自動蒸發(fā)站研發(fā)與應用探討

雷夢佳 易 剛 彭英杰 孔維正 張侃侃

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410007）

0 引 言

水面蒸發(fā)指水面的水分從液態(tài)轉化為氣態(tài)逸出水面的過程。水面蒸發(fā)包括水分化汽（又稱汽化）和水汽擴散兩個過程[1]。水面蒸發(fā)是水循環(huán)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，是水庫、湖泊等水體水量損失的主要部分，也是研究陸面蒸發(fā)的基本參證資料。在防汛抗旱、工程建設、水資源管理及科學研究等方面，搜集蒸發(fā)基本資料都有用到水面蒸發(fā)觀測。目前我國用于蒸發(fā)的測量有?20 cm 的小型蒸發(fā)皿和E601型蒸發(fā)皿兩種，觀測方法以人工觀測為主。在地面氣象觀測中，以往大多使用?20 cm的小型蒸發(fā)皿，曾有專業(yè)人員用15 a的夏季水面蒸發(fā)量觀測資料作對比，發(fā)現(xiàn)?20的蒸發(fā)皿測得的蒸發(fā)量比E601型測量的偏大75.8%[2]。

目前基本水文站一般使用E601 型蒸發(fā)皿，采用測針（分辨力為0.1 mm，量程為70 mm或100 mm）每天8時定時進行人工觀測并計算日蒸發(fā)量。這種耗費人力的方式不能對水面蒸發(fā)的日變化過程定量描述、不能實現(xiàn)蒸發(fā)量信息的自動存儲和遠程傳輸，更不能在蒸發(fā)皿受大風或異常干擾而出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時自我校正。人工觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量不僅與人員素質(zhì)有關，也與工作人員的不同觀測習慣有關，這影響到自動蒸發(fā)對比數(shù)據(jù)的誤差大小。因此在信息化高速發(fā)展的今天，亟待有數(shù)據(jù)精準、運行可靠的全自動智能蒸發(fā)監(jiān)測設備來替代人工。

1 蒸發(fā)量計算

《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL 630-2013）的日蒸發(fā)量計算如式（1）所示[3]：

式中：E為水面蒸發(fā)量；P為日降雨量；h1-h2為前日與當日的蒸發(fā)器液面高度之差；∑h溢為前日8 時至當日8 時溢流水量之和；∑h加( )補 為前日8時至當日8時加入水量之和；∑h取( )汲 為前日8時至當日8時取出水量之和；單位均為mm。

人工觀測與自動監(jiān)測在計算方法上有新的變化。人工計算是基于當日8 時至次日8 時的日總量值，在風和日麗沒有干擾且觀測人員經(jīng)驗豐富的情況下，用電測針測出的數(shù)據(jù)是完全可信的。但若有異物落入蒸發(fā)皿，水體受干擾時，人工觀測得出的結果必然會有誤差。這時自動觀測可以按照細化到分鐘級別的原始數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這一異常跳變，記錄并剔除這個不合理值，即自動蒸發(fā)中的數(shù)據(jù)智能識別。降雨時，該情況尤為值得考慮。理想狀態(tài)下，人工觀測的降雨量稍多于蒸發(fā)皿上漲的液位值（假設無溢流），則可計算出合理的日蒸發(fā)值，但因風速、風向、安裝位置等因素影響，可能會導致兩種情況：①液位漲值大于觀測雨量值，則日蒸發(fā)量出現(xiàn)負值；②液位漲值大大低于觀測雨量值，則計算出的日蒸發(fā)量會出現(xiàn)不合理性偏大。可以這樣理解，公式（1）中，P原本應該用實際落入到蒸發(fā)皿中的降水量來計算，但現(xiàn)代科技手段不能精準測出這個真實值，只能用另設的一個人工雨量觀測值來代替，所以出現(xiàn)了差異。

通過自動觀測，每5 min 觀測的蒸發(fā)皿液位以及雨量值都可以實時精準監(jiān)測，但自動蒸發(fā)計算可能會出現(xiàn)下面的問題：假如某天只有2 h 有降雨，其余時段無降雨，且傳感器數(shù)據(jù)可靠無異常（22 h 的蒸發(fā)值正常），若這2 h 的蒸發(fā)值計算出來是負值，這個負值參與計算會使日蒸發(fā)量值偏小。若采用翻斗雨量計與口徑618 mm的E601型蒸發(fā)皿觀測，降雨時根據(jù)其液位變化可計算出各時段內(nèi)的蒸發(fā)皿所承受的降水量，利用數(shù)據(jù)相關性可準確判斷出雨量計是否淤堵。降雨時用液位漲值與相應時段雨量計值的相關對比就可以說明自身數(shù)據(jù)的可信度高低，既可以看出液位與降雨量是否同步，又能體現(xiàn)出蒸發(fā)皿與雨量計各自承受降水量的細微差別。

