高精度针式遥测技术在鄱阳湖蒸发测量中的应用

曾 瑄，马永力

(南昌工程学院，江西 南昌 330099)

我国是一个水资源缺乏而且分配很不均衡的国家。20世纪后半叶以来，气候变化以及人类活动导致水资源系统不确定性增强[1]，尤其是近年来我国乃至世界范围内洪灾、旱灾不断出现，防汛抗旱任务很重。作为我国第一大淡水湖，鄱阳湖是长江流域重要的调蓄性湖泊，发挥着调蓄洪水及保护生物多样性等特殊生态功能，其重要性不言而喻。

江西省内有5条河流注入鄱阳湖，再从“湖口”流入长江。然而近年来为鄱阳湖区提供水源保障的“五河”下游水位，特别是旱期水位呈快速下降趋势[2]。近几年来鄱阳湖水位和湖区河流水位一直处于偏低状态，2013年进入枯水期后，鄱阳湖降水明显偏低，加上高温天气持续，蒸发量增大使得鄱阳湖的水域面积偏小。江西省气象科学研究所2013年10月22日通过卫星遥感监测，鄱阳湖主体及附近水域面积仅为1 497 km2，比历史同期偏小约1/4，为近10年来卫星遥感测量同期最小水面。极低的水位不仅造成湖区生活、生产用水困难，而且使湖污水净化能力下降，同时对鄱阳湖湿地生态环境和湖泊生态系统的负面影响也非常显著[1-2]。对于鄱阳湖及我国其他流域的蒸发特征，一些学者做了相关的研究，闵骞等分析了近50年鄱阳湖水面蒸发特征及变化趋势[3]。郭华等分析了近50年来长江与鄱阳湖水文相互作用的变化趋势[4]。任国玉等分析了近50年中国水面蒸发量的变化[5]。就我国目前情况而言，采用一种高精度的蒸发测量仪，测量鄱阳湖的蒸发量，研究鄱阳湖的水位变化，是非常必要的。

1 蒸发遥测系统的现状

水面蒸发观测工作是为了探索水体的水面蒸发以及蒸发能力在不同地区和时间上的变化规律，从而为水资源的科学研究和评价提供可靠的依据[6-7]。单位时间从水面蒸发的水量称水面蒸发率,以mm/d计,水面蒸发量可用仪器直接观测,也可以自动测量。水面蒸发器设计应该满足以下几方面要求:

1)器口必须是圆柱体的，以便保证水面蒸发面积的一致。

2)蒸发器本身要保证蒸发过程跟降水过程隔离，避免雨水进入。

3)水面蒸发器的深度要能达到太阳照射的作用深度。

4)观测精度要达到或者超过对现有测量的精度要求。

5)设备便于操作。

6)满足气象水文观测的其他要求[8]。

为了精确测量蒸发量，国家制定了相关的规范标准，SD256-88《水面蒸发观测规范》要求蒸发测量误差要小于0.1 mm。因此，提高蒸发量测量的准确率是研究的首要目标。目前我国主要使用以下2种蒸发测量仪器：①采用光电旋转编码器以及静水桶、浮子和平衡锤的方式来测量蒸发量；②由电磁阀、定位测针及量水桶构成的水面蒸发测量装置。它们的测量分辨率及准确率分别为0.1 mm 和 0.3 mm，测量分辨率和准确度都不太理想。

2 蒸发测量原理

为满足水文测量和水资源分析研究的需要，我们选用传统的测针作为测量用传感器，利用全新的控制驱动方法实现国标要求的高精度准确测量。蒸发测量系统由蒸发皿、精密丝杆、滑块、测针、步进电机及驱动控制电路构成。步进电机带动精密丝杆作旋转运动，引起套在丝杆上的滑块带动测针作上下运动。步进电机采用4相8拍结构[9]，单步转角1.8°，一周共200步；精密丝杆的螺距是1 mm，电机一次单步运行，测针上下运行的距离为0.005 mm，这样就保证了测量仪测量的分辨率最高可达到0.005 mm。单片机作为控制中心，控制步进电机转向和转速，如果步进电机正转，则测针上行；步进电机反转，测针就下行。传感器固定安装后，设定点A为基准水面，测针向下运行寻找蒸发皿的水面，一旦测针触水，步进电机就停止运行，系统自动记录步进电机运行的数据，随后测针立刻上行，脱水后又下行，用基准点A的高程减去测针的行程X，就可以得到蒸发皿水面高度H的值，H可由公式表示为：H=A-X。从上述蒸发测量原理可知，实现高精度测量的过程中，基准水面A的高程由固定点人工测量获得初始值，其精度容易保证，测量精度的关键取决于测针行程X的测量，影响因素有2点：①步进电机带动测针的行程计算；②测针触水的灵敏度问题[10-11]。

3 带GPRS无线通信模块的蒸发测量仪系统设计

3.1 测针的驱动方式

第1个影响因素主要由测针的驱动方式决定。具体要解决2个问题：①单步的精度；②电机转动的步数计数方法。通过反复试验，最终将普通丝杆改为海顿科克螺杆组件，螺杆表面采用钠米材料进行处理，有高重复定位性、运行滑顺、无噪、成本低的优点，特别是具有免维护、无需加润滑油的特点，可以从根本上解决滴油影响单步测量精度的问题；同时将原来的3相6拍电机改为4相8拍，每2步计数1次，即每走0.01 mm计数一个基本单位，这样解决了程序计算带来的误差问题，步进电机驱动电路结构图如图1所示。

