JDZ-1 型翻斗式雨量計在烏倫古湖流域應用的比測分析

古米娜·哈木斯別克

（阿勒泰水文勘測局，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域境內，由大青格里河、查干郭勒河、強罕河、布爾根河等匯聚而成，最后流入烏倫古湖，烏倫古河流域國內部分長649 km，面積2.698 萬km2。流域呈典型的干旱區氣候特征，遠離海洋，冬季寒冷干燥，降水多以積雪形式存在于流域內，夏季冰雪消融，春汛爆發，凍土層以下地下水得到補給，流域內水量較為穩定。烏倫古河流域內二臺水文站設立于上世紀五十年代中期，位于阿勒泰地區青河縣薩爾托海鄉境內烏倫古河流域上游，海拔1420 m，是烏倫古河流域水系區域性代表站，屬于國家基本水文站。該測站主要進行水位、流量、降水、泥沙、氣溫、蒸發、水質、水溫等項目的監測，同時為青河、富蘊、福海三縣農業灌溉及防汛抗旱提供必需的水情資料。JDZO2-1 型翻斗式雨量計安裝在原雨量觀測場以內，并與自記雨量計、人工雨量計成斜三角型式擺放。雨量計設置及測站觀測場地均符合《降水量觀測規范》（SL 21-2006）的基本要求。

降雨量是水循環過程中重要的水文資料，降雨量資料在水文氣象、水利、農業灌溉、水庫工程運行管理等方面發揮著重要作用。傳統的虹吸式日記型自記雨量計作為降雨量自動測量儀器，存在降雨量向可供處理的電信號轉換方面的缺陷[1]，所以，在進行基于降雨情況的洪水分析預報過程中，預報人員可能無法及時了解降雨實際情況、降雨時程分布等，從而使洪水預報的預見期和準確率無法保證，如果能有效實現降雨量信號的傳輸，則上述問題將得到根本性解決。JDZO2-1 型翻斗式雨量計由南京水利水文自動化研究院生產，在雨量傳感器上配備雨量固態存儲器及通信設備之后，便可實現降雨資料無人工干預的自動收集、處理與傳輸。JDZO2-1 型翻斗式雨量儀包括承雨器組件與計量組件部分，前者主要用于采集、承接降雨，后者則用于計量降雨量。在具體計量過程中，承雨口所承接的降雨經漏嘴匯聚于漏斗，再通過滴嘴滴落在上翻斗內，一旦翻斗內所匯集的雨量多達6.3822 mL 時翻斗就會發生翻轉，在其翻轉的同時磁鋼無限靠近干簧管，在其磁場的作用下，干簧管的簧片分別發生磁化，此后不斷的開關閉合的過程中，電路導通，從而實現每0.2 mm 單元雨量的轉換與信號的輸出。與此同時，原翻斗組件內的下斗上升轉換為上斗，而后不斷重復上述過程，從而實現對降雨量的連續循環計量[2]。

2 資料的選用

烏倫古河流域地處內陸，來自大西洋氣流的水汽經過遠距離輸送已經大量減少，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入該流域，其水分含量僅為大西洋氣流的1/3 左右，對降水影響較小。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，山區降水量明顯高于平原。流域緊鄰阿爾泰山的區域降水明顯豐富，越靠近準格爾盆地降水越稀少，從統計資料可以看出，烏倫古河流域降水量明顯少于群庫勒、阿勒泰和富蘊站。流域降水年內分配表現為春秋季少、夏季多，年內期內分配極不均勻，汛期降水量明顯大于枯水期，數據見表1。選取2018 年汛期（5月15 日～8 月30 日）烏倫古河流域二臺水文站的觀測資料，根據《降水量觀測規范》（SL 21-2006）的規定，所采集的日報表遙測顯示值和人工報汛值中只要有一個≥0.2 mm，則必須進行對比分析。

表1 二臺水文站降雨量觀測資料統計

3 JDZ-1 型翻斗式雨量計比測誤差及原因分析

3.1 比測誤差分析

按照《降水量觀測規范》（SL 21-2006）相關規定，真值設為人工報汛值，并以遙測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誤差進行評價，公式如下：

式中：δ 為相對誤差，|δ|≤4%為合格；Wt為遙測顯示值；Wd為人工報汛值。

二臺水文站所獲取的有效樣本數55 個，相對誤差|δ|≤4%范圍內的樣本共有34 個，合格率63.72%，異常樣本較多，相對誤差多為負值，具體見表2。

續表2

3.1.1 日降水量誤差分析

按照《水文自動測報系統規范》（SL 61-2003）所要求的雨量傳感器允許誤差，不足10 mm 的JDZO2-1 型翻斗式雨量計與排水量絕對誤差在±0.2 mm 以內，而超過10 mm 的JDZO2-1 型翻斗式雨量計與排水量的相對誤差在4%范圍內。可見，二臺水文站6 月10 日、7 月13 日雨量均超出規范范圍，而且JDZO2-1 型翻斗式雨量計觀測量大于人工觀測，引起這種誤差的原因主要在于人工分段觀測量取時集水瓶內尚有雨量存余等。而引起日降雨量人工觀測與JDZO2-1 型翻斗式雨量計存在0.1 mm 誤差的原因，一是人工量取時觀察與讀數引起，二是降雨量尾數為奇數，但由于JDZO2-1 型翻斗式雨量計精度為0.2 mm，且其總量尾數始終為偶數，所以0.1 mm 降水JDZO2-1 型翻斗式雨量計并無記錄。

