CJH-E1型降雨蒸發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)踐

陳興農(nóng) 李儀 張德佩 湯黎明 肖博文

摘 ?要：為有效實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)的自動(dòng)記錄與存儲(chǔ)，長(zhǎng)江委水文局研制生產(chǎn)的CJH-E1型降雨蒸發(fā)系統(tǒng)，具有計(jì)量精準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。該文介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能、工作過程及簡(jiǎn)易操作流程。并以黃家港水文站的比測(cè)為例，分別以天、月為單位，分析了該系統(tǒng)的降雨、蒸發(fā)誤差，從而計(jì)算出單月、總量的平均誤差，能夠滿足《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》。為該系統(tǒng)的順利投產(chǎn)提供了理論與實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：蒸發(fā)系統(tǒng) ?結(jié)構(gòu) ?原理 ?比測(cè)分析

中圖分類號(hào)：P332 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2020）11（b）-0062-05

Abstract： In order to effectively realize the automatic recording and storage of evaporation， cjh-e1 rainfall evaporation system developed by Hydrological Bureau of Yangtze River Commission has the advantages of accurate measurement， simple structure， convenient operation and stable operation. This paper introduces the structure， performance， working process and simple operation flow of the system. Taking huangjiagang hydrological station as an example， the rainfall and evaporation errors of the system are analyzed in the unit of days and months， so as to calculate the average error of single month and total amount， which can meet the requirements of "water surface evaporation observation specification". It provides a theoretical and practical basis for the smooth operation of the system.

Key Words： Evaporation system; Structure; Principle; Comparative analysis

黃家港水文站位于丹江口大壩下游6km處，是大壩的出庫(kù)控制站，多年來(lái)，為丹江口水庫(kù)下泄流量、生態(tài)調(diào)水，以及漢江中下游防汛抗旱起到了尖兵和耳目的作用。該站的蒸發(fā)觀測(cè)為丹江口水庫(kù)的水量平衡、氣象因子分析等提供了理論依據(jù)。隨著長(zhǎng)江水文自動(dòng)化、信息化的建設(shè)，如何實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)觀測(cè)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)等一直困擾著水文基層職工。經(jīng)長(zhǎng)江委水文局技術(shù)中心研制并生產(chǎn)的CJH-E1型降雨蒸發(fā)系統(tǒng)，自2018年在該站投入運(yùn)行以來(lái)，一直較穩(wěn)定，并成功收集了完整的比測(cè)資料。經(jīng)分析，其平均偏差滿足《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》規(guī)范要求。

1 ?CHJ-E1型降雨蒸發(fā)器主要性能

1.1 蒸發(fā)器構(gòu)造

CJH-E1型降雨蒸發(fā)系統(tǒng)由E601B蒸發(fā)皿、數(shù)字式雨量計(jì)、蒸發(fā)測(cè)量傳感器、采集控制器、給排水設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸及供電設(shè)備組成。

其中蒸發(fā)系統(tǒng)由E601B蒸發(fā)器（溫度傳感器、蒸發(fā)測(cè)針）、蒸發(fā)器給排水設(shè)備組成，雨量采集設(shè)備由承雨口、雨量筒、雨量傳感器以及給排水設(shè)備組成。

1.2 工作模式

CHJ-E1型降雨蒸發(fā)系統(tǒng)可滿足人工觀測(cè)與儀器自記，其中E601B蒸發(fā)器水面高度利用測(cè)針進(jìn)行人工觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)測(cè)針放置在蒸發(fā)桶外壁的測(cè)針底座上，調(diào)節(jié)測(cè)針高度使得測(cè)針針尖剛好接觸水面，此時(shí)測(cè)針讀數(shù)即為水面高度。記錄單位觀測(cè)時(shí)間內(nèi)液面高度差，即可得蒸發(fā)量。

