水雨情監(jiān)測中的雨量測量方法綜述

劉天元 王文豐 徐燈

摘 要：降雨是引發(fā)洪水災害、山體崩塌、滑坡和泥石流的主要因素，完善水雨情監(jiān)測系統(tǒng)越來越重要，作為水雨情監(jiān)測系統(tǒng)中的雨量測量技術也同樣受到廣泛關注。對水雨情監(jiān)測系統(tǒng)中典型雨量測量技術的總結(jié)和比較，有利于開發(fā)者有效地選擇測量技術，也有利于研究者對測量技術的改進提高。本文介紹了幾種應用廣泛的雨量測量技術，并分析了各自的特性，以便于開發(fā)者和研究者對雨量測量技術的選擇與研究。

關鍵詞：雨量監(jiān)測技術；水雨情監(jiān)測；虹吸式；翻斗式；超聲波式；光學式；壓電式

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著社會的高速發(fā)展，人口數(shù)量增長過快，人類對水資源承載力及水環(huán)境的約束條件考慮不足，水資源短缺與城市需水量增長、短期水景效益與長期水景維護損耗等矛盾日益突出；湖泊萎縮，濫砍濫伐造成的水土流失、森林退化，上游與下游水資源分配不均，不同流域、不同地區(qū)水資源條件及承載力水平差異巨大等問題日益凸顯。山體崩塌、滑坡和泥石流的主要因素便是降雨。因此，科學的應對自然環(huán)境變化、地質(zhì)災害、洪水災害預測，對于建立完善的水雨情的實時監(jiān)測系統(tǒng)，是刻不容緩的。

雨量測量技術是水雨情檢測系統(tǒng)中的關鍵部分，它通過對降雨量的獲取、分析、研究，及時的得到降雨數(shù)據(jù)，從而具備預測未來降雨量的能力。雨量測量技術主要包括兩個階段：傳統(tǒng)階段，通過簡單的工具組合測量降雨量，將降雨變化量簡單的繪制出來，構建出一個簡易測量模型；改進階段，對傳統(tǒng)的測量工具進行不同的改進，使之功能提高。目前許多雨量測量技術已被各領域研究者提出，不同的雨量測量技術適用于不同的環(huán)境，這使開發(fā)者對雨量測量技術的選擇存在諸多困惑。

1 雨量測量技術

雨量測量技術有很多，本文將重點介紹虹吸式、翻斗式、稱重式、超聲波式、光學式、和壓電式雨量測量技術。

1.1 虹吸式

虹吸式雨量計[1]是由雨水的浮力帶動浮子變化，通過自記筆在自記紙上劃出一條關于時間變化的降雨量曲線，通過自計紙上的曲線可以分析出一次降雨的起始終止時間強度變化，并且可計算出整體的降雨量。

虹吸式雨量計的優(yōu)點是通過對雨水的收集并畫出降水曲線，具備獲取降雨量變化的能力，使用簡便快捷，計算精度較高，適合于人工觀察，適用于大多數(shù)場景，例如：水文站，南方平原地帶，農(nóng)業(yè)灌溉等。缺點是虹吸雨量計在虹吸時的降雨量會被間接的虹吸管吸掉，此時雨量不會呈現(xiàn)在記錄紙上。對于北方的渾濁雨質(zhì)來說，虹吸管易遭堵塞，導致虹吸異常，由于虹吸雨量計是一種人工觀測記錄形式，并且需要及時更換記錄紙。因此，虹吸式雨量計不適用北方風沙沉積地區(qū)，森林地帶，荒漠深山無人區(qū)。2010年，李弘洋[2]等人研制的全自動遠程虹吸式雨量計，采用了最小二乘法對降雨數(shù)據(jù)進行補償，減少了測量誤差。2015年，行鴻彥[3]等人在傳統(tǒng)的虹吸式雨量計中嵌入GSM發(fā)送、接收模塊和遠程監(jiān)控模塊，為虹吸式雨量計在野外監(jiān)測提供了可能。2016年，郝振宇[4]等人研制了一款新型虹吸式雨量計，通過加入報警模塊發(fā)出警報，減少或避免了雨量漏報或錯報的現(xiàn)象。

