翻斗雨量計(jì)的對(duì)比觀測(cè)及誤差分析

張夢(mèng)娜

(河北省廊坊水文勘測(cè)研究中心，廊坊市新華路90號(hào) 065000)

當(dāng)今我國(guó)雨量觀測(cè)設(shè)備的技術(shù)水平已經(jīng)跨入到世界先進(jìn)行列。翻斗雨量計(jì)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始使用以來(lái)，通過(guò)近40年不斷創(chuàng)新改進(jìn)，其性能日臻完善，已成為集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)傳、顯示為一體的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)儀器。三河站于1992年開(kāi)始使用翻斗雨量計(jì)觀測(cè)降雨量，翻斗雨量計(jì)的使用提升了水文監(jiān)測(cè)能力和水平，是逐步擺脫固守?cái)嗝嬗^測(cè)陳舊模式，向“有人管理，無(wú)人值守”模式發(fā)展、實(shí)施動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀測(cè)的水文監(jiān)測(cè)方式改革的重要舉措。為了掌握該類儀器的可靠性和穩(wěn)定性，三河站開(kāi)展了翻斗雨量計(jì)和普通雨量器對(duì)比觀測(cè)及誤差分析，取得階段性成果。

1 翻斗雨量計(jì)結(jié)構(gòu)與組成

三河站位于河北省三河市內(nèi)，建有4m×6m標(biāo)準(zhǔn)的觀測(cè)場(chǎng)，場(chǎng)內(nèi)布設(shè)降雨量、蒸發(fā)量及附屬項(xiàng)目觀測(cè)儀器，儀器設(shè)置規(guī)范合理，其中降雨量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由降雨量采集傳感器(翻斗雨量計(jì))和YY-RTU-2000智能測(cè)控終端兩部分組成，是降雨量遙測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。

1.1 翻斗雨量計(jì)數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成

翻斗雨量計(jì)可分為單層、雙層及三層3種翻斗類型，目前水文部門主要應(yīng)用的是單層翻斗雨量計(jì)。單層翻斗雨量計(jì)由筒身、底座、內(nèi)部翻斗結(jié)構(gòu)3部分組成。其中筒身由規(guī)定尺寸的不銹鋼圓形外殼及φ200mm承雨口組成。筒身和內(nèi)部結(jié)構(gòu)安裝在底面支承架上，并固定于地面基座。儀器內(nèi)部裝有1個(gè)圓形水氣泡，通過(guò)3個(gè)底腳螺絲進(jìn)行調(diào)平，使翻斗處在水平位置。

翻斗一般由金屬或塑料制成，支承在剛玉軸承上。翻斗上部裝有磁鋼，固定支架裝有高靈敏度干簧管，翻斗在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中使干簧管接點(diǎn)狀態(tài)改變，輸出電信號(hào)。翻斗下方左右各裝有1個(gè)定位螺絲釘，可改變翻斗傾斜角度，以調(diào)整翻斗翻轉(zhuǎn)水量。水文部門主要使用分辨力為0.2mm和0.5mm的雨量計(jì)，蒸發(fā)站一般配套分辨力為0.1mm的雨量計(jì)。

1.2 翻斗雨量計(jì)測(cè)控終端機(jī)構(gòu)成

三河站使用的YY-RTU-2000智能測(cè)控終端機(jī)由主機(jī)、連接線纜、天線端子、電源-太陽(yáng)能板、蓄電池組成。主機(jī)(RTU)硬件主要包括CPU、存儲(chǔ)器以及各種輸入輸出接口等功能模塊。這些模塊被集成到電路板中，通過(guò)電路板布線完成RTU各功能模塊連接。CPU是RTU控制器的中樞系統(tǒng)，負(fù)責(zé)處理各種輸入信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算處理后，完成輸出。存儲(chǔ)器是RTU記憶系統(tǒng)，用來(lái)存儲(chǔ)各種臨時(shí)或永久性數(shù)據(jù)。該終端機(jī)應(yīng)用GPRS，3G，4G，短信多種通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具備集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸、顯示及控制、管理、報(bào)警等多種功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能化管理[1-3]。

