遙測(cè)系統(tǒng)雨量觀測(cè)誤差分析與儀器選型

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1引言 20世紀(jì)80年代研制成功的翻斗式雨量計(jì)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于把降雨量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，為無線遙測(cè)提供了方便。目前接入遙測(cè)系統(tǒng)的雨量計(jì)幾乎全部采用了翻斗式。雨量傳感器的靈敏度（分辨力）和測(cè)量精度是翻斗式雨量計(jì)固有的矛盾，這就要求遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的需求狀況，對(duì)雨量傳感器合理選型，以保證測(cè)量精度和提高測(cè)報(bào)系統(tǒng)的整體效益。   2 翻斗雨量計(jì)的性能指標(biāo)及雨量觀測(cè)誤差分析 2.1翻斗雨量計(jì)的性能指標(biāo) 翻斗式雨量傳感器可分為筒身、翻斗、底座等幾個(gè)主要部件。雙翻斗雨量傳感器的結(jié)構(gòu)與單翻斗類似，只是多了一層翻斗。翻斗式雨量計(jì)三個(gè)重要的性能指標(biāo)是：分辨力、測(cè)量精度、最大可測(cè)雨強(qiáng)。 一般認(rèn)為只要有了高靈敏度翻斗就可以得到高測(cè)量精度，這是不全面的。分辨力指最小可測(cè)量單位，有0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm等。測(cè)量精度指可保證的測(cè)量誤差范圍，該性能指標(biāo)不僅與雨量計(jì)的分辨力和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與測(cè)量的條件（雨強(qiáng)）有關(guān)。測(cè)量精度是在選型時(shí)必須慎重考慮的重要指標(biāo)。 除了0.1mm高分辨力的雨量筒，之所以出現(xiàn)其他多種較低靈敏度的雨量筒，是由于高靈敏度的雨量筒引起大量低測(cè)量精度的結(jié)果。雨量計(jì)采集器為半徑100mm的圓形接雨口，0.1mm雨量的重量為：0.01×3.14×10²=3.14克。翻斗動(dòng)作就依靠這3.14克的重力在轉(zhuǎn)臂上產(chǎn)生的力矩克服摩擦力來完成的。排除接雨口安裝水平問題，則誤差首先來自兩個(gè)斗的一致性和轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸摩擦系數(shù)的不穩(wěn)定性，兩者都是制造工藝問題，因此有些廠家采用紅寶石軸承來減小摩擦系數(shù)，提高摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。但當(dāng)雨強(qiáng)較大時(shí)，誤差就不一樣了，主要來自以下幾點(diǎn)：①翻斗承接的不僅是雨滴的重量，還有它的動(dòng)量。當(dāng)雨勢(shì)較大時(shí)，雨滴以柱形注入翻斗，這時(shí)動(dòng)量值較大，雨量的增加又較快，在快要達(dá)到3.14克時(shí)，動(dòng)量也產(chǎn)生了作用，使翻斗提前動(dòng)作，總計(jì)數(shù)明顯增加，測(cè)量精度降低。②由于水是翻斗的浸潤(rùn)液體，具有一定的表面張力，因此翻斗在潑水時(shí)，不可能全部潑干凈。當(dāng)雨強(qiáng)較小時(shí)，翻斗傾斜時(shí)間長(zhǎng)，滴水時(shí)間長(zhǎng)，甚至還可以自然蒸發(fā)干；而當(dāng)雨強(qiáng)較大時(shí)，幾乎沒有靜態(tài)滴水時(shí)間，部分由于表面張力而浸潤(rùn)在翻斗表面上的水又被下一計(jì)量作為初值而累計(jì)，使測(cè)量值明顯大于實(shí)際值。 雨勢(shì)較大時(shí)自動(dòng)雨量計(jì)測(cè)值偏大的問題，主要是0.1mm靈敏度翻斗測(cè)量雨量系統(tǒng)固有的問題，因此派生出各種不同靈敏度的翻斗雨量計(jì)。 2.2 雨量觀測(cè)誤差分析 用雨量計(jì)（器）觀測(cè)降水量，由于受觀測(cè)環(huán)境、氣候、儀器性能、安裝高度、記錄方式和人為因素等影響，降水量觀測(cè)值存在著系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。 2.2.1 翻斗式雨量計(jì)計(jì)量誤差 翻斗式雨量計(jì)計(jì)量誤差有翻斗誤差、風(fēng)力誤差、濺水誤差、蒸發(fā)誤差、沾水誤差、儀器誤差等方面。誤差的主要來源是翻斗誤差、風(fēng)力誤差。 