提高单翻斗雨量计测量精度研究

胡林山，舒大兴

（1.宁夏艾依河管理局，750001，银川；2.河海大学，210098，南京）

提高单翻斗雨量计测量精度研究

胡林山1，舒大兴2

（1.宁夏艾依河管理局，750001，银川；2.河海大学，210098，南京）

结合对翻斗雨量计工作原理的介绍,分析了分辨率为0.1 mm翻斗雨量计的误差来源，给出了分辨率为0.1 mm翻斗雨量计的雨强与误差关系图。针对变化雨强对小分辨率雨量计的影响，研究了虹吸排水均化雨强和增加平衡锤减小翻斗变换时间的方法，结论认为0.1 mm雨量计的测量精度可得到显著提高。

翻斗雨量计；虹吸；平衡锤；误差；雨强

当前水利信息化建设需要大量使用翻斗雨量计，但受翻斗雨量计原理的局限，其测量误差难以避免地受降雨强度变化的影响，而当使用较高分辨率的雨量计时，翻斗翻转动作频繁，计量误差就更大了。简单的翻斗雨量计其分辨率和精度之间的固有矛盾是不可能解决的。本研究在漏斗中增加虹吸管,均化雨强，提高了翻斗雨量计的测量精度。

一、翻斗雨量计误差分析

翻斗雨量计是一个翻斗式机械双稳态称重结构，是采用隔板间开的两个完全对称的三角形容器，隔板可绕水平轴转动，类似于跷跷板原理。工作时两侧容器轮流接水，当一侧容器装满一定量雨水时，重心外移翻转，水被倒出，随着降雨持续，翻斗不断左右翻转。

1.翻斗翻转动作过程的误差

翻斗雨量计翻转动作过程有一定误差。翻斗雨量计是一个翻斗机械双稳态称重结构。在t1时刻，右斗室承接的雨水重量达设定的翻斗容量W时，翻斗部件的倾角为θ，此时翻斗失稳，开始迅速转动，在t2时刻，左右翻斗处于水平。随后左翻斗继续接水，直至斗室里承接的雨水重量达到设定容量W，再翻转。如此循环往复，两斗室轮换接水进行计量。在t1～t2的间隔时间△t时间内，上方的漏斗出水口仍然不停地往右斗室注水，假设雨强为i，在△t时间内，注入右斗室里的水量为△W，这部分水量是翻斗计量过程中多计入的，即为翻斗动作的误差。增量△W是绝对误差，增量△W与翻斗的容量W之比（△W/W）为翻斗动态计量的相对误差。其大小与雨强i和翻转历时△t有关。

2.翻斗雨量计室内误差试验

本文的实验对象是分辨率0.1mm的翻斗雨量计，采用人工模拟降雨方法进行翻斗计量误差实验。实验设计为：将一个表面积约0.5 m2的大水箱注满水作为恒压的进水设备，采用模拟降水的自动控制设备模拟不同雨强的降雨过程，在翻斗传感器下面安放一贮水瓶，收集翻斗内的降水，当翻斗计数达到100斗，停止降雨，使用天平计量贮水瓶内水体重量。翻斗计量误差E为：

公式 （1）中，V为理论上翻斗的排水量，即为翻斗容量与翻斗翻转次数的乘积，单位为g；P为实际排水量，贮水瓶内水体重量，单位为g。

试验中通过调整翻斗传感器的翻斗部件安装角Ф，分别将每斗的容量设置为 2.2 g、2.4 g、2.6 g、2.9 g和3.1 g。每种翻斗容量在不同的雨强下翻转500斗，分别处理实验数据，得出雨强与误差关系图，见图1。

由图1可以看出：①每种翻斗容量的测量误差点密集分布在点群中心斜线的两侧，说明翻斗误差与雨强的关系密切。②翻斗容量在2.2～3.1 g/斗范围内变化时，误差从正偏离变化到负偏离。③对于0.1 mm的雨量计，理论翻斗容量为3.14g/斗，小雨强时误差很小；大雨强时误差大；4 mm/min雨强时误差达24%，年雨量测量值严重偏小。④常见的降雨强度为0.1～4 mm/min，误差在此雨强范围内正负分布。对0.1 mm的雨量计，翻斗容量调整为2.8g/斗，雨强2 mm/min时，误差为最小。雨强在0.1～4 mm/min变化时，误差为±12%。

图1 雨强与翻斗雨量计误差关系

图2 虹吸节流翻斗雨量计结构图

图3 虹吸节流翻斗雨量计测量误差分布图

3.雨量计翻斗翻转时间估算

如图1所示，在翻斗容量为3.1mL时，雨强4 mm/min，误差为-24%，即注入翻斗的流量为2.09mL/s，翻斗翻转时产生的误差水量为 3.14mL× 0.24=0.754 mL，因此雨量计从倾斜状态翻转到水平状态所经历的时间为0.36 s。