1.3 技術(shù)性能

翻斗雨量計(jì)為全戶外設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精巧，適用條件寬泛，維護(hù)簡(jiǎn)便，功耗低，經(jīng)久耐用；自動(dòng)化程度高，可無(wú)人值守；采集降雨量實(shí)時(shí)性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量精度高，時(shí)間準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)；雨量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大，傳輸快捷，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸、控制、整編一體化。目前翻斗雨量計(jì)適宜的雨強(qiáng)范圍不大于4.0mm/min，最小分辨力為0.1mm。翻斗雨量計(jì)的技術(shù)要求和性能如下。

(1)應(yīng)用外部環(huán)境條件：工作環(huán)境溫度為0～50℃、濕度40%(凝露)時(shí)95%RH。

(2)承雨器口徑：Φ200±0.60mm，器口刃口角度40°～45°。

(3)雨量分辨力：0.2mm。

(4)適用降雨強(qiáng)度范圍：0～4.0mm/min。

(5)翻斗計(jì)量誤差：不大于±4%。

(6)傳感器輸出方式：干簧管簧片與磁鋼機(jī)械接觸，形成通斷開(kāi)關(guān)量。[1-3]

2 翻斗雨量計(jì)工作原理

雨水由最上端的承水口進(jìn)入承水器，落入接水漏斗后，經(jīng)進(jìn)水漏斗口流入某一側(cè)翻斗內(nèi)，當(dāng)累積雨水量達(dá)到一定高度(比如0.2mm)時(shí)，翻斗失去平衡翻轉(zhuǎn)，此時(shí)本側(cè)翻斗內(nèi)雨水流出，另一側(cè)空翻斗置于進(jìn)水漏斗下方，承接雨水，繼續(xù)進(jìn)行計(jì)量，循環(huán)往復(fù)，完成對(duì)連續(xù)降雨的計(jì)量過(guò)程。每一次翻斗傾倒，向記錄器輸送一個(gè)脈沖信號(hào)，記錄器控制自記筆將雨量記錄下來(lái)，如此往復(fù)即可將降雨過(guò)程測(cè)量并記錄下來(lái)。[2-3]

3 翻斗雨量計(jì)誤差成因分析及消除

用翻斗雨量計(jì)觀測(cè)降雨量時(shí)，由于受觀測(cè)場(chǎng)地環(huán)境、氣候、儀器性能、安裝方式和人為因素等影響，使得降雨量觀測(cè)值存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。按誤差來(lái)源劃分為由儀器內(nèi)部產(chǎn)生的誤差和外部環(huán)境產(chǎn)生的誤差。

3.1 儀器內(nèi)部產(chǎn)生誤差的來(lái)源及消除

儀器內(nèi)部產(chǎn)生的誤差是儀器在生產(chǎn)過(guò)程中因材質(zhì)、尺寸、生產(chǎn)方式的差異而造成觀測(cè)雨量的誤差。

3.1.1 儀器翻斗殘留誤差

翻斗殘留誤差是指最后殘留在翻斗里不足分辨力(<0.2mm)的雨水而產(chǎn)生的誤差。在降雨停止后翻斗雨量計(jì)中不足一斗的量，將遺留在翻斗內(nèi)，無(wú)法計(jì)入量值，使得本日日降水量偏??；或在降雨前期因有上次降雨的殘留量，使得本次起始降雨量未滿一斗時(shí)就翻斗計(jì)量，造成日降雨量偏大。儀器翻斗殘留誤差屬于隨機(jī)誤差，具有抵償性，降雨總量值趨于正常值。