1）翻斗誤差 當(dāng)翻斗內(nèi)盛積的水量達(dá)到起動(dòng)值W1時(shí)，翻斗就要翻轉(zhuǎn)，傾倒積水。但每翻轉(zhuǎn)一次傾倒出的水量θ為：θ=W1-q+ΔW。式中，q為倒水后在斗內(nèi)殘存的水量，ΔW為翻斗從開始翻轉(zhuǎn)到中間隔板越過中心線這段時(shí)間繼續(xù)進(jìn)入斗內(nèi)的水量。翻斗在翻轉(zhuǎn)過程中的進(jìn)水量受降水強(qiáng)度h的影響，即：ΔW =h·Δt。Δt是翻斗從起動(dòng)到中間隔板越過中心線的時(shí)間，是由翻斗材料、翻斗質(zhì)量等制約的儀器常數(shù)。采用輕質(zhì)木料，薄的斗壁，可使翻斗的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，從而可縮短Δt，以減小誤差。據(jù)實(shí)驗(yàn)，Δt約為0.22～0.24s。由于自然降水強(qiáng)度h是隨機(jī)變量，因而ΔW也時(shí)大時(shí)小，從而影響每斗傾倒的水量θ，由此可帶來較大的測(cè)量誤差。 2）風(fēng)力誤差（又稱空氣動(dòng)力損失） 在觀測(cè)場(chǎng)環(huán)境合乎降水量觀測(cè)要求的條件下，風(fēng)力誤差主要因高出地面安裝的雨量器（計(jì)），在有風(fēng)時(shí)阻礙空氣流動(dòng)，引起風(fēng)場(chǎng)變形，在器口形成渦流和上升氣流，器口上方風(fēng)速增大，使降水跡線偏離，導(dǎo)致儀器承接的降水量系統(tǒng)偏小。另外，降雨時(shí)如果有大風(fēng)存在，強(qiáng)風(fēng)則將雨柱由垂線改為斜線，使承雨器口的有效面積減小，從而使收集到的降水及測(cè)得的降水量也就減小。所以，應(yīng)在雨量器的周圍安置適當(dāng)?shù)姆里L(fēng)罩，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。 風(fēng)力誤差是降水量觀測(cè)系統(tǒng)誤差的主要來源，一般可使年降雨量偏小2%～10%。 2.2.2 雨日觀測(cè)誤差 測(cè)量降雨量不僅需要知道某一時(shí)段的降雨總量，還應(yīng)該知道降雨隨時(shí)間變化的全部過程，從而推求降雨強(qiáng)度，或記錄雨日資料。 翻斗式雨量計(jì)記錄的降水過程，就其本質(zhì)上說是呈間歇性的，這是由儀器工作原理所決定的。當(dāng)降水很小時(shí)，儀器記錄的降雨起始時(shí)間往往推遲，而降雨結(jié)束時(shí)間往往提前。若降雨量達(dá)不到使計(jì)量翻斗翻轉(zhuǎn)一次所需要的水量，翻斗雨量計(jì)的輸出就為零，即存在閾值誤差。 這一局限性也是一切以脈沖信號(hào)傳輸方式為基礎(chǔ)的雨量計(jì)共有的局限性，是很難克服的。對(duì)于需要控制雨日地區(qū)分布變化的基本雨量站，尤其應(yīng)該注意采取一定的措施解決這一問題。 2.2.3 其他誤差 水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)雨量的遙測(cè)，除有上述系統(tǒng)性誤差和的一般性隨機(jī)觀測(cè)誤差外，還有以下幾個(gè)方面的誤差：一是通信傳輸設(shè)備（發(fā)射或接收裝置）的系統(tǒng)時(shí)鐘不準(zhǔn)，導(dǎo)致記錄時(shí)間誤差；二是信號(hào)接收誤差，這類誤差通常由信號(hào)接收引起。如信號(hào)碰撞，使信號(hào)丟失，導(dǎo)致系統(tǒng)誤認(rèn)為是無降雨；通信傳輸過程中同頻干擾，收到誤碼，導(dǎo)致降雨觀測(cè)誤差，這常使降雨量出現(xiàn)異常不合理，有時(shí)候表現(xiàn)為負(fù)值，有時(shí)候表現(xiàn)為很大的值。   3遙測(cè)系統(tǒng)雨量器選型 在水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，大都沿襲該地域已有的自記型雨量計(jì)的分辨力，而忽略了規(guī)范要求和實(shí)際需求。其優(yōu)勢(shì)是便于統(tǒng)一管理與維修，但同時(shí)帶來了觀測(cè)資料的精度問題。 3.1 技術(shù)規(guī)范要求 《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（SL61-2003），對(duì)雨量傳感器的分辨力要求“當(dāng)測(cè)站為基本雨量站時(shí)，應(yīng)按SL21的規(guī)定選用設(shè)備；對(duì)于非基本雨量站，可選用0.5、1.0mm兩種規(guī)格；”準(zhǔn)確度則按降雨強(qiáng)度在0.01mm/min～4mm/min范圍變化而分為三級(jí)，對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差允許為±2%、±3%和±4%。 