張夢娜

(河北省廊坊水文勘測研究中心，廊坊市新華路90號 065000)

當(dāng)今我國雨量觀測設(shè)備的技術(shù)水平已經(jīng)跨入到世界先進(jìn)行列。翻斗雨量計自20世紀(jì)80年代開始使用以來，通過近40年不斷創(chuàng)新改進(jìn)，其性能日臻完善，已成為集數(shù)據(jù)采集、存儲、遠(yuǎn)傳、顯示為一體的水文自動測報儀器。三河站于1992年開始使用翻斗雨量計觀測降雨量，翻斗雨量計的使用提升了水文監(jiān)測能力和水平，是逐步擺脫固守斷面觀測陳舊模式，向“有人管理，無人值守”模式發(fā)展、實施動態(tài)實時觀測的水文監(jiān)測方式改革的重要舉措。為了掌握該類儀器的可靠性和穩(wěn)定性，三河站開展了翻斗雨量計和普通雨量器對比觀測及誤差分析，取得階段性成果。

1 翻斗雨量計結(jié)構(gòu)與組成

三河站位于河北省三河市內(nèi)，建有4m×6m標(biāo)準(zhǔn)的觀測場，場內(nèi)布設(shè)降雨量、蒸發(fā)量及附屬項目觀測儀器，儀器設(shè)置規(guī)范合理，其中降雨量監(jiān)測系統(tǒng)由降雨量采集傳感器(翻斗雨量計)和YY-RTU-2000智能測控終端兩部分組成，是降雨量遙測系統(tǒng)的重要組成部分。

1.1 翻斗雨量計數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成

翻斗雨量計可分為單層、雙層及三層3種翻斗類型，目前水文部門主要應(yīng)用的是單層翻斗雨量計。單層翻斗雨量計由筒身、底座、內(nèi)部翻斗結(jié)構(gòu)3部分組成。其中筒身由規(guī)定尺寸的不銹鋼圓形外殼及φ200mm承雨口組成。筒身和內(nèi)部結(jié)構(gòu)安裝在底面支承架上，并固定于地面基座。儀器內(nèi)部裝有1個圓形水氣泡，通過3個底腳螺絲進(jìn)行調(diào)平，使翻斗處在水平位置。

翻斗一般由金屬或塑料制成，支承在剛玉軸承上。翻斗上部裝有磁鋼，固定支架裝有高靈敏度干簧管，翻斗在翻轉(zhuǎn)過程中使干簧管接點狀態(tài)改變，輸出電信號。翻斗下方左右各裝有1個定位螺絲釘，可改變翻斗傾斜角度，以調(diào)整翻斗翻轉(zhuǎn)水量。水文部門主要使用分辨力為0.2mm和0.5mm的雨量計，蒸發(fā)站一般配套分辨力為0.1mm的雨量計。

1.2 翻斗雨量計測控終端機構(gòu)成

三河站使用的YY-RTU-2000智能測控終端機由主機、連接線纜、天線端子、電源-太陽能板、蓄電池組成。主機(RTU)硬件主要包括CPU、存儲器以及各種輸入輸出接口等功能模塊。這些模塊被集成到電路板中，通過電路板布線完成RTU各功能模塊連接。CPU是RTU控制器的中樞系統(tǒng)，負(fù)責(zé)處理各種輸入信號，經(jīng)運算處理后，完成輸出。存儲器是RTU記憶系統(tǒng)，用來存儲各種臨時或永久性數(shù)據(jù)。該終端機應(yīng)用GPRS，3G，4G，短信多種通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具備集數(shù)據(jù)的存儲、傳輸、顯示及控制、管理、報警等多種功能，實現(xiàn)對雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能化管理[1-3]。

1.3 技術(shù)性能

翻斗雨量計為全戶外設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單、精巧，適用條件寬泛，維護(hù)簡便，功耗低，經(jīng)久耐用；自動化程度高，可無人值守；采集降雨量實時性強，運行穩(wěn)定，測量精度高，時間準(zhǔn)確，抗干擾能力強；雨量數(shù)據(jù)存儲容量大，傳輸快捷，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸、控制、整編一體化。目前翻斗雨量計適宜的雨強范圍不大于4.0mm/min，最小分辨力為0.1mm。翻斗雨量計的技術(shù)要求和性能如下。

(1)應(yīng)用外部環(huán)境條件：工作環(huán)境溫度為0～50℃、濕度40%(凝露)時95%RH。

(2)承雨器口徑：Φ200±0.60mm，器口刃口角度40°～45°。

(3)雨量分辨力：0.2mm。

(4)適用降雨強度范圍：0～4.0mm/min。

(5)翻斗計量誤差：不大于±4%。

(6)傳感器輸出方式：干簧管簧片與磁鋼機械接觸，形成通斷開關(guān)量。[1-3]