3.1.2 儀器誤差

一方面，儀器誤差是指因承雨器口不水平和儀器受太陽(yáng)暴曬或發(fā)生碰撞變形等產(chǎn)生的誤差。在發(fā)現(xiàn)承雨器口不水平時(shí)及時(shí)整平校正，發(fā)現(xiàn)變形時(shí)及時(shí)更換新儀器，即可消除儀器誤差。另一方面，儀器誤差是指翻斗翻轉(zhuǎn)誤差，即翻斗在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，某側(cè)翻斗從翻轉(zhuǎn)開(kāi)始至結(jié)束的Δt時(shí)間內(nèi)，雨水經(jīng)進(jìn)水漏斗不斷流入斗內(nèi)，并隨翻轉(zhuǎn)溢出，其雨量未計(jì)量。雨強(qiáng)不同，注入的雨量多少不一樣，翻斗在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中進(jìn)入的雨量，就會(huì)隨著降雨強(qiáng)度大小不同而產(chǎn)生不同的計(jì)量誤差。

3.1.3 儀器器口尺寸誤差

儀器器口內(nèi)徑尺寸，在制做加工過(guò)程中出現(xiàn)偏差，造成承雨口口徑誤差，使得承雨口面積不精準(zhǔn)造成進(jìn)入的雨量出現(xiàn)誤差，因此提高工藝水平和制作精度，可降低儀器器口尺寸造成的誤差。另外，可通過(guò)擴(kuò)大器口尺寸(如口徑為Φ220mm)加大器口面積，這樣，在雨量值相同的情況下，使得進(jìn)入擴(kuò)大尺寸的承雨口的雨量的也增多，從而降低器口尺寸誤差的影響。

3.2 外部環(huán)境影響產(chǎn)生誤差的來(lái)源及消除

3.2.1 蒸發(fā)導(dǎo)致的誤差

降雨匯入儲(chǔ)水器、雨停后截留在翻斗里的雨量，因蒸發(fā)損失而產(chǎn)生的誤差。為了減少蒸發(fā)損失，應(yīng)在降水停止后，及時(shí)觀測(cè)降雨量。

3.2.2 風(fēng)力導(dǎo)致的誤差

由于翻斗雨量計(jì)高出地面，有風(fēng)時(shí)阻礙了空氣流動(dòng)，引起風(fēng)場(chǎng)變形，在器口處形成渦流和上升氣流，器口上方風(fēng)速加大，擾動(dòng)了降雨跡線，導(dǎo)致了翻斗雨量計(jì)承接的降雨量系統(tǒng)偏小而產(chǎn)生誤差。風(fēng)力誤差的大小與風(fēng)速、器口安裝高度、雨滴大小有關(guān)，是降雨量觀測(cè)誤差的主要來(lái)源。

3.2.3 濺水導(dǎo)致的誤差

較大雨滴降落在地面上，可濺起0.3～0.4m高，并形成一層雨霧隨風(fēng)擾動(dòng)，有的落入承雨口內(nèi)，有的正好落在承雨口邊緣濺入器口內(nèi)，從而導(dǎo)致降雨量偏大而產(chǎn)生誤差。要消除濺水誤差，一是將翻斗雨量計(jì)安裝高度控制在0.70m或1.20m，二是承雨口材質(zhì)選用光滑耐用不易變形的材料，器口口緣呈內(nèi)直外斜的刀口狀，刀口角度為45°，這樣可以有效地降低濺水誤差的影響。

3.2.4 濕潤(rùn)導(dǎo)致的誤差

在氣候干燥情況下，降水開(kāi)始時(shí)，雨量計(jì)有關(guān)構(gòu)件會(huì)粘滯一些降水，使降雨量系統(tǒng)偏小而產(chǎn)生誤差，其大小與儀器結(jié)構(gòu)、風(fēng)速、空氣濕度、氣溫有關(guān)。[2，4]

4 翻斗雨量計(jì)誤差的分析計(jì)算

三河站觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)安裝普通雨量器，人工觀測(cè)雨量采用加密測(cè)次來(lái)提高觀測(cè)精度。

