FFZ-01Z 型數(shù)字式水面自動蒸發(fā)站的實際應(yīng)用

周明華 黃俊 黃新平

（1湖北省武漢市水文水資源勘測局 湖北武漢 430074 2湖北省宜昌市水文水資源勘測局 湖北宜昌 443003）

“自動水面蒸發(fā)站”的定義是指由組成蒸發(fā)站的蒸發(fā)計將蒸發(fā)桶內(nèi)的水位轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，雨量計提供降雨量，數(shù)據(jù)采集控制柜負(fù)責(zé)計算蒸發(fā)量和溢流量并且控制溢流裝置和補水裝置的運行，實現(xiàn)了無人值守、全自動數(shù)字化的水面蒸發(fā)量觀測站。

當(dāng)前應(yīng)用廣泛的FFZ-01Z型蒸發(fā)站設(shè)計的雨量計和蒸發(fā)計分辨率分別為0.1mm，溢流量的分辨率為0.01mm，符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求。自動蒸發(fā)設(shè)備采集到的降水量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)是以電子表格的形式輸出，在整編程序中可以直接應(yīng)用。FFZ-01Z型自動水面蒸發(fā)應(yīng)用的范圍廣泛，實用于各種類型需求的面蒸發(fā)觀測站。水面蒸發(fā)量的觀測,以往都是采用人工操作,一般每日進(jìn)行1~2次觀測，自動水面蒸發(fā)取代了人工值守觀測而實現(xiàn)水域水文蒸發(fā)量的自動采集、記錄、存儲。此外該設(shè)備還具備通信的功能。FFZ-01Z型蒸發(fā)站可與GPRS數(shù)據(jù)傳輸裝置連接組成遙測站，數(shù)據(jù)可通過無線傳輸出去。

1 FFZ-01Z 型數(shù)字式水面蒸發(fā)站系統(tǒng)的組成及工作原理

FFZ-01Z型蒸發(fā)站的蒸發(fā)計設(shè)計是根據(jù)水文站網(wǎng)上常用的水面蒸發(fā)器設(shè)備E-601型蒸發(fā)器研發(fā)的。它所有的構(gòu)造極其原理是按照《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》來設(shè)計的。所得出的蒸發(fā)量等同于E-601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量。

FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)站系統(tǒng)（以下稱“蒸發(fā)站”或“系統(tǒng)”）由數(shù)字水面蒸發(fā)計（以下稱蒸發(fā)計）、JFZ-01型數(shù)字雨量計（以下稱雨量計）、自動補水裝置、采集控制柜(以下稱采集器)、上位機系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成。

本蒸發(fā)站系統(tǒng)的觀測工具為蒸發(fā)計和雨量計，利用智能采集器自動采集、處理、顯示出蒸發(fā)量、降水量和溢流等信息，自動控制溢流和排水過程。采集器通過RS485/232通信接口分別與上位機系統(tǒng)、數(shù)傳通信機（RTU）連接，利用系統(tǒng)配套的應(yīng)用軟件可以實現(xiàn)水面蒸發(fā)過程信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測及資料整編的需求。

當(dāng)前廣泛投入使用的蒸發(fā)站的蒸發(fā)桶內(nèi)水位高度應(yīng)保持在水位標(biāo)志線（80mm）以上。一般觀測的水位在（70mm～90mm）之間。

當(dāng)無降水日時，采集器將根據(jù)自動采集的蒸發(fā)桶內(nèi)水位高度與上一時段采集的蒸發(fā)值來計算蒸發(fā)量。當(dāng)觀測到蒸發(fā)桶內(nèi)水位高度降至水位標(biāo)志線10mm以下時，采集器會自動在觀測日分界時間控制補水泵工作，給蒸發(fā)桶、水圈自動補水，使蒸發(fā)桶內(nèi)的水位恢復(fù)至規(guī)定的水位標(biāo)志線高度，再用補水后穩(wěn)定的水面高度作為觀測的起測點，用來測量下一時段的蒸發(fā)量。

當(dāng)有降水時，蒸發(fā)桶水位升高至水位標(biāo)志線10mm以上時，采集器的驅(qū)動電磁閥門關(guān)閉，記錄此時的水面高度，溢流泵工作排出測井中的水，當(dāng)測井中的水面下降到一定高度時，溢流泵停止工作，采集器記錄此時的水面高度，此時記錄器計算此次排水的高度差，從而根據(jù)測井的橫截面積計算出此次的溢流量，采集器再打開電磁閥等待下次溢流。

根據(jù)業(yè)內(nèi)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》的規(guī)定，水文蒸發(fā)量的計算公式為：

