提高單翻斗雨量計測量精度研究

胡林山，舒大興

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

提高單翻斗雨量計測量精度研究

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，210098，南京）

結合對翻斗雨量計工作原理的介紹,分析了分辨率為0.1 mm翻斗雨量計的誤差來源，給出了分辨率為0.1 mm翻斗雨量計的雨強與誤差關系圖。針對變化雨強對小分辨率雨量計的影響，研究了虹吸排水均化雨強和增加平衡錘減小翻斗變換時間的方法，結論認為0.1 mm雨量計的測量精度可得到顯著提高。

翻斗雨量計；虹吸；平衡錘；誤差；雨強

當前水利信息化建設需要大量使用翻斗雨量計，但受翻斗雨量計原理的局限，其測量誤差難以避免地受降雨強度變化的影響，而當使用較高分辨率的雨量計時，翻斗翻轉動作頻繁，計量誤差就更大了。簡單的翻斗雨量計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，提高了翻斗雨量計的測量精度。

一、翻斗雨量計誤差分析

翻斗雨量計是一個翻斗式機械雙穩(wěn)態(tài)稱重結構，是采用隔板間開的兩個完全對稱的三角形容器，隔板可繞水平軸轉動，類似于蹺蹺板原理。工作時兩側容器輪流接水，當一側容器裝滿一定量雨水時，重心外移翻轉，水被倒出，隨著降雨持續(xù)，翻斗不斷左右翻轉。

1.翻斗翻轉動作過程的誤差

翻斗雨量計翻轉動作過程有一定誤差。翻斗雨量計是一個翻斗機械雙穩(wěn)態(tài)稱重結構。在t1時刻，右斗室承接的雨水重量達設定的翻斗容量W時，翻斗部件的傾角為θ，此時翻斗失穩(wěn)，開始迅速轉動，在t2時刻，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到設定容量W，再翻轉。如此循環(huán)往復，兩斗室輪換接水進行計量。在t1～t2的間隔時間△t時間內，上方的漏斗出水口仍然不停地往右斗室注水，假設雨強為i，在△t時間內，注入右斗室里的水量為△W，這部分水量是翻斗計量過程中多計入的，即為翻斗動作的誤差。增量△W是絕對誤差，增量△W與翻斗的容量W之比（△W/W）為翻斗動態(tài)計量的相對誤差。其大小與雨強i和翻轉歷時△t有關。

2.翻斗雨量計室內誤差試驗

本文的實驗對象是分辨率0.1mm的翻斗雨量計，采用人工模擬降雨方法進行翻斗計量誤差實驗。實驗設計為：將一個表面積約0.5 m2的大水箱注滿水作為恒壓的進水設備，采用模擬降水的自動控制設備模擬不同雨強的降雨過程，在翻斗傳感器下面安放一貯水瓶，收集翻斗內的降水，當翻斗計數(shù)達到100斗，停止降雨，使用天平計量貯水瓶內水體重量。翻斗計量誤差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次數(shù)的乘積，單位為g；P為實際排水量，貯水瓶內水體重量，單位為g。

試驗中通過調整翻斗傳感器的翻斗部件安裝角Ф，分別將每斗的容量設置為 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下翻轉500斗，分別處理實驗數(shù)據，得出雨強與誤差關系圖，見圖1。

由圖1可以看出：①每種翻斗容量的測量誤差點密集分布在點群中心斜線的兩側，說明翻斗誤差與雨強的關系密切。②翻斗容量在2.2～3.1 g/斗范圍內變化時，誤差從正偏離變化到負偏離。③對于0.1 mm的雨量計，理論翻斗容量為3.14g/斗，小雨強時誤差很小；大雨強時誤差大；4 mm/min雨強時誤差達24%，年雨量測量值嚴重偏小。④常見的降雨強度為0.1～4 mm/min，誤差在此雨強范圍內正負分布。對0.1 mm的雨量計，翻斗容量調整為2.8g/斗，雨強2 mm/min時，誤差為最小。雨強在0.1～4 mm/min變化時，誤差為±12%。