3.1.2 時段總降水量誤差分析

二臺水文站5 月15 日～8 月30 日汛期總降水量JDZO2-1型翻斗式雨量計顯示226.3 mm，自記雨量儀顯示221.9 mm，人工觀測219.7 mm。JDZO2-1 型翻斗式雨量計比自記雨量計多4.4 mm，相對誤差2.7%，由以上分析可以看出，自記雨量儀由于系統偏小、儀器故障等原因而導致其雨量偏小，其雨量與JDZO2-1 型翻斗式雨量計的相對誤差主要是由自記雨量計自身原因所致。JDZO2-1 型翻斗式雨量儀計人工觀測多出6.6 mm，相對誤差2.9%，從總量上考察，JDZO2-1 型翻斗式雨量計符合《水文自動測報系統規范》（SL 61-2003）對雨量傳感器所允許誤差的相關規定。

3.2 誤差原因

3.2.1 JDZO2- 1 型翻斗式雨量計的適用性

按照《降水量觀測規范》（SL 21-2006）的相關規定，降雨區域分布控制性雨量站的降雨量至少0.1 mm，但對于降水強度觀測的相關規定和要求僅有：對于僅通過雨量器觀測的測站，在暴雨過程中，可以根據降水強度的變化適當增加觀測次數，并在觀測記載簿中記錄加測降雨的起訖時間及所對應的降雨量。當前，二臺水文站所使用的任務書并無雨日統計和強度的具體規定，如果新任務書提出具體要求，則JDZO2-1 型翻斗式雨量計精度將無法達到要求。

3.2.2 特殊情況分析

JDZO2-1 型翻斗式雨量計分辨率僅為0.2 mm，如果降雨量＞0.2 mm 且尾數為偶數，則雨量計可以完整而正常的計量，不會發生數據遺漏和丟失現象。但當尾數為奇數時，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間間隔較長，期間0.1 mm 降雨蒸發所致。JDZO2-1 型翻斗式雨量計采集降雨量后需經傳輸、存儲、顯示等環節進而生成遙測值，結合系統維護記錄可知，二臺水文站雨量計在1 a 內并未出現過故障，性能穩定。但是2017 年汛前檢查過程中發現，二臺水文站JDZO2-1 型翻斗式雨量計圓水準氣泡存在嚴重偏離，必將造成翻斗式轉基點的偏離和計量誤差的增加。通過進一步核算異常值發現，遙測值和人工報汛值之間并未產生較大差異，而只是由于JDZO2-1 型翻斗式雨量存儲以每隔5 min 進行一次摘錄，而自記雨量計由人工分段摘錄，存在時間上的不對應。

3.2.3 有雨無記錄的情況

二臺水文站JDZO2-1 型翻斗式雨量計在2018 年5 月15 日～8 月30 日期間共出現四次有雨而無記錄的情況，自記雨量計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 型翻斗式雨量計并無這四次降水記錄。綜合比較可以發現，有雨而無記錄的情況通常都是出現在降雨量＜0.2 mm的情況，降雨量不大，降水歷時較長，翻斗并不翻動，所以儀器并無記錄。而當這樣的降雨并非一天內最末一次降雨時，這次的0.1 mm 就會累計計入下一次降雨，雨量并未損失。但是當這樣的降雨是一天內最末次降雨且下次降雨間隔較長，則這次的0.1 mm 降雨就會因蒸發而損失。

3.2.4 無雨有記錄的情況

二臺水文站8 月17 日9：15JDZO2-1 型翻斗式雨量儀有0.2 mm 的雨量記錄，但自記雨量計和人工雨量計均無這一記錄，造成這一現象的原因一是翻斗因人為或自然震動而翻動，二是由于前次降雨不足0.2 mm 而累積到本次JDZO2-1 型翻斗式雨量計內雨量達到0.2 mm，所以便出現自記雨量計和人工觀測沒有記錄的現象。

4 結論

通過JDZO2-1 型翻斗式雨量計與自記雨量計和人工觀測的分析可以看出，自記雨量計由于存在系統偏小和儀器故障等原因可能導致其雨量觀測總量偏小。JDZO2-1 型翻斗式雨量計采集雨量數據及時、性能穩定、信號傳輸靈敏，能有效彌補自記雨量計的缺陷，便于洪水分析預報及雨量傳輸。雨量傳感器計量結果經處理后形成監測值，其中任何環節出現問題都將導致遙測值異常，這種異常并非雨量傳感器計量錯誤而致，應從異常值分析中發掘原因。本文通過對比二臺水文站1a 的遙測值與人工報汛值發現，JDZO2-1 型翻斗式雨量計傳感器實際應用效果較好，測量誤差完全符合《水文自動測報系統規范》（SL 61-2003）對雨量傳感器的誤差要求。