水文遥测翻斗式雨量计的误差分析

王亚楠

摘 要：自然降水量是水资源的重要组成部分，而观测降水量是水文遥测工作的重要内容之一，其观测精度的大小对洪涝灾害预测精度、水文水利规划精度有着非常大的影响。翻斗式雨量计是较为常用的观测雨量的工具，但其在应用过程中仍存在较大误差。本文首先分析翻斗式雨量计的结构和原理，然后重点探讨其在应用过程中存在的误差，并提出了相应的预防和诊断措施，以期为水文遥测工作人员在降水量观测的实践应用中提供参考。

关键词：水文遥测站；翻斗式雨量计；误差分析

中图分类号：P414.95 文献标识码：A 文章编号：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，没有水生命将不复存在。地球丰富的水资源孕育了人类社会文明，水资源的合理开发和有效利用对推动人类社会发展具有重要作用。水资源并非无穷无尽的，越来越多地区和国家面临或者即将面临水资源枯竭的危险。大气降水是地球水循环的重要部分，如果可以合理有效地监测大气降水量，进而开展合理的水利建设，将大大促进地球水循环的效率，减小水资源浪费。随着水文遥测工作现代化、信息化、集成化发展，传统的雨量监测方式已无法满足降水量信息采集自动化、存储信息化及降水量遥测的需求。这些缺陷和不足对洪涝灾害预测精度、水文水利规划精度具有非常大的影响。本文以翻斗式雨量计为核心，首先介绍翻斗式雨量计的结构和工作原理，然后就水文遥测工作中翻斗式雨量计出现的误差进行分析，并总结造成误差的原因，提出相应的预防和诊断措施，以期为水文遥测工作人员在降水量观测的实践应用中提供参考和帮助。

1 翻斗式雨量计

1.1 翻斗式雨量计结构

翻斗式雨量计按照翻斗的类型可分为两种，分别是单翻斗式雨量计和双翻斗式雨量计；依据分辨率（即翻斗式雨量计可监测到的最小降雨量）则可分为四种，分别是0.1mm型号雨量计、0.2mm型号雨量计、0.5mm型号雨量计和1.0mm型号雨量计。在水文遥测工作中，可依据降水量监测规范要求，并根据当地的具体情况，挑选合适分辨率的翻斗雨量计。相较于双翻斗式雨量计，单翻斗式雨量计在我国各个地区水文遥测工作中使用最广，因此本文主要介绍单翻斗式雨量计的结构。

单翻斗式雨量计由漏斗、滴嘴、接线架、翻斗、干簧管和处理器等组成。首先雨水会通过漏斗的承接作用进入过滤网，然后流进计量翻斗，一旦计量翻斗所接收到的雨水容积达到预定值（如2.15mL），翻斗本身的重力作用就会导致其出现翻倒现象，从而变为等待工作状态。而此时，另一斗室仍然处于接水状态。如果接水量达到预定值时，其会出现翻倒现象，重新进入等待状态。磁钢一般装在翻斗式雨量计的翻斗侧壁上，其作用是根据翻斗翻动情况控制干簧管通断情况。通俗点讲，就是翻斗每出现一次翻倒現象会使干簧管接通一次，然后发出一个脉冲开关信号，输送0.1mm降水信息，实现降水遥测的目的。

1.2 翻斗式雨量计工作原理

翻斗式雨量计的工作由传感器和固态存储器协同完成。其中，传感器一般采用机械式翻斗型双稳态称重机构。运行原理与跷跷板类似，主要是在两个完整对称的三角形容器中间插入隔板实现间断，且插入的隔板能在水平轴方向上进行转动。运行状态下，接水任务由两边容器轮流承担，一旦有一边的容器接水容量达到一定量，就会因为重心外移而出现翻转现象，然后把其接的水全部抛出，而持续降雨会使翻斗不停地出现一左一右翻转的现象。翻斗中磁钢固定在其轴上，干簧继电器（霍尔元件）固定在漏斗的下方。在雨量计工作过程中，翻斗上的磁钢会随着翻斗来回运动，当磁钢接近干簧继电器（霍尔元件）时开关会闭合，而出现一定距离时，开关会断开，于是就产生一个计数脉冲。固态存储器负责将传感器传来的脉冲计数，然后通过数据转换后以各种方式存储下来。

