JDZ05-1型翻斗式雨量傳感器在淇門水文站的應(yīng)用分析

□王冬至 □翟朋云 □王利敏(水文水資源局)

□胡鐵山(陸渾水庫管理局)

1.JDZ05-1型雨量傳感器工作原理

JDZ05-1型雨量傳感器外觀與口徑為20cm的自記雨量筒相同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)自上而下分別為承雨漏斗，滴嘴、滴針，接雨的翻斗，其中翻斗類似管槽狀，中間隔開分左右兩斗室，支撐架支住翻斗中間部位，當(dāng)降雨通過承雨漏斗錐底匯集到滴嘴、滴針注入翻斗，上方的斗室接受承雨器匯集來的水量，隨著水量增加，當(dāng)重量達到儀器感量時，翻斗翻轉(zhuǎn)力矩大于翻斗部件自重平衡力矩時，翻斗翻轉(zhuǎn)向下，將水倒出排出器外，而另一斗室上翹開始承雨，翻斗軸承可使翻斗部件左、右兩斗總是輪換處于一上一下的狀態(tài)。翻斗兩側(cè)各安裝一個磁鋼，其對應(yīng)支撐架上各有干簧管式磁敏開關(guān)，當(dāng)翻斗翻轉(zhuǎn)至水平位置時，磁鋼接近干簧管，其磁場激勵干簧管中簧片，兩簧片分別被磁化為N、S極，異性相吸，開關(guān)閉合，電路導(dǎo)通，發(fā)出一個電脈沖信號，完成將一個單元降水量（0.5mm）的轉(zhuǎn)換和信號輸出工作。

2.測站基本情況

淇門水文站位于河南省鶴壁市浚縣新鎮(zhèn)鎮(zhèn)李莊村，東經(jīng)114°11′，北緯35°2′，海拔高程64.6m，屬南運河水系衛(wèi)河中游控制站，地處豫北平原區(qū)，屬于溫帶季風(fēng)氣候，多年平均降水量為588.3mm。該站從2006年年底開始安裝使用JDZ05-1型雨量傳感器，每年的3月1日-11月1日期間使用。人工觀測雨量在每年的6月1日-11月1日期間使用自記雨量計觀測，其它時間使用雨量筒。

3.對比分析

通過2009年和2010年的遙測降雨量數(shù)據(jù)（以下簡稱遙測）和人工觀測數(shù)據(jù)（以下簡稱人工）對比分析有以下幾種情況：

3.1 遙測無數(shù)據(jù)而人工有數(shù)據(jù)

淇門水文站在2009年4月10日，6月27日，7月2日，7月7日，7月15日，8月26日，9月8日和9月10日；2010年3月22日，3月29日和9月2日兩年時間內(nèi)共計出現(xiàn)過11次遙測無數(shù)據(jù)而人工有數(shù)據(jù)，其中最大值為2009年6月27日人工0.5mm，最小數(shù)據(jù)為2009年8月26日人工0.1mm，遙測數(shù)據(jù)均為0。出現(xiàn)這種情況的原因為傳感器的最小分辨率為0.5mm，當(dāng)降雨量<0.5mm時，翻斗不翻動也就不會產(chǎn)生信號數(shù)據(jù)。

3.2 遙測有數(shù)據(jù)而人工無數(shù)據(jù)

淇門水文站在2009年6月3日，7月21日，9月和9月21日；2010年3月3日和8月26日兩年內(nèi)共計出現(xiàn)過5次遙測有數(shù)據(jù)而人工無數(shù)據(jù)，其中最大值為2010年8月26日遙測1mm，其它4次遙測均為0.5mm。出現(xiàn)這種情況有兩種原因：一是人工觀測誤差。由于降雨量偏少，在0.5mm左右，容易造成人工忽視或者在自記紙上無法顯示，以上出現(xiàn)的4次0.5mm遙測數(shù)據(jù)均屬于這種現(xiàn)象；二是前一次的降雨殘留在傳感器的漏斗中<0.5mm的雨量被累計到下一次顯示，2009年8月26日出現(xiàn)的1mm降雨屬于這種現(xiàn)象。

3.3 遙測數(shù)據(jù)小于人工數(shù)據(jù)

