JDZ-1 型翻斗式雨量計(jì)在烏倫古湖流域應(yīng)用的比測(cè)分析

古米娜·哈木斯別克

（阿勒泰水文勘測(cè)局，新疆 阿勒泰 836500）

1 問題的提出

烏倫古河流域在新疆阿勒泰區(qū)域境內(nèi)，由大青格里河、查干郭勒河、強(qiáng)罕河、布爾根河等匯聚而成，最后流入烏倫古湖，烏倫古河流域國(guó)內(nèi)部分長(zhǎng)649 km，面積2.698 萬km2。流域呈典型的干旱區(qū)氣候特征，遠(yuǎn)離海洋，冬季寒冷干燥，降水多以積雪形式存在于流域內(nèi)，夏季冰雪消融，春汛爆發(fā)，凍土層以下地下水得到補(bǔ)給，流域內(nèi)水量較為穩(wěn)定。烏倫古河流域內(nèi)二臺(tái)水文站設(shè)立于上世紀(jì)五十年代中期，位于阿勒泰地區(qū)青河縣薩爾托海鄉(xiāng)境內(nèi)烏倫古河流域上游，海拔1420 m，是烏倫古河流域水系區(qū)域性代表站，屬于國(guó)家基本水文站。該測(cè)站主要進(jìn)行水位、流量、降水、泥沙、氣溫、蒸發(fā)、水質(zhì)、水溫等項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)，同時(shí)為青河、富蘊(yùn)、福海三縣農(nóng)業(yè)灌溉及防汛抗旱提供必需的水情資料。JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)安裝在原雨量觀測(cè)場(chǎng)以內(nèi)，并與自記雨量計(jì)、人工雨量計(jì)成斜三角型式擺放。雨量計(jì)設(shè)置及測(cè)站觀測(cè)場(chǎng)地均符合《降水量觀測(cè)規(guī)范》（SL 21-2006）的基本要求。

降雨量是水循環(huán)過程中重要的水文資料，降雨量資料在水文氣象、水利、農(nóng)業(yè)灌溉、水庫(kù)工程運(yùn)行管理等方面發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的虹吸式日記型自記雨量計(jì)作為降雨量自動(dòng)測(cè)量?jī)x器，存在降雨量向可供處理的電信號(hào)轉(zhuǎn)換方面的缺陷[1]，所以，在進(jìn)行基于降雨情況的洪水分析預(yù)報(bào)過程中，預(yù)報(bào)人員可能無法及時(shí)了解降雨實(shí)際情況、降雨時(shí)程分布等，從而使洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期和準(zhǔn)確率無法保證，如果能有效實(shí)現(xiàn)降雨量信號(hào)的傳輸，則上述問題將得到根本性解決。JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)由南京水利水文自動(dòng)化研究院生產(chǎn)，在雨量傳感器上配備雨量固態(tài)存儲(chǔ)器及通信設(shè)備之后，便可實(shí)現(xiàn)降雨資料無人工干預(yù)的自動(dòng)收集、處理與傳輸。JDZO2-1 型翻斗式雨量?jī)x包括承雨器組件與計(jì)量組件部分，前者主要用于采集、承接降雨，后者則用于計(jì)量降雨量。在具體計(jì)量過程中，承雨口所承接的降雨經(jīng)漏嘴匯聚于漏斗，再通過滴嘴滴落在上翻斗內(nèi)，一旦翻斗內(nèi)所匯集的雨量多達(dá)6.3822 mL 時(shí)翻斗就會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在其翻轉(zhuǎn)的同時(shí)磁鋼無限靠近干簧管，在其磁場(chǎng)的作用下，干簧管的簧片分別發(fā)生磁化，此后不斷的開關(guān)閉合的過程中，電路導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)每0.2 mm 單元雨量的轉(zhuǎn)換與信號(hào)的輸出。與此同時(shí)，原翻斗組件內(nèi)的下斗上升轉(zhuǎn)換為上斗，而后不斷重復(fù)上述過程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)降雨量的連續(xù)循環(huán)計(jì)量[2]。

