地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測復(fù)雜場景下壓電式雨量計(jì)精度標(biāo)定及適宜性分析

馬娟，張鳴之，齊干，葉思卿，黃喆，丁帆

（1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院（自然資源部地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)指導(dǎo)中心），北京 100081；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；3.東方智感（浙江）科技股份有限公司，浙江 杭州 311200）

0 引言

我國地形地貌復(fù)雜多樣，地質(zhì)條件復(fù)雜，山地丘陵約占國土面積的65%，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多、面廣，防范難度大，每年都會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。截至2021 年底，全國已登記在冊的地災(zāi)災(zāi)害隱患點(diǎn)28.8 萬余處，其中滑坡14.8 萬余處、泥石流3.5 萬余處，其他災(zāi)害10.5 萬余處，共威脅1 300 余萬人和6 300 多億元財產(chǎn)的安全[1-3]。據(jù)歷史災(zāi)情統(tǒng)計(jì)，局地短時集中強(qiáng)降雨是泥石流的最主要誘發(fā)因素，同時降雨誘發(fā)型滑坡數(shù)量也約占滑坡總數(shù)的70%。近年來極端天氣氣候事件增多，降雨時空分布不均勻性凸顯，高強(qiáng)度地震活動頻繁，預(yù)計(jì)未來一段時期內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害仍呈高發(fā)、頻發(fā)態(tài)勢，地質(zhì)災(zāi)害防治工作面臨的形勢依然嚴(yán)峻[4-6]。加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警，逐步提升“災(zāi)害何時發(fā)生”的預(yù)警預(yù)報能力顯得尤為重要。氣象因素是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素之一，開展雨量監(jiān)測對滑坡、泥石流預(yù)警預(yù)報具有十分重要的意義[7-8]。而氣象預(yù)報雨量一般反映區(qū)域的降雨情況，但山區(qū)往往受小氣候和地形影響，在溝頭和溝口、山腳、山腰和山頂?shù)挠炅看嬖谝欢ú町愋?，因而建議突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方案設(shè)計(jì)中將雨量作為必測項(xiàng)，故雨量監(jiān)測設(shè)備的精度、靈敏性和穩(wěn)定性是精準(zhǔn)預(yù)警預(yù)報的前提。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021—2022 年度自然資源部組織實(shí)施地質(zhì)災(zāi)害普適型監(jiān)測預(yù)警試驗(yàn)中，累計(jì)安裝雨量計(jì)2.7 萬余臺[9-10]。

自2000 年以來，全國氣象臺站已基本普及地面自動采集氣象站，逐漸用自動站采集代替以往的人工觀測方式，但是基于不同原理采集降雨量之間直接存在差異。譚川東等[11]認(rèn)為采用標(biāo)定的線性關(guān)系修正測量值能有效降低翻斗式雨量計(jì)測量誤差。李耀寧等[12]研究發(fā)現(xiàn)相同工作原理的儀器由于儀器本身的性能差異和不可預(yù)見的故障會造成較大測量誤差。藺瀟[13]提出基于壓電效應(yīng)的雨量感知方法,并且設(shè)計(jì)了一種低成本、低功耗的壓電式雨量傳感器。翻斗式雨量計(jì)因其原理簡單、功耗小，性能較為穩(wěn)定，長期以來一直作為主流觀測降雨強(qiáng)度和累計(jì)降雨量的監(jiān)測設(shè)備，廣泛運(yùn)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測。翻斗式雨量計(jì)通常要求安裝在地勢平坦且空曠的場地，且承雨器口至山頂?shù)难鼋遣淮笥?0°。但在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測場景中，難以尋求安裝的絕佳位置，特別是西南和東南部地區(qū)植被茂密，落葉或者其他一些雜物容易落到集雨器中，造成集雨通道不通暢，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。近年來研發(fā)的壓電式雨量計(jì)相對于翻斗式雨量計(jì)具有野外安裝便捷、集成度高、量程大、易維護(hù)等特點(diǎn)，更適用于在野外地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測復(fù)雜場景中。

1 翻斗式雨量計(jì)與壓電式雨量計(jì)測量原理對比

翻斗式雨量計(jì)工作原理是雨水從上承座進(jìn)入貯水器，落入水漏斗，再通過漏斗口流入翻斗桶。當(dāng)蓄水量達(dá)到一定高度（如 0.1mm）時，翻斗會失去平衡而翻倒。每次鏟斗被翻倒時，開關(guān)就連接到電路上，向記錄器發(fā)送一個脈沖信號。通過控制記錄器來記錄降雨，因此降雨過程可以持續(xù)測量。

