融雪式雨量計在水文測驗中的應用

徐 健

（昌吉水文勘測局，新疆 昌吉 831100）

0 引言

洪澇災害是全球最頻繁的自然災害之一，一旦發(fā)生將給人民群眾造成重大的生命財產損失。根據(jù)聯(lián)合國的相關研究機構調查結果，全球洪災比例占所有自然災害的一半，尤其是在亞洲地區(qū)，更是接近70%。水文監(jiān)測預報系統(tǒng)是洪澇災害預警的基礎，自動的水文預報裝置能為地區(qū)防汛部門提供基礎數(shù)據(jù)及支撐依據(jù)，在應對洪澇災害、水資源調度、搶險救災時，才能做到及時決策。精確的區(qū)域(流域)面雨量值，對水文預報、洪澇災害預警、天氣預報等都有著重要的意義。水文站觀測站是提供水文氣象的主要設施，水文預報的準確性取決于流域水文模型的精確程度與實時流域面雨量值的準確性[1～3]。目前國內采用的流域水文模型經(jīng)過多年運行與驗證，基本可保證預測的精確性；獲取精確流域面雨量最直接的方法就是布設極高密度的雨量監(jiān)測站網(wǎng)，傳統(tǒng)雨量監(jiān)測設備多采用人工觀測、翻斗式雨量計、虹吸式雨量計等,自動化程度不高，耗時費工。JEZ02 融雪式雨量計可準確估測降雨量、進行中小尺度的數(shù)值降雨預報和對惡劣氣象條件下的降雨量進行定量探測，自動化水平高，減少人工測量的工作量，在洪水災害預警中越來越具有應用優(yōu)勢[4～10]。

1 五圣宮站概況

本文選擇白楊河五圣宮水文站作為儀器觀測可靠性的試點水文站，該站于1980 年5 月由新疆水利廳昌吉州水電局設站，站址位于新疆吉木薩爾縣泉子街鎮(zhèn)公圣村，現(xiàn)測驗斷面以上集水面積172 km2，屬國家基本三類水文站。氣象場建在測驗河段左岸土梁上，海撥高度1347 m，面積為6 m×6 m，四周地勢相對開闊，無遮擋物，區(qū)域代表性較好。

2 JEZ02 融雪式雨量計工作原理

為盡快實現(xiàn)水文工作自動化、信息化，采用JEZ02 型雨雪量計用于觀測自然界降水（雨、雪）量，同時將一定的降水量轉換為相關信息量輸出，以滿足信息傳輸、處理、記錄和顯示的需要。該型號雨量計的結構見圖1，主要由8 部分組成，核心部件為控制單元和翻斗部件。

圖1 結構特征與工作原理

JEZ 系列雨雪量計是在JDZ 系列雨量傳感器的基礎上，增加以下各功能部件：（1）加熱膜；（2）溫度傳感器及其控制器件；（3）阻燃型隔熱保溫材料等組成。加熱控制部分置于一防水盒內，安裝于筒側（該部分稱之為控制單元），雨（雪）量筒采用雙層結構，內、外層間置保溫材料。工作環(huán)境溫度較高時，產品與常規(guī)翻斗式雨量傳感器工作方式無異。內層筒的內壁安裝有加熱膜A（以下稱之為環(huán)境加熱膜），該加熱膜用于使筒內環(huán)境溫度始終保持在預設的范圍內，以確保水流通暢，無冰凍阻塞。

承水器底部安裝有加熱膜B（以下稱之為融雪加熱膜），該加熱膜用于融化承水器內的積雪；通過雨雪感應器感應外部雨雪情況。融雪加熱膜采用區(qū)間加熱工作方式，這樣既可確保正常融雪，又不致形成“干燒”或降雪強度較小時“瞬間蒸發(fā)”的現(xiàn)象。

降雨（雪）由承水器匯集后，流經(jīng)翻斗部件，使翻斗產生翻轉動作。翻斗每翻轉一次，翻斗部件發(fā)出一個通斷脈沖。據(jù)此，就可以測得降雨（雪）量大小。

