地质灾害监测复杂场景下压电式雨量计精度标定及适宜性分析

马娟，张鸣之，齐干，叶思卿，黄喆，丁帆

（1.中国地质环境监测院（自然资源部地质灾害防治技术指导中心），北京 100081；2.中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083；3.东方智感（浙江）科技股份有限公司，浙江 杭州 311200）

0 引言

我国地形地貌复杂多样，地质条件复杂，山地丘陵约占国土面积的65%，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害点多、面广，防范难度大，每年都会造成严重的经济损失和人员伤亡。截至2021 年底，全国已登记在册的地灾灾害隐患点28.8 万余处，其中滑坡14.8 万余处、泥石流3.5 万余处，其他灾害10.5 万余处，共威胁1 300 余万人和6 300 多亿元财产的安全[1-3]。据历史灾情统计，局地短时集中强降雨是泥石流的最主要诱发因素，同时降雨诱发型滑坡数量也约占滑坡总数的70%。近年来极端天气气候事件增多，降雨时空分布不均匀性凸显，高强度地震活动频繁，预计未来一段时期内地质灾害仍呈高发、频发态势，地质灾害防治工作面临的形势依然严峻[4-6]。加强地质灾害监测预警，逐步提升“灾害何时发生”的预警预报能力显得尤为重要。气象因素是诱发地质灾害的主要因素之一，开展雨量监测对滑坡、泥石流预警预报具有十分重要的意义[7-8]。而气象预报雨量一般反映区域的降雨情况，但山区往往受小气候和地形影响，在沟头和沟口、山脚、山腰和山顶的雨量存在一定差异性，因而建议突发地质灾害监测方案设计中将雨量作为必测项，故雨量监测设备的精度、灵敏性和稳定性是精准预警预报的前提。据统计，2021—2022 年度自然资源部组织实施地质灾害普适型监测预警试验中，累计安装雨量计2.7 万余台[9-10]。

自2000 年以来，全国气象台站已基本普及地面自动采集气象站，逐渐用自动站采集代替以往的人工观测方式，但是基于不同原理采集降雨量之间直接存在差异。谭川东等[11]认为采用标定的线性关系修正测量值能有效降低翻斗式雨量计测量误差。李耀宁等[12]研究发现相同工作原理的仪器由于仪器本身的性能差异和不可预见的故障会造成较大测量误差。蔺潇[13]提出基于压电效应的雨量感知方法,并且设计了一种低成本、低功耗的压电式雨量传感器。翻斗式雨量计因其原理简单、功耗小，性能较为稳定，长期以来一直作为主流观测降雨强度和累计降雨量的监测设备，广泛运用于地质灾害监测。翻斗式雨量计通常要求安装在地势平坦且空旷的场地，且承雨器口至山顶的仰角不大于30°。但在地质灾害监测场景中，难以寻求安装的绝佳位置，特别是西南和东南部地区植被茂密，落叶或者其他一些杂物容易落到集雨器中，造成集雨通道不通畅，导致监测数据出现偏差。近年来研发的压电式雨量计相对于翻斗式雨量计具有野外安装便捷、集成度高、量程大、易维护等特点，更适用于在野外地质灾害监测复杂场景中。

1 翻斗式雨量计与压电式雨量计测量原理对比

翻斗式雨量计工作原理是雨水从上承座进入贮水器，落入水漏斗，再通过漏斗口流入翻斗桶。当蓄水量达到一定高度（如 0.1mm）时，翻斗会失去平衡而翻倒。每次铲斗被翻倒时，开关就连接到电路上，向记录器发送一个脉冲信号。通过控制记录器来记录降雨，因此降雨过程可以持续测量。

压电式雨量计工作原理是雨滴落在传感器表面上，监测面板会产生微小的机械振动。压电陶瓷板在振动的机械应力作用下，电极之间产生电压差，并将电信号输出到外界。通过采集每个压电元件输出信号的峰值电压，来计算对应雨滴的粒径和体积，从而记录降雨量数值[14-16]。

通过技术参数、安装方法和运维方式对比发现，压电式雨量计在数据分辨率、上传数据实时性、安装准备、便携性、数据校准和运维方式上均优于翻斗式雨量计（表1）。

表1 压电式雨量计和翻斗式雨量计指标对比Table 1 Comparison of indicators between piezoelectric rain gauges and tipping bucket rain gauges

2 精度标定试验结果及分析

为了验证压电式雨量计在降雨中的实测效果，分别在人工降雨大厅模拟全降雨过程及野外真实降雨条件下，对压电式雨量计采集数值与承雨器采集雨量作对比，并计算压电式雨量计的测量精度[17-18]。

2.1 模拟降雨环境试验

首先在模拟降雨环境下进行测试试验，选择在中国科学院水利部水土保持研究所人工模拟降雨大厅完成压电式雨量计的数据采集工作，降雨面积大于 4 m2，降雨高度大于 10 m，雨滴直径大小在 1～5 mm，雨滴终点速度在 1～8 m/s。监测的基准设备为标准化量筒口径为Φ200 mm，标尺高度 280 mm，分辨率 1 mm。2 台压电式雨量计的有效受雨面积 Φ200 mm，分辨率0.01 mm。2 台翻斗式雨量计分辨率均为0.1 mm（图1）。