蒸發(fā)量=（蒸發(fā)桶上一時段的測量水位高度-本時段蒸發(fā)桶水位測量高度）+降水量-溢流量

一般情況下日蒸發(fā)量按以下式計算：

式中：E:表示水面蒸發(fā)量，單位：mm

h1：蒸發(fā)桶上一時段的測量水位高度（單位：mm）

h2：本時段蒸發(fā)桶水位測量高度（單位：mm）

h1、h2值由FFZ-01Z型數(shù)字水面蒸發(fā)計自動測量

p：表示被測時段內(nèi)的降水量，由JFZ-01Z型數(shù)字雨量自動測量（單位：mm）

q：表示被測時段內(nèi)的溢流量，由測井自動測量（單位：mm）

蒸發(fā)計可以在不改變蒸發(fā)桶周圍自然環(huán)境的情況下實時測量蒸發(fā)桶內(nèi)水位變化。蒸發(fā)計將測量的蒸發(fā)桶內(nèi)水位變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字量提供給采集器，采集器根據(jù)蒸發(fā)計提供的蒸發(fā)桶水位變化以及雨量、溢流等數(shù)據(jù)綜合計算出蒸發(fā)量。由于使用的是聯(lián)通容器，導(dǎo)致蒸發(fā)器容積增大。所以當(dāng)E-601型蒸發(fā)器的水位測量值為0.909mm時，表示實際的蒸發(fā)量為1mm。折算過程儀器設(shè)備里的程序會自動處理。對于需要同時進(jìn)行人工對比觀測的站，人工測針讀數(shù)應(yīng)該除以一個固定的折算系數(shù)才能與自動蒸發(fā)值作比較。

2 自動水面蒸發(fā)站數(shù)據(jù)處理

FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)站是采用PC機與上位機及采集器進(jìn)行相互連接的，采用RS485口和PC機相連接進(jìn)行實時采集數(shù)據(jù)，上位機記錄顯示蒸發(fā)傳感器值、蒸發(fā)值、雨量值、雨量累加值和溢流量累，并且能夠顯示各種狀態(tài)。采用Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和實現(xiàn)報表打印。通過上位機還可以修改各設(shè)備通信地址，標(biāo)定時間和標(biāo)定日分界。

最先使用時需選好端口號和設(shè)備地址后，點擊建立一個新數(shù)據(jù)庫，將下位機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱藬?shù)據(jù)庫中，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫后，將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)全部顯示到軟件中，將顯示到軟件的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到excel中，便于備份和下載，根據(jù)報表數(shù)據(jù)報表的日期和時間，可以生成某年某月日蒸發(fā)報表和年蒸發(fā)報表，使用方便快捷。

3 應(yīng)用實例及誤差分析

某某水文局自2014年5月份引進(jìn)FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)站在舵落口水文站進(jìn)行使用，人工觀測與FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)自動觀測從2014年5月同步進(jìn)行。儀器從開始投入使用到現(xiàn)階段運行良好，數(shù)據(jù)完整，可以作為分析資料。由于5月份屬于試運行階段，故5月資料未作為分析資料使用。

表1 舵落口站FFZ-01Z 型數(shù)字式自動蒸發(fā)與人工觀測月蒸發(fā)值誤差比較表

由表1可看出，用2014年6月至10月自動蒸發(fā)觀測值與人工觀測值的對比誤差結(jié)果進(jìn)行分析，月蒸發(fā)總量最大誤差2.9，月蒸發(fā)總量最小誤差-0.9，月最大誤差0.6，月最小誤差-0.3。從以上的比測成果的分析結(jié)果可以看出，F(xiàn)FZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)自動觀測的蒸發(fā)量與人工觀測的蒸發(fā)量誤差較小，符合業(yè)內(nèi)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》的規(guī)定。

4 結(jié)語

位于湖北武漢的舵落口水文站自2014年6-10月份通過應(yīng)用該FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)自動觀測設(shè)備觀測，得出的蒸發(fā)值與人工觀測值比測，取得了一段時期的比測成果。根據(jù)比測結(jié)果分析，該設(shè)備完全可代替人工觀測設(shè)備。舵落口站FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)自動觀測設(shè)備，可以有效提高工作效率，減輕勞動強度，而且操作簡單直觀、數(shù)據(jù)處理方便，在實際工作中具有較好的應(yīng)用價值。同時實現(xiàn)自動蒸發(fā)設(shè)備的信息化，可以使水文監(jiān)測事業(yè)與時代同步。同時該水文自動蒸發(fā)觀測設(shè)備的運用，加快了水文信息化建設(shè)的步伐，是實現(xiàn)水文現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和重要標(biāo)志。在實際應(yīng)用中為水文預(yù)報、防汛抗旱提供及時、可靠數(shù)據(jù)。