JDZ1翻斗式自動雨量計雨量誤差對比試驗研究

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(甘肅省臨洮水文水資源勘測局，甘肅 臨洮 730500)

JDZ1翻斗式自動雨量計雨量誤差對比試驗研究

張春林，王漢卿，馬龍劍

(甘肅省臨洮水文水資源勘測局，甘肅 臨洮 730500)

近年來,國家相繼投資在甘肅省建成了中小河流山洪預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)工程，在防汛抗旱減災(zāi)中發(fā)揮著重要作用。為了解JDZ1翻斗式自動雨量計在降水量采集、傳輸及其精度和儀器穩(wěn)定性等方面情況，選用黃河流域一級支流洮河、大夏河具有代表性的19個自動雨量站采集的雨量數(shù)據(jù)與虹吸式雨量計記錄的降水量資料進行對比分析，探求自動雨量計產(chǎn)生誤差的原因及解決辦法。為準確評價中小河流山洪預(yù)警系統(tǒng)雨量站的預(yù)警功能提供科學(xué)依據(jù)。

JDZ1翻斗式雨量計；虹吸式雨量計；誤差分析

全面準確掌握流域降水量和暴雨時空變化的過程及規(guī)律，對預(yù)測領(lǐng)域來水量、搞好水量調(diào)度、服務(wù)當?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防汛抗旱減災(zāi)及經(jīng)濟建設(shè)具有十分重要的作用。新建成的中小河流山洪水情預(yù)警系統(tǒng)中雨量站降水監(jiān)測項目，正是為滿足這方面需要應(yīng)運而生的新生事物，其運行狀況尤為重要。甘肅省臨洮水文水資源勘測局管轄洮河、大夏河兩個流域，集水面積為3.18萬 km2，中小河流山洪預(yù)警系統(tǒng)中共建有自動雨量站70處，對建成的自動雨量計經(jīng)過檢修調(diào)試后正常運行，自2016年6月1日至2016年10月29日期間，選用19處具有代表性和具備比測試驗條件的雨量站，用虹吸式雨量計與JDZ1翻斗式自動雨量計同時進行對比觀測，積累比測數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析，得出誤差結(jié)論。其目的一是通過比測來判斷JDZ1翻斗式自動雨量計是否滿足山洪預(yù)警精度的要求；二是驗證該儀器在野外環(huán)境條件下，應(yīng)對高溫、寒冷、陰濕、雷電、大風(fēng)、強暴雨等惡劣天氣時儀器的穩(wěn)定性及技術(shù)參數(shù)；三是通過大量觀測數(shù)據(jù)的對比分析，判定JDZ1翻斗式自動雨量計是否滿足《降水量觀測規(guī)范》規(guī)定的誤差標準，能否作為正式降水資料進行整編刊印。

1 比測試驗雨量站點的選定

本次比測試驗的19處雨量站，分布于洮河水系14處、大夏河水系3處、黃河流域2處。其中15處設(shè)立在現(xiàn)有水文站，4處為委托雨量站，比測試驗站點占總站點數(shù)的27%。站點地理位置在東經(jīng)102°27′31.05″～104°06′43.1″、北緯34°26′38.37″～35°48′12.14″之間，海拔高程在1 714～3 081 m之間，比測試驗期間氣溫在-9.0～36.0之間變化，洮河、大夏河水系雨量站點布設(shè)基本情況，詳見表1。

表1 洮河、大夏河水系降水量比測試驗雨量站點分布情況

2 雨量儀器性能及技術(shù)參數(shù)

2.1 JDZ1翻斗式自動雨量計

JDZ1翻斗式自動雨量計由承雨器、翻斗部件等組成，承雨器用于承接、采集降水。翻斗部件的核心是翻斗，起計量作用。翻斗分為左右兩個斗室，其重心位置處于翻斗軸的上方，形成一個非穩(wěn)定機構(gòu)。翻斗下方有兩個調(diào)斗螺釘左右各一個，可用來調(diào)節(jié)翻斗的傾斜角度，控制翻斗每次翻轉(zhuǎn)的水量。主要技術(shù)性能及參數(shù)：降水強度測量范圍≦4 mm/min,翻斗計量誤差E,∣E∣≦4%,接點工作壽命≧107次，工作環(huán)境溫度-10℃～+55℃，貯存環(huán)境溫度-40℃～+60℃。其工作原理，工作時，進入承雨器內(nèi)的降水，在其錐形底部匯集后，流入翻斗部件的漏斗，再注入翻斗。當翻斗居上的一側(cè)斗室積累到一定水量時，由翻斗自重、漏斗內(nèi)水量的重量、支承力、轉(zhuǎn)動摩擦力、磁阻力、流水沖擊作用力等組成的力平衡關(guān)系被打破，使翻斗狀態(tài)產(chǎn)生突變，翻斗翻轉(zhuǎn)。固定在翻斗架上的干簧管受到磁激勵，便產(chǎn)生一次通斷信號，由發(fā)射裝置將產(chǎn)生的信號發(fā)送到接收系統(tǒng)。一次信號降水量為0.2 mm(即分辨率)，雨量對應(yīng)時間為北京時間，每天8:00由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動校正。

