Deszczomierze korytkowe

Opisywane w podrozdz. 3.2 pluwiografy zostały zastąpione na początku XXI w. na  większości  stacji  meteorologicznych  w  Polsce  przez  elektroniczne  deszczo‐ mierze korytkowe. W literaturze anglojęzycznej urządzenia te są ogólnie określa‐ ne jako tipping bucket hyetographs lub też tipping bucket raingauges. Zasadniczo konstrukcja  mechanizmu  tych  najprostszych  deszczomierzy  elektronicznych jest kopią poprzednich, którymi były tzw. telepluwiografy.

Górna część telepluwiografu, tak samo jak pluwiografu, składa się z otwo‐

ru  o  ostrych  krawędziach,  najczęściej  o  standardowej  powierzchni  200  cm².

Dno  wlotu  stanowi  lejek  doprowadzający  wodę  do  wnętrza  deszczomierza –  tam  jednak  w  miejscu  zbiornika  z  pływakiem  zainstalowane  są  wywrotne korytka,  do  których  naprzemiennie  cienką  rurką  spływa  woda  opadowa.  Po napełnieniu  jednego  z  korytek  wodą  o  ściśle  określonej  objętości  (zwykle  od‐ powiadającej wysokości opadu 0,2 mm lub 0,1 mm, zdeponowanej we wlocie przyrządu) korytko przechyla się i ustawia drugie z korytek w położeniu umoż‐ liwiającym odbiór wody z rurki. Woda wypływająca przy tym z przechylonego korytka  systemem  rurek  ścieka  do  naczynia  zbiorczego  ustawionego  na  dnie obudowy  deszczomierza.  Ruch  korytek  jest  rejestrowany  przez  przełącznik (zwykle rtęciowy), który w momencie przechylania się korytek zamyka obwód elektryczny.  Część  pomiarowo‐nadawcza  łączy  się  z  częścią  rejestrująco‐sy‐ gnalizacyjną  za  pomocą  przewodu  elektrycznego.  W  układzie  rejestrującym ruchem  ramienia  piszącego  steruje  krzywka  powodująca  skokowy  ruch  wska‐ zówki ku górze o jednostkę odpowiadającej rozdzielczości deszczomierza. Piórko zamocowane na ramieniu piszącym kreśli linię na pasku rejestrującym nawinię‐ tym  (podobnie  jak  w  przypadku  pluwiografu)  na  bęben  napędzany  mechani‐

zmem zegarowym. W części rejestrującej telepluwiografu znajduje się też pro‐ sty licznik impulsów wskazujący całkowitą wysokość opadu.

Analogowy  mechanizm  rejestrująco‐sygnalizacyjny  telepluwiografów  zo‐ stał zastąpiony w elektronicznych deszczomierzach korytkowych przez cyfrowe rejestratory.  Zmiana  ta  pociąga  za  sobą  konieczność  zasilania  elektronicznych deszczomierzy w prąd, co nie jest powszechnie możliwe w warunkach tereno‐ wych.  Często  spotykanym  wówczas  rozwiązaniem  jest  stosowanie  paneli  sło‐ necznych  w  ciągu  dnia  i  akumulatorów  w  nocy  (rys.  3.4),  względnie  samych okresowo doładowywanych akumulatorów. Konieczność zasilania elektronicznych deszczomierzy korytkowych nie jest ich najpoważniejszą wadą. Główna wada wynika z konstrukcji opartej o uchyl‐ ne korytka. W celu zapewnienia wysokiej rozdzielczości korytka te muszą mieć bardzo małą objętość, a więc przewód doprowadzający wodę skoncentrowaną w lejku wlotowym musi mieć bardzo małą średnicę. Przewód ten w wielu desz‐ czomierzach  ma  średnicę  porównywalną  z  igłą  lekarską,  dlatego  jest  podatny na zatykanie przez różnego typu zanieczyszczenia, np. małe owady. Nawet jeśli nie dochodzi do całkowitego zatkania deszczomierza, to obecność ciał obcych, takich jak pyły i drobiny gleby, w przewodzie doprowadzającym wodę skutkuje inercją  instrumentów  w  przypadku  rejestracji  deszczy  o  małych  natężeniach. Oznacza to, że po długim okresie suszy start, czyli pierwsze przechylenie koryt‐ ka następuje stosunkowo późno, po akumulacji znacznej porcji deszczu. Dawka wstępnie  zakumulowanej  wody  jest  niezbędna  do  przemycia  i  udrożnienia przewodu. Dopiero po jej spływie przewód jest odblokowywany i oczyszczany, jego szorstkość maleje, a działanie hydrauliczne zaczyna być prawidłowe. Desz‐ czomierze  korytkowe  zatem,  choć  klasyfikowane  jako  automatyczne,  muszą być często poddawane kontrolnym przeglądom połączonym z ich przepłukiwa‐ niem  (Licznar  i  in.  2005a).  Częściowym  rozwiązaniem  poprawiającym  nieza‐ wodność  deszczomierzy  korytkowych  jest  ich  zdublowanie  na  wspólnej  plat‐ formie  pomiarowej.  Rozwiązanie  takie  jest  stosowane  standardowo  na  sieci pomiarowej należącej do Iowa State University w USA (rys. 3.4).

