遙測雨量計(jì)野外檢測校準(zhǔn)的研究

古 斌，呂亞平

（陜西省漢中水文水資源勘測局，陜西 漢中 723000）

0 引言

降水量作為水文監(jiān)測中最基本的監(jiān)測要素之一，其觀測是水文測驗(yàn)中的重要組成部分。翻斗雨量計(jì)[2]是陜西省水文監(jiān)測中運(yùn)用最為廣泛的儀器。雨量計(jì)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室檢測和校準(zhǔn)之后，長期安裝在野外環(huán)境中，經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，其計(jì)量的準(zhǔn)確性會發(fā)生改變，開展現(xiàn)場檢測和校準(zhǔn)，能夠有效保證雨量計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性[3]，是十分必要的。

目前對雨量計(jì)的檢測通常采用人工注水檢測，檢測時(shí)采用專用雨量量筒取10 mm的清水，通過人工模擬一定的雨強(qiáng)緩慢、均勻倒入雨量計(jì)翻斗的引水斗內(nèi)，記錄翻斗的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，通過三次滴水試驗(yàn)，其每次滴水試驗(yàn)誤差均在±4%以內(nèi)時(shí)，表明雨量計(jì)合格。雖然采用人工注水檢測方法簡單方便，但只能粗略地校核雨量計(jì)是否合格，無法了解不同雨強(qiáng)儀器的誤差大小，對不合格儀器不能校準(zhǔn)率定。尤其是采用人工注水檢測要保持恒穩(wěn)的速度是相當(dāng)困難的，如發(fā)生突然加速，雨強(qiáng)增大或減小，都將影響檢測成果，所以這種方法要模擬雨強(qiáng)比較困難。

本次計(jì)量檢測采用江蘇南水水務(wù)科技有限公司生產(chǎn)的PGC10型移動式雨量計(jì)率定儀，針對目前廣泛使用的不同廠家的雨量計(jì)，分別選擇秦巴山地、丘陵區(qū)和漢中盆地，開展汛前、汛中、汛后，不同時(shí)期、不同環(huán)境條件下雨量傳感器的檢測和校準(zhǔn)，分析掌握不同生產(chǎn)廠家儀器、不同工作環(huán)境、不同時(shí)間段遙測雨量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性，保證雨量計(jì)觀測準(zhǔn)確計(jì)量和安全運(yùn)行[4～5]。

1 雨量計(jì)率定儀工作原理

PGC10型移動式雨量計(jì)率定儀其工作原理，是通過人機(jī)交互界面輸入雨強(qiáng)數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)采集及控制單元接受處理數(shù)據(jù)，微電腦依據(jù)雨強(qiáng)數(shù)據(jù)輸出控制脈沖信號，精確控制雨強(qiáng)控制單元輸出流量實(shí)現(xiàn)不同雨強(qiáng)。雨強(qiáng)控制單元中的計(jì)量泵系統(tǒng)按控制的流量向被檢雨量計(jì)內(nèi)注水，當(dāng)被檢雨量計(jì)翻動第一斗時(shí)，啟動檢測，即向數(shù)據(jù)采集及控制單元微電腦發(fā)出計(jì)量執(zhí)行命令，微電腦記錄并存儲當(dāng)前高精度稱重計(jì)量單元重量數(shù)據(jù)，持續(xù)以給定流量向雨量計(jì)內(nèi)注水，當(dāng)被檢雨量計(jì)所翻斗數(shù)達(dá)到設(shè)定斗數(shù)，計(jì)量泵停止注水，同時(shí)微電腦再次采集當(dāng)前高精度稱重計(jì)量單元重量數(shù)據(jù)，微電腦接受并處理結(jié)果，將檢測結(jié)果通過顯示屏顯示。

2 檢測區(qū)域概況

本次雨量計(jì)檢測校準(zhǔn)區(qū)域在漢中市境內(nèi)漢江流域內(nèi)。北依秦嶺，南屏巴山，與甘肅、四川毗鄰，中部為盆地，市域總面積2.72 萬 km2。