從計算方法上看，自動蒸發(fā)觀測與人工觀測的最大區(qū)別是什么時候降雨、雨強多大，通過蒸發(fā)皿液位和雨量計的全時段自動觀測可一目了然，分時段數(shù)據(jù)的對比能看出設備的好壞與精度，微分精準的分時段原始數(shù)據(jù)又保證了日蒸發(fā)量結果的準確度。

2 自動蒸發(fā)技術方法對比

自動蒸發(fā)觀測若要替代人工觀測，原則上必須數(shù)據(jù)要準、運行要可靠。目前的自動蒸發(fā)站設計，按傳感器安裝方式可分為蒸發(fā)皿外安裝和蒸發(fā)皿內(nèi)安裝。蒸發(fā)皿外安裝即傳感器裝在另外一個測井內(nèi)，以連通器原理實現(xiàn)對蒸發(fā)皿內(nèi)的液位測量。傳感器測井大小會影響蒸發(fā)皿液位的實際值大小，蒸發(fā)皿液位下降時，測井內(nèi)的水會回流。而對于蒸發(fā)皿內(nèi)安裝，傳感器因占據(jù)部分水體面積而影響到水體蒸發(fā)，傳感器所占蒸發(fā)皿水體面積之比越小，則誤差越小、越接近蒸發(fā)皿真實蒸發(fā)值。假如能做到傳感器象一根針那樣插在水中就能實現(xiàn)液位測量，則測量結果更接近理想真值。

自動蒸發(fā)站中最重要的是雨量與液位的觀測。液位觀測方法可分為浮子式、補水計量式、稱重式、聲學與光學法、磁致伸縮式。

（1）浮子式工作原理是用連通管將E601 型蒸發(fā)皿水體與“靜水井”相連，用高精度、高分辨率的浮子式水位計測量“靜水井”的水位，也就測得了E601 型蒸發(fā)皿內(nèi)的液位變化，如圖1所示。由于“靜水井”等設施的存在，浮子式液位觀測方法的水體較E601 型蒸發(fā)皿大，兩者觀測到的數(shù)據(jù)存在偏差，同時碼盤、編碼器也存在誤差，水位計的數(shù)據(jù)作為間接結果，需要按綜合折算系數(shù)將自動蒸發(fā)儀觀測數(shù)值轉換為標準蒸發(fā)值。這是一款研發(fā)較早、仿照傳統(tǒng)水情自動測報系統(tǒng)水位測井方式的設計、能成熟穩(wěn)定使用的設備。

圖1 浮子式測井結構示意圖

（2）補水計量式目前運用較少，主要依據(jù)動態(tài)水量平衡原理[4]。在系統(tǒng)完成整個水面蒸發(fā)測定過程中，蒸發(fā)皿內(nèi)的液位保持不變，恒壓供水裝置負責補水，受控制溢出的水量可通過自動計量設備測定。無降雨時，在單位時間內(nèi)流入的水量減去溢出的水量，差值即為蒸發(fā)量。這種動態(tài)定量補水的方式，是否影響水面的汽化值得商榷。

（3）稱重式測蒸發(fā)是近幾年推出的新產(chǎn)品，仍然是連通器的原理。小測桶的液位隨著與之連通的E601 型蒸發(fā)皿的液位變化而變化，通過測出小測桶內(nèi)水體的重量，按密度、系數(shù)換算成相對的液位值。測重傳感器測量精度高，但冬天與夏天的幾十攝氏度溫差、內(nèi)地與西藏幾千米的氣壓差、干凈水與臟污水體的密度改變，是否會影響最終計算結果的精度需要進一步考慮。

（4）聲學法是利用超聲波收發(fā)裝置測出超聲波從發(fā)射頭到反射面的傳播時間，從而計算出距離，精度一般是厘米級別。光學法是用激光收發(fā)器測出激光從發(fā)射頭到反射面的時間，再算出距離。點激光的測量精度很高，小量程的可做到微米級別。由于是點激光，則測量管所占E601型蒸發(fā)皿水體面積比上述幾種方式大大縮小，結果更接近E601型蒸發(fā)皿標準蒸發(fā)值。

