節(jié)水排灌中的蒸發(fā)量測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

曾 王宣，楊 楠

（1.南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099；2.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

0 前言

蒸發(fā)是水圈、大氣圈和生物圈水分和能量交換的主要過程，是水循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，是江河、湖泊、水庫(kù)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。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水資源的開發(fā)利用急劇增長(zhǎng)，供需矛盾日益尖銳；深入研究水資源價(jià)值在水資源納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)核算體系過程的地位和作用，要求我們更精確地進(jìn)行水資源的評(píng)估。水面蒸發(fā)觀測(cè)工作就是為了探索水體的水面蒸發(fā)及蒸發(fā)能力在不同地區(qū)和時(shí)間上的變化規(guī)律，為水資源的評(píng)價(jià)和科學(xué)研究提供可靠的依據(jù)。

在節(jié)水型社會(huì)管理體系中，對(duì)水資源的開發(fā)、利用、治理，將過去粗放式的管理方式改變?yōu)榧s式的現(xiàn)代管理方式，需建立水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水資源管理的信息化。水面蒸發(fā)測(cè)量研究能對(duì)水資源評(píng)價(jià)、農(nóng)田節(jié)水排灌提供多層次信息管理和決策支持手段。

1 研究的內(nèi)容

在項(xiàng)目開發(fā)前，我們對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)情況進(jìn)行了調(diào)研。目前國(guó)內(nèi)使用較多的蒸發(fā)測(cè)量?jī)x器主要有2 種：一種是采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器、靜水桶、浮子、平衡錘的方式來測(cè)量蒸發(fā)；另一種是由定位測(cè)針、電磁閥、量水桶構(gòu)成的水面蒸發(fā)量的自動(dòng)測(cè)量裝置。它們的測(cè)量分辨率為0.1 mm，準(zhǔn)確率為0.3 mm，均未達(dá)到國(guó)家《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》（SD256-88）0.1 mm的規(guī)范要求。因此，解決蒸發(fā)量測(cè)量的準(zhǔn)確率是研究的首要目標(biāo)，其次還要結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)由蒸發(fā)測(cè)量?jī)x、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、中心數(shù)據(jù)庫(kù)等組成的蒸發(fā)測(cè)量系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 蒸發(fā)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)問題

測(cè)量原理參見圖2。以步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)通過滑塊帶動(dòng)精密絲桿和測(cè)針作上、下運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)采用四相八拍結(jié)構(gòu)，單步轉(zhuǎn)角為1.8°，走200 步，即為一周，精密絲桿的螺距為1 mm，電機(jī)每走一步，測(cè)針直線上下運(yùn)行距離為0.005 mm，保證了測(cè)量的分辨率為0.005 mm。

單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，測(cè)針上行，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，測(cè)針下行，以某一定點(diǎn)為基準(zhǔn)，測(cè)針向下尋找蒸發(fā)皿的水面，測(cè)針觸水，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，蒸發(fā)儀記錄步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，爾后測(cè)針又立刻上行，脫水后又下行，以基準(zhǔn)點(diǎn)減去步進(jìn)電機(jī)測(cè)針的行程，得到蒸發(fā)皿水面高度H，從而得出蒸發(fā)量。

本蒸發(fā)自動(dòng)測(cè)試儀蒸發(fā)皿內(nèi)液面高度由測(cè)量?jī)x器液晶顯示器顯出，同時(shí)與相應(yīng)的時(shí)間一并儲(chǔ)存到固態(tài)存儲(chǔ)器內(nèi)，并可通過串行通信模塊遠(yuǎn)傳至計(jì)算機(jī)。當(dāng)儀器測(cè)到蒸發(fā)皿的水位降到規(guī)定的下限時(shí)，便自動(dòng)打開電磁閥，為蒸發(fā)皿加水，如遇降雨，蒸發(fā)皿內(nèi)的水位高于溢流口時(shí)，蒸發(fā)皿內(nèi)的多余的水將通過溢流口排出，溢流的水采用浮子加虹吸的計(jì)量方式，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)量的全自動(dòng)測(cè)試。

由于將步進(jìn)電機(jī)測(cè)針和測(cè)量筒一起被外罩封閉，測(cè)量精度不受外界影響。蒸發(fā)皿水面高度H 由以下公式表示：

式中：H—蒸發(fā)皿的水面高度（mm）；

A—設(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)高程（mm）；

X—步進(jìn)電機(jī)測(cè)針的行程（mm）。

圖2 蒸發(fā)自動(dòng)測(cè)試儀結(jié)構(gòu)圖

2.1 雷擊

在試驗(yàn)過程中，遇到雷雨天氣，蒸發(fā)測(cè)量?jī)x停止工作，后來經(jīng)過分析原因，雷電通過線纜引入了儀器主機(jī)，擊壞了主板。后經(jīng)分析，改進(jìn)方案如下：

（1）因傳感器在野外，距儀器有一段距離，兩者之間的連接線及受干擾，特別是受感應(yīng)雷的影響。將原先的PVC 護(hù)套管換成鍍鋅管，雷擊時(shí)，可以通過鍍鋅管至大地泄放，保護(hù)儀器主機(jī)。

