提高單翻斗雨量計(jì)測(cè)量精度研究

胡林山，舒大興

（1.寧夏艾依河管理局，750001，銀川；2.河海大學(xué)，210098，南京）

提高單翻斗雨量計(jì)測(cè)量精度研究

胡林山1，舒大興2

（1.寧夏艾依河管理局，750001，銀川；2.河海大學(xué)，210098，南京）

結(jié)合對(duì)翻斗雨量計(jì)工作原理的介紹,分析了分辨率為0.1 mm翻斗雨量計(jì)的誤差來(lái)源，給出了分辨率為0.1 mm翻斗雨量計(jì)的雨強(qiáng)與誤差關(guān)系圖。針對(duì)變化雨強(qiáng)對(duì)小分辨率雨量計(jì)的影響，研究了虹吸排水均化雨強(qiáng)和增加平衡錘減小翻斗變換時(shí)間的方法，結(jié)論認(rèn)為0.1 mm雨量計(jì)的測(cè)量精度可得到顯著提高。

翻斗雨量計(jì)；虹吸；平衡錘；誤差；雨強(qiáng)

當(dāng)前水利信息化建設(shè)需要大量使用翻斗雨量計(jì)，但受翻斗雨量計(jì)原理的局限，其測(cè)量誤差難以避免地受降雨強(qiáng)度變化的影響，而當(dāng)使用較高分辨率的雨量計(jì)時(shí)，翻斗翻轉(zhuǎn)動(dòng)作頻繁，計(jì)量誤差就更大了。簡(jiǎn)單的翻斗雨量計(jì)其分辨率和精度之間的固有矛盾是不可能解決的。本研究在漏斗中增加虹吸管,均化雨強(qiáng)，提高了翻斗雨量計(jì)的測(cè)量精度。

一、翻斗雨量計(jì)誤差分析

翻斗雨量計(jì)是一個(gè)翻斗式機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)稱重結(jié)構(gòu)，是采用隔板間開(kāi)的兩個(gè)完全對(duì)稱的三角形容器，隔板可繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，類似于蹺蹺板原理。工作時(shí)兩側(cè)容器輪流接水，當(dāng)一側(cè)容器裝滿一定量雨水時(shí)，重心外移翻轉(zhuǎn)，水被倒出，隨著降雨持續(xù)，翻斗不斷左右翻轉(zhuǎn)。

1.翻斗翻轉(zhuǎn)動(dòng)作過(guò)程的誤差

翻斗雨量計(jì)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作過(guò)程有一定誤差。翻斗雨量計(jì)是一個(gè)翻斗機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)稱重結(jié)構(gòu)。在t1時(shí)刻，右斗室承接的雨水重量達(dá)設(shè)定的翻斗容量W時(shí)，翻斗部件的傾角為θ，此時(shí)翻斗失穩(wěn)，開(kāi)始迅速轉(zhuǎn)動(dòng)，在t2時(shí)刻，左右翻斗處于水平。隨后左翻斗繼續(xù)接水，直至斗室里承接的雨水重量達(dá)到設(shè)定容量W，再翻轉(zhuǎn)。如此循環(huán)往復(fù)，兩斗室輪換接水進(jìn)行計(jì)量。在t1～t2的間隔時(shí)間△t時(shí)間內(nèi)，上方的漏斗出水口仍然不停地往右斗室注水，假設(shè)雨強(qiáng)為i，在△t時(shí)間內(nèi)，注入右斗室里的水量為△W，這部分水量是翻斗計(jì)量過(guò)程中多計(jì)入的，即為翻斗動(dòng)作的誤差。增量△W是絕對(duì)誤差，增量△W與翻斗的容量W之比（△W/W）為翻斗動(dòng)態(tài)計(jì)量的相對(duì)誤差。其大小與雨強(qiáng)i和翻轉(zhuǎn)歷時(shí)△t有關(guān)。

2.翻斗雨量計(jì)室內(nèi)誤差試驗(yàn)

本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是分辨率0.1mm的翻斗雨量計(jì)，采用人工模擬降雨方法進(jìn)行翻斗計(jì)量誤差實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為：將一個(gè)表面積約0.5 m2的大水箱注滿水作為恒壓的進(jìn)水設(shè)備，采用模擬降水的自動(dòng)控制設(shè)備模擬不同雨強(qiáng)的降雨過(guò)程，在翻斗傳感器下面安放一貯水瓶，收集翻斗內(nèi)的降水，當(dāng)翻斗計(jì)數(shù)達(dá)到100斗，停止降雨，使用天平計(jì)量貯水瓶?jī)?nèi)水體重量。翻斗計(jì)量誤差E為：