圖1 雨強與翻斗雨量計誤差關系

圖2 虹吸節(jié)流翻斗雨量計結構圖

圖3 虹吸節(jié)流翻斗雨量計測量誤差分布圖

3.雨量計翻斗翻轉時間估算

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

二、提高降雨量測量精度的措施

1.均化降雨強度

為了減少降雨強度變化對計量翻斗的影響，再加裝一層翻斗，即雙層翻斗雨量計，上層翻斗翻轉流入到下層計量翻斗的降雨強度被均化為4 mm/min，與外界實際雨強無關，因此其測量精度得到了提高。雙翻斗結構的0.1 mm雨量計在氣象部門得到廣泛使用。

虹吸節(jié)流是另一種均化雨強的方法，見圖2。本設計內置虹吸漏斗和沉沙池，當承雨器收集的降雨量流入虹吸漏斗，先積存起來，虹吸漏斗內水位從虹吸管口開始上升，至虹吸管頂后開始虹吸排水至計量翻斗，水位下降到虹吸管的進水口高程時停止排水，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穩(wěn)定，將變化的降雨強度過程均化為相對穩(wěn)定的虹吸流量過程。

2.虹吸流量的確定

如果虹吸流量較小，超強降雨量會使虹吸漏斗內的水位升高至溢出；如果虹吸流量較大，會造成相鄰兩次翻轉之間的時間太短而影響斗內雨水完全排凈，因此需要根據最大雨強確定最適合的虹吸流量。在國內，南方沿海地區(qū)的年降雨量和降雨強度最大，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的雨強設計虹吸流量能夠滿足最大雨強的要求。此時虹吸流量為2.09 mL/s，相鄰兩次翻轉之間的最短時間為1.5 s。如果降雨強度量較大持續(xù)超過虹吸流量時，虹吸漏斗內的水位不斷上升，水壓不斷增大，虹吸排水流量相應不斷增大。以20 mm降雨量按各種不同的降雨強度進行誤差試驗，得出誤差均值分布圖見圖3。

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

3.野外實測比較

為了檢驗自然狀態(tài)下虹吸翻斗雨量計的測量精度，進行了野外同步對比觀測試驗，觀測時間從6月23日至11月24日共150天。將人工雨量器和0.5 mm的翻斗雨量計同步觀測對比分析,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%為誤差指標進行統(tǒng)計。根據統(tǒng)計結果分析，總雨量差別不大，部分日雨量因雨量值很小相對誤差很大，但是在實測38天的降雨日數(shù)內，0.5mm雨量計的降雨日數(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雨量計的降雨日數(shù)無效。

三、結語

降雨量是水資源循環(huán)和利用中最基礎的水文資料，其觀測精度要求到0.1mm。翻斗雨量計可用于自動化監(jiān)測系統(tǒng)，但觀測誤差很大，經過室內外試驗比測，得出下述結論： ①作為國家基本水文站網中最重要的雨量資料，有必要使用0.1 mm的雨量觀測設備；但因翻斗雨量計測量原理的局限性，0.1 mm分辨率翻斗雨量計的誤差與降雨強度顯著相關，雨強在0.1～4 mm/min范圍變化，其翻斗動作誤差達±12%。

②進行10 mm降雨量滴定試驗，0.1 mm分辨率雙翻斗雨量計在0.01～4 mm/min的雨強范圍內，最大可能誤差為±6%；在0.1 mm單翻斗雨量計的漏斗中增加虹吸管均化雨強，測量誤差保證在±3%之內，但當雨強持續(xù)大于4 mm/min時，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傾角，進一步提高翻斗雨量計的觀測精度。

④0.5 mm翻斗雨量計受雨強的影響較小，降雨總量誤差不大，但降雨日數(shù)無效。

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

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

[3]黨選發(fā),徐志龍,等.自動氣象站雨量計現(xiàn)場校準方法氣象科技[J]. 2008,36(3).

責任編輯 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，高級工程師。