遙測系統(tǒng)雨量觀測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，由于其結(jié)構(gòu)簡單和易于把降雨量轉(zhuǎn)換成電信號輸出，為無線遙測提供了方便。目前接入遙測系統(tǒng)的雨量計幾乎全部采用了翻斗式。雨量傳感器的靈敏度（分辨力）和測量精度是翻斗式雨量計固有的矛盾，這就要求遙測系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同的需求狀況，對雨量傳感器合理選型，以保證測量精度和提高測報系統(tǒng)的整體效益。   2 翻斗雨量計的性能指標(biāo)及雨量觀測誤差分析 2.1翻斗雨量計的性能指標(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。翻斗式雨量計三個重要的性能指標(biāo)是：分辨力、測量精度、最大可測雨強。 一般認為只要有了高靈敏度翻斗就可以得到高測量精度，這是不全面的。分辨力指最小可測量單位，有0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm等。測量精度指可保證的測量誤差范圍，該性能指標(biāo)不僅與雨量計的分辨力和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與測量的條件（雨強）有關(guān)。測量精度是在選型時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量精度的結(jié)果。雨量計采集器為半徑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)雨強較大時，誤差就不一樣了，主要來自以下幾點：①翻斗承接的不僅是雨滴的重量，還有它的動量。當(dāng)雨勢較大時，雨滴以柱形注入翻斗，這時動量值較大，雨量的增加又較快，在快要達到3.14克時，動量也產(chǎn)生了作用，使翻斗提前動作，總計數(shù)明顯增加，測量精度降低。②由于水是翻斗的浸潤液體，具有一定的表面張力，因此翻斗在潑水時，不可能全部潑干凈。當(dāng)雨強較小時，翻斗傾斜時間長，滴水時間長，甚至還可以自然蒸發(fā)干；而當(dāng)雨強較大時，幾乎沒有靜態(tài)滴水時間，部分由于表面張力而浸潤在翻斗表面上的水又被下一計量作為初值而累計，使測量值明顯大于實際值。 雨勢較大時自動雨量計測值偏大的問題，主要是0.1mm靈敏度翻斗測量雨量系統(tǒng)固有的問題，因此派生出各種不同靈敏度的翻斗雨量計。 2.2 雨量觀測誤差分析 用雨量計（器）觀測降水量，由于受觀測環(huán)境、氣候、儀器性能、安裝高度、記錄方式和人為因素等影響，降水量觀測值存在著系統(tǒng)誤差和隨機誤差。 2.2.1 翻斗式雨量計計量誤差 翻斗式雨量計計量誤差有翻斗誤差、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)盛積的水量達到起動值W1時，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間繼續(xù)進入斗內(nèi)的水量。翻斗在翻轉(zhuǎn)過程中的進水量受降水強度h的影響，即：ΔW =h·Δt。Δt是翻斗從起動到中間隔板越過中心線的時間，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)動慣量減小，從而可縮短Δt，以減小誤差。據(jù)實驗，Δt約為0.22～0.24s。由于自然降水強度h是隨機變量，因而ΔW也時大時小，從而影響每斗傾倒的水量θ，由此可帶來較大的測量誤差。 2）風(fēng)力誤差（又稱空氣動力損失） 在觀測場環(huán)境合乎降水量觀測要求的條件下，風(fēng)力誤差主要因高出地面安裝的雨量器（計），在有風(fēng)時阻礙空氣流動，引起風(fēng)場變形，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，降雨時如果有大風(fēng)存在，強風(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，以提高測量準(zhǔn)確度。 風(fēng)力誤差是降水量觀測系統(tǒng)誤差的主要來源，一般可使年降雨量偏小2%～10%。 2.2.2 雨日觀測誤差 測量降雨量不僅需要知道某一時段的降雨總量，還應(yīng)該知道降雨隨時間變化的全部過程，從而推求降雨強度，或記錄雨日資料。 翻斗式雨量計記錄的降水過程，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，儀器記錄的降雨起始時間往往推遲，而降雨結(jié)束時間往往提前。