蒸發(fā)量自記系統(tǒng)也利用E601B蒸發(fā)器，通過連通管與蒸發(fā)測(cè)量筒相連，蒸發(fā)器液面高度改變會(huì)影響測(cè)量筒內(nèi)浮球位置，使傳感器記錄數(shù)據(jù)。降雨自記系統(tǒng)傳感器通過雨量筒液面變化記錄雨量。在降雨期間，采集該時(shí)段累計(jì)降雨量，降雨結(jié)束后，控制器以蒸發(fā)桶內(nèi)水位數(shù)據(jù)扣除降雨量，并將該水位作為量測(cè)下一時(shí)段蒸發(fā)量的起點(diǎn)。自記系統(tǒng)傳感器采用磁致伸縮傳感器，測(cè)驗(yàn)量程均為330 mm，精度為0.01 mm，滿足水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范。

在安裝降雨、蒸發(fā)器的測(cè)量桶時(shí)采用單點(diǎn)懸掛結(jié)構(gòu)，保證測(cè)量筒一直處于鉛直狀態(tài)，確保測(cè)量記錄精度。

1.3 主要性能特點(diǎn)

（1）該系統(tǒng)采用行業(yè)最先進(jìn)的傳感器，分辨力達(dá)10 μm，完全滿足水文氣象行業(yè)蒸發(fā)和降雨觀測(cè)規(guī)范要求。

（2）采用抗風(fēng)浪設(shè)計(jì)，大大減小了風(fēng)浪因素干擾造成的測(cè)量誤差，既適合陸地水面蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)，也適合大水體水面蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)。

（3）雙傳感器互補(bǔ)測(cè)量，計(jì)量精度不受降雨強(qiáng)度影響。

（4）友好的用戶訪問解決方案，可以通過手機(jī)發(fā)送短信指令，查詢系統(tǒng)工作狀態(tài)。

（5）超低功耗設(shè)計(jì)，38 Ah的蓄電池供電，在不充電的情況下可以持續(xù)工作1個(gè)月以上。

（6）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)既可以采用有線方式傳輸，也可以無(wú)線方式傳輸，安裝方便靈活。

2 ?系統(tǒng)安裝調(diào)試

該蒸發(fā)系統(tǒng)由太陽(yáng)能浮充，12 V鉛酸蓄電池供電，控制器根據(jù)規(guī)定的任務(wù)，定時(shí)采集電池電壓、雨量傳感器液位高度、蒸發(fā)傳感器液位高度、水溫等信息，并根據(jù)需要將采集的信息發(fā)送到數(shù)據(jù)接收平臺(tái)，數(shù)據(jù)接收平臺(tái)根據(jù)各個(gè)時(shí)刻的容器液位值，計(jì)算日降雨量和日蒸發(fā)量。

2.1 蒸發(fā)安裝

蒸發(fā)系統(tǒng)主要包括蒸發(fā)器、蒸發(fā)測(cè)量筒、給排水系統(tǒng)的安裝調(diào)試。

測(cè)量筒的安裝：測(cè)量筒安裝應(yīng)盡量保持豎直，安裝時(shí)可以在筒上標(biāo)最高水位線H4（近似和蒸發(fā)器的溢流孔等高）和最低水位線H1（在溢流表孔下方6 cm），以便后期維護(hù)比測(cè)，也可以在蒸發(fā)器內(nèi)壁標(biāo)上同樣的水位線。可以通過充水試驗(yàn)來(lái)確定水位線的位置。該蒸發(fā)系統(tǒng)沒有溢流筒，為了準(zhǔn)確計(jì)量，溢流孔應(yīng)該用橡皮塞堵住。

補(bǔ)水桶的安裝：補(bǔ)水桶和連通器之間設(shè)置有補(bǔ)水閥，正常工作時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，需要補(bǔ)水時(shí)閥門自動(dòng)打開給連通器補(bǔ)水（補(bǔ)水閥直接與自來(lái)水管相連）。

蒸發(fā)人工排水閥的使用：系統(tǒng)維護(hù)時(shí)，當(dāng)需要降低連通器的水位時(shí)，可打開人工排水閥。清洗蒸發(fā)測(cè)量筒時(shí)關(guān)閉清洗閥，打開蒸發(fā)人工排水閥可以排除污水。

清洗閥的使用：清洗E601B蒸發(fā)器時(shí)，可以關(guān)閉清洗閥防止空氣進(jìn)入連通管路形成栓塞，避免測(cè)量數(shù)據(jù)失真，另外還可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)人工閥的開度，減小測(cè)量誤差。