Lejkowaty  wlot  deszczomierzy  korytkowych  przechodzący  w  cienki  prze‐ wód doprowadzający wodę do korytek i ruchomy mechanizm samych korytek wyklucza  w  oczywisty  sposób  stosowanie  tych  przyrządów  w  okresie  zimo‐ wym przy ujemnych temperaturach i w przypadku rejestracji opadów śniegu. Ograniczenie to eliminuje się w niektórych deszczomierzach dzięki zainstalo‐ waniu  systemu  podgrzewania  wlotu  topiącego  deponowany  śnieg.  Działanie systemu wiąże się ze stratą opadu z powodu parowania, ponadto sam proces

topnienia śniegu opóźnia rejestrację i deformuje rzeczywiste chwilowe natę‐ żenia opadu. Rys. 3.4. Zdublowane elektroniczne deszczomierze korytkowe zamontowane na wspólnej podstawie zaopatrzonej w ogniwo fotowoltaiczne, akumulator i antenę modemu GSM; po prawej mechanizm wewnętrzny deszczomierzy z układem dwóch uchylnych korytek oraz widoczną libellą do precyzyjnego wypoziomowania instrumentu

Doświadczenia  ze  stosowaniem  elektronicznych  deszczomierzy  w  Polsce wskazują także na inny problem wynikający z braku wypracowanego standardu pomiarowego. Otóż deszczomierze korytkowe mogą rejestrować opady na dwa sposoby: albo zliczać impulsy odpowiadające wychyleniom korytek w zadanym przedziale  czasu  (np.  2  min  czy  5  min),  albo  rejestrować  czasy  konkretnych wychyleń korytek. W obu przypadkach trudno mówić o ciągłości pomiaru, gdyż jego rzeczywista rozdzielczość czasowa zależy od objętości korytka i natężenia deszczu.  Przy  zastosowaniu  nawet  drugiego  bardziej  zaawansowanego  sposo‐ bu  pomiaru  nie  jest  możliwe  precyzyjne  określenie  początku  i  końca  poje‐ dynczego opadu. Dzieje się tak, ponieważ rzeczywisty początek i koniec opadu nie korespondują idealnie z pierwszym i ostatnim wychyleniem korytek. Może zdarzyć  się,  że  korytko  jest  już  wypełnione  częściowo  po  uprzednim  opadzie. Może ono także zatrzymać, bez wychylenia, pewną końcową objętość wody po zakończeniu  opadu.  Wszystko  to  utrudnia  późniejsze  przetwarzanie  danych opadowych  z  elektronicznych  deszczomierzy  korytkowych,  zwłaszcza  ukierun‐ kowane na wyznaczenie chwilowych natężeń deszczy, względnie hietogramów opadów (funkcji,  najczęściej w postaci graficznej, opisującej  czasowy przebieg opadów).

Problem  z  przetwarzaniem  danych  z  deszczomierzy  korytkowych  wynika także  z  tego,  że  nie  tylko  czasowa  rozdzielczość  pomiaru  jest  uzależniona  od

natężenia  deszczu.  Objętość  wody  akumulowanej  między  dwoma  następują‐ cymi  po  sobie  wychyleniami  korytek  jest  również  funkcją  natężenia  opadu. Efektywną  wysokość  opadu  (h)  zakumulowaną  podczas  kroku  czasowego  (t) można opisać wzorem (Frankhauser 1997) i i t h t t t h t i h _{o e} e o            () , (3.1) w którym: i – średnie natężenie deszczu między wychyleniami korytek, Δt – analizowany przedział czasu, h_o – nominalna wysokość opadu wypełniająca całe korytko,

te – czas  wychylenia  wypełnionego  korytka  od  początku  jego  ruchu  do

położenia środkowego, kiedy stycznik (kontaktron) rejestruje impuls elektryczny  (czas  ten  jest  zależny  od  wielkości  korytka  i  skraca  się wraz ze wzrostem natężenia opadu).

Rys. 3.5. Zestaw pomiarowy używany do testowania deszczomierzy korytkowych w laboratorium IIHR – Hydroscience & Engineering, Iowa State University

Ze  względu  na  opisywane  zjawisko  oraz  obserwowany  z  czasem  proces pogarszania  się  dokładności  rejestracji  natężeń  opadów  deszczomierze  koryt‐ kowe wymagają okresowych kalibracji. Przeprowadza się je w warunkach labo‐

ratoryjnych,  a  ich  wynikiem  są  specjalne  krzywe  kalibracyjne  używane  do  ko‐ rekty wyników pomiarowych (Bergmann i in. 2001). Przykład stanowiska labo‐ ratoryjnego  wykorzystywanego  do  kalibracji  elektronicznych  deszczomierzy korytkowych  w  laboratorium  IIHR  –  Hydroscience  &  Engineering,  Iowa  State University przedstawiono na rys. 3.5.