（5）磁致伸縮線性液位傳感器主要由波導絲、測桿、電子倉和套在測桿上的非接觸浮子（內(nèi)裝有永久磁鐵）組成，原理結構如圖2所示。當傳感器工作時，電子倉內(nèi)的電路產(chǎn)生“起始脈沖”，脈沖沿波導絲恒速傳輸，同時產(chǎn)生沿著波導絲跟隨脈沖前進的旋轉磁場，當該磁場與浮子的永久磁場相遇時，產(chǎn)生磁致伸縮效應，使波導絲發(fā)生扭動，這一扭動被電子倉內(nèi)感知并轉換成“終止脈沖”。通過計算時間差即可測出其位移量，進而得到液位值。由原理可知，磁致伸縮液位計既具備浮子式液位計精準反應液位變化的優(yōu)點，又避免了如微動開關等接觸式器件易損壞、影響壽命的問題。波導絲作為脈沖傳輸介質(zhì)，本身特性是穩(wěn)定的，不像空氣或液體等介質(zhì)會有一些變化。磁尺輸出的是真正的絕對數(shù)值，不需要定期重新標定，測量過程無須重歸回零位。

圖2 磁致伸縮液位計結構圖

磁致液位計具有較高的測量精度，能可靠識別0.1 mm的微量變化，其具體性能指標見表1。磁致液位計在蒸發(fā)監(jiān)測使用場景中存在其測桿與浮球易發(fā)生黏滯的問題。設備在運行一段時間臟污之后，一點小小的污物導致的摩擦阻力會讓浮球被卡阻，反應出的現(xiàn)象是液位數(shù)據(jù)數(shù)小時至十幾小時不變，若變則變化一個幅度較大的值（不符合水面蒸發(fā)的緩變物理過程），黏滯使蒸發(fā)液位的變化不能準確實時地測量出來。

表1 磁致液位計性能指標

針對磁致液位計黏滯問題設計了專利殼體，使得測出的數(shù)據(jù)不但靈敏度很高，在防污防黏滯的同時還具有另一個優(yōu)勢：冬天在測管內(nèi)加入適量防凍油，能順利實現(xiàn)南方地區(qū)薄冰期自動蒸發(fā)站不停測。對于液位傳感器的選擇，應在保證精度和可靠性的前提下，首選占蒸發(fā)皿水體面積小的液位傳感器，測量即可直接得出準確結果，避免間接換算而產(chǎn)生誤差。該液位計殼體管徑為35 mm，僅占E601型蒸發(fā)皿水體面積的0.3%，能有效減小蒸發(fā)測量系統(tǒng)誤差。液位計可直接裝于E601型蒸發(fā)皿內(nèi)側壁，不用挖土另建測井，便于老站的改造。

3 觀測實驗數(shù)據(jù)分析

通過持續(xù)對自動蒸發(fā)站的研究，對多個試運行比測站點的數(shù)據(jù)觀察分析，逐步發(fā)現(xiàn)問題并不斷改進監(jiān)測方法，整個蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)日趨穩(wěn)定成熟，在此對所研發(fā)的自動蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)進行簡單介紹與數(shù)據(jù)分析。

自動蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)按功能應用分觀測場、本地管理站、云端網(wǎng)頁3 部分，系統(tǒng)組成見圖3。觀測場包括箱體（RTU（Remote Terminal Unit）、溫濕度計、光板、電池）、液位計（安裝于E601 型蒸發(fā)皿內(nèi)側）、雨量計和全自動加排水設施。RTU 采用工業(yè)5 寸彩色觸摸屏。本地管理站是通過有線或無線將本地水文站辦公室PC 機與RTU 相連，辦公室PC 機可直接操控RTU，進行設備調(diào)試、參數(shù)讀寫、整理等。室內(nèi)操作免去了維護人員在室外的風吹日曬之苦。云端網(wǎng)頁是系統(tǒng)設計了云平臺Web 網(wǎng)站——水文氣象信息自動監(jiān)測集控管理平臺。這一功能的設計，方便相關工作人員和決策者隨時從網(wǎng)頁實時獲取自動蒸發(fā)站的實時信息，包括日蒸發(fā)量、小時降水量、蒸發(fā)器水面高度、綜合過程線、全景圖等。

圖3 自動蒸發(fā)站系統(tǒng)組成圖

從多站的運行比測可看出，磁致液位計數(shù)據(jù)精度和可靠性比傳感器直接裸裝于蒸發(fā)皿內(nèi)要好[5]。選取南方區(qū)域雁池和株洲自動蒸發(fā)站的部分夏季實際運行數(shù)據(jù)，進行翻斗雨量計、人工觀測雨量、E601型蒸發(fā)皿液位漲值的對比，見表2。雁池站位于湖南省石門縣雁池鄉(xiāng)雁池水文站，東經(jīng)110°55′，北緯29°48′。雁池水文站為澧水支流渫水上游及皂市水庫入庫站，屬于省級重要水文站。株洲站位于湖南省株洲市蘆淞區(qū)王塔沖，東經(jīng)113°80′，北緯26°47′，毗鄰湘江。

