间隔400 ms，接点容量≤24VDC/0.2A，雨量存储容量大于3000 mm或大于1.5 a。

降雨由数字雨量计承雨器取样收集，经降水开关组件进入测量组件中的计量筒，持续降雨引起计量筒内水位升高，计量筒内浮子随之升高，带动测轮驱动光电编码器同步旋转，编码器即可输出与降水高度相对应的编码数据。控制电路自动识别筒内水面高度，当筒内水面上升到设定高水位值时打开泄水电磁阀泄水，使水面迅速降至设定的低水位值上，然后自动关闭泄水电磁阀，继续工作。同时，控制电路自动记录泄水后水位高度及泄水期间的翻斗次数，计算泄水期间的降水量，并做插补记录。隆水开关组的翻斗作用是产生“降雨开始/雨停”信号，并参考其翻动频率计算雨强和泄水期间的降雨补偿以及传感器唤醒控制信号［4］。

2 自动蒸发站数据处理

自动蒸发站与GPRS 数据传输装置连接组成遥测站，采集器通过RS485接口和PC 端相连接进行实时数据采集，同时可以记录显示当天及前两天的蒸发值、雨量值、雨量累加值、溢流量、平滑水位、前一时蒸发值。PC 端利用Access 数据库进行数据处理和实现报表打印。通过PC 端蒸发软件还可以修改设备通信地址，标定时间和日分界等系统值。

2.1 采集器收集数据

采集器具有实时记录蒸发数据功能，可存储约10 a 的数据，当遇到断电时具有保护数据功能。蒸发数据采用循环记录方式，显示的是最近3 d的蒸发情况，3 d之前的蒸发数据被覆盖。蒸发数据每小时记录1次，每条记录数据包括当前记录的日期时间、蒸发量、溢流量、降雨量、水温、平滑水位、各设备工作状态、电源电压等，如图1所示。

图1 实时信息显示

图1 中蒸发值、雨量值、溢流量值、水位值单位均为mm，电压值单位为V，温度值单位为℃。

2.2 PC端处理数据

PC 端与蒸发观测设备连接可以有2 种方式：485总线和网络光端机。这2种方式只能选择其中1种，485 总线通信距离小于1000 m，网络光端机通信距离小于20000 m。陡河水库站采用的是网络光端机与PC端相连，对网络传输实时性要求比较高。

通过PC端软件，能实时监测蒸发值、降雨值、溢流量、蒸发累加值等数据，同时还可以将这些采集到的数值下载制成表格形式，供后期整编工作使用。

3 自动蒸发站应用实例

陡河水库站于2015 年引进该自动设备，并在同年进行了人工与自动的比测，自动仪器从开始运行一直处于最佳状态，数据传输无误，可以作为分析资料。这里，主要对6—10 月进行了逐月比测，比测数据详见表1。

表1 陡河水库站自动蒸发站与人工观测蒸发量比测mm

表1 中人工数值均由实际人工值乘以相关系数得到，6—10 月人工与自动观测月蒸发总量最大误差为2.9 mm，最小误差为-1.1 mm；月最大误差为0.4 mm，月最小误差为0。从比测的成果可以看出，自动蒸发站自动观测值与人工观测值误差较小［4］，符合《水面蒸发观测规范》的规定。

自动蒸发站观测数据的准确性，对水库管理中心计算水库日消耗量有很大用处，为水库精准化调水起到积极作用。为确保数据更准确，水库雨量数据一直采用人工与自动比测方式进行，以确保数据不出差错，同时防止出现设备故障导致的数据漏采。自动蒸发站基本实现了水库站蒸发实时监测的目标，数据的准确性也再次得到认证，为水库站精准开展防汛调水工作起到数据支撑作用，同时进一步推动了水文监测方式向自动化方向迈进。

4 结语

自动蒸发站的使用在实现水文观测自动化的同时，极大地提高了观测数据准确率，减少了人工任务量，实现了网络在线监测，使水文监测方式与时俱进，更好地为防汛提供有力数据。同时，该自动蒸发站在实际工作中也存在一些不足：①当水位低于70 mm 时补水泵会自动打开进行补水，但不足之处在于补水桶的水需要人工加水，今后是否考虑直接通过补水桶连接自来水管线，由补水桶内的浮球阀自动控制进水（本身设备有此功能，只是本站未使用）；②水圈中的水不能够自动更换，长此以往水圈内水会变少且可能变质，需要人工操作解决，未实现全自动化；③设备随着时间推移出现时间点不准确的情况，或快或慢，蒸发数值采集点（尤其是每日8时这一时间点）存在一定的误差；④目前该自动蒸发站仅限于4—10 月使用，气温较低时的使用问题还需解决，从而达到全年水文自动化观测的目的。