二、提高降雨量测量精度的措施

1.均化降雨强度

为了减少降雨强度变化对计量翻斗的影响，再加装一层翻斗，即双层翻斗雨量计，上层翻斗翻转流入到下层计量翻斗的降雨强度被均化为4 mm/min，与外界实际雨强无关，因此其测量精度得到了提高。双翻斗结构的0.1 mm雨量计在气象部门得到广泛使用。

虹吸节流是另一种均化雨强的方法，见图2。本设计内置虹吸漏斗和沉沙池，当承雨器收集的降雨量流入虹吸漏斗，先积存起来，虹吸漏斗内水位从虹吸管口开始上升，至虹吸管顶后开始虹吸排水至计量翻斗，水位下降到虹吸管的进水口高程时停止排水，等待降雨使水位上升至虹吸管顶部，再发生虹吸现象，保证流入翻斗的流量相对稳定，将变化的降雨强度过程均化为相对稳定的虹吸流量过程。

2.虹吸流量的确定

如果虹吸流量较小，超强降雨量会使虹吸漏斗内的水位升高至溢出；如果虹吸流量较大，会造成相邻两次翻转之间的时间太短而影响斗内雨水完全排净，因此需要根据最大雨强确定最适合的虹吸流量。在国内，南方沿海地区的年降雨量和降雨强度最大，顺德、广州、汕头十分钟降雨量历史最大值的平均值为34.1 mm，按照4 mm/min的雨强设计虹吸流量能够满足最大雨强的要求。此时虹吸流量为2.09 mL/s，相邻两次翻转之间的最短时间为1.5 s。如果降雨强度量较大持续超过虹吸流量时，虹吸漏斗内的水位不断上升，水压不断增大，虹吸排水流量相应不断增大。以20 mm降雨量按各种不同的降雨强度进行误差试验，得出误差均值分布图见图3。

在0.1～4 mm/min的雨强范围内，雨量计的测量误差很小；降雨强度持续超过4 mm/min时，测量误差显著增加，但事实上天然降雨强度持续10分钟超过4 mm/min的概率很小，因此虹吸节流翻斗雨量计实际测量误差较小。在0.1～4 mm/min的雨强变化范围内，使分辨率0.1 mm的翻斗雨量计测量误差从±12%减少到±3%，提高了翻斗雨量计的测量精度。

3.野外实测比较

为了检验自然状态下虹吸翻斗雨量计的测量精度，进行了野外同步对比观测试验，观测时间从6月23日至11月24日共150天。将人工雨量器和0.5 mm的翻斗雨量计同步观测对比分析,以降雨量小于10 mm误差小于0.4 mm，降雨量大于10 mm误差小于4%为误差指标进行统计。根据统计结果分析，总雨量差别不大，部分日雨量因雨量值很小相对误差很大，但是在实测38天的降雨日数内，0.5mm雨量计的降雨日数少了6天，按照规范日降雨量0.1 mm为本日有雨，因此0.5mm雨量计的降雨日数无效。

三、结语

降雨量是水资源循环和利用中最基础的水文资料，其观测精度要求到0.1mm。翻斗雨量计可用于自动化监测系统，但观测误差很大，经过室内外试验比测，得出下述结论： ①作为国家基本水文站网中最重要的雨量资料，有必要使用0.1 mm的雨量观测设备；但因翻斗雨量计测量原理的局限性，0.1 mm分辨率翻斗雨量计的误差与降雨强度显著相关，雨强在0.1～4 mm/min范围变化，其翻斗动作误差达±12%。

②进行10 mm降雨量滴定试验，0.1 mm分辨率双翻斗雨量计在0.01～4 mm/min的雨强范围内，最大可能误差为±6%；在0.1 mm单翻斗雨量计的漏斗中增加虹吸管均化雨强，测量误差保证在±3%之内，但当雨强持续大于4 mm/min时，两者误差都显著增大。

③在翻斗上增加平衡锤减小翻斗翻转倾角，进一步提高翻斗雨量计的观测精度。

④0.5 mm翻斗雨量计受雨强的影响较小，降雨总量误差不大，但降雨日数无效。

[1]中华人民共和国水利部.降水量观测规范[S].北京:中国水利水电出版社，2006.

[2]中国气象局编.地面气象观测规范[S].北京:气象出版社,2003.

[3]党选发,徐志龙,等.自动气象站雨量计现场校准方法气象科技[J]. 2008,36(3).

责任编辑 江 芳

How to increase measure accuracy of tipping bucket rain gauge

/Hu Linshan,Shu Daxing

With introduction of working principle of tipping bucket rain gauge,the reason of error in rain gauge with 0.1 mm resolution ratio is detected,and the relation graph of rain intensity and error is given.Regarding to influence of change of rain intensity to rain gauge with low resolution ratio,studies are made on the method of homogenizing rain intensity by siphonic drainage and increasing balance weight and reducing conversion time of tipping bucket.The result demonstrates that the measuring accuracy of rain gauge with 0.1 mm resolution ratio can be enhanced dramatically.

tipping bucket rain gauge;siphon;balance weight;error;rain intensity

P412.13

B

1000-1123（2016）02-0060-02

2015-12-29

胡林山，高级工程师。