翻斗雨量计的对比观测及误差分析

张梦娜

(河北省廊坊水文勘测研究中心，廊坊市新华路90号 065000)

当今我国雨量观测设备的技术水平已经跨入到世界先进行列。翻斗雨量计自20世纪80年代开始使用以来，通过近40年不断创新改进，其性能日臻完善，已成为集数据采集、存储、远传、显示为一体的水文自动测报仪器。三河站于1992年开始使用翻斗雨量计观测降雨量，翻斗雨量计的使用提升了水文监测能力和水平，是逐步摆脱固守断面观测陈旧模式，向“有人管理，无人值守”模式发展、实施动态实时观测的水文监测方式改革的重要举措。为了掌握该类仪器的可靠性和稳定性，三河站开展了翻斗雨量计和普通雨量器对比观测及误差分析，取得阶段性成果。

1 翻斗雨量计结构与组成

三河站位于河北省三河市内，建有4m×6m标准的观测场，场内布设降雨量、蒸发量及附属项目观测仪器，仪器设置规范合理，其中降雨量监测系统由降雨量采集传感器(翻斗雨量计)和YY-RTU-2000智能测控终端两部分组成，是降雨量遥测系统的重要组成部分。

1.1 翻斗雨量计数据采集器构成

翻斗雨量计可分为单层、双层及三层3种翻斗类型，目前水文部门主要应用的是单层翻斗雨量计。单层翻斗雨量计由筒身、底座、内部翻斗结构3部分组成。其中筒身由规定尺寸的不锈钢圆形外壳及φ200mm承雨口组成。筒身和内部结构安装在底面支承架上，并固定于地面基座。仪器内部装有1个圆形水气泡，通过3个底脚螺丝进行调平，使翻斗处在水平位置。

翻斗一般由金属或塑料制成，支承在刚玉轴承上。翻斗上部装有磁钢，固定支架装有高灵敏度干簧管，翻斗在翻转过程中使干簧管接点状态改变，输出电信号。翻斗下方左右各装有1个定位螺丝钉，可改变翻斗倾斜角度，以调整翻斗翻转水量。水文部门主要使用分辨力为0.2mm和0.5mm的雨量计，蒸发站一般配套分辨力为0.1mm的雨量计。

1.2 翻斗雨量计测控终端机构成

三河站使用的YY-RTU-2000智能测控终端机由主机、连接线缆、天线端子、电源-太阳能板、蓄电池组成。主机(RTU)硬件主要包括CPU、存储器以及各种输入输出接口等功能模块。这些模块被集成到电路板中，通过电路板布线完成RTU各功能模块连接。CPU是RTU控制器的中枢系统，负责处理各种输入信号，经运算处理后，完成输出。存储器是RTU记忆系统，用来存储各种临时或永久性数据。该终端机应用GPRS，3G，4G，短信多种通信方式进行数据传输，具备集数据的存储、传输、显示及控制、管理、报警等多种功能，实现对雨量监测数据的智能化管理[1-3]。

1.3 技术性能

翻斗雨量计为全户外设计，结构简单、精巧，适用条件宽泛，维护简便，功耗低，经久耐用；自动化程度高，可无人值守；采集降雨量实时性强，运行稳定，测量精度高，时间准确，抗干扰能力强；雨量数据存储容量大，传输快捷，可实现数据采集、存储、传输、控制、整编一体化。目前翻斗雨量计适宜的雨强范围不大于4.0mm/min，最小分辨力为0.1mm。翻斗雨量计的技术要求和性能如下。

(1)应用外部环境条件：工作环境温度为0～50℃、湿度40%(凝露)时95%RH。

(2)承雨器口径：Φ200±0.60mm，器口刃口角度40°～45°。

(3)雨量分辨力：0.2mm。

(4)适用降雨强度范围：0～4.0mm/min。

(5)翻斗计量误差：不大于±4%。

(6)传感器输出方式：干簧管簧片与磁钢机械接触，形成通断开关量。[1-3]

