水雨情监测中的雨量测量方法综述

刘天元 王文丰 徐灯

摘 要：降雨是引发洪水灾害、山体崩塌、滑坡和泥石流的主要因素，完善水雨情监测系统越来越重要，作为水雨情监测系统中的雨量测量技术也同样受到广泛关注。对水雨情监测系统中典型雨量测量技术的总结和比较，有利于开发者有效地选择测量技术，也有利于研究者对测量技术的改进提高。本文介绍了几种应用广泛的雨量测量技术，并分析了各自的特性，以便于开发者和研究者对雨量测量技术的选择与研究。

关键词：雨量监测技术；水雨情监测；虹吸式；翻斗式；超声波式；光学式；压电式

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）02-0008-04

Abstract：Rainfall is the main factor causing flood disasters，landslides，landslides and debris flows. It is more and more important to improve the monitoring system of water and rainfall. As a rainfall monitoring system，rainfall measurement technology has also received widespread attention. Summarization and comparison of typical rainfall measurement techniques in water and rainfall monitoring systems are beneficial to the effective selection of measurement techniques by developers and the improvement of measurement techniques by researchers. In this paper，several widely used rainfall measurement techniques are introduced and their characteristics are analyzed in order to facilitate the selection and research of rainfall measurement techniques by developers and researchers.

Keyword：rainfall monitoring technology；water and rainfall monitoring；siphon type；dump type；Ultrasound type；optical type；piezoelectric type

0 引 言

随着社会的高速发展，人口数量增长过快，人类对水资源承载力及水环境的约束条件考虑不足，水资源短缺与城市需水量增长、短期水景效益与长期水景维护损耗等矛盾日益突出；湖泊萎缩，滥砍滥伐造成的水土流失、森林退化，上游与下游水资源分配不均，不同流域、不同地区水资源条件及承载力水平差异巨大等问题日益凸显。山体崩塌、滑坡和泥石流的主要因素便是降雨。因此，科学的应对自然环境变化、地质灾害、洪水灾害预测，对于建立完善的水雨情的实时监测系统，是刻不容缓的。

雨量测量技术是水雨情检测系统中的关键部分，它通过对降雨量的获取、分析、研究，及时的得到降雨数据，从而具备预测未来降雨量的能力。雨量测量技术主要包括两个阶段：传统阶段，通过简单的工具组合测量降雨量，将降雨变化量简单的绘制出来，构建出一个简易测量模型；改进阶段，对传统的测量工具进行不同的改进，使之功能提高。目前许多雨量测量技术已被各领域研究者提出，不同的雨量测量技术适用于不同的环境，这使开发者对雨量测量技术的选择存在诸多困惑。

1 雨量测量技术

雨量测量技术有很多，本文将重点介绍虹吸式、翻斗式、称重式、超声波式、光学式、和压电式雨量测量技术。

1.1 虹吸式

虹吸式雨量计[1]是由雨水的浮力帶动浮子变化，通过自记笔在自记纸上划出一条关于时间变化的降雨量曲线，通过自计纸上的曲线可以分析出一次降雨的起始终止时间强度变化，并且可计算出整体的降雨量。

虹吸式雨量计的优点是通过对雨水的收集并画出降水曲线，具备获取降雨量变化的能力，使用简便快捷，计算精度较高，适合于人工观察，适用于大多数场景，例如：水文站，南方平原地带，农业灌溉等。缺点是虹吸雨量计在虹吸时的降雨量会被间接的虹吸管吸掉，此时雨量不会呈现在记录纸上。对于北方的浑浊雨质来说，虹吸管易遭堵塞，导致虹吸异常，由于虹吸雨量计是一种人工观测记录形式，并且需要及时更换记录纸。因此，虹吸式雨量计不适用北方风沙沉积地区，森林地带，荒漠深山无人区。2010年，李弘洋[2]等人研制的全自动远程虹吸式雨量计，采用了最小二乘法对降雨数据进行补偿，减少了测量误差。2015年，行鸿彦[3]等人在传统的虹吸式雨量计中嵌入GSM发送、接收模块和远程监控模块，为虹吸式雨量计在野外监测提供了可能。2016年，郝振宇[4]等人研制了一款新型虹吸式雨量计，通过加入报警模块发出警报，减少或避免了雨量漏报或错报的现象。