公式 （1）中，V為理論上翻斗的排水量，即為翻斗容量與翻斗翻轉(zhuǎn)次數(shù)的乘積，單位為g；P為實(shí)際排水量，貯水瓶?jī)?nèi)水體重量，單位為g。

試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整翻斗傳感器的翻斗部件安裝角Ф，分別將每斗的容量設(shè)置為 2.2 g、2.4 g、2.6 g、2.9 g和3.1 g。每種翻斗容量在不同的雨強(qiáng)下翻轉(zhuǎn)500斗，分別處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出雨強(qiáng)與誤差關(guān)系圖，見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出：①每種翻斗容量的測(cè)量誤差點(diǎn)密集分布在點(diǎn)群中心斜線的兩側(cè)，說(shuō)明翻斗誤差與雨強(qiáng)的關(guān)系密切。②翻斗容量在2.2～3.1 g/斗范圍內(nèi)變化時(shí)，誤差從正偏離變化到負(fù)偏離。③對(duì)于0.1 mm的雨量計(jì)，理論翻斗容量為3.14g/斗，小雨強(qiáng)時(shí)誤差很??；大雨強(qiáng)時(shí)誤差大；4 mm/min雨強(qiáng)時(shí)誤差達(dá)24%，年雨量測(cè)量值嚴(yán)重偏小。④常見(jiàn)的降雨強(qiáng)度為0.1～4 mm/min，誤差在此雨強(qiáng)范圍內(nèi)正負(fù)分布。對(duì)0.1 mm的雨量計(jì)，翻斗容量調(diào)整為2.8g/斗，雨強(qiáng)2 mm/min時(shí)，誤差為最小。雨強(qiáng)在0.1～4 mm/min變化時(shí)，誤差為±12%。

圖1 雨強(qiáng)與翻斗雨量計(jì)誤差關(guān)系

圖2 虹吸節(jié)流翻斗雨量計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖3 虹吸節(jié)流翻斗雨量計(jì)測(cè)量誤差分布圖

3.雨量計(jì)翻斗翻轉(zhuǎn)時(shí)間估算

如圖1所示，在翻斗容量為3.1mL時(shí)，雨強(qiáng)4 mm/min，誤差為-24%，即注入翻斗的流量為2.09mL/s，翻斗翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的誤差水量為 3.14mL× 0.24=0.754 mL，因此雨量計(jì)從傾斜狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間為0.36 s。

二、提高降雨量測(cè)量精度的措施

1.均化降雨強(qiáng)度

為了減少降雨強(qiáng)度變化對(duì)計(jì)量翻斗的影響，再加裝一層翻斗，即雙層翻斗雨量計(jì)，上層翻斗翻轉(zhuǎn)流入到下層計(jì)量翻斗的降雨強(qiáng)度被均化為4 mm/min，與外界實(shí)際雨強(qiáng)無(wú)關(guān)，因此其測(cè)量精度得到了提高。雙翻斗結(jié)構(gòu)的0.1 mm雨量計(jì)在氣象部門(mén)得到廣泛使用。

虹吸節(jié)流是另一種均化雨強(qiáng)的方法，見(jiàn)圖2。本設(shè)計(jì)內(nèi)置虹吸漏斗和沉沙池，當(dāng)承雨器收集的降雨量流入虹吸漏斗，先積存起來(lái)，虹吸漏斗內(nèi)水位從虹吸管口開(kāi)始上升，至虹吸管頂后開(kāi)始虹吸排水至計(jì)量翻斗，水位下降到虹吸管的進(jìn)水口高程時(shí)停止排水，等待降雨使水位上升至虹吸管頂部，再發(fā)生虹吸現(xiàn)象，保證流入翻斗的流量相對(duì)穩(wěn)定，將變化的降雨強(qiáng)度過(guò)程均化為相對(duì)穩(wěn)定的虹吸流量過(guò)程。

2.虹吸流量的確定

如果虹吸流量較小，超強(qiáng)降雨量會(huì)使虹吸漏斗內(nèi)的水位升高至溢出；如果虹吸流量較大，會(huì)造成相鄰兩次翻轉(zhuǎn)之間的時(shí)間太短而影響斗內(nèi)雨水完全排凈，因此需要根據(jù)最大雨強(qiáng)確定最適合的虹吸流量。在國(guó)內(nèi)，南方沿海地區(qū)的年降雨量和降雨強(qiáng)度最大，順德、廣州、汕頭十分鐘降雨量歷史最大值的平均值為34.1 mm，按照4 mm/min的雨強(qiáng)設(shè)計(jì)虹吸流量能夠滿足最大雨強(qiáng)的要求。此時(shí)虹吸流量為2.09 mL/s，相鄰兩次翻轉(zhuǎn)之間的最短時(shí)間為1.5 s。如果降雨強(qiáng)度量較大持續(xù)超過(guò)虹吸流量時(shí)，虹吸漏斗內(nèi)的水位不斷上升，水壓不斷增大，虹吸排水流量相應(yīng)不斷增大。以20 mm降雨量按各種不同的降雨強(qiáng)度進(jìn)行誤差試驗(yàn)，得出誤差均值分布圖見(jiàn)圖3。

