水文遙測(cè)翻斗式雨量計(jì)的誤差分析

王亞楠

摘 要：自然降水量是水資源的重要組成部分，而觀測(cè)降水量是水文遙測(cè)工作的重要內(nèi)容之一，其觀測(cè)精度的大小對(duì)洪澇災(zāi)害預(yù)測(cè)精度、水文水利規(guī)劃精度有著非常大的影響。翻斗式雨量計(jì)是較為常用的觀測(cè)雨量的工具，但其在應(yīng)用過程中仍存在較大誤差。本文首先分析翻斗式雨量計(jì)的結(jié)構(gòu)和原理，然后重點(diǎn)探討其在應(yīng)用過程中存在的誤差，并提出了相應(yīng)的預(yù)防和診斷措施，以期為水文遙測(cè)工作人員在降水量觀測(cè)的實(shí)踐應(yīng)用中提供參考。

關(guān)鍵詞：水文遙測(cè)站；翻斗式雨量計(jì)；誤差分析

中圖分類號(hào)：P414.95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）05-0094-02

Error Analysis of Hydrometeorology Tipping - bucket Rainometer

WANG Yanan

（Xinyang Hydrology and Water Resources Survey Bureau ，Xinyang Henan 465550）

Abstract： Natural precipitation is an important part of water resources， and the observed precipitation is an important part of hydrological telemetry. The accuracy of its observation has a great impact on the accuracy of flood forecasting and the accuracy of hydrologic and water conservancy planning. Tipping bucket rainfall is more commonly used observation tools， but in the application process， there is a big error. This paper first analyzed the structure and principle of tipping bucket rain gauge， and then focused on the error existing in the application process， and put forward corresponding measures for prevention and diagnosis， in order to provide refreence for staff in the practical application of hydrological telemetry rainfall observation.

Keywords： hydrological telemetry station；tipping bucket gauge；error analysis

水是生命之源，沒有水生命將不復(fù)存在。地球豐富的水資源孕育了人類社會(huì)文明，水資源的合理開發(fā)和有效利用對(duì)推動(dòng)人類社會(huì)發(fā)展具有重要作用。水資源并非無窮無盡的，越來越多地區(qū)和國家面臨或者即將面臨水資源枯竭的危險(xiǎn)。大氣降水是地球水循環(huán)的重要部分，如果可以合理有效地監(jiān)測(cè)大氣降水量，進(jìn)而開展合理的水利建設(shè)，將大大促進(jìn)地球水循環(huán)的效率，減小水資源浪費(fèi)。隨著水文遙測(cè)工作現(xiàn)代化、信息化、集成化發(fā)展，傳統(tǒng)的雨量監(jiān)測(cè)方式已無法滿足降水量信息采集自動(dòng)化、存儲(chǔ)信息化及降水量遙測(cè)的需求。這些缺陷和不足對(duì)洪澇災(zāi)害預(yù)測(cè)精度、水文水利規(guī)劃精度具有非常大的影響。本文以翻斗式雨量計(jì)為核心，首先介紹翻斗式雨量計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后就水文遙測(cè)工作中翻斗式雨量計(jì)出現(xiàn)的誤差進(jìn)行分析，并總結(jié)造成誤差的原因，提出相應(yīng)的預(yù)防和診斷措施，以期為水文遙測(cè)工作人員在降水量觀測(cè)的實(shí)踐應(yīng)用中提供參考和幫助。

1 翻斗式雨量計(jì)

1.1 翻斗式雨量計(jì)結(jié)構(gòu)

翻斗式雨量計(jì)按照翻斗的類型可分為兩種，分別是單翻斗式雨量計(jì)和雙翻斗式雨量計(jì)；依據(jù)分辨率（即翻斗式雨量計(jì)可監(jiān)測(cè)到的最小降雨量）則可分為四種，分別是0.1mm型號(hào)雨量計(jì)、0.2mm型號(hào)雨量計(jì)、0.5mm型號(hào)雨量計(jì)和1.0mm型號(hào)雨量計(jì)。在水文遙測(cè)工作中，可依據(jù)降水量監(jiān)測(cè)規(guī)范要求，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況，挑選合適分辨率的翻斗雨量計(jì)。相較于雙翻斗式雨量計(jì)，單翻斗式雨量計(jì)在我國各個(gè)地區(qū)水文遙測(cè)工作中使用最廣，因此本文主要介紹單翻斗式雨量計(jì)的結(jié)構(gòu)。