表2 2021年不同站翻斗日雨量、人工觀測日雨量與蒸發(fā)皿液位對照

表2 中，自動翻斗雨量值、人工觀測雨量和E601 型蒸發(fā)皿的液位漲值分別是3 個相距數(shù)米遠的不同容器所體現(xiàn)出降雨時的對應觀測數(shù)據(jù)。雁池站2021年9月16日人工觀測日雨量為0.2 mm，而翻斗雨量和蒸發(fā)皿內(nèi)液位漲值均為0，株洲站2021年7月27日人工觀測日雨量為0，而翻斗雨量和蒸發(fā)皿內(nèi)液位漲值均為0.1 mm。翻斗雨量與液位漲值對于有雨或者無雨監(jiān)測的同步一致性說明了自動觀測方法的可靠性，同時也說明了人工觀測本身就可能存在誤讀或誤記，不能作為自動觀測誤差衡量的唯一參考標準。

此外，表2顯示3個不同觀測對象的值作為3個獨立變量，既有在降雨日變化必然的相關一致性，也有各自不同的細微差異性。從大量的原始數(shù)據(jù)觀察得出，這樣的細微差異是客觀真實存在的，可以簡單理解為雨下得不均勻。同理，這也很難在降雨時，觀測到其自動蒸發(fā)觀測值與人工蒸發(fā)觀測值絕對的一致。

表3 數(shù)據(jù)為兩個測站1 h 液位漲值與1 h 翻斗雨量計值的對比。兩個測站1 h 翻斗雨量值與液位上漲值最大誤差是0.3 mm。相應時段兩個對應數(shù)據(jù)的高同步性印證了磁致液位計的高精準性。

表3 2021年不同日期降雨時蒸發(fā)皿液位漲值與翻斗雨量計值1 h對比

以往做自動與人工的數(shù)據(jù)比測，均是采用兩個E601型標準蒸發(fā)皿，雨量也是翻斗雨量計與人工觀測雨量計的兩套數(shù)據(jù)。但經(jīng)過自動蒸發(fā)測試研究發(fā)現(xiàn)，同樣類型的磁致液位計分別觀測兩個E601 型蒸發(fā)皿，每天的蒸發(fā)量值會有偏差，水體較臟的一個蒸發(fā)量偏小。為了證明不是液位計的原因造成，將兩液位計再安裝于同一個蒸發(fā)皿內(nèi)觀測，每日數(shù)據(jù)就變成一致了。這個實驗證明兩個不同蒸發(fā)皿水體的蒸發(fā)量是存在細微差異的。由此也推測，自動觀測與人工觀測的20 cm 口徑兩個雨量計，得到的日觀測數(shù)據(jù)也是會存在差異，除非將翻斗雨量計的雨水完全接入人工觀測玻璃瓶中，這樣所得的對比數(shù)據(jù)才更科學。今后在比測中可另外安裝一個35 mm 直徑的磁致液位計在人工觀測蒸發(fā)皿中，僅作為全時段的人工池液位數(shù)據(jù)采集用（不自動加排水），有了兩個液位傳感器的數(shù)據(jù)與人工觀測值的對比，則會得出更科學合理的比測結果。

4 結 語

綜合自動蒸發(fā)站研究的對比分析，液位計選型以解決黏滯問題的磁致液位計為最優(yōu)。磁致液位計因不受海拔高度、溫度氣壓限制和小口徑占E601型蒸發(fā)皿水體面積小等優(yōu)點，而具有廣泛的適用性。除了北方冬天蒸發(fā)皿整個水體凍成冰不能使用，特別適合南方地區(qū)全周期自動蒸發(fā)觀測。小型優(yōu)化的外觀設計降低了蒸發(fā)站改造安裝的建設成本。

隨著技術不斷進步，自動化程度會更高。自動設備的職責就是做人力所不及、人力所不能之事。如果自動觀測設備仍是模仿人工模式，只觀測8時的數(shù)據(jù)，或監(jiān)測間隔時段很稀疏，則似乎對不住“自動觀測”這一名稱。對于自動蒸發(fā)站，是否可以逐步達成共識，除了應有一些常規(guī)功能外，液位與雨量應按照《水利監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》[6]每5 min采集存儲，且RTU具有智能數(shù)據(jù)識別功能，對大風、人或動物造成的異常數(shù)據(jù)能及時發(fā)現(xiàn)、記錄和剔除，同時RTU 的南方薄冰期不停測功能對于自動蒸發(fā)站也頗有價值。

自動蒸發(fā)設備若能得到制度化的定期運維，則必能保證長期穩(wěn)定可靠的運行。目前設備加入了人工智能，不久后可能會有自動自清洗功能。全時段精準的原始大數(shù)據(jù)必能為今后的科學研究提供更豐富的基礎數(shù)據(jù)支撐。