遥测系统雨量观测误差分析与仪器选型

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1引言 20世纪80年代研制成功的翻斗式雨量计，由于其结构简单和易于把降雨量转换成电信号输出，为无线遥测提供了方便。目前接入遥测系统的雨量计几乎全部采用了翻斗式。雨量传感器的灵敏度（分辨力）和测量精度是翻斗式雨量计固有的矛盾，这就要求遥测系统设计时，应根据不同的需求状况，对雨量传感器合理选型，以保证测量精度和提高测报系统的整体效益。   2 翻斗雨量计的性能指标及雨量观测误差分析 2.1翻斗雨量计的性能指标 翻斗式雨量传感器可分为筒身、翻斗、底座等几个主要部件。双翻斗雨量传感器的结构与单翻斗类似，只是多了一层翻斗。翻斗式雨量计三个重要的性能指标是：分辨力、测量精度、最大可测雨强。 一般认为只要有了高灵敏度翻斗就可以得到高测量精度，这是不全面的。分辨力指最小可测量单位，有0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm等。测量精度指可保证的测量误差范围，该性能指标不仅与雨量计的分辨力和结构有关，而且与测量的条件（雨强）有关。测量精度是在选型时必须慎重考虑的重要指标。 除了0.1mm高分辨力的雨量筒，之所以出现其他多种较低灵敏度的雨量筒，是由于高灵敏度的雨量筒引起大量低测量精度的结果。雨量计采集器为半径100mm的圆形接雨口，0.1mm雨量的重量为：0.01×3.14×10²=3.14克。翻斗动作就依靠这3.14克的重力在转臂上产生的力矩克服摩擦力来完成的。排除接雨口安装水平问题，则误差首先来自两个斗的一致性和转轴与转轴摩擦系数的不稳定性，两者都是制造工艺问题，因此有些厂家采用红宝石轴承来减小摩擦系数，提高摩擦系数的稳定性。但当雨强较大时，误差就不一样了，主要来自以下几点：①翻斗承接的不仅是雨滴的重量，还有它的动量。当雨势较大时，雨滴以柱形注入翻斗，这时动量值较大，雨量的增加又较快，在快要达到3.14克时，动量也产生了作用，使翻斗提前动作，总计数明显增加，测量精度降低。②由于水是翻斗的浸润液体，具有一定的表面张力，因此翻斗在泼水时，不可能全部泼干净。当雨强较小时，翻斗倾斜时间长，滴水时间长，甚至还可以自然蒸发干；而当雨强较大时，几乎没有静态滴水时间，部分由于表面张力而浸润在翻斗表面上的水又被下一计量作为初值而累计，使测量值明显大于实际值。 雨势较大时自动雨量计测值偏大的问题，主要是0.1mm灵敏度翻斗测量雨量系统固有的问题，因此派生出各种不同灵敏度的翻斗雨量计。 2.2 雨量观测误差分析 用雨量计（器）观测降水量，由于受观测环境、气候、仪器性能、安装高度、记录方式和人为因素等影响，降水量观测值存在着系统误差和随机误差。 2.2.1 翻斗式雨量计计量误差 翻斗式雨量计计量误差有翻斗误差、风力误差、溅水误差、蒸发误差、沾水误差、仪器误差等方面。误差的主要来源是翻斗误差、风力误差。 1）翻斗误差 当翻斗内盛积的水量达到起动值W1时，翻斗就要翻转，倾倒积水。但每翻转一次倾倒出的水量θ为：θ=W1-q+ΔW。式中，q为倒水后在斗内残存的水量，ΔW为翻斗从开始翻转到中间隔板越过中心线这段时间继续进入斗内的水量。翻斗在翻转过程中的进水量受降水强度h的影响，即：ΔW =h·Δt。Δt是翻斗从起动到中间隔板越过中心线的时间，是由翻斗材料、翻斗质量等制约的仪器常数。采用轻质木料，薄的斗壁，可使翻斗的转动惯量减小，从而可缩短Δt，以减小误差。据实验，Δt约为0.22～0.24s。由于自然降水强度h是随机变量，因而ΔW也时大时小，从而影响每斗倾倒的水量θ，由此可带来较大的测量误差。 2）风力误差（又称空气动力损失） 在观测场环境合乎降水量观测要求的条件下，风力误差主要因高出地面安装的雨量器（计），在有风时阻碍空气流动，引起风场变形，在器口形成涡流和上升气流，器口上方风速增大，使降水迹线偏离，导致仪器承接的降水量系统偏小。另外，降雨时如果有大风存在，强风则将雨柱由垂线改为斜线，使承雨器口的有效面积减小，从而使收集到的降水及测得的降水量也就减小。