2 翻斗雨量計工作原理

雨水由最上端的承水口進(jìn)入承水器，落入接水漏斗后，經(jīng)進(jìn)水漏斗口流入某一側(cè)翻斗內(nèi)，當(dāng)累積雨水量達(dá)到一定高度(比如0.2mm)時，翻斗失去平衡翻轉(zhuǎn)，此時本側(cè)翻斗內(nèi)雨水流出，另一側(cè)空翻斗置于進(jìn)水漏斗下方，承接雨水，繼續(xù)進(jìn)行計量，循環(huán)往復(fù)，完成對連續(xù)降雨的計量過程。每一次翻斗傾倒，向記錄器輸送一個脈沖信號，記錄器控制自記筆將雨量記錄下來，如此往復(fù)即可將降雨過程測量并記錄下來。[2-3]

3 翻斗雨量計誤差成因分析及消除

用翻斗雨量計觀測降雨量時，由于受觀測場地環(huán)境、氣候、儀器性能、安裝方式和人為因素等影響，使得降雨量觀測值存在系統(tǒng)誤差和隨機誤差。按誤差來源劃分為由儀器內(nèi)部產(chǎn)生的誤差和外部環(huán)境產(chǎn)生的誤差。

3.1 儀器內(nèi)部產(chǎn)生誤差的來源及消除

儀器內(nèi)部產(chǎn)生的誤差是儀器在生產(chǎn)過程中因材質(zhì)、尺寸、生產(chǎn)方式的差異而造成觀測雨量的誤差。

3.1.1 儀器翻斗殘留誤差

翻斗殘留誤差是指最后殘留在翻斗里不足分辨力(<0.2mm)的雨水而產(chǎn)生的誤差。在降雨停止后翻斗雨量計中不足一斗的量，將遺留在翻斗內(nèi)，無法計入量值，使得本日日降水量偏??；或在降雨前期因有上次降雨的殘留量，使得本次起始降雨量未滿一斗時就翻斗計量，造成日降雨量偏大。儀器翻斗殘留誤差屬于隨機誤差，具有抵償性，降雨總量值趨于正常值。

3.1.2 儀器誤差

一方面，儀器誤差是指因承雨器口不水平和儀器受太陽暴曬或發(fā)生碰撞變形等產(chǎn)生的誤差。在發(fā)現(xiàn)承雨器口不水平時及時整平校正，發(fā)現(xiàn)變形時及時更換新儀器，即可消除儀器誤差。另一方面，儀器誤差是指翻斗翻轉(zhuǎn)誤差，即翻斗在翻轉(zhuǎn)過程中，某側(cè)翻斗從翻轉(zhuǎn)開始至結(jié)束的Δt時間內(nèi)，雨水經(jīng)進(jìn)水漏斗不斷流入斗內(nèi)，并隨翻轉(zhuǎn)溢出，其雨量未計量。雨強不同，注入的雨量多少不一樣，翻斗在翻轉(zhuǎn)過程中進(jìn)入的雨量，就會隨著降雨強度大小不同而產(chǎn)生不同的計量誤差。

3.1.3 儀器器口尺寸誤差

儀器器口內(nèi)徑尺寸，在制做加工過程中出現(xiàn)偏差，造成承雨口口徑誤差，使得承雨口面積不精準(zhǔn)造成進(jìn)入的雨量出現(xiàn)誤差，因此提高工藝水平和制作精度，可降低儀器器口尺寸造成的誤差。另外，可通過擴大器口尺寸(如口徑為Φ220mm)加大器口面積，這樣，在雨量值相同的情況下，使得進(jìn)入擴大尺寸的承雨口的雨量的也增多，從而降低器口尺寸誤差的影響。

3.2 外部環(huán)境影響產(chǎn)生誤差的來源及消除

3.2.1 蒸發(fā)導(dǎo)致的誤差

降雨匯入儲水器、雨停后截留在翻斗里的雨量，因蒸發(fā)損失而產(chǎn)生的誤差。為了減少蒸發(fā)損失，應(yīng)在降水停止后，及時觀測降雨量。

3.2.2 風(fēng)力導(dǎo)致的誤差

由于翻斗雨量計高出地面，有風(fēng)時阻礙了空氣流動，引起風(fēng)場變形，在器口處形成渦流和上升氣流，器口上方風(fēng)速加大，擾動了降雨跡線，導(dǎo)致了翻斗雨量計承接的降雨量系統(tǒng)偏小而產(chǎn)生誤差。風(fēng)力誤差的大小與風(fēng)速、器口安裝高度、雨滴大小有關(guān)，是降雨量觀測誤差的主要來源。