降水量觀測(cè)規(guī)范SL21規(guī)定，需要控制雨日地區(qū)分布變化的基本雨量站和蒸發(fā)站必須記至0.1mm；不需要雨日資料的雨量站，可記至0.2mm；多年平均降水量大于800mm地區(qū)，亦可記至0.5mm。 3.2 選型原則 雨量采集儀器選型時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格遵照有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。對(duì)于非新增布設(shè)的雨量站，可視原有雨量器安裝情況確定，以保持歷年降水觀測(cè)高度的一致性和降水記錄的可比性。 新增設(shè)站點(diǎn)，根據(jù)其用途及所處地域降雨特征而定，主要服務(wù)于防汛抗旱或?yàn)樗畮?kù)而建設(shè)的雨量站，盡量采用0.5mm的翻斗，以提高測(cè)量精度。 增大翻斗，測(cè)量精度就可以相應(yīng)提高，同時(shí)最大可測(cè)雨強(qiáng)也相應(yīng)得到提高。顯然，其缺陷是在最小分辨力下測(cè)不到實(shí)時(shí)細(xì)分值。這也是儀器選型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的一個(gè)方面。 3.3 新產(chǎn)品應(yīng)用 水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，積極引進(jìn)和推廣新技術(shù)、新產(chǎn)品，如光電感應(yīng)式電子雨量雪量計(jì)。 WTRSG－1型光電感應(yīng)式電子雨量雪量計(jì)，是一項(xiàng)應(yīng)用先進(jìn)的微電子技術(shù)、集光機(jī)電于一體的高科技產(chǎn)品，從根本上改變了目前使用的翻斗式雨量計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)、誤差大、不能測(cè)量固態(tài)降水、不能實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)測(cè)的弊端和落后狀況。該產(chǎn)品于2004年5月通過國(guó)家專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的鑒定。 這種新型的雨量雪量計(jì)作為一種測(cè)量設(shè)備，運(yùn)用微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)以及配套使用的機(jī)電裝置，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、記錄存儲(chǔ)和傳輸發(fā)送全過程的自動(dòng)化。具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史資料查詢、數(shù)據(jù)處理、水平風(fēng)速訂正、工作狀態(tài)指示以及故障應(yīng)急處置等功能。 值得一提的是，儀器上安裝有用于測(cè)量微量降水的光電水位傳感器，只要有一滴雨水即可感應(yīng)，顯示終端就顯示出有降水現(xiàn)象發(fā)生。該功能特別適用于雨日觀測(cè)。   4 結(jié)語(yǔ) 水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)降水采集儀器的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)對(duì)組網(wǎng)的功能進(jìn)行分析，即根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)和查勘資料綜合考慮，進(jìn)行選型論證。要注意觀測(cè)環(huán)境條件的連續(xù)性和降水記錄的可比性。 水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，要緊密地結(jié)合生產(chǎn)，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行儀器設(shè)備的選型。國(guó)家重點(diǎn)報(bào)汛站和特殊需要而設(shè)立的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)站，積極選擇新產(chǎn)品，如電子雨量雪量計(jì)。系統(tǒng)應(yīng)用中，從信息采集和信息傳輸兩個(gè)環(huán)節(jié)入手，有效控制和消除誤差，提高測(cè)報(bào)精度。