所以，应在雨量器的周围安置适当的防风罩，以提高测量准确度。 风力误差是降水量观测系统误差的主要来源，一般可使年降雨量偏小2%～10%。 2.2.2 雨日观测误差 测量降雨量不仅需要知道某一时段的降雨总量，还应该知道降雨随时间变化的全部过程，从而推求降雨强度，或记录雨日资料。 翻斗式雨量计记录的降水过程，就其本质上说是呈间歇性的，这是由仪器工作原理所决定的。当降水很小时，仪器记录的降雨起始时间往往推迟，而降雨结束时间往往提前。若降雨量达不到使计量翻斗翻转一次所需要的水量，翻斗雨量计的输出就为零，即存在阈值误差。 这一局限性也是一切以脉冲信号传输方式为基础的雨量计共有的局限性，是很难克服的。对于需要控制雨日地区分布变化的基本雨量站，尤其应该注意采取一定的措施解决这一问题。 2.2.3 其他误差 水文自动测报系统雨量的遥测，除有上述系统性误差和的一般性随机观测误差外，还有以下几个方面的误差：一是通信传输设备（发射或接收装置）的系统时钟不准，导致记录时间误差；二是信号接收误差，这类误差通常由信号接收引起。如信号碰撞，使信号丢失，导致系统误认为是无降雨；通信传输过程中同频干扰，收到误码，导致降雨观测误差，这常使降雨量出现异常不合理，有时候表现为负值，有时候表现为很大的值。   3遥测系统雨量器选型 在水文自动测报系统设计时，大都沿袭该地域已有的自记型雨量计的分辨力，而忽略了规范要求和实际需求。其优势是便于统一管理与维修，但同时带来了观测资料的精度问题。 3.1 技术规范要求 《水文自动测报系统技术规范》（SL61-2003），对雨量传感器的分辨力要求“当测站为基本雨量站时，应按SL21的规定选用设备；对于非基本雨量站，可选用0.5、1.0mm两种规格；”准确度则按降雨强度在0.01mm/min～4mm/min范围变化而分为三级，对应的测量误差允许为±2%、±3%和±4%。 降水量观测规范SL21规定，需要控制雨日地区分布变化的基本雨量站和蒸发站必须记至0.1mm；不需要雨日资料的雨量站，可记至0.2mm；多年平均降水量大于800mm地区，亦可记至0.5mm。 3.2 选型原则 雨量采集仪器选型时，应该严格遵照有关技术规范要求。对于非新增布设的雨量站，可视原有雨量器安装情况确定，以保持历年降水观测高度的一致性和降水记录的可比性。 新增设站点，根据其用途及所处地域降雨特征而定，主要服务于防汛抗旱或为水库而建设的雨量站，尽量采用0.5mm的翻斗，以提高测量精度。 增大翻斗，测量精度就可以相应提高，同时最大可测雨强也相应得到提高。显然，其缺陷是在最小分辨力下测不到实时细分值。这也是仪器选型设计时应当考虑的一个方面。 3.3 新产品应用 水文自动测报系统的建设和发展，应结合生产实际，积极引进和推广新技术、新产品，如光电感应式电子雨量雪量计。 WTRSG－1型光电感应式电子雨量雪量计，是一项应用先进的微电子技术、集光机电于一体的高科技产品，从根本上改变了目前使用的翻斗式雨量计测量不准、误差大、不能测量固态降水、不能实时自动计测的弊端和落后状况。该产品于2004年5月通过国家专业检测机构的鉴定。 这种新型的雨量雪量计作为一种测量设备，运用微电子和计算机技术以及配套使用的机电装置，实现了从数据实时采集、记录存储和传输发送全过程的自动化。具有实时数据显示、历史资料查询、数据处理、水平风速订正、工作状态指示以及故障应急处置等功能。 值得一提的是，仪器上安装有用于测量微量降水的光电水位传感器，只要有一滴雨水即可感应，显示终端就显示出有降水现象发生。该功能特别适用于雨日观测。   4 结语 水文自动测报系统降水采集仪器的设计，首先应对组网的功能进行分析，即根据系统建设目标和查勘资料综合考虑，进行选型论证。要注意观测环境条件的连续性和降水记录的可比性。 水文自动测报系统的建设和发展，要紧密地结合生产，根据实际需求进行仪器设备的选型。国家重点报汛站和特殊需要而设立的实验观测站，积极选择新产品，如电子雨量雪量计。系统应用中，从信息采集和信息传输两个环节入手，有效控制和消除误差，提高测报精度。