1.2 翻斗式

1695年，著名的英国物理学家胡克·罗伯特，成功设计了翻斗式自记雨量计。翻斗式雨量计[5]是由翻斗承接雨水，当翻斗中雨水达到设定高度时失去平衡，每次翻斗倾倒便会输出一个脉冲型号，记录器将记录下降雨量。翻斗式雨量计有一个固有的误差，当雨水流入翻斗里并达到翻斗翻转的水量时，翻斗开始翻转，在翻转期间的降雨量便无法测得。

对比虹吸式雨量计，翻斗式雨量计优点在于自动化程度高，得到雨量数据更及时，降雨量数据容易保存和传输，不需要更换记录纸，无需人员值守，适用地区在长江中下游、山林地区，有利于暴雨、山洪、泥石流报警，应用十分广泛。但是翻斗式雨量计却存在小雨时无法测量，大雨、暴雨时误差变大的问题，不适用在干旱少雨的西北地区。对于翻斗式雨量计的误差，相关研究者提出了多种改进方法，2009年，舒大兴[6]等人设计的JSP-1型虹吸校正翻斗雨量计，通过加入虹吸校正极大的减少了翻斗雨量计的固有误差以及测量数据受到雨强的影响。2017年，齐天松[7]等人设计了分流式翻斗式雨量计，利用大小翻斗分流测雨量，可解决翻斗式雨量计因误差随雨强增大而增大导致的对雨强适应性不强的问题。2018年，周东生[8]等人发明了一种小感量大量程翻斗式雨量计，在单翻斗上配置砝码并对称安装，使之在测量时可以轮流承接雨水，提高了测量精度。

1.3 超声波式

超声波雨量计[9]是一种基于超声测距原理的高精度雨量计，具有数据稳定，精度高的优点，精度可达0.1mm，测量时间短，一次测量可在2秒内完成，测量频率可达每分钟一次，增强了数据的实时性。

超声波雨量计根据超声波的传播介质可分为气介式、固介式和液介式三种[6]，液介式是使用最广范的一种超声波雨量计。液介式超声波雨量计[10]测量原理图如图1所示，超声波换能器发射出的超声波一部分被标准量具反射回来，一部分被液面反射回来。通过计时器测量出超声波两个往返的时间λ1、λ2，如图2所示。

对比虹吸式和翻斗式雨量计，超声波雨量计整体无机械传动部件，减少了雨量计因经常翻转而产生的磨损，易维护，易鉴定，实现了大量程、高精度、抗恶劣环境的要求，适用于北方泥巴雨天气以及大多数环境。尽管超声波雨量计克服了雨强大小对雨量测量精度的影响，可以适应恶劣环境下的雨量测量，但是由于超声波在传播的时候会发生折射和衰减现象，使之产生巨大的误差，因此，超声波雨量计不适用于经常下雨夹雪的寒冷地区。2014年，舒大兴[11]发明了一种翻斗触发超声波雨量计，结合了翻斗式与超声波式，增加了测量精度和使用时间。2016年，朱亚晨[12]在传统的超声波雨量计中采用L-M算法达到温度和气压补偿目的，精准度更高。2017年，吴卫平[13]等人在检测装置中设置束波器，极大避免了传感器接收到它处反射的超声波，提高了准确性。

1.4 光学式

1994年12月18日，中国首台光学雨量计问世。光学式雨量计[14]是基于光学原理的降水探测技术。随着技术的发展，光学式雨量计可以通过瞬时的降雨粒子来构造二维或三维的图像，对图像进行分析处理，获得此时的降雨量。现阶段光学式雨量计主要基于光学方法的散射技术和图像采集技术。

1.4.1 散射技术

散射技术测量主要是利用降水粒子在可见光或近红外光波的散射效应，结构与前向散射能见度仪类似，发射器发射激光或红外光束，一个或两个接收器接收降水粒子散射信号，根据散射信号的强度、频率等特性来确定降雨强度和降水类型，如表1所示。

1.4.2 图像采集技术

图像采集技术测量降水主要是利用在降雨时通过仪器获得的降雨图像，通过降雨图像来分析降水粒子或其它空气粒子的二维或三维图像，结合不同的粒子的特征来确定降水信息。如表2所示。