在水文遥测中，翻斗式雨量计输出的信号为开关量，无法直接识别，故仍需进行开关量—脉冲量的转换，以方便计算机识别和处理。工作时，干簧继电器处于打开状态时，然后三极管无法接通，所以不能构成对地回路，故此时脉冲输出是高电平信号；干簧继电器处于闭合状态时，三极管导通，可以构成对地回路，故此时脉冲输出是低电平信号。当干簧继电器为理想时，其输出的脉冲信号能确保翻斗传感信号可以被计算机控制端全部接收，从而起到预防信号遗漏的作用。

2 翻斗式雨量计误差分析

在实际应用过程中，翻斗式雨量计会不可避免地存在一定误差。通常情况下，翻斗式雨量计的误差是通过实际降水量和儀器实际排水量比较后得出的，但在使用中，实际降水量因为受到许多环境因素（比如风、地形、高度等）的影响无法准确认定，故以进入承雨口的雨量为雨量真值。常见的翻斗式雨量计误差主要有：翻斗误差、风力误差、蒸发误差、沾水误差、溅水误差、仪器误差等，误差的主要来源是翻斗误差和风力误差[1]。

2.1 最大起始误差

翻斗式雨量计一般安装在野外，在初始干燥状态下，发生降雨后，一般雨水会首先汇集到进水口，然后经过管道、进水漏斗，进而流入翻斗。在翻斗翻转之前，翻斗、漏斗、管道和仪器集水面等处残留的水珠，无法在仪器中得到计量。翻斗翻转后，虽然翻斗内的降水参加了计量，但进水漏斗、管道等处残留的水量仍无法得到计量。翻斗不间歇工作直到降雨停止的过程中，残留在翻斗内的水量也得不到计量，就会造成测量误差，导致测量值偏小。

2.2 翻斗计量误差

单翻斗雨量计相对于双翻斗式雨量计来说虽然操作简单，但无法有效避免使用过程中出现的翻转误差。在翻转过程前期，也就是翻斗从启动翻转到翻斗中间隔板超过中心线的这一段时间内，进水漏斗仍然继续向翻斗内注水。随着降水强度的增大，流入的水量逐渐增大；而降水强度越小，流入的水量也较小。但实际上，这部分在翻转过程中注入的雨水并未得到计量，从而产生计量误差。

2.3 器口尺寸误差分析

翻斗式雨量计的器口也是造成计量误差的重要原因。翻斗式雨量计的器口直接影响翻斗式雨量计承受雨量的面积，这是决定翻斗式雨量计计量精度的重要因素。按照《雨量器技术条件》（JB/T 9458—1999），翻斗式雨量计承接雨水口的直径是200mm。但是，由于制作技术水平较低，使得翻斗式雨量计的器口承受雨量的面积与标准理论面积存在一定差异，导致翻斗式雨量计的器口尺寸误差。

3 翻斗式雨量计误差预防措施

通过分析翻斗式雨量计出现误差的原因，可以有针对性地制定相应措施来减小翻斗式雨量计计量误差。控制翻斗式雨量计计量误差的主要方法有：①调整翻斗感量；②减小翻斗倾角；③增大翻斗式雨量计的承雨口面积；④安装阀门消减器差装置；⑤表面喷涂特氟龙。

4 结论

翻斗式雨量计是一个可以将实时观测的雨量数据数字化的重要雨量观测仪器。随着推广工作的不断深入，翻斗式雨量计在水文和气象等工作中因其自身结构特点、原理局限等种种原因出现了明显的不足，对洪涝灾害预测精度、水文水利规划精度有着非常大的影响。因此，在日常水文遥测工作中，应不断总结翻斗式雨量计产生误差的原因，提出可行的改进措施，从而不断提升翻斗式雨量计的计量精度。

参考文献：

[1]王玉红.称重式雨量计与翻斗式雨量计同时挂接方法[J].现代农业科技，2017（3）：210-211.