整個(gè)蒸發(fā)液位工作過程如圖2所示，蒸發(fā)采集管路部分主要由蒸發(fā)傳感器、測(cè)量筒、連通閥、蒸發(fā)人工排水閥、蒸發(fā)自動(dòng)排水閥、補(bǔ)水閥、清洗閥、E601B蒸發(fā)器等組成。正常工作時(shí)連通閥和清洗閥處于打開狀態(tài)，其他閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，蒸發(fā)器和測(cè)量筒構(gòu)成一個(gè)連通器，確保E601B蒸發(fā)器與蒸發(fā)測(cè)量筒的液位高度一致。當(dāng)由于太陽(yáng)或者風(fēng)的原因，E601B蒸發(fā)器里面的液位降低時(shí)，蒸發(fā)測(cè)量筒的液位相應(yīng)地降低。

2.2 雨量安裝

圖2左側(cè)部分是雨量采集設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖，主要由承雨口、導(dǎo)流管、雨量傳感器、雨量筒、雨量自動(dòng)排水閥、雨量人工排水閥等組成。

在安裝過程中要根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，承雨口必須水平安裝。雨量導(dǎo)流管上端和承雨口漏斗末端連接，下端和雨量筒的進(jìn)水口連接，連接部位應(yīng)做到密封。

排水管及閥門的安裝：雨量筒的最下端有排水孔，雨量人工排水閥、雨量自動(dòng)排水閥和雨量筒最下端的排水孔通過三通相連，各水管接頭處應(yīng)該密封。平時(shí)各閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)筒內(nèi)水位達(dá)到預(yù)定高度時(shí)雨量自動(dòng)排水閥將會(huì)打開啟動(dòng)排水，水位高度降低到預(yù)定高度時(shí)，閥門會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。清洗雨量筒時(shí)可以打開雨量人工排水閥以排除污水，清洗完畢閥門應(yīng)關(guān)閉。

為了保證測(cè)量精度，雨量筒應(yīng)盡可能豎直。該系統(tǒng)通過重力作用來(lái)保證雨量筒處于豎直狀態(tài)。

2.3 系統(tǒng)調(diào)試

蒸發(fā)連通器水面初始化后有少許空氣滯留在管路中容易形成栓塞影響水的流動(dòng)性，需要進(jìn)行“排氣”操作。圖2右側(cè)蒸發(fā)器中的水經(jīng)過清洗閥后分成兩路，一路通往蒸發(fā)自動(dòng)排水閥和補(bǔ)水閥用作給排水管，另一路通往測(cè)量筒形成連通器，使用時(shí)這2根管子可以互換。通常空氣栓塞對(duì)用作給排水的管路影響小，可以不排氣，只用對(duì)連通管進(jìn)行排氣操作。如圖2所示，排氣分向左排氣和向右排氣兩步進(jìn)行。

（1）向左排氣。完成向E601B蒸發(fā)器注水后，如圖2所示打開蒸發(fā)人工排水閥，讓水從E601B沿管路流出，沖出管中氣泡。為了提高水流速度使排氣更徹底，可以在排水閥末端接一截硅膠軟管，使管口下垂，提高排水水頭以提高水流速度。

（2）向右排氣。有時(shí)由于管路敷設(shè)不平向左排氣不徹底需要向右排氣，即水流從人工排水閥流入到E601B蒸發(fā)器中。如圖3所示向右排氣示意圖左側(cè)，備好一桶水（水量大于10 L）和一根虹吸管，將水桶放置在儀器柜頂上，虹吸管一段放在水桶中啟動(dòng)虹吸管使水流出，打開蒸發(fā)人工排水閥使水流出，然后將虹吸管的另一端接在人工排水閥的管口實(shí)現(xiàn)向右排氣，待水快吸完時(shí)關(guān)閉排水閥即可。為了排氣徹底，可以提高水桶高度以提高虹吸速度。向右排氣應(yīng)避免虹吸管中的空氣流入連通管形成新的空氣栓塞。

3 ?系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)管路安裝完畢后應(yīng)給雨量筒和蒸發(fā)器內(nèi)的水面進(jìn)行初始化設(shè)置，方法具體如下。