2 資料的選用

烏倫古河流域地處內(nèi)陸，來自大西洋氣流的水汽經(jīng)過遠(yuǎn)距離輸送已經(jīng)大量減少，但仍然是烏倫古河流域主要的水分來源，此外，北冰洋的干冷氣流越過阿爾泰山進(jìn)入該流域，其水分含量?jī)H為大西洋氣流的1/3 左右，對(duì)降水影響較小。在阿爾泰山地形梯度變化的作用下，隨流域高程的升高，降水不斷增大，山區(qū)降水量明顯高于平原。流域緊鄰阿爾泰山的區(qū)域降水明顯豐富，越靠近準(zhǔn)格爾盆地降水越稀少，從統(tǒng)計(jì)資料可以看出，烏倫古河流域降水量明顯少于群庫(kù)勒、阿勒泰和富蘊(yùn)站。流域降水年內(nèi)分配表現(xiàn)為春秋季少、夏季多，年內(nèi)期內(nèi)分配極不均勻，汛期降水量明顯大于枯水期，數(shù)據(jù)見表1。選取2018 年汛期（5月15 日～8 月30 日）烏倫古河流域二臺(tái)水文站的觀測(cè)資料，根據(jù)《降水量觀測(cè)規(guī)范》（SL 21-2006）的規(guī)定，所采集的日?qǐng)?bào)表遙測(cè)顯示值和人工報(bào)汛值中只要有一個(gè)≥0.2 mm，則必須進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 二臺(tái)水文站降雨量觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)

3 JDZ-1 型翻斗式雨量計(jì)比測(cè)誤差及原因分析

3.1 比測(cè)誤差分析

按照《降水量觀測(cè)規(guī)范》（SL 21-2006）相關(guān)規(guī)定，真值設(shè)為人工報(bào)汛值，并以遙測(cè)顯示值為儀器所記錄水量值，則日雨量資料的合格率可以用相對(duì)誤差進(jìn)行評(píng)價(jià)，公式如下：

式中：δ 為相對(duì)誤差，|δ|≤4%為合格；Wt為遙測(cè)顯示值；Wd為人工報(bào)汛值。

二臺(tái)水文站所獲取的有效樣本數(shù)55 個(gè)，相對(duì)誤差|δ|≤4%范圍內(nèi)的樣本共有34 個(gè)，合格率63.72%，異常樣本較多，相對(duì)誤差多為負(fù)值，具體見表2。

續(xù)表2

3.1.1 日降水量誤差分析

按照《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)范》（SL 61-2003）所要求的雨量傳感器允許誤差，不足10 mm 的JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)與排水量絕對(duì)誤差在±0.2 mm 以內(nèi)，而超過10 mm 的JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)與排水量的相對(duì)誤差在4%范圍內(nèi)。可見，二臺(tái)水文站6 月10 日、7 月13 日雨量均超出規(guī)范范圍，而且JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)觀測(cè)量大于人工觀測(cè)，引起這種誤差的原因主要在于人工分段觀測(cè)量取時(shí)集水瓶?jī)?nèi)尚有雨量存余等。而引起日降雨量人工觀測(cè)與JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)存在0.1 mm 誤差的原因，一是人工量取時(shí)觀察與讀數(shù)引起，二是降雨量尾數(shù)為奇數(shù)，但由于JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)精度為0.2 mm，且其總量尾數(shù)始終為偶數(shù)，所以0.1 mm 降水JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)并無記錄。

3.1.2 時(shí)段總降水量誤差分析

二臺(tái)水文站5 月15 日～8 月30 日汛期總降水量JDZO2-1型翻斗式雨量計(jì)顯示226.3 mm，自記雨量?jī)x顯示221.9 mm，人工觀測(cè)219.7 mm。JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)比自記雨量計(jì)多4.4 mm，相對(duì)誤差2.7%，由以上分析可以看出，自記雨量?jī)x由于系統(tǒng)偏小、儀器故障等原因而導(dǎo)致其雨量偏小，其雨量與JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)的相對(duì)誤差主要是由自記雨量計(jì)自身原因所致。JDZO2-1 型翻斗式雨量?jī)x計(jì)人工觀測(cè)多出6.6 mm，相對(duì)誤差2.9%，從總量上考察，JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)符合《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)范》（SL 61-2003）對(duì)雨量傳感器所允許誤差的相關(guān)規(guī)定。

3.2 誤差原因

3.2.1 JDZO2- 1 型翻斗式雨量計(jì)的適用性

按照《降水量觀測(cè)規(guī)范》（SL 21-2006）的相關(guān)規(guī)定，降雨區(qū)域分布控制性雨量站的降雨量至少0.1 mm，但對(duì)于降水強(qiáng)度觀測(cè)的相關(guān)規(guī)定和要求僅有：對(duì)于僅通過雨量器觀測(cè)的測(cè)站，在暴雨過程中，可以根據(jù)降水強(qiáng)度的變化適當(dāng)增加觀測(cè)次數(shù)，并在觀測(cè)記載簿中記錄加測(cè)降雨的起訖時(shí)間及所對(duì)應(yīng)的降雨量。當(dāng)前，二臺(tái)水文站所使用的任務(wù)書并無雨日統(tǒng)計(jì)和強(qiáng)度的具體規(guī)定，如果新任務(wù)書提出具體要求，則JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)精度將無法達(dá)到要求。