2.2 虹吸式雨量計

虹吸式雨量計可連續(xù)記錄降水量和降水時間，當降水降落到承雨器口流入漏斗進入量筒后，量筒內(nèi)的浮子將隨水位的升高上浮帶動自給筆在自記坐標紙上畫出降水過程線，當量筒內(nèi)的水位上升至10 mm時，借助虹吸管迅速將降水排除，筆尖回歸零位后重新開始記錄。該雨量器的分辨率為0.1 mm，機械鐘的日誤差不超過±5 min，在雨量站觀測降水量中本儀器因性能穩(wěn)定可靠，精度高而普遍長期使用。

3 比測資料收集及數(shù)據(jù)分析

3.1 降水量資料的收集情況

為了準確了解掌握雨量儀器的誤差，對選定的19處雨量站的雨量計，在比測試驗之前，對JDZ1翻斗式自動雨量計和虹吸式雨量計全面進行了維修調(diào)試，確定儀器運行正常后正式投入比測試驗。比測試驗期間，出現(xiàn)降水過程時，觀測人員在早上8：00對前一天降水量進行摘錄統(tǒng)計，同時在中小河流信息平臺中摘錄相應(yīng)時段的降水量。本次試驗期間共計降水日數(shù)為1 147 d，降水量在188～402.2 mm之間，累計降水量為5 736.7 mm，比測起訖時間自2016年5月30日8時至2016年10月29日20時，累積試驗時間為55 561 h，其中采集雨量數(shù)據(jù)信號正常的54 817 h，信號中斷220次、達720 h，信號中斷率為1.30%。19處雨量站掉線率最高為3.42%、最低為0.62%，分別是下巴溝站和紅旗站，其平均掉線次數(shù)為12處、平均掉線率為1.2%。在列表中，用PJ 表示JDZ1翻斗式自動雨量計記錄降水量；用P表示虹吸式雨量計記錄降水量，用Pmax表示虹吸雨量計最大日降水量，具體詳見表2。

3.2 偽數(shù)據(jù)的剔除

比測試驗期間，對虹吸式雨量計時有出現(xiàn)機械故障的情況，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計過程中，對不正常記錄的降水日量進行了剔除，剔除的降水量數(shù)據(jù)未列入對比分析數(shù)列。19處雨量站中，剔除數(shù)據(jù)的有夏河站1次、雙城站3次、多壩站1次、冶力關(guān)站2次、李家村站6次、康樂站1次、慶坪站1次、堯甸站2次、臨洮站1次、三家集站4次、紅旗站5次，共計剔除27次，累計時間648小時。另外多壩站8月份因JD1Z翻斗式自動雨量計內(nèi)置設(shè)備損壞停止運行予以除外，詳見表2。

表2 洮河、大夏河水系雨量站降水量比測試驗基本參數(shù)一覽表

表3 洮河、大夏河水系雨量站降水量對比分析誤差統(tǒng)計表 %

4 誤差分析

4.1 相對誤差分析

在兩雨量儀器誤差分析計算中，以虹吸式雨量計記錄的雨量為標準值(即真實值)與JDZ1翻斗式自動雨量計記錄的雨量值進行誤差分析計算。通過分析計算，得出JDZ1翻斗式自動雨量計平均相對誤差在5.1%～17.5%之間、系統(tǒng)誤差在2.5%～13.5%之間、累計降水量相對誤差在0.9%～11.2%之間。累計頻率達75%、95%以上的誤差不超過±3%、±5%的標準均已超出規(guī)定范圍，詳見表3。

4.2 不確定度

不確定度是指由于測量誤差的存在，對被測量值的不能肯定的程度，反過來也表明該結(jié)果的可信賴程度。它是測量結(jié)果質(zhì)量的指標。不確定度愈小，結(jié)果與被測量的真值愈接近，質(zhì)量越高，水平越高，其使用價值越高；不確定度越大，測量結(jié)果的質(zhì)量越低，水平越低，其使用價值也越低。對JDZ1翻斗式自動雨量計記錄的降水量值進行不確定度計算，運用貝塞爾公式計算不確定度，S(x)×S(x)=[(X1-q)×(X1-q)+(X2-q)×(X2-q)+…+(Xn-q)(Xn-q)]/(n-1)式中x1、x2……xn表示日降雨量值；q表示日平均降水量值；n為日降水量次數(shù)。經(jīng)過計算，得出19處JDZ1翻斗式自動雨量計的不確定度S(x)在4.825～14.710之間，詳見表4。

