水文遙測翻斗式雨量計的誤差分析

王亞楠

摘 要：自然降水量是水資源的重要組成部分，而觀測降水量是水文遙測工作的重要內容之一，其觀測精度的大小對洪澇災害預測精度、水文水利規劃精度有著非常大的影響。翻斗式雨量計是較為常用的觀測雨量的工具，但其在應用過程中仍存在較大誤差。本文首先分析翻斗式雨量計的結構和原理，然后重點探討其在應用過程中存在的誤差，并提出了相應的預防和診斷措施，以期為水文遙測工作人員在降水量觀測的實踐應用中提供參考。

關鍵詞：水文遙測站；翻斗式雨量計；誤差分析

中圖分類號：P414.95 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0094-02

Error Analysis of Hydrometeorology Tipping - bucket Rainometer

WANG Yanan

（Xinyang Hydrology and Water Resources Survey Bureau ，Xinyang Henan 465550）

Abstract： Natural precipitation is an important part of water resources， and the observed precipitation is an important part of hydrological telemetry. The accuracy of its observation has a great impact on the accuracy of flood forecasting and the accuracy of hydrologic and water conservancy planning. Tipping bucket rainfall is more commonly used observation tools， but in the application process， there is a big error. This paper first analyzed the structure and principle of tipping bucket rain gauge， and then focused on the error existing in the application process， and put forward corresponding measures for prevention and diagnosis， in order to provide refreence for staff in the practical application of hydrological telemetry rainfall observation.

Keywords： hydrological telemetry station；tipping bucket gauge；error analysis

水是生命之源，沒有水生命將不復存在。地球豐富的水資源孕育了人類社會文明，水資源的合理開發和有效利用對推動人類社會發展具有重要作用。水資源并非無窮無盡的，越來越多地區和國家面臨或者即將面臨水資源枯竭的危險。大氣降水是地球水循環的重要部分，如果可以合理有效地監測大氣降水量，進而開展合理的水利建設，將大大促進地球水循環的效率，減小水資源浪費。隨著水文遙測工作現代化、信息化、集成化發展，傳統的雨量監測方式已無法滿足降水量信息采集自動化、存儲信息化及降水量遙測的需求。這些缺陷和不足對洪澇災害預測精度、水文水利規劃精度具有非常大的影響。本文以翻斗式雨量計為核心，首先介紹翻斗式雨量計的結構和工作原理，然后就水文遙測工作中翻斗式雨量計出現的誤差進行分析，并總結造成誤差的原因，提出相應的預防和診斷措施，以期為水文遙測工作人員在降水量觀測的實踐應用中提供參考和幫助。

1 翻斗式雨量計

1.1 翻斗式雨量計結構

翻斗式雨量計按照翻斗的類型可分為兩種，分別是單翻斗式雨量計和雙翻斗式雨量計；依據分辨率（即翻斗式雨量計可監測到的最小降雨量）則可分為四種，分別是0.1mm型號雨量計、0.2mm型號雨量計、0.5mm型號雨量計和1.0mm型號雨量計。在水文遙測工作中，可依據降水量監測規范要求，并根據當地的具體情況，挑選合適分辨率的翻斗雨量計。相較于雙翻斗式雨量計，單翻斗式雨量計在我國各個地區水文遙測工作中使用最廣，因此本文主要介紹單翻斗式雨量計的結構。

單翻斗式雨量計由漏斗、滴嘴、接線架、翻斗、干簧管和處理器等組成。首先雨水會通過漏斗的承接作用進入過濾網，然后流進計量翻斗，一旦計量翻斗所接收到的雨水容積達到預定值（如2.15mL），翻斗本身的重力作用就會導致其出現翻倒現象，從而變為等待工作狀態。而此時，另一斗室仍然處于接水狀態。如果接水量達到預定值時，其會出現翻倒現象，重新進入等待狀態。磁鋼一般裝在翻斗式雨量計的翻斗側壁上，其作用是根據翻斗翻動情況控制干簧管通斷情況。通俗點講，就是翻斗每出現一次翻倒現象會使干簧管接通一次，然后發出一個脈沖開關信號，輸送0.1mm降水信息，實現降水遙測的目的。