3.2.2 特殊情況分析

JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)分辨率僅為0.2 mm，如果降雨量＞0.2 mm 且尾數(shù)為偶數(shù)，則雨量計(jì)可以完整而正常的計(jì)量，不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)遺漏和丟失現(xiàn)象。但當(dāng)尾數(shù)為奇數(shù)時(shí)，可能漏記或丟失0.1 mm。究其原因，可能是0.1 mm 降雨翻斗沒翻，也可能是兩次降雨時(shí)間間隔較長(zhǎng)，期間0.1 mm 降雨蒸發(fā)所致。JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)采集降雨量后需經(jīng)傳輸、存儲(chǔ)、顯示等環(huán)節(jié)進(jìn)而生成遙測(cè)值，結(jié)合系統(tǒng)維護(hù)記錄可知，二臺(tái)水文站雨量計(jì)在1 a 內(nèi)并未出現(xiàn)過故障，性能穩(wěn)定。但是2017 年汛前檢查過程中發(fā)現(xiàn)，二臺(tái)水文站JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)圓水準(zhǔn)氣泡存在嚴(yán)重偏離，必將造成翻斗式轉(zhuǎn)基點(diǎn)的偏離和計(jì)量誤差的增加。通過進(jìn)一步核算異常值發(fā)現(xiàn)，遙測(cè)值和人工報(bào)汛值之間并未產(chǎn)生較大差異，而只是由于JDZO2-1 型翻斗式雨量存儲(chǔ)以每隔5 min 進(jìn)行一次摘錄，而自記雨量計(jì)由人工分段摘錄，存在時(shí)間上的不對(duì)應(yīng)。

3.2.3 有雨無記錄的情況

二臺(tái)水文站JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)在2018 年5 月15 日～8 月30 日期間共出現(xiàn)四次有雨而無記錄的情況，自記雨量計(jì)5 月15 日16：16～16：34 有0.1 mm 的降雨，6 月14 日12：12～12：30 有0.1 mm 的降雨，7 月18 日10：10～10：40 有0.1 mm 降雨，8 月25 日22：33～22：45 有0.1 mm 降雨，但JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)并無這四次降水記錄。綜合比較可以發(fā)現(xiàn)，有雨而無記錄的情況通常都是出現(xiàn)在降雨量＜0.2 mm的情況，降雨量不大，降水歷時(shí)較長(zhǎng)，翻斗并不翻動(dòng)，所以儀器并無記錄。而當(dāng)這樣的降雨并非一天內(nèi)最末一次降雨時(shí)，這次的0.1 mm 就會(huì)累計(jì)計(jì)入下一次降雨，雨量并未損失。但是當(dāng)這樣的降雨是一天內(nèi)最末次降雨且下次降雨間隔較長(zhǎng)，則這次的0.1 mm 降雨就會(huì)因蒸發(fā)而損失。

3.2.4 無雨有記錄的情況

二臺(tái)水文站8 月17 日9：15JDZO2-1 型翻斗式雨量?jī)x有0.2 mm 的雨量記錄，但自記雨量計(jì)和人工雨量計(jì)均無這一記錄，造成這一現(xiàn)象的原因一是翻斗因人為或自然震動(dòng)而翻動(dòng)，二是由于前次降雨不足0.2 mm 而累積到本次JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)內(nèi)雨量達(dá)到0.2 mm，所以便出現(xiàn)自記雨量計(jì)和人工觀測(cè)沒有記錄的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)與自記雨量計(jì)和人工觀測(cè)的分析可以看出，自記雨量計(jì)由于存在系統(tǒng)偏小和儀器故障等原因可能導(dǎo)致其雨量觀測(cè)總量偏小。JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)采集雨量數(shù)據(jù)及時(shí)、性能穩(wěn)定、信號(hào)傳輸靈敏，能有效彌補(bǔ)自記雨量計(jì)的缺陷，便于洪水分析預(yù)報(bào)及雨量傳輸。雨量傳感器計(jì)量結(jié)果經(jīng)處理后形成監(jiān)測(cè)值，其中任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將導(dǎo)致遙測(cè)值異常，這種異常并非雨量傳感器計(jì)量錯(cuò)誤而致，應(yīng)從異常值分析中發(fā)掘原因。本文通過對(duì)比二臺(tái)水文站1a 的遙測(cè)值與人工報(bào)汛值發(fā)現(xiàn)，JDZO2-1 型翻斗式雨量計(jì)傳感器實(shí)際應(yīng)用效果較好，測(cè)量誤差完全符合《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)范》（SL 61-2003）對(duì)雨量傳感器的誤差要求。