1.2 翻斗式

1695年，著名的英國物理學家胡克·羅伯特，成功設計了翻斗式自記雨量計。翻斗式雨量計[5]是由翻斗承接雨水，當翻斗中雨水達到設定高度時失去平衡，每次翻斗傾倒便會輸出一個脈沖型號，記錄器將記錄下降雨量。翻斗式雨量計有一個固有的誤差，當雨水流入翻斗里并達到翻斗翻轉(zhuǎn)的水量時，翻斗開始翻轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)期間的降雨量便無法測得。

對比虹吸式雨量計，翻斗式雨量計優(yōu)點在于自動化程度高，得到雨量數(shù)據(jù)更及時，降雨量數(shù)據(jù)容易保存和傳輸，不需要更換記錄紙，無需人員值守，適用地區(qū)在長江中下游、山林地區(qū)，有利于暴雨、山洪、泥石流報警，應用十分廣泛。但是翻斗式雨量計卻存在小雨時無法測量，大雨、暴雨時誤差變大的問題，不適用在干旱少雨的西北地區(qū)。對于翻斗式雨量計的誤差，相關研究者提出了多種改進方法，2009年，舒大興[6]等人設計的JSP-1型虹吸校正翻斗雨量計，通過加入虹吸校正極大的減少了翻斗雨量計的固有誤差以及測量數(shù)據(jù)受到雨強的影響。2017年，齊天松[7]等人設計了分流式翻斗式雨量計，利用大小翻斗分流測雨量，可解決翻斗式雨量計因誤差隨雨強增大而增大導致的對雨強適應性不強的問題。2018年，周東生[8]等人發(fā)明了一種小感量大量程翻斗式雨量計，在單翻斗上配置砝碼并對稱安裝，使之在測量時可以輪流承接雨水，提高了測量精度。

1.3 超聲波式

超聲波雨量計[9]是一種基于超聲測距原理的高精度雨量計，具有數(shù)據(jù)穩(wěn)定，精度高的優(yōu)點，精度可達0.1mm，測量時間短，一次測量可在2秒內(nèi)完成，測量頻率可達每分鐘一次，增強了數(shù)據(jù)的實時性。

超聲波雨量計根據(jù)超聲波的傳播介質(zhì)可分為氣介式、固介式和液介式三種[6]，液介式是使用最廣范的一種超聲波雨量計。液介式超聲波雨量計[10]測量原理圖如圖1所示，超聲波換能器發(fā)射出的超聲波一部分被標準量具反射回來，一部分被液面反射回來。通過計時器測量出超聲波兩個往返的時間λ1、λ2，如圖2所示。

對比虹吸式和翻斗式雨量計，超聲波雨量計整體無機械傳動部件，減少了雨量計因經(jīng)常翻轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的磨損，易維護，易鑒定，實現(xiàn)了大量程、高精度、抗惡劣環(huán)境的要求，適用于北方泥巴雨天氣以及大多數(shù)環(huán)境。盡管超聲波雨量計克服了雨強大小對雨量測量精度的影響，可以適應惡劣環(huán)境下的雨量測量，但是由于超聲波在傳播的時候會發(fā)生折射和衰減現(xiàn)象，使之產(chǎn)生巨大的誤差，因此，超聲波雨量計不適用于經(jīng)常下雨夾雪的寒冷地區(qū)。2014年，舒大興[11]發(fā)明了一種翻斗觸發(fā)超聲波雨量計，結(jié)合了翻斗式與超聲波式，增加了測量精度和使用時間。2016年，朱亞晨[12]在傳統(tǒng)的超聲波雨量計中采用L-M算法達到溫度和氣壓補償目的，精準度更高。2017年，吳衛(wèi)平[13]等人在檢測裝置中設置束波器，極大避免了傳感器接收到它處反射的超聲波，提高了準確性。

1.4 光學式

1994年12月18日，中國首臺光學雨量計問世。光學式雨量計[14]是基于光學原理的降水探測技術。隨著技術的發(fā)展，光學式雨量計可以通過瞬時的降雨粒子來構造二維或三維的圖像，對圖像進行分析處理，獲得此時的降雨量。現(xiàn)階段光學式雨量計主要基于光學方法的散射技術和圖像采集技術。