3.2.3 濺水導(dǎo)致的誤差

較大雨滴降落在地面上，可濺起0.3～0.4m高，并形成一層雨霧隨風(fēng)擾動，有的落入承雨口內(nèi)，有的正好落在承雨口邊緣濺入器口內(nèi)，從而導(dǎo)致降雨量偏大而產(chǎn)生誤差。要消除濺水誤差，一是將翻斗雨量計安裝高度控制在0.70m或1.20m，二是承雨口材質(zhì)選用光滑耐用不易變形的材料，器口口緣呈內(nèi)直外斜的刀口狀，刀口角度為45°，這樣可以有效地降低濺水誤差的影響。

3.2.4 濕潤導(dǎo)致的誤差

在氣候干燥情況下，降水開始時，雨量計有關(guān)構(gòu)件會粘滯一些降水，使降雨量系統(tǒng)偏小而產(chǎn)生誤差，其大小與儀器結(jié)構(gòu)、風(fēng)速、空氣濕度、氣溫有關(guān)。[2，4]

4 翻斗雨量計誤差的分析計算

三河站觀測場內(nèi)安裝普通雨量器，人工觀測雨量采用加密測次來提高觀測精度。

4.1 翻斗雨量計誤差的計算

4.1.1 日雨量誤差的計算

將三河站翻斗雨量計測記的日雨量與人工觀測日雨量對比，計算翻斗雨量計觀測誤差，計算中選擇2012年、2017年、2018年、2019年、2020年為5個典型年。誤差計算式為

式中：Eb為翻斗雨量計計量誤差，%；Vm為翻斗雨量計記錄的雨量，mm；Vp為人工觀測的雨量，mm[1-4]。

4.1.2 年雨量標(biāo)準(zhǔn)差計算

采用年降水量標(biāo)準(zhǔn)差來分析比較各年觀測雨量誤差，年降水量標(biāo)準(zhǔn)差計算式為：

按三河站翻斗雨量計測記日雨量與人工觀測日雨量計算的觀測誤差及標(biāo)準(zhǔn)差見表1。

表1 三河站翻斗雨量計測記日雨量與人工觀測日雨量對比觀測誤差及標(biāo)準(zhǔn)差計算表Tab.1 The calculation table of the daily rainfall recorded by the Tipping Bucket Rain Gauge and the daily rainfall observed by hand at Sanhe Station

年月日日降雨量/mm人工雨量計日雨量誤差Eb/%(Ebi-Eb)年雨量標(biāo)準(zhǔn)差S/%678910180.40.40.000.012219.519.4-0.510.362325.725.2-1.954.1437.17.21.411.7443.03.00.000.01699.299.20.000.0178.88.80.000.01134.24.20.000.01180.20.20.000.012051.451.40.000.01211.41.40.000.01233.23.20.000.01250.40.40.000.01261.81.80.000.0112.42.40.000.01261.061.00.000.0150.20.20.000.01816.216.41.231.311182.582.0-0.610.48120.20.20.000.011332.231.8-1.241.77167.27.20.000.01182.93.03.4511.282240.240.0-0.500.35230.60.60.000.01260.20.20.000.012729.629.4-0.680.59100.20.20.000.01814.614.60.000.01949.349.0-0.610.49101.01.00.000.0120185671210.210.41.962.691521.822.00.920.36190.60.60.000.10210.20.20.000.1060.80.80.000.1080.20.20.000.1091.61.60.000.101350.750.4-0.590.831621.421.40.000.101714.614.60.000.10305.45.40.000.1050.20.20.000.1060.20.20.000.10100.20.20.000.101147.447.80.840.271228.829.00.690.141513.413.2-1.493.290.73