漢中境內(nèi)主要有漢江和嘉陵江兩大流域。在水系組成上，主要是東西橫貫的漢江水系和南北縱穿的嘉陵江水系。漢江是長江最大的支流，橫貫漢中盆地，是本區(qū)域內(nèi)水系網(wǎng)絡(luò)的骨架。漢江上游洋縣小峽口以上流域內(nèi)北、西、南三面環(huán)山，兩山夾一川的地勢結(jié)構(gòu)比較突出。按照地貌類型劃分，小峽口以上可劃分為秦巴山區(qū)、山前丘陵區(qū)、平原區(qū)三類。

漢中市的氣溫地理分布，主要受制于地形。年均氣溫14℃。西部略低于東部，南北山區(qū)低于平壩和丘陵。年降雨量在800 mm～1700 mm之間，南部米倉山年降水量在1100 mm～1700 mm，平壩丘陵區(qū)在800 mm～900 mm，年際變化大，年內(nèi)分配不均，7～9三個(gè)月降水量占全年降水量的60%左右，降水則由北向南遞增。時(shí)空分布不均，小范圍、短歷時(shí)、高強(qiáng)度暴雨頻繁。

3 遙測雨量計(jì)檢測、校準(zhǔn)[6]

漢中水文局雨量觀測站點(diǎn)331處，全部為遙測。由于秦巴山區(qū)，受地形、樹木和人為因數(shù)的影響，除水文站的雨量計(jì)和少部分委托站安裝在標(biāo)準(zhǔn)觀測場內(nèi)，雨量計(jì)器口離地面高度在0.7 m，委托雨量站由于場地限制，雨量計(jì)大部分安裝在鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府或居民樓房頂，雨量計(jì)器口離地面高度均在4 m～8 m之間。

3.1 雨量計(jì)外觀檢查

現(xiàn)場對所檢測的雨量計(jì)的承雨口內(nèi)徑尺寸，承雨口刃口角度和承雨口是否水平，查看雨量計(jì)銘牌、型號、出廠編號等，雨量計(jì)表面是否有明顯的凸凹、裂縫、變形；檢查承水口是否變形；過濾網(wǎng)是否損壞；翻斗部件是否轉(zhuǎn)動靈活，無阻滯現(xiàn)象，斗室有無滲、漏水等缺陷，翻斗內(nèi)壁是否清潔無油污；各零部件是否有松脫、變形及其它影響使用的缺陷。

經(jīng)檢查除個(gè)別站雨量計(jì)承水口略有1 mm～2 mm的變形外，其它均符合規(guī)定要求。

3.2 雨量計(jì)檢測方法

（1）檢測前先取下雨量計(jì)不銹鋼外筒檢查儀器水平氣泡是否居中、翻斗是否翻轉(zhuǎn)靈活、無卡滯現(xiàn)象。

（2）對雨量計(jì)進(jìn)行清洗，檢查水路是否暢通，用清水對引水漏斗、翻斗進(jìn)行充分潤濕。

（3）安裝移動雨量檢定裝置，作必要的例行檢查，對儀器進(jìn)行初始化。

（4）在移動雨量檢定裝置顯示屏上設(shè)定技術(shù)參數(shù)和模擬降雨強(qiáng)度，開始檢測。

（5）在設(shè)定雨強(qiáng)4 mm/min狀態(tài)下，移動雨量檢定裝置恒速向雨量計(jì)注入清水，并自動對翻斗的翻轉(zhuǎn)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

（6）當(dāng)翻斗翻轉(zhuǎn)50次，記錄降水量為10 mm時(shí)，移動雨量檢定裝置停止注水，儀器自動測量已注入水量，計(jì)算并顯示翻斗計(jì)量誤差。如果發(fā)現(xiàn)計(jì)量誤差超出±4.0%，即對雨量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)重新檢測，合格后再進(jìn)行中小雨強(qiáng)的檢測。

