摘要：為解決在線蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)配套雨量計精度不足問題，基于磁致伸縮技術(shù)的方法原理，蒸發(fā)和雨量傳感系統(tǒng)均采用磁致伸縮液位傳感器，配套減阻、防波阻尼系統(tǒng)，精準(zhǔn)測量液位;再依據(jù)容積法和水量平衡原理計算降雨量和水面蒸發(fā)量，使其蒸發(fā)系統(tǒng)和雨量系統(tǒng)精度均達(dá)到±0.1mm，解決了在線蒸發(fā)系統(tǒng)雨量與蒸發(fā)監(jiān)測精度配套問題。系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)通過 GPRS 信道傳送到中心服務(wù)器，對數(shù)據(jù)進行分析處理、存儲、轉(zhuǎn)錄、發(fā)布，實現(xiàn) WEB、手機 APP 遠(yuǎn)程實時水面蒸發(fā)量、降雨量、工作狀態(tài)等查詢功能。經(jīng)云南省昆明市?？谒恼? a多的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)精度基本滿足現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范要求，且系統(tǒng)運行正常穩(wěn)定。該技術(shù)可為水面蒸發(fā)在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。

關(guān) 鍵 詞：在線監(jiān)測系統(tǒng); 水面蒸發(fā); 磁致伸縮技術(shù); ?？谒恼?/p>

水面蒸發(fā)在線監(jiān)測系統(tǒng)在野外惡劣環(huán)境下，受多種因素影響，在不同的降雨強度時，要使其監(jiān)測精度達(dá)到規(guī)范要求的±0.1 mm難度較大。目前，國內(nèi)外在線蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)的研究較多，但絕大多數(shù)系統(tǒng)均配套使用翻斗式雨量計（0.1 mm或0.5 mm），存在測量精度低、難以解決連續(xù)大雨量和極小降雨量的測量精度問題[1]，以致降雨量測量不準(zhǔn)確，水面蒸發(fā)量測量出現(xiàn)較大偏差;也有系統(tǒng)配套使用稱重式雨量計，但因稱重式雨量計的天平受野外環(huán)境因素影響，稱重不穩(wěn)定，計量精度也受影響。

本文提出的基于磁致伸縮技術(shù)的在線水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)，引入了工業(yè)中應(yīng)用成熟的磁致伸縮液位測量傳感器，基于磁致伸縮技術(shù)精準(zhǔn)測量液位的方法原理，將該技術(shù)應(yīng)用到水面蒸發(fā)在線監(jiān)測系統(tǒng)的蒸發(fā)器水面液位測量和降雨儲雨容器水面液位測量，再通過容積法和水量平衡原理精準(zhǔn)計算水面蒸發(fā)值，使該系統(tǒng)水面蒸發(fā)在線監(jiān)測值精度達(dá)到±0.1 mm。經(jīng)云南省昆明市西山區(qū)?？谒恼? a多的運行檢驗，發(fā)現(xiàn)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)對比精度基本達(dá)到現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范要求，且在野外惡劣的環(huán)境下運行正常穩(wěn)定，可為水面蒸發(fā)在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。

1 工作原理

1.1 磁致伸縮液位傳感器工作原理

磁致伸縮液位傳感器由測桿、電子倉和套在測桿上的可滑動磁環(huán)（環(huán)狀浮球）組成，如圖1所示。

測桿內(nèi)裝有磁致伸縮線（波導(dǎo)線），環(huán)狀浮球浮在水面，隨水面升降。電子倉產(chǎn)生一起始脈沖，該脈沖電流將產(chǎn)生一個圍繞波導(dǎo)鋼絲的旋轉(zhuǎn)磁場，在波導(dǎo)絲中傳輸，與環(huán)狀浮球中的永久磁場相遇時，根據(jù)Widemanm效應(yīng)，使波導(dǎo)鋼絲產(chǎn)生磁致彈性伸縮，產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲，形成 一個磁致旋轉(zhuǎn)波，傳輸?shù)诫娮觽}。由發(fā)射、接收兩個脈沖的時間差，可知磁致旋轉(zhuǎn)波的傳播速度（如2 800，3 000 m/s），進而可精確測出環(huán)狀浮球位移和液位[1-2]。