遙測數(shù)據(jù)小于人工數(shù)據(jù)的原因有以下3點：第一,人工觀測誤差；第二，傳感器不記錄沒有超過最小分辨率0.5mm的降雨量，最終導(dǎo)致其蒸發(fā)損失；第三，暴雨時由于雨強較大，漏斗翻轉(zhuǎn)頻繁，在起翻轉(zhuǎn)的間隙有部分降雨量溢出漏斗，導(dǎo)致這些溢出的降雨量沒有被記錄，2010年7月18日和9月6日出現(xiàn)過兩次這種現(xiàn)象，其中7月18日傳感器和人工的最大誤差達到11.5mm。

3.4 遙測數(shù)據(jù)大于人工數(shù)據(jù)

表1 淇門水文站2009年3月1日—11月1日遙測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)對比表

遙測數(shù)據(jù)大于人工數(shù)據(jù)的原因有以下兩點：第一，人工觀測誤差，2009年9月6日—9月7日，2010年9月8日—9月9日，2010年10月24日—10月25日出現(xiàn)的3次遙測雨量和人工觀測雨量不同，均屬于人工觀測誤差；第二，連續(xù)降雨的情況下，前一次殘留在漏斗中的不超過最小分辨率的那部分雨量被累加到后一次降雨量中，2009年5月9日和2010年10月12日共計出現(xiàn)2次。

根據(jù)水利部頒發(fā)的《水文自動測報系統(tǒng)規(guī)范》（SL61—2003），遙測數(shù)據(jù)合格標(biāo)準(zhǔn)為：傳感器遙測日降雨量≤人工觀測日降雨量的±10%，30mm以下兩者的誤差為±3mm，準(zhǔn)確率=合格次數(shù)/總次數(shù)×100%，準(zhǔn)確率≥96%。2009年和2010年統(tǒng)計總次數(shù)為113次，合格次數(shù)為110次，準(zhǔn)確率為97.3%，符合要求。

表2 淇門水文站2010年3月1日—11月1日遙測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)對比表

4.結(jié)語

從以上的對比分析中可以得出以下結(jié)論：JDZ05-1型雨量傳感器可以省時省力及時準(zhǔn)確傳輸雨量數(shù)據(jù)，有利于實現(xiàn)水文數(shù)據(jù)遙測自動化，實用于水文站和無人駐守的遙測雨量站；缺點在于當(dāng)降雨量小于最小分辨率（0.5mm）時不會被記錄，遇到暴雨天氣翻斗會導(dǎo)致降雨量額外損失，雨水中的雜質(zhì)或者周圍環(huán)境的沙塵淤積在漏斗中會導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)偏大，傳輸信息會出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，冬季冰雪或者冰雹天氣下不可使用等。因此在應(yīng)用中需要注意以下幾個問題：

4.1 經(jīng)常進行傳感器與人工數(shù)據(jù)對比，及時發(fā)現(xiàn)問題及時解決。在應(yīng)用JDZ05-1型雨量傳感器的過程中，尤其是在汛期要經(jīng)常進行傳感器與人工數(shù)據(jù)的對比分析，這是能發(fā)現(xiàn)儀器是否能夠正常運行的最可靠途徑。

4.2 定期對傳感器進行檢查維護。由于周圍環(huán)境中的沙塵和雨水中含有雜質(zhì)會沉積在漏斗中，這樣會導(dǎo)致漏斗在沒有達到最小分辨率的降雨量時就會翻轉(zhuǎn)，從而使得記錄的數(shù)據(jù)偏大，還有要經(jīng)常檢查傳感器滴嘴，滴針是否有堵塞，發(fā)現(xiàn)問題能夠及時清理，以便傳感器更好的工作。

4.3 經(jīng)常檢查傳感器的電源和發(fā)射器。傳感器記錄的數(shù)據(jù)要通過發(fā)射器實現(xiàn)遙測功能，電源電壓在12V左右，一般用太陽能板充電。當(dāng)電壓低于10V的時候會出現(xiàn)信息傳遞不通暢，影響數(shù)據(jù)的及時傳輸，為了避免這種情況的發(fā)生，要經(jīng)常測量蓄電池的電壓，尤其在連續(xù)陰雨天太陽能板不能及時充電，必要時采取人工方式對蓄電池進行充電。