3.3 雨量計(jì)校準(zhǔn)方法

翻斗雨量計(jì)的計(jì)量誤差主要為儀器基本誤差和翻斗計(jì)量誤差，本次檢測僅考慮翻斗的計(jì)量誤差。通過對翻斗雨量計(jì)的檢測，當(dāng)翻斗的計(jì)量誤差大于±4%時(shí)，即對雨量計(jì)進(jìn)行調(diào)試校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后，再分別進(jìn)行大、中、小三個(gè)雨強(qiáng)的翻斗計(jì)量誤差檢測，直到計(jì)量誤差≤0.4 mm為止。

4 檢測數(shù)據(jù)誤差分析

根據(jù)野外檢測作業(yè)指導(dǎo)書《雨量計(jì)現(xiàn)場檢測/校準(zhǔn)作業(yè)規(guī)程》[7]，利用移動雨量檢定裝置（PGC10型移動式雨量計(jì)率定儀）對雨量計(jì)翻斗計(jì)量誤差進(jìn)行檢測。

4.1 誤差計(jì)算方法

對雨量計(jì)的測量精度（這里指翻斗式雨量計(jì)的翻斗計(jì)量誤差和PGC10型移動式雨量計(jì)率定儀自動測量注入水量）一般用相對誤差來表示，即為：

式中：Eb為翻斗雨量計(jì)的相對誤差，%；為雨量計(jì)計(jì)量水量，10 mm；p為移動雨量檢測裝置實(shí)際注入水量，mm。

以PGC10型移動式雨量計(jì)率定儀自動測量注入水量作為真值，以翻斗式雨量計(jì)記錄量作為儀器記錄雨量，用相對誤差來評價(jià)翻斗雨量計(jì)計(jì)量誤差的合格率。

4.2 檢測過程

在檢測過程中，分別安排在汛中、汛后、汛前的三個(gè)時(shí)段進(jìn)行，根據(jù)漢中的特有地形情況，檢測時(shí)將檢測站點(diǎn)分布在漢中盆地、丘陵、山區(qū)不同地區(qū)，共計(jì)檢測雨量站點(diǎn)27個(gè)57站次。

4.2.1 汛中檢測情況

對不同條件下（平川、丘陵、山區(qū)）的雨量站的翻斗雨量計(jì)進(jìn)行檢測，首次檢測時(shí)，為了提高檢測的效率，開始在設(shè)定在大雨強(qiáng)的狀態(tài)下進(jìn)行滴定，如果發(fā)現(xiàn)計(jì)量誤差超出±4%，就對雨量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后重新檢測，檢測合格后再進(jìn)行中小雨強(qiáng)的檢測。根據(jù)檢測情況點(diǎn)繪雨量計(jì)相對誤差與降雨強(qiáng)度關(guān)系圖（見圖1）。

圖1 汛中模擬降雨強(qiáng)度與翻斗雨量計(jì)相對誤差關(guān)系圖

在檢測的27站中，其中平川區(qū)8站，丘陵區(qū)9站，秦巴山區(qū)10站。通過對檢測數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)，平川區(qū)檢測雨量計(jì)的誤差范圍在-3.9%～8.6%，平均誤差為2.56%。丘陵區(qū)檢測的雨量計(jì)誤差范圍在-3.9%～4.1%，平均誤差為1.90%。秦巴山區(qū)雨量計(jì)檢測誤差范圍在-3.9%～7.5%，平均誤差為2.57%。平川、丘陵、秦巴山區(qū)平均誤差均未超過±3%。在不同的條件下檢測結(jié)果沒有明顯差異。

4.2.2 汛后檢測情況

檢測的16個(gè)站中，其中有2站在模擬雨強(qiáng)為4 mm超出誤差，雙溪站為-5.7%、漢中站為-4.8%。模擬雨強(qiáng)為0.4 mm時(shí)有10站超出誤差，且個(gè)別站點(diǎn)雨量計(jì)在同一雨強(qiáng)的情況下經(jīng)過多次檢測仍然超出誤差范圍。通過點(diǎn)繪雨量計(jì)相對誤差與降雨強(qiáng)度相關(guān)圖可看出，雨量計(jì)的計(jì)量誤差符合其分布規(guī)律（見圖2）。