在0.1～4 mm/min的雨強(qiáng)范圍內(nèi)，雨量計(jì)的測(cè)量誤差很??；降雨強(qiáng)度持續(xù)超過(guò)4 mm/min時(shí)，測(cè)量誤差顯著增加，但事實(shí)上天然降雨強(qiáng)度持續(xù)10分鐘超過(guò)4 mm/min的概率很小，因此虹吸節(jié)流翻斗雨量計(jì)實(shí)際測(cè)量誤差較小。在0.1～4 mm/min的雨強(qiáng)變化范圍內(nèi)，使分辨率0.1 mm的翻斗雨量計(jì)測(cè)量誤差從±12%減少到±3%，提高了翻斗雨量計(jì)的測(cè)量精度。

3.野外實(shí)測(cè)比較

為了檢驗(yàn)自然狀態(tài)下虹吸翻斗雨量計(jì)的測(cè)量精度，進(jìn)行了野外同步對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，觀測(cè)時(shí)間從6月23日至11月24日共150天。將人工雨量器和0.5 mm的翻斗雨量計(jì)同步觀測(cè)對(duì)比分析,以降雨量小于10 mm誤差小于0.4 mm，降雨量大于10 mm誤差小于4%為誤差指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，總雨量差別不大，部分日雨量因雨量值很小相對(duì)誤差很大，但是在實(shí)測(cè)38天的降雨日數(shù)內(nèi)，0.5mm雨量計(jì)的降雨日數(shù)少了6天，按照規(guī)范日降雨量0.1 mm為本日有雨，因此0.5mm雨量計(jì)的降雨日數(shù)無(wú)效。

三、結(jié)語(yǔ)

降雨量是水資源循環(huán)和利用中最基礎(chǔ)的水文資料，其觀測(cè)精度要求到0.1mm。翻斗雨量計(jì)可用于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但觀測(cè)誤差很大，經(jīng)過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)比測(cè)，得出下述結(jié)論： ①作為國(guó)家基本水文站網(wǎng)中最重要的雨量資料，有必要使用0.1 mm的雨量觀測(cè)設(shè)備；但因翻斗雨量計(jì)測(cè)量原理的局限性，0.1 mm分辨率翻斗雨量計(jì)的誤差與降雨強(qiáng)度顯著相關(guān)，雨強(qiáng)在0.1～4 mm/min范圍變化，其翻斗動(dòng)作誤差達(dá)±12%。

②進(jìn)行10 mm降雨量滴定試驗(yàn)，0.1 mm分辨率雙翻斗雨量計(jì)在0.01～4 mm/min的雨強(qiáng)范圍內(nèi)，最大可能誤差為±6%；在0.1 mm單翻斗雨量計(jì)的漏斗中增加虹吸管均化雨強(qiáng)，測(cè)量誤差保證在±3%之內(nèi)，但當(dāng)雨強(qiáng)持續(xù)大于4 mm/min時(shí)，兩者誤差都顯著增大。

③在翻斗上增加平衡錘減小翻斗翻轉(zhuǎn)傾角，進(jìn)一步提高翻斗雨量計(jì)的觀測(cè)精度。

④0.5 mm翻斗雨量計(jì)受雨強(qiáng)的影響較小，降雨總量誤差不大，但降雨日數(shù)無(wú)效。

[1]中華人民共和國(guó)水利部.降水量觀測(cè)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

[2]中國(guó)氣象局編.地面氣象觀測(cè)規(guī)范[S].北京:氣象出版社,2003.

[3]黨選發(fā),徐志龍,等.自動(dòng)氣象站雨量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法氣象科技[J]. 2008,36(3).

責(zé)任編輯 江 芳

How to increase measure accuracy of tipping bucket rain gauge

/Hu Linshan,Shu Daxing

With introduction of working principle of tipping bucket rain gauge,the reason of error in rain gauge with 0.1 mm resolution ratio is detected,and the relation graph of rain intensity and error is given.Regarding to influence of change of rain intensity to rain gauge with low resolution ratio,studies are made on the method of homogenizing rain intensity by siphonic drainage and increasing balance weight and reducing conversion time of tipping bucket.The result demonstrates that the measuring accuracy of rain gauge with 0.1 mm resolution ratio can be enhanced dramatically.

tipping bucket rain gauge;siphon;balance weight;error;rain intensity

P412.13

B

1000-1123（2016）02-0060-02

2015-12-29

胡林山，高級(jí)工程師。