淺析稱重法代替雨量杯量取雨量的可行性

袁廷利，李憲卿，吳 英

（1.威海水利工程集團(tuán)有限公司，山東 威海 264200；2.威海市水文中心，山東 威海 264200）

近年來，威海地區(qū)降雨量全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)，普通人工雨量器作為自記雨量計(jì)的校核儀器或者發(fā)生故障時(shí)的必備儀器還在大量使用，其最主要的用途是人工觀測(cè)日雨量。普通雨量器是把自然降水量用設(shè)定好的承水口（直徑20 cm）收集后導(dǎo)入蓄水瓶，再將收集到的降水量用雨量杯測(cè)取，構(gòu)造簡單，使用方便，是降水量觀測(cè)基本儀器[1]。本文中的普通雨量器在降水量觀測(cè)時(shí)，由于雨量杯一次性最多只能量取10.5 mm雨量，在一場(chǎng)較大的降雨后往往需要多次測(cè)量累計(jì)計(jì)算出降雨量，多次測(cè)量不僅步驟繁瑣且容易產(chǎn)生誤差甚至人為失誤。本文通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M場(chǎng)次不同大小的降雨量，利用電子秤稱出降雨的質(zhì)量計(jì)算出降雨量值，通過人工利用雨量杯觀測(cè)出的雨量值與不同系數(shù)下電子秤計(jì)算出的雨量值，進(jìn)行對(duì)比分析，探討人工觀測(cè)雨量利用電子秤稱重法代替雨量杯人工量取雨量的可行性。

1 模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用的是MAXN品牌電子秤（30 kg/1g）一臺(tái)、雨量杯一個(gè)、盛雨容器一個(gè)（PPR儲(chǔ)水瓶）、雨水適量。

1.2 試驗(yàn)原理

普通雨量器的器口直徑為R=20 cm，水的密度為ρ=1 g/cm3，通過公式：P=10M/（ρ×πr2）就能通過雨水的質(zhì)量計(jì)算出降雨量。（P：降雨量，mm；M：雨水的質(zhì)量，g；ρ：水的密度，g/cm3；r：器口的半徑，cm。電子秤采用的是市面上常用的電子秤，其功能可以去皮，輸入單價(jià)計(jì)算出總價(jià)。那么可以依據(jù)這個(gè)功能把盛水容器的質(zhì)量用去皮功能去掉，以10/（ρ×πr2）作為單價(jià)，計(jì)算出的總價(jià)格數(shù)值上等于降雨量值。本電子秤分度值為1 g、最小稱量為10 g、最大稱重為30 kg，理論上電子秤計(jì)算的誤差為0.03 mm、一次性稱量出雨量范圍為0.3~954.9 mm，完全適合威海地區(qū)使用。

1.3 試驗(yàn)過程

由于電子秤是以公斤計(jì)算總價(jià)，則單價(jià)應(yīng)為1000×10/（ρ×πr2），若π取3.14單價(jià)為31.847，若直接取π值計(jì)算得單價(jià)為31.831。所以本實(shí)驗(yàn)采用31.83、31.84、31.85三個(gè)不同的系數(shù)來計(jì)算降雨量。

1）將電子秤放在平板石材桌面上調(diào)平。將空的盛水容器放在電子秤上然后去皮，使其質(zhì)量顯示為0。

2）將理論推求三個(gè)不同的系數(shù)（單價(jià)）31.83、31.84、31.85輸入并存儲(chǔ)在電子秤內(nèi)。

3）隨機(jī)取一定量雨水倒入盛水容器內(nèi)，分別用三個(gè)不同的系數(shù)計(jì)算出降雨量值。

4）用雨量杯量取盛水容器內(nèi)的雨量作為人工讀數(shù)測(cè)量。

5）重復(fù)3、4步驟模擬不同大小的降雨量，求出電子秤計(jì)算出的降雨量值和人工雨量杯測(cè)量的降雨量值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過上述步驟測(cè)出以下數(shù)據(jù)（盛水容器容積有限最大只能容納224.1 mm降水量）。

通過以上數(shù)據(jù)表明當(dāng)場(chǎng)雨量小于48.8 mm時(shí)3個(gè)參數(shù)都比較合理；當(dāng)場(chǎng)雨量大于48.8 mm時(shí)31.85系數(shù)下的結(jié)果開始出現(xiàn)誤差，數(shù)值偏大；當(dāng)雨量大于183.0 mm時(shí)31.84系數(shù)下的結(jié)果開始出現(xiàn)誤差，數(shù)值偏大；在所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中31.83系數(shù)下計(jì)算出的降雨量值與人工值相符。

表1 電子秤稱量出的數(shù)值與雨量杯測(cè)量值結(jié)果對(duì)比（小雨到中雨）

表2 電子秤稱量出的數(shù)值與雨量杯測(cè)量值結(jié)果對(duì)比（大雨到暴雨）

表3 電子秤稱量出的數(shù)值與雨量杯測(cè)量值結(jié)果對(duì)比（暴雨到大暴雨）

2.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

優(yōu)點(diǎn)：首先，電子秤單價(jià)（系數(shù)）是可以保存的，在第一次使用之后，再次使用就能直接稱量出降雨量值，簡單方便。其次，電子秤是一次性稱量出降雨量，減少了雨量杯多次測(cè)量雨水殘留的誤差和累計(jì)讀數(shù)觀測(cè)視線誤差。再者，雨量杯人工多次測(cè)量步驟繁瑣，容易發(fā)生撒漏、計(jì)算錯(cuò)誤，電子秤稱重法避免了這一點(diǎn)。

缺點(diǎn)：電子秤在稱量時(shí)需要平整擺放，一般測(cè)量地點(diǎn)只能在室內(nèi)，需要一個(gè)盛水容器把雨量器里的雨水取回室內(nèi)稱量，為了避免中間雨水撒漏，盛水容器最好有蓋。而且，雨量器需要保持清潔，若雨量器儲(chǔ)水瓶內(nèi)流入泥沙會(huì)導(dǎo)致結(jié)果偏大。還有，降雨量較小時(shí)雨量杯人工觀測(cè)測(cè)量次數(shù)也相對(duì)較少，這時(shí)電子秤稱重法就不如雨量杯人工觀測(cè)簡單方便。

3 結(jié)語

通過以上分析，在威海地區(qū)人工觀測(cè)雨量完全可以利用電子秤（系數(shù)采用31.83）稱重測(cè)量代替雨量杯人工觀測(cè)測(cè)量。從操作使用方便來說，當(dāng)場(chǎng)雨量等級(jí)為小雨或中雨時(shí)使用雨量杯量取雨量；當(dāng)場(chǎng)雨量等級(jí)在大雨及大雨以上使用電子秤稱重法，能夠較快準(zhǔn)確地測(cè)得場(chǎng)雨量數(shù)值。