3 JEZ02 型融雪式雨量計與人工觀測的對比分析

為了保證JEZ02 型融雪式雨量計在五圣宮水文站應用中的準確性，對人工觀測與JEZ02 型雨雪量計觀測進行對比，驗證儀器觀測的精度，默認人工觀測的準確性最高。通過對比分析氣溫資料序列的差異，建立相關關系來比較儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)的質量。

3.1 比測方法

人工觀測與JEZ02 型雨雪量計同時對比觀測，觀測時間為2019 年7 月21 日～10 月15 日。人工觀測降水天數(shù)24 日，自動氣象站測得降水天數(shù)24 日。觀測嚴格按規(guī)范執(zhí)行，數(shù)據(jù)準確、可靠。

3.2 比測成果分析

3.2.1 注水試驗

JEZ02 型雨雪量計于2019 年7 月18 日做注水試驗：為模擬每分鐘4 mm 的降水強度下JEZ02 型雨雪量的測試精度，首先量取10 mm 的清水，在2.5 分鐘中全部注入完成。此時，雨雪量計計顯示的降水量為9. 8 mm，與實際降水量誤差為0.2 mm。該誤差不超過降水觀測允許誤差值±0.4 mm，因此，JEZ02 型雨雪量計精度可滿足要求。

3.2.2 對比分析

為分析JEZ02 型雨雪量計與人工觀測結果的相關性，采用方法為：人工觀測降水天數(shù)24 日，總降水量為100.1 mm；JEZ02 型雨雪量計測得降水天數(shù)24 日，總降水量為99.6 mm，兩者的絕對誤差為0.5 mm。經(jīng)分析造成誤差的原因主要是外部環(huán)境變化所造成的影響，人工觀測與JEZ02 型雨雪量計觀測結果見表1。

通過分析JEZ02 型雨雪量計測得的降水數(shù)據(jù)和人工同步觀測的降水數(shù)據(jù)系列建立相關關系，通過相關分析，降水數(shù)據(jù)成一帶狀，呈線性關系，相關性很好，人工觀測結果與JEZ02 型雨雪量計關系滿足Y=1.0014X+0.015（R2=0.9996），見圖2。

表1 五圣宮站JEZ02 型雨雪量計與人工觀測降水量

圖2 五圣宮站JEZ02 型雨雪量計與人工觀測降水量相關圖

經(jīng)過相關關系公式率定后，JEZ02 型雨雪量計觀測的同時段降水量為100.1 mm，誤差為0.0 mm，滿足《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)范要求，相關關系公式合理，可作為本站JEZ02 型雨雪量計降水量訂正使用。

4 結論與建議

4.1 結論

本文以人工觀測的數(shù)據(jù)為真實數(shù)據(jù)對照組，對比分析JEZ02 型雨量計觀測數(shù)據(jù)的可靠性，研究結果表明：人工觀測與JEZ02 型雨雪量計觀測的降水數(shù)據(jù)相關關系很好，兩者滿足Y=1.0014X+0.015（R2=0.9996），經(jīng)相關關系公式訂正后的JEZ02 型雨雪量計觀測的降水量與人工觀測降水量誤差為0.0 mm,滿足《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)范要求，相關關系公式合理，可作為本站JEZ02 型雨雪量計降水量訂正使用。

JEZ02 型雨雪量計安裝、調試準確，且保證電源充足，在設備不發(fā)生故障和無特殊天氣的情況下與人工觀測降水數(shù)據(jù)非常接近，絕對誤差小，可以替代人工觀測雨量在站使用，提高水文站觀測自動化水平。

4.2 建議

JEZ02 型雨雪量計與人工觀測降水數(shù)據(jù)非常接近，絕對誤差小，可以替代人工觀測雨量在站使用。同時，冬季降雪或特殊天氣情況下還需采用人工觀測，對JEZ02 型雨雪量計每年進行注水試驗，根據(jù)天氣情況，不定期進行校檢，校檢記錄應符合要求，發(fā)現(xiàn)問題及時校正，保證資料的準確性、連續(xù)性。