何口水文站雙翻斗式雨量計比測試驗淺析

□張巧云（南陽水文水資源勘測局）

0 前言

何口水文站位于澧河右岸舞陽縣姜店鄉(xiāng)凍莊村。1955年6月由河南省水利廳設立，現(xiàn)由河南省漯河水文水資源勘測局管理。該站是淮河三級支流澧河上的重要控制站，控制流域面積2124km2。該站是省級重要水文站，多年平均降雨量804.00mm，多年平均徑流量5.59億m3。

何口水文站觀測項目有降水、水位、流量、蒸發(fā)、水文調(diào)查、水質(zhì)、初終霜、冰清、墑情。汛期常用的雨量觀測儀器有虹吸式雨量計和JDZ05型翻斗式雨量計。為節(jié)省人力、減少錯誤、提高工作效率與精度，2014年河南省水文水資源局對何口水文站新配一套精度為SL3-1型，精度可以達到0.10mm的雙翻斗式雨量計，漯河水文局為了確保雙翻斗式雨量計觀測資料的可靠性及精度，將何口水文站的虹吸雨量計與雙翻斗式雨量計放在同一觀測場進行對比觀測?，F(xiàn)將雙翻斗式雨量計與虹吸式自己雨量計2014年8月23日至10月18日對比觀測的降水量資料誤差情況，作如下分析：

1 兩種雨量計工作原理

1.1 虹吸式雨量計工作原理

虹吸式雨量計是利用虹吸原理對雨量進行連續(xù)觀測，當有降水時，降雨由承水器收集，經(jīng)大、小漏斗和進水管進入浮子室，持續(xù)的降水引起浮子室內(nèi)水位升高，從而使浮子室內(nèi)浮子隨之升高，并帶動浮子桿上的記錄筆在記錄紙上運動，作出相應記錄。當降水量累計達10mm時，虹吸管進行虹吸，當虹吸結束時，浮子降落到起始位置。雨量計中的自記鐘通過傳動機構帶動記錄紙筒旋轉，從而使記錄筆在記錄紙上作出相應的時間記錄。根據(jù)記錄曲線，可以判斷出降水的起止時間、降水強度和降水量。

1.2 雙翻斗式雨量計工作原理

雙翻斗式雨量傳感器分成上下兩層，上層是過渡翻斗，下層為計量翻斗。當降水到一定量后，過渡翻斗發(fā)生翻轉，降水通過節(jié)流管全部流入計量翻斗，節(jié)流管的作用是控制一定的雨水通過速度（雨強），此時計量翻斗并不翻轉，降水繼續(xù)注入儀器，過渡翻斗發(fā)生第二次翻轉，降水再次通過節(jié)流管流入計量翻斗。在流入過程中，計量翻斗發(fā)生了翻轉，從而輸入接點通斷信號，產(chǎn)生一個脈沖信號。然后脈沖信號通過傳輸線傳輸?shù)睫k公室內(nèi)采集器。

2 降水量對比分析

2.1 比測時間的選用

由于雙翻斗式雨量計在2014年8月22日安裝完成，故選擇2014年8月23日至10月18日期間的降水量資料作為比測。

2.2 降水量對比分析

根據(jù)SL21-90《降水量觀測規(guī)范》以及SL3-1型雙翻斗式雨量計精度要求，以下分析均以虹吸式自記雨量計觀測值作為真值，SL3-1型雙翻斗式雨量計觀測值，用降水天數(shù)、日雨量及累計降水量的絕對誤差、相對誤差來進行對比分析，要求如下：

一是降水量≤10mm時，以絕對誤差表示，量測誤差≤±0.40mm；二是降水量>10mm時，以相對誤差表示，量測誤差≤±4mm。

2.2.1 降水日數(shù)對比分析

2014年8月23日至10月18日對比觀測期間，虹吸式雨量計共觀測降水天數(shù)21d、翻斗式雨量計共觀測降水天數(shù)21d，見表，兩者觀測降水量日數(shù)一致。

2.2.2 日降水量對比分析

根據(jù)表一列表對比分析，翻斗式雨量計選擇了21d日降水量與虹吸式雨量計進行對比分析，SL3-1型雙翻斗式雨量計觀測值與虹吸式雨量計記錄值存在著差值。其中，翻斗式雨量計降水量≤10mm的天數(shù)是13d，超過誤差允許范圍為2d，合格率為84.60%；降水量>10mm的天數(shù)為8d，都在誤差允許范圍內(nèi)，合格率100%，通過對誤差較大的9月7日與8日日降水量分析檢查，原因是因為儀器原因引起，信號線擋住翻斗，導致彈跳不正常，導致翻斗式雨量計觀測值較少。根據(jù)對比分析結果，SL3-1型雙翻斗式雨量計觀測值與虹吸式雨量計記錄值是吻合的，SL3-1型雙翻斗式雨量計性能比較穩(wěn)定可靠。

