节水排灌中的蒸发量测量关键技术研究

曾 王宣，杨 楠

（1.南昌工程学院，江西 南昌 330099；2.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029）

0 前言

蒸发是水圈、大气圈和生物圈水分和能量交换的主要过程，是水循环过程中的重要环节，是江河、湖泊、水库等水体水量损失的主要部分，也是研究陆面蒸发的基本参证资料。随着国民经济的不断发展，水资源的开发利用急剧增长，供需矛盾日益尖锐；深入研究水资源价值在水资源纳入国民经济核算体系过程的地位和作用，要求我们更精确地进行水资源的评估。水面蒸发观测工作就是为了探索水体的水面蒸发及蒸发能力在不同地区和时间上的变化规律，为水资源的评价和科学研究提供可靠的依据。

在节水型社会管理体系中，对水资源的开发、利用、治理，将过去粗放式的管理方式改变为集约式的现代管理方式，需建立水资源实时监控管理系统，实现水资源管理的信息化。水面蒸发测量研究能对水资源评价、农田节水排灌提供多层次信息管理和决策支持手段。

1 研究的内容

在项目开发前，我们对国内相关产品和技术情况进行了调研。目前国内使用较多的蒸发测量仪器主要有2 种：一种是采用光电旋转编码器、静水桶、浮子、平衡锤的方式来测量蒸发；另一种是由定位测针、电磁阀、量水桶构成的水面蒸发量的自动测量装置。它们的测量分辨率为0.1 mm，准确率为0.3 mm，均未达到国家《水面蒸发观测规范》（SD256-88）0.1 mm的规范要求。因此，解决蒸发量测量的准确率是研究的首要目标，其次还要结合现代通信技术，构建一个由蒸发测量仪、计算机网络、中心数据库等组成的蒸发测量系统（见图1）。

图1 蒸发测量系统结构图

2 关键技术问题

测量原理参见图2。以步进电机旋转通过滑块带动精密丝杆和测针作上、下运动。步进电机采用四相八拍结构，单步转角为1.8°，走200 步，即为一周，精密丝杆的螺距为1 mm，电机每走一步，测针直线上下运行距离为0.005 mm，保证了测量的分辨率为0.005 mm。

单片机控制步进电机转向和转速，步进电机正转，测针上行，步进电机反转，测针下行，以某一定点为基准，测针向下寻找蒸发皿的水面，测针触水，步进电机停止运行，蒸发仪记录步进电机运行的数据，尔后测针又立刻上行，脱水后又下行，以基准点减去步进电机测针的行程，得到蒸发皿水面高度H，从而得出蒸发量。

本蒸发自动测试仪蒸发皿内液面高度由测量仪器液晶显示器显出，同时与相应的时间一并储存到固态存储器内，并可通过串行通信模块远传至计算机。当仪器测到蒸发皿的水位降到规定的下限时，便自动打开电磁阀，为蒸发皿加水，如遇降雨，蒸发皿内的水位高于溢流口时，蒸发皿内的多余的水将通过溢流口排出，溢流的水采用浮子加虹吸的计量方式，实现蒸发量的全自动测试。

由于将步进电机测针和测量筒一起被外罩封闭，测量精度不受外界影响。蒸发皿水面高度H 由以下公式表示：

式中：H—蒸发皿的水面高度（mm）；

A—设定的基准点高程（mm）；

X—步进电机测针的行程（mm）。

图2 蒸发自动测试仪结构图

2.1 雷击

在试验过程中，遇到雷雨天气，蒸发测量仪停止工作，后来经过分析原因，雷电通过线缆引入了仪器主机，击坏了主板。后经分析，改进方案如下：

（1）因传感器在野外，距仪器有一段距离，两者之间的连接线及受干扰，特别是受感应雷的影响。将原先的PVC 护套管换成镀锌管，雷击时，可以通过镀锌管至大地泄放，保护仪器主机。

（2）在仪器主机主板电路上和传感器的接线电路上对地加一泄放二级管，当雷击电压经导线引入时，通过泄放二极管对地快速放电，对主板电路有保护作用。

2.2 连通水管内的虫子及杂物堵塞问题

连通软管内径开始选取的是内径为6 mm的软管，在一段时间后测站观测人员发现人工观测的数据与仪器测量的数据相差很大，对蒸发器进行清洗时量筒里的水位不见下降（下降很缓慢）。怀疑软管被堵塞了，用以细铁丝和水对软管内部进行清洗，发现有大量的虫子及杂物。后来将软管的直径改为10 mm，并在蒸发器与测量筒连接导流管端头加网片，防止虫子及杂物的进入。

2.3 冰冻问题

由于江西为南方天气，零度以下的天气不多，故对连接管防冻没有考虑。以致传感器里的量筒与蒸发皿之间连接软管埋设时未作防冻处理，一遇冰冻天气，管内容易结冰。其内部水不能正常流通，采取在导流管外侧包裹一层保温膜，防冻效果良好。

3 样机测量数据比对

我们将样机测量比对工作安排在江西省灌溉试验中心站进行。

表1 江西省灌溉试验中心站6＃稻田两种蒸发观测方法比较 mm

（1）比对数据。水稻稻田蒸发观测试验采取量测试验田测坑水位变化的方法，由人工每日8 时用测针从地面观测测坑内水位的变化为人工蒸发量观测数据。在同一测坑内同时段由蒸发测量样机测量的水位变化数据记为仪器自记数据。

（2）测验方法。每日8 时通过测定稻田测坑水面的高度来计算稻田日蒸发量。

为了检验仪器在正常使用过程中与人工观测数据的对比相关性，以江西省灌溉试验中心站2012年6月19日至2012年7月31日6＃稻田人工与自记的相关蒸发资料进行分析。通过表1（给出其中10 d的数据）分析，1 d、5 d的两组观测数据，t 检验全部合格，证明没有系统偏差。可以看出它们的相关系数r 都在0.96 以上，关系较好，相关线基本接近45°的直线。表明自记测定的日蒸发与人工测定的日蒸发有较好的相关性。

4 结语

蒸发作为区域水量平衡和能量平衡的主要成分，不仅在水循环和能量循环过程中具有极其重要的作用，而且也是生态过程与水文过程的重要纽带。因此，开展以蒸发为核心的水资源管理的研究，对区域社会人水和谐发展具有重要的意义。目前，由于国家对重大灾害预警的重视，在气象、水文及水资源监控信息系统中，已经普遍采用了基于网络的数据通信方式，关键是很多的现场测量仪器技术落后和测量方式传统，无法匹配，所以充分利用现有先进的技术资源，开发研究基于计算机的数据传输方式的蒸发测量系统，对于水利测量领域的其它参数测量，具有重要的借鉴作用，并可以加快研究成果转化速度，具有现实推广意义和广阔的应用前景。

［1］陈宝群，李晓宁，李艳花.微型水面蒸发器原理与实验设计［J］.气象水文海洋仪器，2010（3）：1-5.

［2］刘 阳.基于嵌入式系统的水情自动测报系统设计与实现［D］.重庆大学，2008.5.

［3］闵 骞.鄱阳湖水面蒸发量的计算与变化趋势分析（1955-2004）［J］.湖泊科学，2006（5）.