1.4.1 散射技術

散射技術測量主要是利用降水粒子在可見光或近紅外光波的散射效應，結(jié)構與前向散射能見度儀類似，發(fā)射器發(fā)射激光或紅外光束，一個或兩個接收器接收降水粒子散射信號，根據(jù)散射信號的強度、頻率等特性來確定降雨強度和降水類型，如表1所示。

1.4.2 圖像采集技術

圖像采集技術測量降水主要是利用在降雨時通過儀器獲得的降雨圖像，通過降雨圖像來分析降水粒子或其它空氣粒子的二維或三維圖像，結(jié)合不同的粒子的特征來確定降水信息。如表2所示。

光學雨量計具有免維護時間長、適應性好等特點，可以廣泛應用于惡劣環(huán)境下的自動雨量監(jiān)測。光學雨量計在暴雨、山洪、泥石流等災害性降水天氣的自動監(jiān)測、預警中起著關鍵作用。但是光學雨量計的成本過于昂貴，無法大面積的鋪設，現(xiàn)階段只能小范圍的使用。2016年，高強[27]等人發(fā)明了一種激光式雨量計，通過設置封閉光罩完全地排除了露水和沙粒的影響，測量的數(shù)據(jù)更加準確。2017年，蔡彥[28-29]等人設計了稱重式光學雨量計和翻斗式光學雨量計，將傳統(tǒng)的機械雨量計與光學CCD圖像采集技術相結(jié)合，彌補現(xiàn)有儀器的不足，提高了降雨監(jiān)測的廣泛性并減少了成本。2018年，聞濤[30]等人結(jié)合光、電技術設計了一種新型的光學雨量傳感器，新設備體積小、使用靈活，方便移動使用。

1.5 壓電式

壓電式雨量計是運用雨滴沖擊測量原理對降水雨滴的重量進行測量并獲取相關數(shù)據(jù)，進而計算降雨量。雨滴在下落階段受到自身重量和空氣摩擦的影響，因此雨滴在即將抵達地面時的速度恒定不變，通過公式P=mv，測量雨滴對雨量計的沖擊力便可求出雨滴重量，從而可獲得當前降雨量和降雨強度。

持續(xù)降水和暴雨是形成泥石流的重要因素之一。壓電式雨量測量計可以有效的監(jiān)測暴雨和持續(xù)降水，并開展預報預測工作，是預防泥石流災害的重要工程措施。壓電式雨量測量計非常適合應用在經(jīng)常出現(xiàn)山體滑坡和泥石流的山地溝谷。2009年，唐慧強[31]等人結(jié)合壓力式雨量計和無線傳感網(wǎng)絡，軟硬結(jié)合，減少了環(huán)境對雨量計的影響。2012年，漆隨平[32]等人將廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡模型運用到壓力傳感器上，解決了強降水等原因引起的雨量測量不準的問題。2015年，梅雪梅[33]等人發(fā)明了一種實時測量各種強度降雨的傳感器式雨量計，在傳統(tǒng)雨量計中加入單片機控制系統(tǒng)，能夠高精度測量各種強度降雨，并且保證降雨數(shù)據(jù)記錄的完整性和連續(xù)性。

2 結(jié) 論

水雨情監(jiān)測的有效性和重要性程度日益提高，許多雨量測量技術也相繼被提出，每種測量技術都有各自的特性，沒有一種技術可以適用于所有情況，了解每種技術的優(yōu)缺點有助于我們更好的使用和研究?，F(xiàn)階段虹吸式和翻斗式雨量計仍然是各個地區(qū)監(jiān)測降雨量使用的主要工具，但隨著各式類型的雨量計的發(fā)展與改進，未來的雨量計將會有兩種研究方向：一是進行技術革新和新材料研制，降低光學式雨量計的使用成本，讓適用各種場景的光學式雨量計得到大范圍的鋪設；二是將虹吸式等純機械式雨量計與人工智能相結(jié)合，在原本機械式雨量計的基礎上加入智能設備，使之具備自我分析、自我調(diào)節(jié)、自我適應的功能。

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作者簡介：劉天元（1993-），男，漢族，江蘇連云港人，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)據(jù)預測；通訊作者：王文豐（1983-），男，漢族，湖北黃岡人，博士，副教授，CCF會員（E200018576M），研究方向：分布式存儲、信息安全。