遥测雨量计野外检测校准的研究

古 斌，吕亚平

（陕西省汉中水文水资源勘测局，陕西 汉中 723000）

0 引言

降水量作为水文监测中最基本的监测要素之一，其观测是水文测验中的重要组成部分。翻斗雨量计[2]是陕西省水文监测中运用最为广泛的仪器。雨量计经过实验室检测和校准之后，长期安装在野外环境中，经过长时间的运行，其计量的准确性会发生改变，开展现场检测和校准，能够有效保证雨量计监测数据的准确性和可靠性[3]，是十分必要的。

目前对雨量计的检测通常采用人工注水检测，检测时采用专用雨量量筒取10 mm的清水，通过人工模拟一定的雨强缓慢、均匀倒入雨量计翻斗的引水斗内，记录翻斗的翻转次数，通过三次滴水试验，其每次滴水试验误差均在±4%以内时，表明雨量计合格。虽然采用人工注水检测方法简单方便，但只能粗略地校核雨量计是否合格，无法了解不同雨强仪器的误差大小，对不合格仪器不能校准率定。尤其是采用人工注水检测要保持恒稳的速度是相当困难的，如发生突然加速，雨强增大或减小，都将影响检测成果，所以这种方法要模拟雨强比较困难。

本次计量检测采用江苏南水水务科技有限公司生产的PGC10型移动式雨量计率定仪，针对目前广泛使用的不同厂家的雨量计，分别选择秦巴山地、丘陵区和汉中盆地，开展汛前、汛中、汛后，不同时期、不同环境条件下雨量传感器的检测和校准，分析掌握不同生产厂家仪器、不同工作环境、不同时间段遥测雨量计计量准确性，保证雨量计观测准确计量和安全运行[4～5]。

1 雨量计率定仪工作原理

PGC10型移动式雨量计率定仪其工作原理，是通过人机交互界面输入雨强数据后，数据采集及控制单元接受处理数据，微电脑依据雨强数据输出控制脉冲信号，精确控制雨强控制单元输出流量实现不同雨强。雨强控制单元中的计量泵系统按控制的流量向被检雨量计内注水，当被检雨量计翻动第一斗时，启动检测，即向数据采集及控制单元微电脑发出计量执行命令，微电脑记录并存储当前高精度称重计量单元重量数据，持续以给定流量向雨量计内注水，当被检雨量计所翻斗数达到设定斗数，计量泵停止注水，同时微电脑再次采集当前高精度称重计量单元重量数据，微电脑接受并处理结果，将检测结果通过显示屏显示。

2 检测区域概况

本次雨量计检测校准区域在汉中市境内汉江流域内。北依秦岭，南屏巴山，与甘肃、四川毗邻，中部为盆地，市域总面积2.72 万 km2。

汉中境内主要有汉江和嘉陵江两大流域。在水系组成上，主要是东西横贯的汉江水系和南北纵穿的嘉陵江水系。汉江是长江最大的支流，横贯汉中盆地，是本区域内水系网络的骨架。汉江上游洋县小峡口以上流域内北、西、南三面环山，两山夹一川的地势结构比较突出。按照地貌类型划分，小峡口以上可划分为秦巴山区、山前丘陵区、平原区三类。

汉中市的气温地理分布，主要受制于地形。年均气温14℃。西部略低于东部，南北山区低于平坝和丘陵。年降雨量在800 mm～1700 mm之间，南部米仓山年降水量在1100 mm～1700 mm，平坝丘陵区在800 mm～900 mm，年际变化大，年内分配不均，7～9三个月降水量占全年降水量的60%左右，降水则由北向南递增。时空分布不均，小范围、短历时、高强度暴雨频繁。

3 遥测雨量计检测、校准[6]

汉中水文局雨量观测站点331处，全部为遥测。由于秦巴山区，受地形、树木和人为因数的影响，除水文站的雨量计和少部分委托站安装在标准观测场内，雨量计器口离地面高度在0.7 m，委托雨量站由于场地限制，雨量计大部分安装在乡镇政府或居民楼房顶，雨量计器口离地面高度均在4 m～8 m之间。

3.1 雨量计外观检查

现场对所检测的雨量计的承雨口内径尺寸，承雨口刃口角度和承雨口是否水平，查看雨量计铭牌、型号、出厂编号等，雨量计表面是否有明显的凸凹、裂缝、变形；检查承水口是否变形；过滤网是否损坏；翻斗部件是否转动灵活，无阻滞现象，斗室有无渗、漏水等缺陷，翻斗内壁是否清洁无油污；各零部件是否有松脱、变形及其它影响使用的缺陷。

经检查除个别站雨量计承水口略有1 mm～2 mm的变形外，其它均符合规定要求。

3.2 雨量计检测方法

（1）检测前先取下雨量计不锈钢外筒检查仪器水平气泡是否居中、翻斗是否翻转灵活、无卡滞现象。

（2）对雨量计进行清洗，检查水路是否畅通，用清水对引水漏斗、翻斗进行充分润湿。

（3）安装移动雨量检定装置，作必要的例行检查，对仪器进行初始化。

（4）在移动雨量检定装置显示屏上设定技术参数和模拟降雨强度，开始检测。

（5）在设定雨强4 mm/min状态下，移动雨量检定装置恒速向雨量计注入清水，并自动对翻斗的翻转次数进行计数。

（6）当翻斗翻转50次，记录降水量为10 mm时，移动雨量检定装置停止注水，仪器自动测量已注入水量，计算并显示翻斗计量误差。如果发现计量误差超出±4.0%，即对雨量计进行校准重新检测，合格后再进行中小雨强的检测。