（2）在儀器主機(jī)主板電路上和傳感器的接線電路上對(duì)地加一泄放二級(jí)管，當(dāng)雷擊電壓經(jīng)導(dǎo)線引入時(shí)，通過泄放二極管對(duì)地快速放電，對(duì)主板電路有保護(hù)作用。

2.2 連通水管內(nèi)的蟲子及雜物堵塞問題

連通軟管內(nèi)徑開始選取的是內(nèi)徑為6 mm的軟管，在一段時(shí)間后測(cè)站觀測(cè)人員發(fā)現(xiàn)人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)與儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)相差很大，對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行清洗時(shí)量筒里的水位不見下降（下降很緩慢）。懷疑軟管被堵塞了，用以細(xì)鐵絲和水對(duì)軟管內(nèi)部進(jìn)行清洗，發(fā)現(xiàn)有大量的蟲子及雜物。后來將軟管的直徑改為10 mm，并在蒸發(fā)器與測(cè)量筒連接導(dǎo)流管端頭加網(wǎng)片，防止蟲子及雜物的進(jìn)入。

2.3 冰凍問題

由于江西為南方天氣，零度以下的天氣不多，故對(duì)連接管防凍沒有考慮。以致傳感器里的量筒與蒸發(fā)皿之間連接軟管埋設(shè)時(shí)未作防凍處理，一遇冰凍天氣，管內(nèi)容易結(jié)冰。其內(nèi)部水不能正常流通，采取在導(dǎo)流管外側(cè)包裹一層保溫膜，防凍效果良好。

3 樣機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)

我們將樣機(jī)測(cè)量比對(duì)工作安排在江西省灌溉試驗(yàn)中心站進(jìn)行。

表1 江西省灌溉試驗(yàn)中心站6＃稻田兩種蒸發(fā)觀測(cè)方法比較 mm

（1）比對(duì)數(shù)據(jù)。水稻稻田蒸發(fā)觀測(cè)試驗(yàn)采取量測(cè)試驗(yàn)田測(cè)坑水位變化的方法，由人工每日8 時(shí)用測(cè)針從地面觀測(cè)測(cè)坑內(nèi)水位的變化為人工蒸發(fā)量觀測(cè)數(shù)據(jù)。在同一測(cè)坑內(nèi)同時(shí)段由蒸發(fā)測(cè)量樣機(jī)測(cè)量的水位變化數(shù)據(jù)記為儀器自記數(shù)據(jù)。

（2）測(cè)驗(yàn)方法。每日8 時(shí)通過測(cè)定稻田測(cè)坑水面的高度來計(jì)算稻田日蒸發(fā)量。

為了檢驗(yàn)儀器在正常使用過程中與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比相關(guān)性，以江西省灌溉試驗(yàn)中心站2012年6月19日至2012年7月31日6＃稻田人工與自記的相關(guān)蒸發(fā)資料進(jìn)行分析。通過表1（給出其中10 d的數(shù)據(jù)）分析，1 d、5 d的兩組觀測(cè)數(shù)據(jù)，t 檢驗(yàn)全部合格，證明沒有系統(tǒng)偏差。可以看出它們的相關(guān)系數(shù)r 都在0.96 以上，關(guān)系較好，相關(guān)線基本接近45°的直線。表明自記測(cè)定的日蒸發(fā)與人工測(cè)定的日蒸發(fā)有較好的相關(guān)性。

4 結(jié)語

蒸發(fā)作為區(qū)域水量平衡和能量平衡的主要成分，不僅在水循環(huán)和能量循環(huán)過程中具有極其重要的作用，而且也是生態(tài)過程與水文過程的重要紐帶。因此，開展以蒸發(fā)為核心的水資源管理的研究，對(duì)區(qū)域社會(huì)人水和諧發(fā)展具有重要的意義。目前，由于國(guó)家對(duì)重大災(zāi)害預(yù)警的重視，在氣象、水文及水資源監(jiān)控信息系統(tǒng)中，已經(jīng)普遍采用了基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信方式，關(guān)鍵是很多的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器技術(shù)落后和測(cè)量方式傳統(tǒng)，無法匹配，所以充分利用現(xiàn)有先進(jìn)的技術(shù)資源，開發(fā)研究基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸方式的蒸發(fā)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)于水利測(cè)量領(lǐng)域的其它參數(shù)測(cè)量，具有重要的借鑒作用，并可以加快研究成果轉(zhuǎn)化速度，具有現(xiàn)實(shí)推廣意義和廣闊的應(yīng)用前景。

［1］陳寶群，李曉寧，李艷花.微型水面蒸發(fā)器原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.氣象水文海洋儀器，2010（3）：1-5.

［2］劉 陽.基于嵌入式系統(tǒng)的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.重慶大學(xué)，2008.5.

［3］閔 騫.鄱陽湖水面蒸發(fā)量的計(jì)算與變化趨勢(shì)分析（1955-2004）［J］.湖泊科學(xué)，2006（5）.