壓電式雨量計(jì)工作原理是雨滴落在傳感器表面上，監(jiān)測面板會產(chǎn)生微小的機(jī)械振動。壓電陶瓷板在振動的機(jī)械應(yīng)力作用下，電極之間產(chǎn)生電壓差，并將電信號輸出到外界。通過采集每個壓電元件輸出信號的峰值電壓，來計(jì)算對應(yīng)雨滴的粒徑和體積，從而記錄降雨量數(shù)值[14-16]。

通過技術(shù)參數(shù)、安裝方法和運(yùn)維方式對比發(fā)現(xiàn)，壓電式雨量計(jì)在數(shù)據(jù)分辨率、上傳數(shù)據(jù)實(shí)時性、安裝準(zhǔn)備、便攜性、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和運(yùn)維方式上均優(yōu)于翻斗式雨量計(jì)（表1）。

表1 壓電式雨量計(jì)和翻斗式雨量計(jì)指標(biāo)對比Table 1 Comparison of indicators between piezoelectric rain gauges and tipping bucket rain gauges

2 精度標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證壓電式雨量計(jì)在降雨中的實(shí)測效果，分別在人工降雨大廳模擬全降雨過程及野外真實(shí)降雨條件下，對壓電式雨量計(jì)采集數(shù)值與承雨器采集雨量作對比，并計(jì)算壓電式雨量計(jì)的測量精度[17-18]。

2.1 模擬降雨環(huán)境試驗(yàn)

首先在模擬降雨環(huán)境下進(jìn)行測試試驗(yàn)，選擇在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳完成壓電式雨量計(jì)的數(shù)據(jù)采集工作，降雨面積大于 4 m2，降雨高度大于 10 m，雨滴直徑大小在 1～5 mm，雨滴終點(diǎn)速度在 1～8 m/s。監(jiān)測的基準(zhǔn)設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)化量筒口徑為Φ200 mm，標(biāo)尺高度 280 mm，分辨率 1 mm。2 臺壓電式雨量計(jì)的有效受雨面積 Φ200 mm，分辨率0.01 mm。2 臺翻斗式雨量計(jì)分辨率均為0.1 mm（圖1）。

圖1 試驗(yàn)過程照片F(xiàn)ig.1 Experimental process photo

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，設(shè)置 2 次穩(wěn)定為70 mm/h 的模擬降雨過程，每次降雨持續(xù)90 min，2 次人工降雨的噴頭壓力設(shè)置和開度分別是18 kPa，48%；26 kPa，40%。在降雨大廳中央選擇并十字標(biāo)記 2 個測試點(diǎn)，每個測試點(diǎn)對應(yīng)一組測試設(shè)備，分別是量桶、壓電式雨量計(jì)和翻斗式雨量計(jì)。壓電式雨量計(jì)設(shè)置為 5 min 上報一次累計(jì)雨量，每次上報后清零。在室內(nèi)無風(fēng)的模擬降雨環(huán)境下，對比標(biāo)準(zhǔn)化量筒、壓電式雨量計(jì)、翻斗式雨量計(jì)采集上報數(shù)據(jù)。測試點(diǎn)1、2 數(shù)據(jù)對比分別如表2、3 所示。

表2 測試點(diǎn)1 數(shù)據(jù)Table 2 Test point 1

表3 測試點(diǎn)2 數(shù)據(jù)Table 3 Test point 2

從壓電式雨量計(jì)與翻斗雨量計(jì)采集數(shù)據(jù)結(jié)果對比來看，可以看見兩者測量的雨量值相近，對比標(biāo)準(zhǔn)化量筒測量結(jié)果，壓電式雨量計(jì)表現(xiàn)更為精確，誤差范圍可控制在4%以內(nèi)，且離散系數(shù)可達(dá)2.5%以內(nèi)。

2.2 真實(shí)降雨環(huán)境試驗(yàn)

選 擇2021 年6 月5 日16:00—6 月15 日9:00 和6 月28 日21:00—6 月29 日11:00 之間兩個降雨時間段，對云南省德宏州盈江縣蘇典鄉(xiāng)政府駐地泥石流溝內(nèi)安裝的壓電式雨量計(jì)進(jìn)行真實(shí)降雨環(huán)境試驗(yàn)，并將輸出結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)量筒結(jié)果進(jìn)行對比。如試驗(yàn)照片所示（圖2）。6 月5 日14:00—6 月15 日9:00 的降雨過程中，量筒測值為225 mm，壓電式雨量計(jì)采集數(shù)值為230.48 mm，相對誤差為2.4%。6 月28 日21:00—6 月29 日11:00 的降雨，量筒測值為178 mm，壓電式雨量計(jì)采集數(shù)值為178.65 mm，降雨時長14 h，相對誤差為0.4%（表4）。