2 翻斗雨量计工作原理

雨水由最上端的承水口进入承水器，落入接水漏斗后，经进水漏斗口流入某一侧翻斗内，当累积雨水量达到一定高度(比如0.2mm)时，翻斗失去平衡翻转，此时本侧翻斗内雨水流出，另一侧空翻斗置于进水漏斗下方，承接雨水，继续进行计量，循环往复，完成对连续降雨的计量过程。每一次翻斗倾倒，向记录器输送一个脉冲信号，记录器控制自记笔将雨量记录下来，如此往复即可将降雨过程测量并记录下来。[2-3]

3 翻斗雨量计误差成因分析及消除

用翻斗雨量计观测降雨量时，由于受观测场地环境、气候、仪器性能、安装方式和人为因素等影响，使得降雨量观测值存在系统误差和随机误差。按误差来源划分为由仪器内部产生的误差和外部环境产生的误差。

3.1 仪器内部产生误差的来源及消除

仪器内部产生的误差是仪器在生产过程中因材质、尺寸、生产方式的差异而造成观测雨量的误差。

3.1.1 仪器翻斗残留误差

翻斗残留误差是指最后残留在翻斗里不足分辨力(<0.2mm)的雨水而产生的误差。在降雨停止后翻斗雨量计中不足一斗的量，将遗留在翻斗内，无法计入量值，使得本日日降水量偏小；或在降雨前期因有上次降雨的残留量，使得本次起始降雨量未满一斗时就翻斗计量，造成日降雨量偏大。仪器翻斗残留误差属于随机误差，具有抵偿性，降雨总量值趋于正常值。

3.1.2 仪器误差

一方面，仪器误差是指因承雨器口不水平和仪器受太阳暴晒或发生碰撞变形等产生的误差。在发现承雨器口不水平时及时整平校正，发现变形时及时更换新仪器，即可消除仪器误差。另一方面，仪器误差是指翻斗翻转误差，即翻斗在翻转过程中，某侧翻斗从翻转开始至结束的Δt时间内，雨水经进水漏斗不断流入斗内，并随翻转溢出，其雨量未计量。雨强不同，注入的雨量多少不一样，翻斗在翻转过程中进入的雨量，就会随着降雨强度大小不同而产生不同的计量误差。

3.1.3 仪器器口尺寸误差

仪器器口内径尺寸，在制做加工过程中出现偏差，造成承雨口口径误差，使得承雨口面积不精准造成进入的雨量出现误差，因此提高工艺水平和制作精度，可降低仪器器口尺寸造成的误差。另外，可通过扩大器口尺寸(如口径为Φ220mm)加大器口面积，这样，在雨量值相同的情况下，使得进入扩大尺寸的承雨口的雨量的也增多，从而降低器口尺寸误差的影响。

3.2 外部环境影响产生误差的来源及消除

3.2.1 蒸发导致的误差

降雨汇入储水器、雨停后截留在翻斗里的雨量，因蒸发损失而产生的误差。为了减少蒸发损失，应在降水停止后，及时观测降雨量。

3.2.2 风力导致的误差

由于翻斗雨量计高出地面，有风时阻碍了空气流动，引起风场变形，在器口处形成涡流和上升气流，器口上方风速加大，扰动了降雨迹线，导致了翻斗雨量计承接的降雨量系统偏小而产生误差。风力误差的大小与风速、器口安装高度、雨滴大小有关，是降雨量观测误差的主要来源。

3.2.3 溅水导致的误差

较大雨滴降落在地面上，可溅起0.3～0.4m高，并形成一层雨雾随风扰动，有的落入承雨口内，有的正好落在承雨口边缘溅入器口内，从而导致降雨量偏大而产生误差。要消除溅水误差，一是将翻斗雨量计安装高度控制在0.70m或1.20m，二是承雨口材质选用光滑耐用不易变形的材料，器口口缘呈内直外斜的刀口状，刀口角度为45°，这样可以有效地降低溅水误差的影响。

