称重法自动遥测蒸发系统在洛古河站的应用.pdf

曲志强1，马尚男2，常春超1（1.松辽委水文局黑龙江上游水文水资源中心，黑龙江 黑河 164300；2.松辽委水文局嫩江水文水资源中心，黑龙江 齐齐哈尔 161000）摘 要称重法自动遥测蒸发系统与人工观测蒸发方式相比，能够更详细监测到要素的变化，适用性更广。文中论述了称重法自动遥测蒸发系统在洛古河站中的应用，并与人工称重法进行了比测分析，通过对比分析可以得出，称重法自动遥测蒸发系统适用于洛古河站的蒸发观测，实现了测站蒸发自动化监测，为提高蒸发观测自动化水平提供参考。关键词蒸发量；称重法自动遥测蒸发系统；洛古河站中图分类号 P332.2文献标识码B文章编号 10020624（2023）08002703称重法自动遥测蒸发系统在洛古河站的应用1 概 况洛古河水文站是黑龙江干流上游入口石勒喀河与额尔古纳河汇合后的控制站，国家基本水文站，测站测验河段顺直，集水面积36.8104km2，至河口距离2 811 km。洛古河站所处地域属寒温带大陆性季风气候，春季干旱，夏季多雨，秋季气温温差大，逐日平均气温从11月上旬稳定转为零下，至第二年4月下旬稳定回升到零上。洛古河站年平均气温在-5.0 左右，最低气温达-58.0，年平均蒸发量在630 mm左右。目前，黑龙江上游中心水文站观测蒸发量依然采用原始的人工称重法，如何提高蒸发观测自动化水平，降低测站职工劳动强度是现阶段需要探讨解决的问题。2 蒸发观测2.1 重要性液体表面发生的汽化现象叫做水面蒸发。蒸发是水循环的重要环节之一，也是水量平衡三要素中的一个，是计量水库、湖泊、河流等水体、水量损失的重要组成部分，是研究陆面蒸发最基本的数据。进行蒸发量变化的研究，对深入了解气候变化、探讨水分循环变化规律具有十分重要的意义。水利水电工程、用水量较大的工矿企业规划设计和管理等，也都需要水面蒸发资料1。2.2 影响因素1）气温的高低。分子在任何温度下都在不断地运动，液体的温度上升，分子的平均动能就会增大，从液面分离出去的分子数量也会增加，所以气温越高，液面的蒸发就越大。2）液体所在区域空气流动的速度。液面上方空气流动速度越快，通风越好，蒸发就越快。3）液面表面积大小。液面表面面积增大，处于液面表面的分子数目就越多，在同一时间下，分离出的分子数量就越多，所以液面面积越大，蒸发的速度就越快。2.3 常用方法现阶段洛古河水文站全年蒸发项目采用20 cm口径蒸发器人工称重法,每日 8 时观测，畅流期（69月）同时使用E-601B型蒸发器观测。2.4 人工观测误差来源1）人工读数误差。人工称重法是使用蒸发案秤测量 20 cm 口径蒸发器重量得到蒸发数据，使2023年第8期水文水资源东北水利水电 27用过程中，人工调整秤砣左右移动会对蒸发数据产生一定误差。2）设备误差。蒸发案秤在使用过程中出现生锈或秤轴不灵活都会造成蒸发数据偏差。3 称重法自动遥测蒸发系统3.1 设 备称重法自动遥测蒸发系统是专门针对20 cm口径蒸发器设计的全自动遥测蒸发系统，可以实现水面蒸发量的全自动测量，配合通信模块，实现远距离遥测。系统由20 cm口径高精度称重蒸发1套（含自动补水溢流装置1套配套2个高速蠕动泵、称重蒸发器1台、称重式雨量计1个、控制箱1个）、系统控制柜、高精度雨量计组成，也可根据条件需要选配气象多参数设备（如温度、湿度、大气压、风速、风向等）。1）自动补水溢流装置系统配备了1个30 L补水箱，里面搭载了2台自吸水泵，一台负责给口径蒸发器补水，另一台负责对蒸发器内多余的水溢流，2台自吸水泵通过主机进行自动控制。当蒸发器内地水面上升到人工设定的高度时，溢流泵会将水抽到补水箱里，直至蒸发器内的水位达到之前预设的高度。当蒸发器内水面下降到设定的高度时，补水泵开始介入工作，将水抽到蒸发器中，直至水位达到人工设定的高度。2）称重蒸发器称重式蒸发器主要由蒸发秤、蒸发秤座和蒸发秤盘组成，主要作用是称量蒸发器和雨量桶内水的重量。当雨量桶或者蒸发器被放置在蒸发秤盘上时，系统会对其自由状态下的重量进行称重。称重传感器与称重模块将测量皿中的水重量传送给控制系统主机，通过系统设定好的程序计算出水位变化高度，从而得出蒸发数值，并进行下一步的数据处理。3）翻斗式雨量计翻斗式雨量计主要是为了保证蒸发的高精度测量，该雨量计的精度可以达到0.01 mm，测量的雨强可以达到4.00 mm/min。该设备配备了截流阀和溢流阀，截流阀是为了截止雨水流入，溢流阀是为了控制雨水自动溢出，截流阀和溢流阀配合雨量观测时间与主机控制系统一起工作。雨量计内的称重传感器与称重模块将一定时间内的雨水重量传送给控制系统主机，控制系统主机会通过程序计算出雨天蒸发的水量，并将雨量数据上传主机。