年月日日降雨量/mm人工雨量計日雨量誤差Eb/%(Ebi-Eb)年雨量標(biāo)準(zhǔn)差S/%789101618.418.61.090.591724.725.01.210.801912.312.40.810.24211.21.20.000.102347.848.41.260.8724109.1110.00.820.252620.921.00.480.0360.20.20.000.10712.212.41.641.74833.733.80.300.00100.20.20.000.101114.815.01.351.061293.493.2-0.210.29234.24.20.000.10304.84.80.000.10119.920.21.511.4121.21.20.000.102710.110.0-0.991.72159.89.80.000.1020194567891.81.80.000.46193.63.60.000.462419.720.43.558.26251.21.20.000.46277.27.20.000.46125.05.00.000.461711.211.41.791.22187.77.6-1.303.922625.426.02.362.8312.22.20.000.4624.04.00.000.46151.01.00.000.46524.324.82.061.9066.66.83.035.5291.81.80.000.46170.80.80.000.462430.130.61.660.96251.41.40.000.46289.49.40.000.462959.159.81.180.25167.268.01.190.26412.012.00.000.4653.43.40.000.46624.625.01.630.8992.22.20.000.46106.46.40.000.46117.67.82.633.81122.22.20.000.46203.63.60.000.461.40

年月日日降雨量/mm人工雨量計日雨量誤差Eb/%(Ebi-Eb)年雨量標(biāo)準(zhǔn)差S/%910916.617.23.618.611226.326.2-0.381.1235.15.0-1.966.9743.13.23.236.48247.97.8-1.273.7920204567891521.922.42.285.08196.86.80.000.00710.510.60.950.8581.81.80.000.002114.614.81.371.80228.38.41.201.383010.911.00.920.79310.60.60.000.00917.618.02.275.03255.25.20.000.00210.410.40.000.0052.62.60.000.0096.86.80.000.00101.01.00.000.00112.82.80.000.00131.81.80.000.00262.92.8-3.4512.10278.08.00.000.00287.97.8-1.271.6823.23.20.000.0096.86.80.000.001255.955.8-0.180.04151.61.60.000.00182.42.40.000.002374.575.00.670.41101.41.40.000.00112.72.6-3.7013.94150.40.40.000.00233.43.40.000.002844.644.60.000.00291.01.00.000.001.20

4.2 翻斗雨量計誤差分析

對三河站2012年、2017年、2018年、2019年、2020年5個典型年總共174次翻斗雨量計測記的日雨量與人工觀測的日雨量的誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，其誤差分布情況如表2所示。

表2 三河站日雨量誤差分布情況計算表Tab.2 Calculation table of daily rainfall error distribution at Sanhe Station

從表2可以看出，誤差分布呈現(xiàn)隨機誤差的一些特性，正負(fù)誤差比較接近，并且介于-3.7%～3.7%之間，趨于正態(tài)分布。誤差-3.70≤Eb<0出現(xiàn)的次數(shù)為22次，占統(tǒng)計總數(shù)的12.64%；誤差Eb=0的出現(xiàn)次數(shù)為100次，占統(tǒng)計總數(shù)的57.47%；誤差0

2012年、2017年、2018年、2019年、2020年觀測雨量標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.15%，0.96%，0.73%，1.40%，1.20%，綜合標(biāo)準(zhǔn)差為1.1%，這說明在使用9年后儀器的觀測精度基本沒有降低，均在4%控制范圍內(nèi)。

5 翻斗雨量計運行維護(hù)

在近幾年的觀測實踐中，發(fā)現(xiàn)翻斗雨量計在使用過程中會出現(xiàn)儀器故障、計量精度下降、進(jìn)排口堵塞等問題，要經(jīng)常檢查維護(hù)，以保證翻斗雨量計的正常運行。

首先要下載降雨量數(shù)據(jù)，查看時間誤差是否在規(guī)定的±0.25min/d內(nèi)，復(fù)核儀器站號、日期、時間、分辨力、儲存記錄時間間隔等參數(shù)是否正確一致。然后斷開信號線和電源線，進(jìn)行儀器清洗、調(diào)試。清洗、調(diào)試完畢后再接通信號線路電源，查看信號、電源接通是否通暢，存儲記錄值、數(shù)據(jù)中心接收值與傳感輸出值是否一致。

此外，要經(jīng)常查看儀器固定是否牢固，有無變形，器口是否水平(器口平面水平傾斜度應(yīng)<1°)，清潔儀器內(nèi)外部件，保持翻斗翻轉(zhuǎn)靈活，使供電和通信系統(tǒng)正常工作。[4]

6 結(jié)語

通過近幾年的雨量對比觀測，三河站翻斗雨量計穩(wěn)定可靠，經(jīng)久耐用，各日觀測值誤差均在-3.7%～3.7%之間，各典型年及多年綜合觀測標(biāo)準(zhǔn)差均在±4.0%之內(nèi)，符合降水量觀測規(guī)定。翻斗雨量計的廣泛應(yīng)用將會構(gòu)建成覆蓋面廣、基準(zhǔn)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)采集精度高、傳輸快捷高效、更加智能的水文監(jiān)測系統(tǒng)，為全社會提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)提供有力支撐。