3.2.4 湿润导致的误差

在气候干燥情况下，降水开始时，雨量计有关构件会粘滞一些降水，使降雨量系统偏小而产生误差，其大小与仪器结构、风速、空气湿度、气温有关。[2，4]

4 翻斗雨量计误差的分析计算

三河站观测场内安装普通雨量器，人工观测雨量采用加密测次来提高观测精度。

4.1 翻斗雨量计误差的计算

4.1.1 日雨量误差的计算

将三河站翻斗雨量计测记的日雨量与人工观测日雨量对比，计算翻斗雨量计观测误差，计算中选择2012年、2017年、2018年、2019年、2020年为5个典型年。误差计算式为

式中：Eb为翻斗雨量计计量误差，%；Vm为翻斗雨量计记录的雨量，mm；Vp为人工观测的雨量，mm[1-4]。

4.1.2 年雨量标准差计算

采用年降水量标准差来分析比较各年观测雨量误差，年降水量标准差计算式为：

按三河站翻斗雨量计测记日雨量与人工观测日雨量计算的观测误差及标准差见表1。

表1 三河站翻斗雨量计测记日雨量与人工观测日雨量对比观测误差及标准差计算表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人工雨量计日雨量误差Eb/%(Ebi-Eb)年雨量标准差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人工雨量计日雨量误差Eb/%(Ebi-Eb)年雨量标准差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人工雨量计日雨量误差Eb/%(Ebi-Eb)年雨量标准差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 翻斗雨量计误差分析

对三河站2012年、2017年、2018年、2019年、2020年5个典型年总共174次翻斗雨量计测记的日雨量与人工观测的日雨量的误差数据进行分析统计，其误差分布情况如表2所示。

表2 三河站日雨量误差分布情况计算表Tab.2 Calculation table of daily rainfall error distribution at Sanhe Station

从表2可以看出，误差分布呈现随机误差的一些特性，正负误差比较接近，并且介于-3.7%～3.7%之间，趋于正态分布。误差-3.70≤Eb<0出现的次数为22次，占统计总数的12.64%；误差Eb=0的出现次数为100次，占统计总数的57.47%；误差0

2012年、2017年、2018年、2019年、2020年观测雨量标准差分别为1.15%，0.96%，0.73%，1.40%，1.20%，综合标准差为1.1%，这说明在使用9年后仪器的观测精度基本没有降低，均在4%控制范围内。

5 翻斗雨量计运行维护

在近几年的观测实践中，发现翻斗雨量计在使用过程中会出现仪器故障、计量精度下降、进排口堵塞等问题，要经常检查维护，以保证翻斗雨量计的正常运行。

首先要下载降雨量数据，查看时间误差是否在规定的±0.25min/d内，复核仪器站号、日期、时间、分辨力、储存记录时间间隔等参数是否正确一致。然后断开信号线和电源线，进行仪器清洗、调试。清洗、调试完毕后再接通信号线路电源，查看信号、电源接通是否通畅，存储记录值、数据中心接收值与传感输出值是否一致。

此外，要经常查看仪器固定是否牢固，有无变形，器口是否水平(器口平面水平倾斜度应<1°)，清洁仪器内外部件，保持翻斗翻转灵活，使供电和通信系统正常工作。[4]

6 结语

通过近几年的雨量对比观测，三河站翻斗雨量计稳定可靠，经久耐用，各日观测值误差均在-3.7%～3.7%之间，各典型年及多年综合观测标准差均在±4.0%之内，符合降水量观测规定。翻斗雨量计的广泛应用将会构建成覆盖面广、基准统一、数据采集精度高、传输快捷高效、更加智能的水文监测系统，为全社会提供优质服务提供有力支撑。