图1 试验过程照片Fig.1 Experimental process photo

根据实验室条件，设置 2 次稳定为70 mm/h 的模拟降雨过程，每次降雨持续90 min，2 次人工降雨的喷头压力设置和开度分别是18 kPa，48%；26 kPa，40%。在降雨大厅中央选择并十字标记 2 个测试点，每个测试点对应一组测试设备，分别是量桶、压电式雨量计和翻斗式雨量计。压电式雨量计设置为 5 min 上报一次累计雨量，每次上报后清零。在室内无风的模拟降雨环境下，对比标准化量筒、压电式雨量计、翻斗式雨量计采集上报数据。测试点1、2 数据对比分别如表2、3 所示。

表2 测试点1 数据Table 2 Test point 1

表3 测试点2 数据Table 3 Test point 2

从压电式雨量计与翻斗雨量计采集数据结果对比来看，可以看见两者测量的雨量值相近，对比标准化量筒测量结果，压电式雨量计表现更为精确，误差范围可控制在4%以内，且离散系数可达2.5%以内。

2.2 真实降雨环境试验

选 择2021 年6 月5 日16:00—6 月15 日9:00 和6 月28 日21:00—6 月29 日11:00 之间两个降雨时间段，对云南省德宏州盈江县苏典乡政府驻地泥石流沟内安装的压电式雨量计进行真实降雨环境试验，并将输出结果与标准量筒结果进行对比。如试验照片所示（图2）。6 月5 日14:00—6 月15 日9:00 的降雨过程中，量筒测值为225 mm，压电式雨量计采集数值为230.48 mm，相对误差为2.4%。6 月28 日21:00—6 月29 日11:00 的降雨，量筒测值为178 mm，压电式雨量计采集数值为178.65 mm，降雨时长14 h，相对误差为0.4%（表4）。

图2 量测25 cm 集水器集水深度Fig.2 Measure water collection depth of 25 cm water collector

表4 采集记录表Table 4 Data collection record table

2.3 误差分析

在模拟降雨环境和实际降雨中分别进行了压电式雨量计精度测定，在模拟降雨环境下监测精度分别为1.7%、0.2%、3.9%和0.6%，在实际降雨中监测精度分别为2.4%和0.4%。误差来源分析如下：

（1）室内试验过程中，4 组测试结果压电式雨量计测定均高于量筒标定值，是由于雨滴降落有可能对监测盘产生2 次冲击，2 次冲击会使测得雨量值偏大。4 组测试数据中3 组测试结果翻斗式雨量计采集值均高于量筒标定值，且误差范围大于压电式雨量计。分析原因可能是翻斗在翻转过程中，雨水未流尽时，又有雨水流入计量翻斗，造成测量值大于量筒标定值。

（2）受室内试验场降雨试验设计参数制约，目前只对70 mm/h，雨滴直径大小在 1～5 mm，雨滴终点速度在 1～8 m/s 的降雨过程进行了模拟，测量精度小于4%，后期将尽可能覆盖各级降雨做更完整的对比。实际在使用过程中，压电式雨量计观测的雨量存在小雨测量偏小的情况，这种是由于压电式雨量计设计原理所导致的，若雨滴小于0.1 mm，压电式雨量计垂直动量趋近于0，会导致测量结果无雨。

（3）真实环境试验中，第一次降雨测试结果误差较大，原因可能是由于监测时长达235 h，考虑野外试验存在雨水蒸发等因素，导致量筒内雨量与实际降雨量会有偏差，误差相对较大，另外风速、气温等气象因素对雨量测量都会有影响，也会造成测量误差。

2.4 误差改进方法研究

（1）在雨强和雨滴直径可控的实验室环境，增加试验次数，测量不同雨强下的压电式雨量计与标准量筒的测量值误差，分析不同雨强下，雨滴动能、振幅、频率与电压波形的细微变化关系，进一步优化雨量算法。

（2）探索野外复杂场景下基于嵌入约束法和证据组合法的多源信息融合技术的质量控制方法，在雨量数据的基础上综合其他传感器设备获取的数据，比如温度、湿度、风速、风向等作为判定约束条件，进一步提高雨量测量的精准度。

3 结论

精准的降雨量测量在地质灾害监测预警中意义重大[19-20]。在地灾监测复杂场景下，压电式雨量计相对于翻斗式雨量计无论是安装方式、量程大小、测量精度和后期维护上更具有普适性。

（1）相对于翻斗式雨量计，压电式雨量计为一体化整机，组件数量少，能够实现电子自动校正，减免了现场安装校准环节，在安装使用上更为便捷。

（2）压电式雨量计量程大于翻斗式雨量计，能够更加精准测量短时集中强降雨，根据雨滴下落最终动能识别降雨量，间接计算最大冲击压强、雨滴直径及降雨时长，瞬间雨量实时输出，数据采集实时性更好。

（3）相对于翻斗式雨量计每月定期清理雨量筒内的杂物，压电式雨量计顶面设计为弧面，且为特氟龙涂层，即使有鸟粪，灰尘等污物，在雨水的冲刷下，会自然脱落运行，后期运维简单。