圖2 量測25 cm 集水器集水深度Fig.2 Measure water collection depth of 25 cm water collector

表4 采集記錄表Table 4 Data collection record table

2.3 誤差分析

在模擬降雨環(huán)境和實(shí)際降雨中分別進(jìn)行了壓電式雨量計(jì)精度測定，在模擬降雨環(huán)境下監(jiān)測精度分別為1.7%、0.2%、3.9%和0.6%，在實(shí)際降雨中監(jiān)測精度分別為2.4%和0.4%。誤差來源分析如下：

（1）室內(nèi)試驗(yàn)過程中，4 組測試結(jié)果壓電式雨量計(jì)測定均高于量筒標(biāo)定值，是由于雨滴降落有可能對監(jiān)測盤產(chǎn)生2 次沖擊，2 次沖擊會使測得雨量值偏大。4 組測試數(shù)據(jù)中3 組測試結(jié)果翻斗式雨量計(jì)采集值均高于量筒標(biāo)定值，且誤差范圍大于壓電式雨量計(jì)。分析原因可能是翻斗在翻轉(zhuǎn)過程中，雨水未流盡時，又有雨水流入計(jì)量翻斗，造成測量值大于量筒標(biāo)定值。

（2）受室內(nèi)試驗(yàn)場降雨試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)制約，目前只對70 mm/h，雨滴直徑大小在 1～5 mm，雨滴終點(diǎn)速度在 1～8 m/s 的降雨過程進(jìn)行了模擬，測量精度小于4%，后期將盡可能覆蓋各級降雨做更完整的對比。實(shí)際在使用過程中，壓電式雨量計(jì)觀測的雨量存在小雨測量偏小的情況，這種是由于壓電式雨量計(jì)設(shè)計(jì)原理所導(dǎo)致的，若雨滴小于0.1 mm，壓電式雨量計(jì)垂直動量趨近于0，會導(dǎo)致測量結(jié)果無雨。

（3）真實(shí)環(huán)境試驗(yàn)中，第一次降雨測試結(jié)果誤差較大，原因可能是由于監(jiān)測時長達(dá)235 h，考慮野外試驗(yàn)存在雨水蒸發(fā)等因素，導(dǎo)致量筒內(nèi)雨量與實(shí)際降雨量會有偏差，誤差相對較大，另外風(fēng)速、氣溫等氣象因素對雨量測量都會有影響，也會造成測量誤差。

2.4 誤差改進(jìn)方法研究

（1）在雨強(qiáng)和雨滴直徑可控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，增加試驗(yàn)次數(shù)，測量不同雨強(qiáng)下的壓電式雨量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)量筒的測量值誤差，分析不同雨強(qiáng)下，雨滴動能、振幅、頻率與電壓波形的細(xì)微變化關(guān)系，進(jìn)一步優(yōu)化雨量算法。

（2）探索野外復(fù)雜場景下基于嵌入約束法和證據(jù)組合法的多源信息融合技術(shù)的質(zhì)量控制方法，在雨量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上綜合其他傳感器設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)，比如溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等作為判定約束條件，進(jìn)一步提高雨量測量的精準(zhǔn)度。

3 結(jié)論

精準(zhǔn)的降雨量測量在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中意義重大[19-20]。在地災(zāi)監(jiān)測復(fù)雜場景下，壓電式雨量計(jì)相對于翻斗式雨量計(jì)無論是安裝方式、量程大小、測量精度和后期維護(hù)上更具有普適性。

（1）相對于翻斗式雨量計(jì)，壓電式雨量計(jì)為一體化整機(jī)，組件數(shù)量少，能夠?qū)崿F(xiàn)電子自動校正，減免了現(xiàn)場安裝校準(zhǔn)環(huán)節(jié)，在安裝使用上更為便捷。

（2）壓電式雨量計(jì)量程大于翻斗式雨量計(jì)，能夠更加精準(zhǔn)測量短時集中強(qiáng)降雨，根據(jù)雨滴下落最終動能識別降雨量，間接計(jì)算最大沖擊壓強(qiáng)、雨滴直徑及降雨時長，瞬間雨量實(shí)時輸出，數(shù)據(jù)采集實(shí)時性更好。

（3）相對于翻斗式雨量計(jì)每月定期清理雨量筒內(nèi)的雜物，壓電式雨量計(jì)頂面設(shè)計(jì)為弧面，且為特氟龍涂層，即使有鳥糞，灰塵等污物，在雨水的沖刷下，會自然脫落運(yùn)行，后期運(yùn)維簡單。