光学雨量计具有免维护时间长、适应性好等特点，可以广泛应用于恶劣环境下的自动雨量监测。光学雨量计在暴雨、山洪、泥石流等灾害性降水天气的自动监测、预警中起着关键作用。但是光学雨量计的成本过于昂贵，无法大面积的铺设，现阶段只能小范围的使用。2016年，高强[27]等人发明了一种激光式雨量计，通过设置封闭光罩完全地排除了露水和沙粒的影响，测量的数据更加准确。2017年，蔡彦[28-29]等人设计了称重式光学雨量计和翻斗式光学雨量计，将传统的机械雨量计与光学CCD图像采集技术相结合，弥补现有仪器的不足，提高了降雨监测的广泛性并减少了成本。2018年，闻涛[30]等人结合光、电技术设计了一种新型的光学雨量传感器，新设备体积小、使用灵活，方便移动使用。

1.5 压电式

压电式雨量计是运用雨滴冲击测量原理对降水雨滴的重量进行测量并获取相关数据，进而计算降雨量。雨滴在下落阶段受到自身重量和空气摩擦的影响，因此雨滴在即将抵达地面时的速度恒定不变，通过公式P=mv，测量雨滴对雨量计的冲击力便可求出雨滴重量，从而可获得当前降雨量和降雨强度。

持续降水和暴雨是形成泥石流的重要因素之一。压电式雨量测量计可以有效的监测暴雨和持续降水，并开展预报预测工作，是预防泥石流灾害的重要工程措施。压电式雨量测量计非常适合应用在经常出现山体滑坡和泥石流的山地沟谷。2009年，唐慧强[31]等人结合压力式雨量计和无线传感网络，软硬结合，减少了环境对雨量计的影响。2012年，漆随平[32]等人将广义回归神经网络模型运用到压力传感器上，解决了强降水等原因引起的雨量测量不准的问题。2015年，梅雪梅[33]等人发明了一种实时测量各种强度降雨的传感器式雨量计，在传统雨量计中加入单片机控制系统，能够高精度测量各种强度降雨，并且保证降雨数据记录的完整性和连续性。

2 结 论

水雨情监测的有效性和重要性程度日益提高，许多雨量测量技术也相继被提出，每种测量技术都有各自的特性，没有一种技术可以适用于所有情况，了解每种技术的优缺点有助于我们更好的使用和研究。现阶段虹吸式和翻斗式雨量计仍然是各个地区监测降雨量使用的主要工具，但随着各式类型的雨量计的发展与改进，未来的雨量计将会有两种研究方向：一是进行技术革新和新材料研制，降低光学式雨量计的使用成本，让适用各种场景的光学式雨量计得到大范围的铺设；二是将虹吸式等纯机械式雨量计与人工智能相结合，在原本机械式雨量计的基础上加入智能设备，使之具备自我分析、自我调节、自我适应的功能。

参考文献：

[1] 长春气象仪器研究所，国家气象仪器质量监督检验中心，长春希迈气象科技股份有限公司.JB/T9457-2015虹吸式雨量计技术条件 [S].北京：中华人民共和国工业和信息化部，2015.

[2] 李弘洋，李青，李雄，等.全自动远程虹吸式雨量计的研制 [J].中国计量学院学报，2010，21（1）：32-37.

[3] 行鸿彦，何乃龙，沙奕卓.一种新型虹吸式雨量计装置，中国专利：CN204613432U [P].2015-09-02.

[4] 郝振宇，刘继琨，熊小明，等.虹吸式雨量计，中国专利：CN206248855U [P].2017-06-13.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T11832-2002翻斗式雨量計 [S].北京：中国标准出版社，2002.

[6] 舒大兴，王志毅.JSP-1型虹吸校正翻斗雨量计研制与特点[J].水文，2009，29（6）：73-75.

[7] 杨立夫，齐天松.一种翻斗式雨量计，中国专利：CN2050 49766U [P].2016-02-24.

[8] 周冬生，杨汉塘，宗军，等.一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，中国专利：CN207541289U [P].2018-06-26.

[9] 卢广建，赵国强，范保松.超声波雨量计[J].气象水文海洋仪器，2004（Z1）：30-31.

[10] 洪峰.基于气介式超声波传感器的雨量液位测量系统设计[J].现代电子技术，2010，33（23）：149-151+157.

