（遼寧省水文局，遼寧沈陽(yáng)110003）

雨雪量計(jì)誤差及優(yōu)缺點(diǎn)分析

李劍輝

（遼寧省水文局，遼寧沈陽(yáng)110003）

冬季對(duì)降雪的測(cè)量，已經(jīng)成為北方水文冬季測(cè)量主要任務(wù)。文中針對(duì)當(dāng)前采用最多的兩類雨雪量計(jì)進(jìn)行比較分析，介紹了翻斗雨雪量計(jì)和稱重雨雪量計(jì)的基本原理，分析了兩種設(shè)備可能產(chǎn)生誤差的各個(gè)方面及其優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)北方冬季測(cè)量降雪的設(shè)備選用提出了建議。

雨雪量計(jì)；誤差；分析

冬季對(duì)降雪的測(cè)量截至目前，水文使用最多的還是人工測(cè)量，人工測(cè)量對(duì)于北方尤其是東北來(lái)說(shuō)不僅人工測(cè)量不及時(shí)，而且誤差相對(duì)大，近幾年降雪自動(dòng)測(cè)量設(shè)備雨雪量計(jì)逐步在水文對(duì)降雪的測(cè)量中得到推廣。雨雪量計(jì)按照測(cè)量方式一般分為翻斗式融雪雨雪量計(jì)和稱重式融雪雨雪量計(jì)，下面對(duì)這兩種雨雪量計(jì)進(jìn)行誤差及優(yōu)缺點(diǎn)分析。

1 翻斗融雪式雨雪量計(jì)

1．1 雨雪量計(jì)工作原理

當(dāng)雨雪感應(yīng)器上有雨雪降落，且溫度傳感器低于設(shè)定溫度時(shí)，開(kāi)啟加熱模式融雪，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)停止加熱，如此反復(fù)。雨水或者融化的雪水經(jīng)過(guò)下面的翻斗，通過(guò)翻斗翻動(dòng)次數(shù)來(lái)計(jì)算降雨或者降雪的多少。

1．2 雨雪量計(jì)的誤差分析及優(yōu)缺點(diǎn)

1）翻斗融雪式雨雪雨量計(jì)存在原來(lái)翻斗雨量計(jì)的測(cè)量誤差，此誤差是基于翻斗式測(cè)量原理存在的不可避免。由于冬季降雪的量要比降雨的量小很多，翻斗式測(cè)量雨量的誤差就被放大，例如使用0.5 mm的翻斗時(shí)，如果降雪不夠0.5 mm時(shí)，翻斗一般不會(huì)翻動(dòng)，誤差就被放大到無(wú)限大。

2）冬季融雪加熱時(shí)存在蒸發(fā)，由于融雪靠加熱進(jìn)行，勢(shì)必存在蒸發(fā)問(wèn)題，且加熱溫度越高，蒸發(fā)量越大，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，蒸發(fā)量越大，所以對(duì)于解決因蒸發(fā)問(wèn)題產(chǎn)生的誤差，加熱溫度是一個(gè)雙刃劍，加熱溫度高，蒸發(fā)量大，誤差大，加熱溫度低，加熱時(shí)間長(zhǎng)，誤差大，所以要經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，找到最佳的加熱溫度，把蒸發(fā)造成的誤差控制到最低。

以下為0.2 mm分辨率雨雪量計(jì)在不同加熱溫度（5℃和8℃時(shí)）兩臺(tái)翻斗融雪式雨雪量計(jì)在降雪時(shí)測(cè)得的雪量的對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 不同溫度下降雪時(shí)測(cè)得雪量對(duì)比

由上表可以看出，加熱溫度比較低時(shí)，去除翻斗自身存在的誤差，雨雪量計(jì)測(cè)得的值基本上能與人工測(cè)量值相吻合，當(dāng)加熱溫度升高時(shí)，誤差也隨之增大。

3）由于加熱需要供電，且耗電量比較大，如何解決設(shè)備供電問(wèn)題也成了設(shè)備安裝的重中之重，由于雨雪測(cè)量點(diǎn)大多在野外且比較偏僻，所以供電如果采用交流供電幾乎不可能，同時(shí)交流供電也在人員安全方面存在隱患，所以加熱一般采用直流蓄電池供電，所以在溫度低且降雪量比較大的地區(qū)，設(shè)備功耗問(wèn)題是急需解決的問(wèn)題，也大大制約了該設(shè)備的使用。

4）翻斗融雪式雨雪雨量計(jì)計(jì)量部分為翻斗，機(jī)械式計(jì)量不易損壞，設(shè)備安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，輸出量為開(kāi)關(guān)量，和翻斗式雨量計(jì)的輸出一致，針對(duì)原來(lái)的自動(dòng)測(cè)報(bào)設(shè)備可以直接使用，不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行更改和程序上的變動(dòng)，對(duì)于設(shè)備調(diào)試沒(méi)有難度。

2 稱重式雨雪量計(jì)