單翻斗式雨量計(jì)由漏斗、滴嘴、接線架、翻斗、干簧管和處理器等組成。首先雨水會(huì)通過漏斗的承接作用進(jìn)入過濾網(wǎng)，然后流進(jìn)計(jì)量翻斗，一旦計(jì)量翻斗所接收到的雨水容積達(dá)到預(yù)定值（如2.15mL），翻斗本身的重力作用就會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)翻倒現(xiàn)象，從而變?yōu)榈却ぷ鳡顟B(tài)。而此時(shí)，另一斗室仍然處于接水狀態(tài)。如果接水量達(dá)到預(yù)定值時(shí)，其會(huì)出現(xiàn)翻倒現(xiàn)象，重新進(jìn)入等待狀態(tài)。磁鋼一般裝在翻斗式雨量計(jì)的翻斗側(cè)壁上，其作用是根據(jù)翻斗翻動(dòng)情況控制干簧管通斷情況。通俗點(diǎn)講，就是翻斗每出現(xiàn)一次翻倒現(xiàn)象會(huì)使干簧管接通一次，然后發(fā)出一個(gè)脈沖開關(guān)信號(hào)，輸送0.1mm降水信息，實(shí)現(xiàn)降水遙測(cè)的目的。

1.2 翻斗式雨量計(jì)工作原理

翻斗式雨量計(jì)的工作由傳感器和固態(tài)存儲(chǔ)器協(xié)同完成。其中，傳感器一般采用機(jī)械式翻斗型雙穩(wěn)態(tài)稱重機(jī)構(gòu)。運(yùn)行原理與蹺蹺板類似，主要是在兩個(gè)完整對(duì)稱的三角形容器中間插入隔板實(shí)現(xiàn)間斷，且插入的隔板能在水平軸方向上進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。運(yùn)行狀態(tài)下，接水任務(wù)由兩邊容器輪流承擔(dān)，一旦有一邊的容器接水容量達(dá)到一定量，就會(huì)因?yàn)橹匦耐庖贫霈F(xiàn)翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，然后把其接的水全部拋出，而持續(xù)降雨會(huì)使翻斗不停地出現(xiàn)一左一右翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。翻斗中磁鋼固定在其軸上，干簧繼電器（霍爾元件）固定在漏斗的下方。在雨量計(jì)工作過程中，翻斗上的磁鋼會(huì)隨著翻斗來回運(yùn)動(dòng)，當(dāng)磁鋼接近干簧繼電器（霍爾元件）時(shí)開關(guān)會(huì)閉合，而出現(xiàn)一定距離時(shí)，開關(guān)會(huì)斷開，于是就產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。固態(tài)存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)將傳感器傳來的脈沖計(jì)數(shù)，然后通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后以各種方式存儲(chǔ)下來。

在水文遙測(cè)中，翻斗式雨量計(jì)輸出的信號(hào)為開關(guān)量，無法直接識(shí)別，故仍需進(jìn)行開關(guān)量—脈沖量的轉(zhuǎn)換，以方便計(jì)算機(jī)識(shí)別和處理。工作時(shí)，干簧繼電器處于打開狀態(tài)時(shí)，然后三極管無法接通，所以不能構(gòu)成對(duì)地回路，故此時(shí)脈沖輸出是高電平信號(hào)；干簧繼電器處于閉合狀態(tài)時(shí)，三極管導(dǎo)通，可以構(gòu)成對(duì)地回路，故此時(shí)脈沖輸出是低電平信號(hào)。當(dāng)干簧繼電器為理想時(shí)，其輸出的脈沖信號(hào)能確保翻斗傳感信號(hào)可以被計(jì)算機(jī)控制端全部接收，從而起到預(yù)防信號(hào)遺漏的作用。

2 翻斗式雨量計(jì)誤差分析

在實(shí)際應(yīng)用過程中，翻斗式雨量計(jì)會(huì)不可避免地存在一定誤差。通常情況下，翻斗式雨量計(jì)的誤差是通過實(shí)際降水量和儀器實(shí)際排水量比較后得出的，但在使用中，實(shí)際降水量因?yàn)槭艿皆S多環(huán)境因素（比如風(fēng)、地形、高度等）的影響無法準(zhǔn)確認(rèn)定，故以進(jìn)入承雨口的雨量為雨量真值。常見的翻斗式雨量計(jì)誤差主要有：翻斗誤差、風(fēng)力誤差、蒸發(fā)誤差、沾水誤差、濺水誤差、儀器誤差等，誤差的主要來源是翻斗誤差和風(fēng)力誤差[1]。