[11] 舒大兴.一种翻斗触发超声波雨量计，中国专利：CN10 4237976A [P].2014-12-24.

[12] 朱亚晨.基于STM32的超声雨量计研制[D].南京：南京信息工程大学，2016.

[13] 吴卫平，李思强.雨量计的水量检测装置及超声波雨量计，中国专利：CN206804892U [P].2017-12-26.

[14] 高太长，刘西川，刘磊，等.基于光学方法测量降水的关键技术研究[A].经济发展方式转变与自主创新——第十二届中国科学技术协会年会（第二卷） [C].中国科学技术协会学会、福建省人民政府，2010：68-73.

[15] Charles G Wade. A Multisensor Approach to Detecting Drizzle on ASOS [J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2003，20（6）：820-832.

[16] Loffler-Mang M，Joss，Jürg. An Optical Disdrometer for Measuring Size and Velocity of Hydrometeors [J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2000，17（2）：130-139.

[17] Hauserp，Danièle，AmayencaP，NuttenB，et al. A New Optical Instrument for Simultaneous Measurement of Raindrop Diameter and Fall Speed Distributions [J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，1984，1（9）：256-269.

[18] ELLIS RA，SANDFORD AP，JONES GE，et al. New laser technology to determine present weather parameters [J]. Measurement Science and Technology，2006，17（7）：1715-1722.

[19] LIN SM，WATERMAN DR，LETTINGTON AH. Measure-ment of droplet velocity，size and refractive index using the pulse displacement technique [J]. Measurement Science and Technology，2000，11（6）：1-4.

[20] DOMNICK J，TROPEA C，WAGNERR.A miniaturized semiconductor fibre optic phase-Doppler anemometer （DFPDA） with applications to liquid sprays [J]. Measurement Science &Technology，1993，4（3）：411–415.

[21] Nakatani N，Oshio T，Sakabe T. A laser three-focus velocimeter using an array of laser diodes for simultaneous measurement of particle size and velocity [J]. Review of Scientific Instruments，1993，64（2）：331-337.

[22] Knollenberg R G . The Optical Array：An Alternative to Scattering or Extinction for Airborne Particle Size Determination [J]. Journal of Applied Meteorology，1970，9（9）：86-103.

[23] KRUGER A，KRAJEWSKI W F. Two-dimensional video disdrometer：A description [J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2002，19（5）：602-617.

[24] 董蓉，李勃，廖娟，等.基于摄像视频分析的降雨量测量方法 [J].光电子·激光，2015，26（10）：1960-1966.

[25] BorrmannS，JaenickeR. Application of microholography for ground-based in situ measurements in stratus cloud layers：A case study [J]. Journal of Atmospheric &Oceanic Technology，1993，10（3）：277-293.

[26] FrankG，Härtl，Thomas，TschierschJ.Thepluviospectrometer：classificationof falling hydrometeors via digital image processing [J]. Atmospheric Research，1994，34（1）：367-378.

[27] 高强，武清涛，谢磊，等.一种激光式雨量计，中国专利：CN206311782U [P].2017-07-07.

[28] 蔡彦，李应绪，单长吉，等.称重式光学雨量计的设计 [J].物理通报，2017（6）：77-79.

[29] 蔡彦，单嵛琼，李孝攀，等.翻斗式光学雨量计的设计 [J].佳木斯大学学报（自然科学版），2017，35（2）：283-284.

[30] 闻涛，毕丽佳，何新，等.光学雨量传感器，中国专利：CN207081841U [P].2018-03-09.

[31] 唐慧强，朱家聪.基于无线传感网络的压力式雨量计 [J].通信技术，2009，42（3）：247-248+251.

[32] 漆随平，王东明，孙佳，等.一种基于压力敏感元件的降雨传感器 [J].传感技术学报，2012，25（6）：761-765.

[33] 梅雪梅，张栋，马岚，等.一种实时测量各种强度降雨的传感器式雨量计，中国专利：CN104880740A [P].2015-09-02.

作者简介：刘天元（1993-），男，汉族，江苏连云港人，硕士研究生，主要研究方向：数据预测；通讯作者：王文丰（1983-），男，汉族，湖北黃冈人，博士，副教授，CCF会员（E200018576M），研究方向：分布式存储、信息安全。