4.1 翻斗雨量計(jì)誤差的計(jì)算

4.1.1 日雨量誤差的計(jì)算

將三河站翻斗雨量計(jì)測(cè)記的日雨量與人工觀測(cè)日雨量對(duì)比，計(jì)算翻斗雨量計(jì)觀測(cè)誤差，計(jì)算中選擇2012年、2017年、2018年、2019年、2020年為5個(gè)典型年。誤差計(jì)算式為

式中：Eb為翻斗雨量計(jì)計(jì)量誤差，%；Vm為翻斗雨量計(jì)記錄的雨量，mm；Vp為人工觀測(cè)的雨量，mm[1-4]。

4.1.2 年雨量標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算

采用年降水量標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)分析比較各年觀測(cè)雨量誤差，年降水量標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算式為：

按三河站翻斗雨量計(jì)測(cè)記日雨量與人工觀測(cè)日雨量計(jì)算的觀測(cè)誤差及標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表1。

表1 三河站翻斗雨量計(jì)測(cè)記日雨量與人工觀測(cè)日雨量對(duì)比觀測(cè)誤差及標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算表Tab.1 The calculation table of the daily rainfall recorded by the Tipping Bucket Rain Gauge and the daily rainfall observed by hand at Sanhe Station

年月日日降雨量/mm人工雨量計(jì)日雨量誤差Eb/%(Ebi-Eb)年雨量標(biāo)準(zhǔn)差S/%678910180.40.40.000.012219.519.4-0.510.362325.725.2-1.954.1437.17.21.411.7443.03.00.000.01699.299.20.000.0178.88.80.000.01134.24.20.000.01180.20.20.000.012051.451.40.000.01211.41.40.000.01233.23.20.000.01250.40.40.000.01261.81.80.000.0112.42.40.000.01261.061.00.000.0150.20.20.000.01816.216.41.231.311182.582.0-0.610.48120.20.20.000.011332.231.8-1.241.77167.27.20.000.01182.93.03.4511.282240.240.0-0.500.35230.60.60.000.01260.20.20.000.012729.629.4-0.680.59100.20.20.000.01814.614.60.000.01949.349.0-0.610.49101.01.00.000.0120185671210.210.41.962.691521.822.00.920.36190.60.60.000.10210.20.20.000.1060.80.80.000.1080.20.20.000.1091.61.60.000.101350.750.4-0.590.831621.421.40.000.101714.614.60.000.10305.45.40.000.1050.20.20.000.1060.20.20.000.10100.20.20.000.101147.447.80.840.271228.829.00.690.141513.413.2-1.493.290.73

年月日日降雨量/mm人工雨量計(jì)日雨量誤差Eb/%(Ebi-Eb)年雨量標(biāo)準(zhǔn)差S/%789101618.418.61.090.591724.725.01.210.801912.312.40.810.24211.21.20.000.102347.848.41.260.8724109.1110.00.820.252620.921.00.480.0360.20.20.000.10712.212.41.641.74833.733.80.300.00100.20.20.000.101114.815.01.351.061293.493.2-0.210.29234.24.20.000.10304.84.80.000.10119.920.21.511.4121.21.20.000.102710.110.0-0.991.72159.89.80.000.1020194567891.81.80.000.46193.63.60.000.462419.720.43.558.26251.21.20.000.46277.27.20.000.46125.05.00.000.461711.211.41.791.22187.77.6-1.303.922625.426.02.362.8312.22.20.000.4624.04.00.000.46151.01.00.000.46524.324.82.061.9066.66.83.035.5291.81.80.000.46170.80.80.000.462430.130.61.660.96251.41.40.000.46289.49.40.000.462959.159.81.180.25167.268.01.190.26412.012.00.000.4653.43.40.000.46624.625.01.630.8992.22.20.000.46106.46.40.000.46117.67.82.633.81122.22.20.000.46203.63.60.000.461.40