3.3 雨量计校准方法

翻斗雨量计的计量误差主要为仪器基本误差和翻斗计量误差，本次检测仅考虑翻斗的计量误差。通过对翻斗雨量计的检测，当翻斗的计量误差大于±4%时，即对雨量计进行调试校准。校准后，再分别进行大、中、小三个雨强的翻斗计量误差检测，直到计量误差≤0.4 mm为止。

4 检测数据误差分析

根据野外检测作业指导书《雨量计现场检测/校准作业规程》[7]，利用移动雨量检定装置（PGC10型移动式雨量计率定仪）对雨量计翻斗计量误差进行检测。

4.1 误差计算方法

对雨量计的测量精度（这里指翻斗式雨量计的翻斗计量误差和PGC10型移动式雨量计率定仪自动测量注入水量）一般用相对误差来表示，即为：

式中：Eb为翻斗雨量计的相对误差，%；为雨量计计量水量，10 mm；p为移动雨量检测装置实际注入水量，mm。

以PGC10型移动式雨量计率定仪自动测量注入水量作为真值，以翻斗式雨量计记录量作为仪器记录雨量，用相对误差来评价翻斗雨量计计量误差的合格率。

4.2 检测过程

在检测过程中，分别安排在汛中、汛后、汛前的三个时段进行，根据汉中的特有地形情况，检测时将检测站点分布在汉中盆地、丘陵、山区不同地区，共计检测雨量站点27个57站次。

4.2.1 汛中检测情况

对不同条件下（平川、丘陵、山区）的雨量站的翻斗雨量计进行检测，首次检测时，为了提高检测的效率，开始在设定在大雨强的状态下进行滴定，如果发现计量误差超出±4%，就对雨量计进行校准，校准后重新检测，检测合格后再进行中小雨强的检测。根据检测情况点绘雨量计相对误差与降雨强度关系图（见图1）。

图1 汛中模拟降雨强度与翻斗雨量计相对误差关系图

在检测的27站中，其中平川区8站，丘陵区9站，秦巴山区10站。通过对检测数据的分析统计，平川区检测雨量计的误差范围在-3.9%～8.6%，平均误差为2.56%。丘陵区检测的雨量计误差范围在-3.9%～4.1%，平均误差为1.90%。秦巴山区雨量计检测误差范围在-3.9%～7.5%，平均误差为2.57%。平川、丘陵、秦巴山区平均误差均未超过±3%。在不同的条件下检测结果没有明显差异。

4.2.2 汛后检测情况

检测的16个站中，其中有2站在模拟雨强为4 mm超出误差，双溪站为-5.7%、汉中站为-4.8%。模拟雨强为0.4 mm时有10站超出误差，且个别站点雨量计在同一雨强的情况下经过多次检测仍然超出误差范围。通过点绘雨量计相对误差与降雨强度相关图可看出，雨量计的计量误差符合其分布规律（见图2）。

图2 汛中模拟降雨强度与翻斗雨量计相对误差关系图

4.2.3 汛前检测情况

检测的14个站中，其中有9站在模拟雨强检测中超出误差，其中8站小雨强检测超允许误差，5站大雨强超允许误差，多次检测说明0.2 mm的翻斗雨量计在小雨强时计量本身误差较大（见图3）。

图3 汛前模拟降雨强度与翻斗雨量计相对误差关系图

通过检测数据及点绘的关系图中可以看出，检测时，以2 mm/min的模拟雨强将翻斗雨量计的误差校准接近于0时，那么模拟雨强为0.4 mm/min，其检测结果雨量计误差为正值；当模拟雨强为4 mm/min时，雨量计误差为负值，符合翻斗雨量计计量误差的分布规律。

4.3 误差分析

通过汛中、汛后及汛前的检测数据对照来看，虽然起始检测的雨强不同，但检测的数据没有较大差异。汛中检测的误差均值为2.37%，汛后检测的误差均值为2.82%，汛前检测的误差均值为3.0%。

虽然三次检测的起始雨强不同，且检测出的数据存在一定偏差，但其误差均值都在±3%以内，基本能够反映出雨量计计量误差的大小（见表1）。

5 结论

通过现场检测数据与校准情况，得出如下结论：

（1）翻斗雨量计从出厂到野外安装运行一段时间后，精度可能会发生变化，要保证雨量计量的准确性，应对雨量计进行定期检测校准。

（2）通过对安装在不同条件下（平川、丘陵、山区）的仪器，在不同时期（汛前、汛中、汛后）进行检测数据分析，检测结果没有明显异常，说明汉中水文系统雨量计运行正常，计量准确。

（3）从检测的结果看，用PGC10型移动式雨量计率定仪雨强控制准确，计量精度高，数据采集处理自动化程度高，满足对雨量计计量误差的检测要求。

（4）在检测过程中，必须先从中雨强（2 mm/sin）开始检测校准，使其计量误差尽量为0，再进行大、小雨强的检测，既能提高检测精度，也能简化检测程序。

降水量是水循环和水资源利用中最基础的水文资料，翻斗雨量计目前广泛用于水文自动化监测系统。通过PGC10型移动式雨量计率定仪现场应用，使用方法简单，模拟雨强准确，定期对翻斗雨量计进行检测和校准，能使雨量计计量误差降至最小，从而保证降水量资料准确可靠。

表1 翻斗式雨量计检测数据对照表