4.3 回歸統(tǒng)計

虹吸式雨量計記錄的雨量值與JDZ1翻斗式自動雨量計記錄的降水量值是否存在相關(guān)關(guān)系，通過相關(guān)分析計算得出以下結(jié)果：(1)Multiple R(相關(guān)系數(shù))為0.964～1.000；(2)R Square(測定系數(shù))為0.929～0.999；(3)標準誤差為0.253～1.703，平均標準誤差為0.676。由此結(jié)果所得，兩雨量儀器相關(guān)系數(shù)、測定系數(shù)均接近于1.0，充分說明二雨量儀器存在相關(guān)性，對比試驗JDZ1翻斗式自動雨量計有一定的精度。詳見表4。

表4 JDZ1翻斗式自動雨量計不確定度及回歸誤差統(tǒng)計表

5 雨量儀器使用建議

(1)應(yīng)經(jīng)常保持雨量計清潔，經(jīng)常巡查承雨量器內(nèi)是否有昆蟲、塵土、樹葉等雜物，保證水道暢通。(2)定期檢查雨量計的器身是否穩(wěn)定、器口是否水平，器內(nèi)固定螺絲有無松動或翻轉(zhuǎn)不靈活的現(xiàn)象，若發(fā)現(xiàn)不符合相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求的應(yīng)及時進行糾正。(3)雨量器要水平，圓水泡應(yīng)處于中間位置，避免碰撞雨量儀器，防止器口扭曲變形。(4)出現(xiàn)沙塵天氣時，雨量計翻斗內(nèi)可能有沉積泥沙，要定期清淤；可用干凈的脫脂毛筆刷洗，必要時可加入適量洗滌劑，然后用清水沖洗干凈。(5)在雨量計維護過程中，不允許直接用手觸摸翻斗內(nèi)壁。(6)不要隨意調(diào)整翻斗內(nèi)的螺釘，確實需要調(diào)校時，必須由熟練儀器性能的專業(yè)人員來完成。(7)雨量儀器長期不使用時，應(yīng)移至室內(nèi)或就地蓋上筒蓋。

6 結(jié)語

通過對虹吸式雨量計與JDZ1翻斗式自動雨量計記錄的降水量進行對比分析，初步對JDZ1翻斗式自動雨量計的性能和雨量誤差得出以下結(jié)論，供相關(guān)部門及科研人員參考。

(1)19處雨量站海拔高程在1 714～3 081 m之間，氣溫在-9.0℃～36.0℃之間，溫度較差為45℃，降水強度均小于4 mm/min，期間降水物均為液態(tài)。

(2)比測試驗時間為1 147 d，累計54 817 h，掉線次數(shù)為220次，掉線率為1.24%。

(3)累計降水量相對誤差為0.9%～11.2%、平均相對誤差為4.8%。

(4)系統(tǒng)誤差為2.5%～13.5%，累計頻率達75%、95%以上的誤差不超過±3%、±5%的標準均已超出范圍。

(5)JDZ1翻斗式自動雨量計的不確定度S(x)為4.825～14.710之間。

(6)二種不同型號的雨量儀器具有相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)、測定系數(shù)均接近于1，標準誤差為0.253～1.703，平均標準誤差為0.676。

(7)JDZ1翻斗式自動雨量計能完整記錄降水過程，監(jiān)測的降水量具有一定的精度，可運用到中小河流山洪預(yù)警系統(tǒng)降水信息發(fā)布，但正式作為降水量資料進行整編刊印，尚需對儀器的靈敏度做更進一步優(yōu)化調(diào)試，方能達到精度要求。

(8)19處雨量站均分布在洮河、大夏河區(qū)域，該區(qū)域?qū)儆诟珊岛桶霛駶櫟貐^(qū)，小強度降水天數(shù)所占比重大，也是造成降水量誤差大的主要原因。

[1]降水量觀測規(guī)范.水利電力出版社.1991.2.

[2]水文測驗規(guī)范.河海大學(xué)出版社.1994.4.33-92.

[3]水文測驗實用手冊.中國水利水電出版社.2013.5.400-423.

[4]孫貴萍，巨蘭香.自動傳感雨量器與虹吸式雨量計對比分析[J].東北水利水電.2014(8).

P335+.1

B

1004-1184(2017)06-0153-03

2017-08-14

張春林(1965-)，男，甘肅渭源人，高級工程師，主要從事水文水資源監(jiān)測與研究工作。