緩慢給雨量筒注水，直到水面高度剛好超過容器P1刻度線（為了人工觀讀方便容器上貼有刻度尺，P1刻度線一般在3 cm刻度位置）。

向E601B蒸發(fā)器注水（注意打開清洗閥、連通閥、關(guān)閉蒸發(fā)人工閥門），直到水面高度達(dá)到溢流孔的位置，等待2 min確保測(cè)量筒和蒸發(fā)筒液面高度一致，此時(shí)的水位線為系統(tǒng)工作時(shí)的最高水位線H4，待設(shè)備上電后記錄下此時(shí)的傳感器液位讀數(shù)，供設(shè)置“最高限制水位”參數(shù)時(shí)用，貼上刻度紙以便人工觀測(cè)比較。容器水面進(jìn)行初始化結(jié)束后應(yīng)仔細(xì)觀察各水管接頭處是否有漏水現(xiàn)象，管路漏水將導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真。

4 ?比測(cè)分析

自2018年9月CJH-E1型降雨蒸發(fā)系統(tǒng)在長(zhǎng)江委水文漢江局投入使用以來(lái)，測(cè)站安排專人負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行，并收集了詳細(xì)的比測(cè)資料，其比測(cè)結(jié)果分析如下（其中自記蒸發(fā)或人工數(shù)據(jù)觀測(cè)不全的日期沒有納入比測(cè)）。

4.1 當(dāng)日雨量與蒸發(fā)比測(cè)分析

以剛開始運(yùn)行的當(dāng)月數(shù)據(jù)為例進(jìn)行每天的雨量和蒸發(fā)量分析，自2018年9月14日至2018年9月30日共17個(gè)樣本，具體見表1。

當(dāng)日降雨范圍為0.4～18.9 mm，總降雨量為66.3mm（以人工觀測(cè)的為準(zhǔn)），與人工觀測(cè)想比較，誤差最大了4.64%，平均相對(duì)誤差為0.41%。每日蒸發(fā)量從0.2～4.1 mm，總蒸發(fā)量為35.4 mm（以人工觀測(cè)的為準(zhǔn)），與人工觀測(cè)想比較，誤差最大為-8.31%，平均相對(duì)誤差為-1.98%。平均相對(duì)偏差小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》（GB/T 21327-2007）相對(duì)偏差不超過±3%的要求。

4.2 以月為單位分析比測(cè)

以月為單位，對(duì)當(dāng)月的降雨和蒸發(fā)量進(jìn)行分析，選取的時(shí)間段為2018年9月至2019年6月，共10個(gè)月的樣本，其結(jié)果見表2。

總降雨量為433.2 mm（以人工觀測(cè)的為準(zhǔn)），當(dāng)月誤差最大為-6.45%、當(dāng)月誤差最小為-0.13%，平均相對(duì)誤差為0.50%;總蒸發(fā)量510.9 mm（以人工觀測(cè)的為準(zhǔn)），當(dāng)月誤差最小為-0.46%，當(dāng)月誤差最大為-3.95%，平均相對(duì)誤差為1.98%。平均相對(duì)偏差小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》（GB/T 21327-2007）相對(duì)偏差不超過±3%的要求。

以上兩組比測(cè)分析數(shù)據(jù)說明，在儀器運(yùn)行正常的情況下，CJH-E1型雨量蒸發(fā)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)的比較，其平均相對(duì)偏差能滿足《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》規(guī)范要求，小于±3%的誤差范圍。

5 ?結(jié)語(yǔ)

CJH-E1型降雨蒸發(fā)系統(tǒng)自安裝以來(lái)，經(jīng)過系統(tǒng)的調(diào)試、比測(cè)等工作，達(dá)到了理想的效果。特別是該系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，既減輕了測(cè)站人員的觀測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度，又確保了數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性。充分實(shí)現(xiàn)了水利水文自動(dòng)化的建設(shè)要求，為下一步丹江口水庫(kù)的水量平衡、探求蒸發(fā)器折算系數(shù)、水面蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)公式及氣象因子與蒸發(fā)量的關(guān)系等提供科學(xué)的參考依據(jù)，為水資源研究、降雨徑流預(yù)報(bào)等提供水面蒸發(fā)及其附屬項(xiàng)目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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