4）控制箱控制箱里有控制系统主机，是整套系统的大脑集成，主要任务是完成整套系统的工作流程和逻辑处理。控制主机在系统设定的模式下直接控制蒸发、雨量的称重变化模块和外设的开关量主要控制模块，并且负责与服务器的通讯和数据交换。蒸发、雨量、补水溢流系统内部的开关量模块控制外设，主要由控制模块负责调控并下发开关量指令。这里可以选择GPRS或北斗卫星，一般常用的是GPRS传输。太阳能、蓄电池对整套系统进行供电，如果是极寒条件下电池馈电严重，可以增加风力发电确保蓄电池电压能正常为系统供电。3.2 工作原理遥测蒸发器是一种水面雨量/蒸发量全自动测量装置。通过液面定位测针感应来调控补水和溢流泵工作，进而对蒸发器内的水面高度进行控制，实现设备自动补水、自动溢流。搭配数据传输系统，通过 GPRS 或北斗卫星将蒸发数据上传到指定服务器，进而实现蒸发观测自动化。3.3 安装注意事项1）必须选择符合水文蒸发观测规范的场地进行安装。2）高的仪器安装在北面，低的仪器依次安装在南面。3）在所有接线完成前，请勿给控制器通电，以免发生意外。4）设备数字信号传输采用高规格铜芯线缆，不可随便用一般电线代替，否则将可能产生错误信号。5）尽量避免使用超出电压要求的电源，更不能在不使用变压器的情况下直接使用交流电供电，以免造成设备损坏或电源干扰。如果因操作不当出现有电源干扰的现象，必须将设备主机用东北水利水电水文水资源2023年第8期 28收稿日期 2023-03-15的电源与动力装置电源分开，或者尝试在所有动力装置的电源端接突波吸收器来消除突波。3.4 设备测试方法1）蒸发测试：向蒸发皿内增加或减少一定量水（2 cm左右高的液面），系统会自动进行相应的排水和补水工作。完成操作后，等待13 min发送加测命令即可。2）雨量测试：用国家标准量筒量取1 mm水倒入雨量器顶端漏斗中，点击手动加测，等待约2 min后，在告警中查询到雨量值为1 mm左右。3.5 数据查看方法1）可以通过现场设备箱内的显示屏查看数据，显示有日蒸发量、降雨量等信息。2）微信公众号可查看日数据和实时数据。3）PC端登陆网站进入水文水资源管理平台，可查询站点详细情况和详细数据（蒸发降雨量、补排水量、电压和设备状态等）。4 数据比对分析为分析人工称重法与自动遥测蒸发系统数据之间的关系，通过数据进行比对分析，采用两者蒸发数据的对比差值、平均值、标准差、不确定度、一致率进行分析。1）将两种方法测量到的蒸发数值带入下式中：Xi=Ui-Ai（1）式中：Xi为第i次的对比差值；Ui为第i次人工观测的蒸发值；Ai为第i次称重法自动遥测蒸发系统测量的蒸发值。2）计算对比差值月平均值XX=()Ui-Ain（2）式中：n为对应天数。3）对比差值标准差的计算公式：=i=1n()Xi-X2n-1（3）4）不确定度用对比差值标准差的 2 倍表示，表示测量真值所在量值范围。5）一致率是用两种方法观测的蒸发数据相一致的程度，是对比差值小于其平均值标准差 2 倍的次数与其有效总次数的比值（用百分数表示）。2022年松辽委水文局黑龙江上游中心引入称重式自动遥测蒸发系统，并与20 cm口径蒸发器人工称重法观测的数据进行了比对分析。9月份，洛古河站人工称重法蒸发量67.0 mm，自动遥测蒸发系统蒸发量58.2 mm；10月份，洛古河站人工称重法蒸发量26.6 mm，自动遥测蒸发系统蒸发量23.8 mm。蒸发的对比差值在-1.2+1.3 mm之间，对比差值的月平均值在0.10.3 mm之间，标准差在0.390.55 mm之间，一致率在94%100%之间。5 设备分析优点：1）采用高精度精密称重传感器，蒸发精度可达到0.10 mm，观测时间最小可达30 min。2）该蒸发系统可配备精度为0.01 mm的翻斗雨量计，雨强可达4.00 mm/min；也可配备精度为0.01 mm的称重雨量计，雨量可达10.00 mm/min。3）具有自动补水溢流功能。4）测量时间可通过远程选择多种模式，能够看出1 d内的蒸发过程。缺点：1）为了保证蒸发数据准确，需要定期对蒸发皿进行清洗，仍然无法摆脱人工干预。2）雨量承雨口易被沙尘与杂物堵塞。3）蒸发皿和数据传输线连接位置易断。4）封冻期需要定时对台秤称面进行清理，减少残留碎冰对数据的影响。6 结 语与人工观测蒸发方式相比，称重式自动遥测蒸发系统能够更详细监测到要素的变化，适用性更广；通过对比分析，称重式自动遥测蒸发系统适用于洛古河站的蒸发观测，通过网络实时监控实现了测站蒸发自动化监测，为水文信息化建设提供可靠的技术条件。参 考 文 献1王春泽.水文知识读本 M.北京：中国水利水电出版社，2011.2023年第8期水文水资源东北水利水电：（1）29