1.2 翻斗式雨量計工作原理

翻斗式雨量計的工作由傳感器和固態存儲器協同完成。其中，傳感器一般采用機械式翻斗型雙穩態稱重機構。運行原理與蹺蹺板類似，主要是在兩個完整對稱的三角形容器中間插入隔板實現間斷，且插入的隔板能在水平軸方向上進行轉動。運行狀態下，接水任務由兩邊容器輪流承擔，一旦有一邊的容器接水容量達到一定量，就會因為重心外移而出現翻轉現象，然后把其接的水全部拋出，而持續降雨會使翻斗不停地出現一左一右翻轉的現象。翻斗中磁鋼固定在其軸上，干簧繼電器（霍爾元件）固定在漏斗的下方。在雨量計工作過程中，翻斗上的磁鋼會隨著翻斗來回運動，當磁鋼接近干簧繼電器（霍爾元件）時開關會閉合，而出現一定距離時，開關會斷開，于是就產生一個計數脈沖。固態存儲器負責將傳感器傳來的脈沖計數，然后通過數據轉換后以各種方式存儲下來。

在水文遙測中，翻斗式雨量計輸出的信號為開關量，無法直接識別，故仍需進行開關量—脈沖量的轉換，以方便計算機識別和處理。工作時，干簧繼電器處于打開狀態時，然后三極管無法接通，所以不能構成對地回路，故此時脈沖輸出是高電平信號；干簧繼電器處于閉合狀態時，三極管導通，可以構成對地回路，故此時脈沖輸出是低電平信號。當干簧繼電器為理想時，其輸出的脈沖信號能確保翻斗傳感信號可以被計算機控制端全部接收，從而起到預防信號遺漏的作用。

2 翻斗式雨量計誤差分析

在實際應用過程中，翻斗式雨量計會不可避免地存在一定誤差。通常情況下，翻斗式雨量計的誤差是通過實際降水量和儀器實際排水量比較后得出的，但在使用中，實際降水量因為受到許多環境因素（比如風、地形、高度等）的影響無法準確認定，故以進入承雨口的雨量為雨量真值。常見的翻斗式雨量計誤差主要有：翻斗誤差、風力誤差、蒸發誤差、沾水誤差、濺水誤差、儀器誤差等，誤差的主要來源是翻斗誤差和風力誤差[1]。

2.1 最大起始誤差

翻斗式雨量計一般安裝在野外，在初始干燥狀態下，發生降雨后，一般雨水會首先匯集到進水口，然后經過管道、進水漏斗，進而流入翻斗。在翻斗翻轉之前，翻斗、漏斗、管道和儀器集水面等處殘留的水珠，無法在儀器中得到計量。翻斗翻轉后，雖然翻斗內的降水參加了計量，但進水漏斗、管道等處殘留的水量仍無法得到計量。翻斗不間歇工作直到降雨停止的過程中，殘留在翻斗內的水量也得不到計量，就會造成測量誤差，導致測量值偏小。

2.2 翻斗計量誤差

單翻斗雨量計相對于雙翻斗式雨量計來說雖然操作簡單，但無法有效避免使用過程中出現的翻轉誤差。在翻轉過程前期，也就是翻斗從啟動翻轉到翻斗中間隔板超過中心線的這一段時間內，進水漏斗仍然繼續向翻斗內注水。隨著降水強度的增大，流入的水量逐漸增大；而降水強度越小，流入的水量也較小。但實際上，這部分在翻轉過程中注入的雨水并未得到計量，從而產生計量誤差。

2.3 器口尺寸誤差分析

翻斗式雨量計的器口也是造成計量誤差的重要原因。翻斗式雨量計的器口直接影響翻斗式雨量計承受雨量的面積，這是決定翻斗式雨量計計量精度的重要因素。按照《雨量器技術條件》（JB/T 9458—1999），翻斗式雨量計承接雨水口的直徑是200mm。但是，由于制作技術水平較低，使得翻斗式雨量計的器口承受雨量的面積與標準理論面積存在一定差異，導致翻斗式雨量計的器口尺寸誤差。

3 翻斗式雨量計誤差預防措施

通過分析翻斗式雨量計出現誤差的原因，可以有針對性地制定相應措施來減小翻斗式雨量計計量誤差。控制翻斗式雨量計計量誤差的主要方法有：①調整翻斗感量；②減小翻斗傾角；③增大翻斗式雨量計的承雨口面積；④安裝閥門消減器差裝置；⑤表面噴涂特氟龍。

4 結論

翻斗式雨量計是一個可以將實時觀測的雨量數據數字化的重要雨量觀測儀器。隨著推廣工作的不斷深入，翻斗式雨量計在水文和氣象等工作中因其自身結構特點、原理局限等種種原因出現了明顯的不足，對洪澇災害預測精度、水文水利規劃精度有著非常大的影響。因此，在日常水文遙測工作中，應不斷總結翻斗式雨量計產生誤差的原因，提出可行的改進措施，從而不斷提升翻斗式雨量計的計量精度。

參考文獻：

[1]王玉紅.稱重式雨量計與翻斗式雨量計同時掛接方法[J].現代農業科技，2017（3）：210-211.