1.2 在線水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

基于磁致伸縮技術(shù)的方法原理，本文介紹的在線水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)其蒸發(fā)器水面液位和降雨器儲雨容器水面液位均采用磁致伸縮傳感器測量，液位測量分辨率達(dá) 0.031 mm;同時，應(yīng)用定量汲水方案代替被動溢流方案，以提高水量平衡計算精準(zhǔn)度，使該系統(tǒng)水面蒸發(fā)在線值精度達(dá)±0.1 mm，其結(jié)構(gòu)及原理見圖2。

注：1為E601 蒸發(fā)器，2、16、17為蒸發(fā)器液位測量傳感器，3為高精度雨量測量裝置，4為定量瓶，5為儲水箱，6為定量瓶汲水泵，7為雨量桶補水泵，8為蒸發(fā)器補水泵，9為控制箱及遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)，10為太陽能電池系統(tǒng)，11為雨量桶補水管， 12為蒸發(fā)器補水管，13為定量瓶汲水及回流管，14為定量瓶排水管，15為蒸發(fā)器與蒸發(fā)器液位測量傳感器連通管，18為定量瓶水位限位開關(guān)。

第7期? ?張麗花：基于磁致伸縮技術(shù)的水面蒸發(fā)在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用? ? 人 民 長 江2019年 如圖2所示，整個系統(tǒng)由 E601 蒸發(fā)器、雨量計、蒸發(fā)傳感器、主動汲水和補排水伺服測控系統(tǒng)、電源、通訊系統(tǒng)、服務(wù)器軟件系統(tǒng)等組成;其中：E601 蒸發(fā)器尺寸與人工E601 蒸發(fā)器相同，雨量計采用磁致伸縮液位傳感器高精度計量降水量值，根據(jù)連通器原理將E601 蒸發(fā)器與蒸發(fā)傳感器相連，蒸發(fā)傳感器仍采用磁致伸縮液位傳感器高精度計量E601 蒸發(fā)器液位后，再通過水量平衡原理結(jié)合雨量計計量值計算高精度水面蒸發(fā)值，主動汲水和補排水伺服測控系統(tǒng)主要控制汲水和補排泵，以達(dá)到自動汲水和補排。

依以上公式，只要精確測算出降雨量、蒸發(fā)器水位、溢流量、?。常┧亢图樱ㄑa）水量， 就可以計算出蒸發(fā)量[4]。

2 實例應(yīng)用

2.1 應(yīng)用區(qū)概況

實例應(yīng)用區(qū)選取云南昆明市西山區(qū)?？谒恼窘嫡粲^測場。?？谒恼緦賴一舅恼?、滇池出口控制站，始建于1941年，其水面蒸發(fā)監(jiān)測為滇池水體的蒸發(fā)計算提供科學(xué)依據(jù)。 該站降蒸觀測場位于海口河左岸，觀測場尺寸為16 m×16 m，高程為1 892.68 m（1985國家高程基準(zhǔn)）， 四周鋼筋柵欄高1.2 m;觀測場四周空曠、開闊無遮擋，符合降蒸觀測環(huán)境條件[5];場內(nèi)按規(guī)范原布設(shè)有人工E601型蒸發(fā)器1套，翻斗式雨量計（0.5 mm）1套，人工雨量計1套。在不影響原有監(jiān)測設(shè)施設(shè)備的前提下，將基于磁致伸縮技術(shù)的在線水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)全部設(shè)施設(shè)備按規(guī)范布設(shè)于該降蒸觀測場內(nèi)，在同等條件下與人工觀測數(shù)據(jù)進行對比，以分析其監(jiān)測精度。

2.2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由 E601 型蒸發(fā)器、高精度蒸發(fā)器液位測量裝置 、高精度雨量測量裝置、儲水箱裝置、控制箱及遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)、太陽能電池系統(tǒng)等組成。

2.3 系統(tǒng)功能

（1） 能對實時蒸發(fā)量、降雨量、水溫等以5 min為時間間隔（可預(yù)設(shè)）進行連續(xù)在線監(jiān)測。

（2） 能實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集、計算、存儲、傳輸?shù)墓δ堋?/p>

（3） 能將采集的蒸發(fā)量、降雨量、水溫等實時數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行恼尽?/p>