2.1 最大起始誤差

翻斗式雨量計(jì)一般安裝在野外，在初始干燥狀態(tài)下，發(fā)生降雨后，一般雨水會(huì)首先匯集到進(jìn)水口，然后經(jīng)過管道、進(jìn)水漏斗，進(jìn)而流入翻斗。在翻斗翻轉(zhuǎn)之前，翻斗、漏斗、管道和儀器集水面等處殘留的水珠，無法在儀器中得到計(jì)量。翻斗翻轉(zhuǎn)后，雖然翻斗內(nèi)的降水參加了計(jì)量，但進(jìn)水漏斗、管道等處殘留的水量仍無法得到計(jì)量。翻斗不間歇工作直到降雨停止的過程中，殘留在翻斗內(nèi)的水量也得不到計(jì)量，就會(huì)造成測(cè)量誤差，導(dǎo)致測(cè)量值偏小。

2.2 翻斗計(jì)量誤差

單翻斗雨量計(jì)相對(duì)于雙翻斗式雨量計(jì)來說雖然操作簡(jiǎn)單，但無法有效避免使用過程中出現(xiàn)的翻轉(zhuǎn)誤差。在翻轉(zhuǎn)過程前期，也就是翻斗從啟動(dòng)翻轉(zhuǎn)到翻斗中間隔板超過中心線的這一段時(shí)間內(nèi)，進(jìn)水漏斗仍然繼續(xù)向翻斗內(nèi)注水。隨著降水強(qiáng)度的增大，流入的水量逐漸增大；而降水強(qiáng)度越小，流入的水量也較小。但實(shí)際上，這部分在翻轉(zhuǎn)過程中注入的雨水并未得到計(jì)量，從而產(chǎn)生計(jì)量誤差。

2.3 器口尺寸誤差分析

翻斗式雨量計(jì)的器口也是造成計(jì)量誤差的重要原因。翻斗式雨量計(jì)的器口直接影響翻斗式雨量計(jì)承受雨量的面積，這是決定翻斗式雨量計(jì)計(jì)量精度的重要因素。按照《雨量器技術(shù)條件》（JB/T 9458—1999），翻斗式雨量計(jì)承接雨水口的直徑是200mm。但是，由于制作技術(shù)水平較低，使得翻斗式雨量計(jì)的器口承受雨量的面積與標(biāo)準(zhǔn)理論面積存在一定差異，導(dǎo)致翻斗式雨量計(jì)的器口尺寸誤差。

3 翻斗式雨量計(jì)誤差預(yù)防措施

通過分析翻斗式雨量計(jì)出現(xiàn)誤差的原因，可以有針對(duì)性地制定相應(yīng)措施來減小翻斗式雨量計(jì)計(jì)量誤差。控制翻斗式雨量計(jì)計(jì)量誤差的主要方法有：①調(diào)整翻斗感量；②減小翻斗傾角；③增大翻斗式雨量計(jì)的承雨口面積；④安裝閥門消減器差裝置；⑤表面噴涂特氟龍。

4 結(jié)論

翻斗式雨量計(jì)是一個(gè)可以將實(shí)時(shí)觀測(cè)的雨量數(shù)據(jù)數(shù)字化的重要雨量觀測(cè)儀器。隨著推廣工作的不斷深入，翻斗式雨量計(jì)在水文和氣象等工作中因其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、原理局限等種種原因出現(xiàn)了明顯的不足，對(duì)洪澇災(zāi)害預(yù)測(cè)精度、水文水利規(guī)劃精度有著非常大的影響。因此，在日常水文遙測(cè)工作中，應(yīng)不斷總結(jié)翻斗式雨量計(jì)產(chǎn)生誤差的原因，提出可行的改進(jìn)措施，從而不斷提升翻斗式雨量計(jì)的計(jì)量精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]王玉紅.稱重式雨量計(jì)與翻斗式雨量計(jì)同時(shí)掛接方法[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2017（3）：210-211.