表1 虹吸式雨量計與翻斗式雨量計降水量誤差對比分析表

2.2.3 累計降水量對比分析

通過對表1對比分析可以看出，8月23日至10月18日翻斗式雨量計累計降水量為283.50mm，虹吸式雨量計觀測值為280.20mm，兩者絕對誤差為-3.30mm，相對誤差為-1.18%，均在《降水量觀測規(guī)范》規(guī)定的誤差允許范圍±4%以內(nèi)，說明SL3-1型雙翻斗式雨量計可以滿足規(guī)范要求。

2.2.4 降水量較大值分析

通過表1日降水量>30mm以上進行分析，共有4次日降水量>30mm，相對誤差分別為8月30日1.98%、9月11日3.88%、9月14日0.96%，9月27日0.00%，均在允許范圍以內(nèi)，結果分析表明，SL3-1型雙翻斗式雨量計在降水量強度比較大的條件下能正常使用。

3 虹吸式雨量計與SL3-1型雙翻斗式雨量計誤差分析

3.1 儀器的初始誤差

在初始干燥的情況下，降水在儀器經(jīng)過的位置都會留下水珠，水膜，都無法在儀器中得到計量，這是一個系統(tǒng)誤差，與降水量、降水強度基本無關。由于進行比測的兩種降水量觀測儀器新舊程度不一樣，虹吸式雨量計使用時間較長，而SL3-1型雙翻斗式雨量計是全新的儀器，所以說存在著虹吸式雨量計日降水量觀測值較小的情況。

3.2 天氣因素影像

無論哪種雨量計都是安裝在野外，經(jīng)過一段時間后，翻斗式雨量計的傳感器的可動部件翻斗必須和雨水接觸，整個儀器更是暴露在雨水之中，夾帶塵土的雨水，都會影響翻斗式雨量計的正常工作，降低了其雨量測量的準確性，所以說要對翻斗式雨量計進行檢查，漏斗內(nèi)是否有雜物、翻斗內(nèi)是否有泥沙、翻斗轉動是否靈活、排水是否通暢，及時進行清理，確保儀器的正常運行。

3.3 人為因素影響

儀器安裝不牢固、承雨器口不水平、翻斗支架上的圓水準泡不居中，都可能影響降水量觀測不準。

4 結語

通過對虹吸式自記雨量計與SL3-1型雙翻斗式雨量計的觀測資料的對比分析、誤差分析，得出結論如下。

SL3-1型雙翻斗式雨量計使用方便，降低了勞動強度，虹吸式自記雨量計每天都需要在露天觀測場內(nèi)更換雨量紙、加墨水、上自記鐘發(fā)條等工作，翻斗式雨量計只需要觀察時鐘是否運轉正常，電壓是否正常，并且都在室內(nèi)完成。

虹吸式雨量計是機械信號，不便于將降雨量轉換成可供處理的電信號輸出，不便于自動記錄和遙測系統(tǒng)，客觀上限制了發(fā)展，而SL3-1型雙翻斗式雨量計信號輸出簡單，適合自動化、數(shù)字化管理。

虹吸式雨量計存在底水情況，是每次虹吸結束后，浮子桿上的記錄筆不可能絕對歸零，容易差生零點誤差。

SL3-1型雙翻斗式雨量計性能穩(wěn)定，因為SL3-1型雙翻斗式雨量計采集器可以采用220V交流電與12V直流電，當采集器采用可以自動處理數(shù)據(jù)時，SL3-1型雙翻斗式雨量計就能較穩(wěn)定地長期工作；而虹吸式自記雨量計采用機械方式進行轉動，會產(chǎn)生計時誤差，不能自動化記錄和傳輸，也就不能用于自動化系統(tǒng)和長期記錄。

通過數(shù)據(jù)對比觀測與實際運行經(jīng)驗，筆者認為SL3-1型雙翻斗式雨量計更適用于何口水文站，能減少何口水文站勞動強度、提高工作效率，能夠為漯河市防汛提供可靠準確及時的降水信息，對漯河水文局的水文自動化發(fā)展有著重大意義。