（4） 可人工設(shè)定和修改系統(tǒng)參數(shù)。

（5） 接受中心站管理，通過遠(yuǎn)程通信與中心站實現(xiàn)雙向通信，進行遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程設(shè)置與維護。

（6） 中心站可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的分析處理、存儲、轉(zhuǎn)錄和發(fā)布。

（7） 可實現(xiàn) WEB、手機 APP 遠(yuǎn)程實時數(shù)據(jù)、工況等查詢功能[6-9]。

2.4 性能特點

（1） 高精度蒸發(fā)液位測量裝置。采用磁致伸縮液位傳感器，配套減阻、防波阻尼系統(tǒng)，使蒸發(fā)量測量精度≤±0.1 mm，水位分辨率達(dá) 0.031 mm。

（2） 高精度雨量測量裝置。采用磁致伸縮液位傳感器，并在測量原理和結(jié)構(gòu)上進行了創(chuàng)新，以使系統(tǒng)的測量精度高于±0.1 mm ，分辨率達(dá) 0.015 mm，雨強測量范圍0～30 mm/min，即從極小的露水至特大暴雨全范圍覆蓋，解決了翻斗式雨量計在大暴雨時無法翻轉(zhuǎn)，及翻斗內(nèi)留存水造成的誤差問題。

（3） 主動定量汲水裝置。使用定量汲水方案代替被動溢流方案，配合蒸發(fā)測量倉內(nèi)的高精度傳感器，實現(xiàn)降雨時的蒸發(fā)量穩(wěn)定測量。

（4） 高自動化控制系統(tǒng)。蒸發(fā)裝置和降雨裝置的補水、排水全自動控制，無需人工參與，設(shè)有蒸發(fā)皿清洗模式、故障調(diào)試模式、低溫保護模式。

（5） 抗風(fēng)雨濾波算法。系統(tǒng)針對大風(fēng)雨天氣設(shè)計了專門的抗風(fēng)雨濾波算法，測量數(shù)據(jù)更穩(wěn)定。

（6） 可靠性高、維護簡單。系統(tǒng)中使用的器件易維護，無刷直流潛水泵的使用壽命長，電動閥的開關(guān)次數(shù)達(dá)10萬次以上，并使用模塊化設(shè)計，整個系統(tǒng)具有可靠性高、維護簡單的優(yōu)點。

2.5 應(yīng)用效果

海口水文站在線水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)建成后，至今已運行1 a多，整個系統(tǒng)運行正常穩(wěn)定。以 2017 年人工監(jiān)測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)參照，將在線數(shù)據(jù)與之對比，計算該系統(tǒng)水面蒸發(fā)在線數(shù)據(jù)監(jiān)測精度。人工數(shù)據(jù)嚴(yán)格按現(xiàn)行相關(guān)規(guī)程規(guī)范進行監(jiān)測，水面蒸發(fā)在線數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)進行對比分析，具體如下。

但同時也注意到：相對差值較大的點，往往對應(yīng)人工觀測的日蒸發(fā)量值較小，其中最大相對差值92.9 %對應(yīng)的人工觀測值為1.4 mm。自動與人工觀測原理有別，高精度磁致伸縮探頭的優(yōu)點是能很靈敏地感應(yīng)水面高度變化，然而受外界干擾也較大，例如受蒸發(fā)池內(nèi)湍流波動以及不明物體落入池中等許多不確定因素的影響。另外，08：00定時觀測和自動站連續(xù)觀測的時間不一致也會導(dǎo)致自動與人工觀測的日蒸發(fā)量存在差異。另風(fēng)速引起的蒸發(fā)池內(nèi)液位波動也會影響到液位監(jiān)測的精度[16-20]。

3 結(jié) 論

（1） 本文依據(jù)磁致伸縮技術(shù)的方法原理，采用磁致伸縮液位傳感器，配套減阻、防波阻尼系統(tǒng)，精準(zhǔn)測量液位，再依據(jù)容積法計算降雨量、水量平衡法計算水面蒸發(fā)量，有效解決了現(xiàn)有在線蒸發(fā)系統(tǒng)中雨量系統(tǒng)配套蒸發(fā)系統(tǒng)精度應(yīng)為±0.1 mm 的問題。

（2） 經(jīng)統(tǒng)計，2017 年全年在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺測率為 2.5%、粗差率為 1.4%、一致率為 73.8%;其一致率接近規(guī)范規(guī)定要求。