2.1 工作原理

集雨桶用于收集單位面積內(nèi)的降雪或者降雨；稱重部分用于測(cè)量集雨桶重量的變化，一般為高精度的電子秤。傳統(tǒng)的雨量計(jì)相比，稱重雨量計(jì)使用的是平衡原則。通過(guò)測(cè)量收集桶的重量，稱重式雨量計(jì)可以可靠地測(cè)定雨量，無(wú)論是固態(tài)還是液態(tài)。

2.2 雨雪量計(jì)的誤差分析及優(yōu)缺點(diǎn)

1）稱重式雨雪量計(jì)由于其巨大的收集能力、稱重原理技術(shù)（不需要收集漏斗或后傾功能）、以及用來(lái)稱量采樣桶中物質(zhì)的平衡系統(tǒng)的堅(jiān)固耐用的設(shè)計(jì)，雨量計(jì)幾乎不需要進(jìn)行維護(hù)。用來(lái)稱量采樣桶中的物質(zhì)的高精度的不銹鋼測(cè)壓元件是密封的，不受環(huán)境的影響，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都可以保持穩(wěn)定。集成的溫度傳感器可以對(duì)平衡系統(tǒng)的溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。機(jī)械過(guò)載保護(hù)可以防止垂直方向上的鈍力損壞測(cè)壓元件，例如運(yùn)輸期間或清空收集桶的時(shí)候。

2）稱重式雨雪量計(jì)，采用的高精度電子秤來(lái)測(cè)量重量，其精度非常高，一般測(cè)量精度可以達(dá)到0.01 mm/min甚至更高，為我們使用數(shù)據(jù)提供了很高的自由度，同時(shí)稱重式雨雪量計(jì)一般有SDI-12，485等多種數(shù)據(jù)輸出格式，方便將測(cè)量數(shù)據(jù)接入自動(dòng)測(cè)報(bào)設(shè)備。

3）稱重式雨雪量計(jì)，采用高精度電子秤用來(lái)測(cè)量重量，對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)的穩(wěn)定性有著很高的要求，例如底座的調(diào)平，底座的傾斜對(duì)測(cè)量精度有著很大的影響；同時(shí)，周圍環(huán)境，例如靠近馬路，車輛行駛引起的震動(dòng)也會(huì)對(duì)設(shè)備測(cè)量帶來(lái)很大的影響，使測(cè)量到的數(shù)據(jù)發(fā)生跳變；稱重式雨雪量計(jì)由于測(cè)量的是稱重桶的累計(jì)重量，當(dāng)有灰塵、昆蟲(chóng)等其他物質(zhì)落入桶內(nèi)時(shí)，設(shè)備不能分辨重量變化的原因，也會(huì)對(duì)測(cè)量的精度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。

3 兩種雨雪量計(jì)的應(yīng)用

遼寧省最近兩年開(kāi)始測(cè)試使用兩種雨雪量計(jì)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其中翻斗融雪式雨雪量計(jì)，只是在兩個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比觀測(cè)，目前誤差相對(duì)較大，其中加熱溫度設(shè)置在5℃～-6℃時(shí)，蒸發(fā)產(chǎn)生的誤差較小，同時(shí)降雪量和降雪強(qiáng)度對(duì)蒸發(fā)產(chǎn)生誤差的影響也比較大，降雪量和降雪強(qiáng)度越大，蒸發(fā)產(chǎn)生的誤差相對(duì)越??；稱重式雨雪量計(jì)從2016年遼寧省在14個(gè)測(cè)站進(jìn)行安裝，目前設(shè)備處于試運(yùn)行結(jié)段，稱重式雨雪量計(jì)對(duì)于場(chǎng)次降水和降雪誤差很小，基本和人工吻合，同時(shí)由于其分辨率小于0.1 mm，相對(duì)于翻斗式雨雪量計(jì)來(lái)說(shuō)，也是誤差相對(duì)較小的一個(gè)原因，但是稱重式雨雪量計(jì)容易受到周圍環(huán)境的影響，產(chǎn)生量值的跳變，目前正在解決過(guò)程中。

4 結(jié)語(yǔ)

任何一種設(shè)備都有著自身的優(yōu)缺點(diǎn)，也有著它比較適宜使用的環(huán)境，翻斗式雨雪量計(jì)對(duì)精度要求不是很高的站點(diǎn)，基本上可以滿足要求，但同時(shí)需要考慮設(shè)備供電等問(wèn)題；稱重式雨雪量計(jì)雖然精度很高，但是對(duì)周圍環(huán)境等因素的要求很高。所以使用儀器選型應(yīng)該對(duì)站點(diǎn)各種因素有個(gè)綜合的評(píng)估，選擇更適合這個(gè)站點(diǎn)的儀器設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)雨雪測(cè)量的自動(dòng)化。

［1］李虎.JDZ05-1型翻斗式雨量計(jì)在大連地區(qū)應(yīng)用的比對(duì)分析［J］.東北水利水電，2015（07）.

［2］柴立春.水文新儀器在流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.黑龍江科學(xué)，2013（12）.

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2017-01-17