图1 步进电机驱动电路结构图

3.2 传感器触水的准确判断

第2个影响因素主要由测针的触水判断电路决定。该振荡电路为基本的文氏电桥结构，电桥的其中一个臂由测针触水的水阻构成，为减少干扰，用变压器耦合的方式连接测针， 电桥的振荡信号也通过光耦传递给单片机，保证了触水的准确起振和脱水的及时停振。单片机依据起振信号控制电机上行，依据停振信号控制电机下行，从而实现对步进电机行走的准确控制。测针触水振荡电路结构图如图2所示。

图2 测针触水振荡电路结构图

3.3 遥测研究的关键技术问题

一般遥测系统中，历史测量数据可以保存于各测量仪的存储器里，也可以通过计算机的串行通信接口上传至计算机入库保存。基于气象站点分布区域面积大、地面情况复杂的特点，不适合采用有线的计算机通信方式。而随着无线通信技术的发展，基于GPRS的无线通信模块(DTU)越来越普遍地嵌入到各种仪器仪表中，从而使这些仪器仪表具有远程通信功能，更加方便地应用于各种多点数据采集的场合，系统硬件原理框图如图3所示。蒸发测量仪程序设计整机采用汇编语言完成，主要包含7个模块：

1)电机上行、下行计数控制程序。

2)10次采样求平均值程序。

3)数值分析处理程序。

4)显示程序。

5)系统监控程序。

6)上位机通信程序。

7)串行通信程序。

DTU连接成功后，便可以和无线数据中心互发数据。

图3 硬件系统原理框图

4 人工与自动记录的相关蒸发测量数据比对

为了对比仪器在正常使用过程中与人工观测数据的相关性，我们将测量比对工作安排在江西省鄱阳湖水域的XX灌溉试验中心站、XXX水文站2个站点进行。为了检验蒸发测量仪在正常使用过程中与人工观测数据的对比相关性，将人工每日早上8点在地面观测测坑内测量的水位变化数据作为人工蒸发量观测数据；同一测坑内同时段(早8点)由蒸发测量样机测量的水位变化数据为仪器自记数据。

1)XX灌溉试验中心1 d蒸发量对比数据如图4所示。

图4 XX试验中心站1 d蒸发量对比数据

从图4中可以看出，自记平均1 d与人工平均1 d蒸发量非常接近，误差较小。XX试验中心站5#稻田自动记录与人工日蒸发量对比测量评定表如表1所示。

表1 XX试验中心站5#稻田自动记录与人工日蒸发量对比测量评定表

2)XXX水文站5 d、10 d蒸发量对比资料及相关性分析分别如图5～图8所示。

图5 XXX水文站5 d蒸发量对比数据

图6 XXX水文站10 d蒸发量对比数据

图7 XXX水文站2012-2013年平均5 d相关图

分析图7可得，自记与人工测定的日蒸发相关关系为:Y人工=0.9999X自记，相关系数为 0.986，相关线基本呈45°直线，说明设备自记测定的5 d平均蒸发与人工测定的5 d平均蒸发具有较好的相关性。XXX水文站蒸发量自记与人工5 d平均比测成果评定如表2所示。

表2 XXX水文站蒸发量自记与人工5 d平均比测成果评定表

图8 XXX水文站2012-2013年平均10 d相关图

分析图8可得，自记与人工测定的日蒸发相关关系为:Y人工=1.0029X自记，相关系数为 0.992 1，相关线基本呈45°直线，也说明设备自记测定的10 d平均蒸发与人工测定的10 d平均蒸发具有较好的相关性。XXX水文站蒸发量自记与人工10 d平均比测成果评定如表3所示。

表3 XXX水文站蒸发量自记与人工10 d平均比测成果评定表

5 创新点

本系统采用基于现有手机网络的通信组网方式及步进电机的运行实现了蒸发测量的自动化、远程化和现代化，精度可以达到0.001 cm，提高了精度，把初期网络投资及数据维护交给通信公司进行，节约了人力，还节省了大量的初期投资费用，提高了系统的可靠性。

6 结束语

目前，我国的很多地区，包括鄱阳湖水域，在气象、水文及水资源监控信息系统中，已经普遍采用了无线数据通信方式，尤其是对于地点分散、不易连线的地区，采用基于现有的手机通信网络，可以大大节省成本。充分利用目前使用的先进技术资源，研究基于无线传输方式的仪器仪表传感器与蒸发测量系统，对于鄱阳湖流域气象、水文水资源的相关测量，具有重要的实践意义。

参考文献

[1] 李昌彦，王慧敏，佟金萍,等.气候变化下水资源适应性系统脆弱性评价—以鄱阳湖流域为例[J].长江流域资源与环境，2013,22(2):172-181.

[2] 闵骞，闵聃.鄱阳湖区干旱演变特征与水文防旱对策[J].水文，2010，30(1):84-88.

[3] 闵骞,苏宗萍,王叙军.近50年鄱阳湖水面蒸发变化特征及原因分析[J].气象与减灾研究,2007,30(3):17-20.

[4] 郭华，张奇.近50年来长江与鄱阳湖水文相互作用的变化[J].地理学报，2011,66(5):609-618.

[5] 任国玉，郭军.中国水面蒸发量的变化[J].自然资源学报，2006,21(1):31-44.

[6] 李荣昉，吴敦银，刘影，等.鄱阳湖对长江洪水调蓄功能的分析[J].水文，2003,23(6)：12-17.

[7] 高彦春，龙笛.遥感蒸散发模型研究进展[J].遥感学报，2008,12(3):515-528.

[8] 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(1):1-5,9.

[9] 李晶飞，郑力维.一种利用51单片机控制的步进电机设计[J].机械研究与应用,2011(4):97-101.

[10] 曾瑄，马永力.蒸发测量研究在节水灌溉中的应用[J].节水灌溉，2013(11):58-61.

[11] 曾瑄，杨楠.节水排灌中的蒸发量测量关键技术研究[J].江西水利科技，2013,39(3):207-209.