若降雨量達不到使計量翻斗翻轉(zhuǎn)一次所需要的水量，翻斗雨量計的輸出就為零，即存在閾值誤差。 這一局限性也是一切以脈沖信號傳輸方式為基礎(chǔ)的雨量計共有的局限性，是很難克服的。對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 水文自動測報系統(tǒng)雨量的遙測，除有上述系統(tǒng)性誤差和的一般性隨機觀測誤差外，還有以下幾個方面的誤差：一是通信傳輸設(shè)備（發(fā)射或接收裝置）的系統(tǒng)時鐘不準(zhǔn)，導(dǎo)致記錄時間誤差；二是信號接收誤差，這類誤差通常由信號接收引起。如信號碰撞，使信號丟失，導(dǎo)致系統(tǒng)誤認為是無降雨；通信傳輸過程中同頻干擾，收到誤碼，導(dǎo)致降雨觀測誤差，這常使降雨量出現(xiàn)異常不合理，有時候表現(xiàn)為負值，有時候表現(xiàn)為很大的值。   3遙測系統(tǒng)雨量器選型 在水文自動測報系統(tǒng)設(shè)計時，大都沿襲該地域已有的自記型雨量計的分辨力，而忽略了規(guī)范要求和實際需求。其優(yōu)勢是便于統(tǒng)一管理與維修，但同時帶來了觀測資料的精度問題。 3.1 技術(shù)規(guī)范要求 《水文自動測報系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（SL61-2003），對雨量傳感器的分辨力要求“當(dāng)測站為基本雨量站時，應(yīng)按SL21的規(guī)定選用設(shè)備；對于非基本雨量站，可選用0.5、1.0mm兩種規(guī)格；”準(zhǔn)確度則按降雨強度在0.01mm/min～4mm/min范圍變化而分為三級，對應(yīng)的測量誤差允許為±2%、±3%和±4%。 降水量觀測規(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，應(yīng)該嚴(yán)格遵照有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。對于非新增布設(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高度的一致性和降水記錄的可比性。 新增設(shè)站點，根據(jù)其用途及所處地域降雨特征而定，主要服務(wù)于防汛抗旱或為水庫而建設(shè)的雨量站，盡量采用0.5mm的翻斗，以提高測量精度。 增大翻斗，測量精度就可以相應(yīng)提高，同時最大可測雨強也相應(yīng)得到提高。顯然，其缺陷是在最小分辨力下測不到實時細分值。這也是儀器選型設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮的一個方面。 3.3 新產(chǎn)品應(yīng)用 水文自動測報系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實際，積極引進和推廣新技術(shù)、新產(chǎn)品，如光電感應(yīng)式電子雨量雪量計。 WTRSG－1型光電感應(yīng)式電子雨量雪量計，是一項應(yīng)用先進的微電子技術(shù)、集光機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測量不準(zhǔn)、誤差大、不能測量固態(tài)降水、不能實時自動計測的弊端和落后狀況。該產(chǎn)品于2004年5月通過國家專業(yè)檢測機構(gòu)的鑒定。 這種新型的雨量雪量計作為一種測量設(shè)備，運用微電子和計算機技術(shù)以及配套使用的機電裝置，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)實時采集、記錄存儲和傳輸發(fā)送全過程的自動化。具有實時數(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。   4 結(jié)語 水文自動測報系統(tǒng)降水采集儀器的設(shè)計，首先應(yīng)對組網(wǎng)的功能進行分析，即根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)和查勘資料綜合考慮，進行選型論證。要注意觀測環(huán)境條件的連續(xù)性和降水記錄的可比性。 水文自動測報系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，要緊密地結(jié)合生產(chǎn)，根據(jù)實際需求進行儀器設(shè)備的選型。國家重點報汛站和特殊需要而設(shè)立的實驗觀測站，積極選擇新產(chǎn)品，如電子雨量雪量計。系統(tǒng)應(yīng)用中，從信息采集和信息傳輸兩個環(huán)節(jié)入手，有效控制和消除誤差，提高測報精度。