（3） 經(jīng)分析，其日蒸發(fā)量差值不滿足正態(tài)分布，自動監(jiān)測值比人工監(jiān)測值相對偏小15.0%，近66.7%的數(shù)據(jù)都是自動監(jiān)測值小于人工監(jiān)測值。

（4） 經(jīng)比測，日誤差±0.1 mm占19.4%，日誤差±0.2 mm占30.2%，日誤差±0.5 mm占55.0%，日誤差±1.0 mm占77.2%;最大日值相差在-4.7～2.2 mm之間;最大日值相對誤差在-92.9%～ 92.9 %之間;日值標(biāo)準(zhǔn)差33%。

（5） 定期校準(zhǔn)自記系統(tǒng)時鐘，采用固定08：00自記水位計算蒸發(fā)量，能消除部分環(huán)境因素影響，在實際生產(chǎn)中有良好的應(yīng)用。

（6） 該系統(tǒng)經(jīng)1 a多的運行，正常穩(wěn)定;其在線監(jiān)測數(shù)據(jù)精度基本滿足現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范要求，可為在線水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

參考文獻：

[1] 朱曉原，張留柱，姚永熙.水文測驗實用手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[2] 劉正偉，肖林，張麗花，等.數(shù)字水文站關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[M].昆明：云南科技出版社，2017.

[3] SL 630-2013 水面蒸發(fā)觀測規(guī)范[S]. 北京：中國水利水電出版社，2013.

[4] 閔騫. 水面蒸發(fā)量計算公式的研究[J]. 水資源研究， 2004， 25（1）： 38-47.

[5] 肖林，劉正偉，崔松云，等.2016 年?？谒恼舅馁Y料整編成果[R].昆明：云南省水文水資源局昆明分局，2017.

[6] 劉正偉，張麗花，華立敏.底座式多普勒測流儀在渠道自動監(jiān)測中的應(yīng)用[J].人民長江，2017，48（1）：29-30.

[7] 劉正偉，張麗花.多聲路時差法在牛欄江-滇池補水工程流量自動監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2016，47（12）：96-97.

[8] 張麗花，劉正偉.二線能坡法在水文站流量自動監(jiān)測中的應(yīng)用[J].人民黃河，2015，37（S2）：8-9.

[9] 劉正偉，張麗花，鄒嘉福，等.一種座底式自動流量傳感器支架的研制與應(yīng)用[J].人民長江，2017，48（S1）：115-116.

[10] 尼瑪卓瑪，冉光輝，張虎，等. 林芝國家基準(zhǔn)站自動與人工蒸發(fā)觀測資料分析[J].西藏科技，2014，251（2）：63-64.

[11] 中國氣象局. 地面氣象觀測規(guī)范[M]. 北京：氣象出版社，2003.

[12] 沈艷，任芝花，王穎，等. 我國自動與人工蒸發(fā)量觀測資料的對比分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2008，19 （4）：463-470.

[13] 黃嘉佑. 氣象統(tǒng)計分析與預(yù)報方法[M]. 北京：氣象出版社， 2000.

[14] 劉小寧， 王淑清， 吳增祥， 等. 我國兩種蒸發(fā)觀測資料的對比分析[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報， 1998，9（3） ：321-328.

[15] 任芝花，馮明農(nóng)，張洪政，等. 自動與人工觀測降雨量的差異及相關(guān)性[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報， 2007，18 （3）：358-364.

[16] 范元品， 李玲. 地面自動站蒸發(fā)量觀測中應(yīng)注意的幾個問題[J]. 貴州氣象， 2004，28（6）：33-34.

[17] 裴步祥. 蒸發(fā)和蒸散的測定與計算[M].北京：氣象出版社，1989.

[18] 程維新， 胡朝炳， 張興權(quán). 農(nóng)田蒸發(fā)與作物耗水量研究[M]. 北京： 氣象出版社， 1994

[19] 謝賢群， 左大康， 唐登銀. 農(nóng)田蒸發(fā)—測定與計算[M]. 北京：氣象出版社， 1991.

[20] 任芝花， 黎明琴， 張緯敏. 小型蒸發(fā)器對 E2601B 蒸發(fā)器的比對系數(shù)[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報， 2002，13（4）： 508-512.

（編輯：劉 媛）