圖2 汛中模擬降雨強(qiáng)度與翻斗雨量計(jì)相對誤差關(guān)系圖

4.2.3 汛前檢測情況

檢測的14個(gè)站中，其中有9站在模擬雨強(qiáng)檢測中超出誤差，其中8站小雨強(qiáng)檢測超允許誤差，5站大雨強(qiáng)超允許誤差，多次檢測說明0.2 mm的翻斗雨量計(jì)在小雨強(qiáng)時(shí)計(jì)量本身誤差較大（見圖3）。

圖3 汛前模擬降雨強(qiáng)度與翻斗雨量計(jì)相對誤差關(guān)系圖

通過檢測數(shù)據(jù)及點(diǎn)繪的關(guān)系圖中可以看出，檢測時(shí)，以2 mm/min的模擬雨強(qiáng)將翻斗雨量計(jì)的誤差校準(zhǔn)接近于0時(shí)，那么模擬雨強(qiáng)為0.4 mm/min，其檢測結(jié)果雨量計(jì)誤差為正值；當(dāng)模擬雨強(qiáng)為4 mm/min時(shí)，雨量計(jì)誤差為負(fù)值，符合翻斗雨量計(jì)計(jì)量誤差的分布規(guī)律。

4.3 誤差分析

通過汛中、汛后及汛前的檢測數(shù)據(jù)對照來看，雖然起始檢測的雨強(qiáng)不同，但檢測的數(shù)據(jù)沒有較大差異。汛中檢測的誤差均值為2.37%，汛后檢測的誤差均值為2.82%，汛前檢測的誤差均值為3.0%。

雖然三次檢測的起始雨強(qiáng)不同，且檢測出的數(shù)據(jù)存在一定偏差，但其誤差均值都在±3%以內(nèi)，基本能夠反映出雨量計(jì)計(jì)量誤差的大?。ㄒ姳?）。

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)情況，得出如下結(jié)論：

（1）翻斗雨量計(jì)從出廠到野外安裝運(yùn)行一段時(shí)間后，精度可能會發(fā)生變化，要保證雨量計(jì)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)對雨量計(jì)進(jìn)行定期檢測校準(zhǔn)。

（2）通過對安裝在不同條件下（平川、丘陵、山區(qū)）的儀器，在不同時(shí)期（汛前、汛中、汛后）進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)分析，檢測結(jié)果沒有明顯異常，說明漢中水文系統(tǒng)雨量計(jì)運(yùn)行正常，計(jì)量準(zhǔn)確。

（3）從檢測的結(jié)果看，用PGC10型移動式雨量計(jì)率定儀雨強(qiáng)控制準(zhǔn)確，計(jì)量精度高，數(shù)據(jù)采集處理自動化程度高，滿足對雨量計(jì)計(jì)量誤差的檢測要求。

（4）在檢測過程中，必須先從中雨強(qiáng)（2 mm/sin）開始檢測校準(zhǔn)，使其計(jì)量誤差盡量為0，再進(jìn)行大、小雨強(qiáng)的檢測，既能提高檢測精度，也能簡化檢測程序。

降水量是水循環(huán)和水資源利用中最基礎(chǔ)的水文資料，翻斗雨量計(jì)目前廣泛用于水文自動化監(jiān)測系統(tǒng)。通過PGC10型移動式雨量計(jì)率定儀現(xiàn)場應(yīng)用，使用方法簡單，模擬雨強(qiáng)準(zhǔn)確，定期對翻斗雨量計(jì)進(jìn)行檢測和校準(zhǔn)，能使雨量計(jì)計(jì)量誤差降至最小，從而保證降水量資料準(zhǔn)確可靠。

表1 翻斗式雨量計(jì)檢測數(shù)據(jù)對照表