年月日日降雨量/mm人工雨量計(jì)日雨量誤差Eb/%(Ebi-Eb)年雨量標(biāo)準(zhǔn)差S/%910916.617.23.618.611226.326.2-0.381.1235.15.0-1.966.9743.13.23.236.48247.97.8-1.273.7920204567891521.922.42.285.08196.86.80.000.00710.510.60.950.8581.81.80.000.002114.614.81.371.80228.38.41.201.383010.911.00.920.79310.60.60.000.00917.618.02.275.03255.25.20.000.00210.410.40.000.0052.62.60.000.0096.86.80.000.00101.01.00.000.00112.82.80.000.00131.81.80.000.00262.92.8-3.4512.10278.08.00.000.00287.97.8-1.271.6823.23.20.000.0096.86.80.000.001255.955.8-0.180.04151.61.60.000.00182.42.40.000.002374.575.00.670.41101.41.40.000.00112.72.6-3.7013.94150.40.40.000.00233.43.40.000.002844.644.60.000.00291.01.00.000.001.20

4.2 翻斗雨量計(jì)誤差分析

對(duì)三河站2012年、2017年、2018年、2019年、2020年5個(gè)典型年總共174次翻斗雨量計(jì)測(cè)記的日雨量與人工觀測(cè)的日雨量的誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，其誤差分布情況如表2所示。

表2 三河站日雨量誤差分布情況計(jì)算表Tab.2 Calculation table of daily rainfall error distribution at Sanhe Station

從表2可以看出，誤差分布呈現(xiàn)隨機(jī)誤差的一些特性，正負(fù)誤差比較接近，并且介于-3.7%～3.7%之間，趨于正態(tài)分布。誤差-3.70≤Eb<0出現(xiàn)的次數(shù)為22次，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的12.64%；誤差Eb=0的出現(xiàn)次數(shù)為100次，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的57.47%；誤差0

2012年、2017年、2018年、2019年、2020年觀測(cè)雨量標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.15%，0.96%，0.73%，1.40%，1.20%，綜合標(biāo)準(zhǔn)差為1.1%，這說(shuō)明在使用9年后儀器的觀測(cè)精度基本沒(méi)有降低，均在4%控制范圍內(nèi)。

5 翻斗雨量計(jì)運(yùn)行維護(hù)

在近幾年的觀測(cè)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)翻斗雨量計(jì)在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)儀器故障、計(jì)量精度下降、進(jìn)排口堵塞等問(wèn)題，要經(jīng)常檢查維護(hù)，以保證翻斗雨量計(jì)的正常運(yùn)行。

首先要下載降雨量數(shù)據(jù)，查看時(shí)間誤差是否在規(guī)定的±0.25min/d內(nèi)，復(fù)核儀器站號(hào)、日期、時(shí)間、分辨力、儲(chǔ)存記錄時(shí)間間隔等參數(shù)是否正確一致。然后斷開(kāi)信號(hào)線和電源線，進(jìn)行儀器清洗、調(diào)試。清洗、調(diào)試完畢后再接通信號(hào)線路電源，查看信號(hào)、電源接通是否通暢，存儲(chǔ)記錄值、數(shù)據(jù)中心接收值與傳感輸出值是否一致。

此外，要經(jīng)常查看儀器固定是否牢固，有無(wú)變形，器口是否水平(器口平面水平傾斜度應(yīng)<1°)，清潔儀器內(nèi)外部件，保持翻斗翻轉(zhuǎn)靈活，使供電和通信系統(tǒng)正常工作。[4]

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)近幾年的雨量對(duì)比觀測(cè)，三河站翻斗雨量計(jì)穩(wěn)定可靠，經(jīng)久耐用，各日觀測(cè)值誤差均在-3.7%～3.7%之間，各典型年及多年綜合觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差均在±4.0%之內(nèi)，符合降水量觀測(cè)規(guī)定。翻斗雨量計(jì)的廣泛應(yīng)用將會(huì)構(gòu)建成覆蓋面廣、基準(zhǔn)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)采集精度高、傳輸快捷高效、更加智能的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為全社會(huì)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)提供有力支撐。