阿拉溝站水文觀測儀器應用比測分析

李樹波

（新疆維吾爾自治區吐魯番水文勘測局，新疆 吐魯番 838000）

隨著水文科技事業的發展，近年來，有一大批先進儀器投入水文測報工作中。由于區域水文差異影響，這些儀器的選擇和使用也需區別對待。為了提高水文科技水平、提高觀測精度，現以阿拉溝水文站為例，對自動儀器與人工觀測數據進行比測分析。

1 概況

阿拉溝河發源于天格爾山南側和阿拉溝山北側，河源高程4400 m，雪線高程3980 m[1]。流域地形西北高東南低，海拔高度自西向東從4400 m 降至780 m 左右；高山區降水豐沛，是阿拉溝河徑流主要形成區。徑流來源主要為冰川融水、融雪、降雨、地下水等，河流主要以降雨與地下水補給為主。阿拉溝河呈東西流向，進入托克遜縣與白楊河匯合，再向東注入艾丁湖[2]，屬于內陸河湖，地跨烏魯木齊市、巴音郭楞蒙古自治州和靜縣、吐魯番市托克遜縣。

1.1 測站基本情況

阿拉溝水文站位于吐魯番市托克遜縣阿樂惠鎮，設立于1956年11月，1997年7月測驗斷面下遷5000 m，更名為阿拉溝（二）水文站，2015年1月上遷40 m，主管機構為新疆維吾爾自治區水文局[3]。測站以上集水面積1861 km2，是區域代表站、省級重要站，觀測項目有氣溫、降雨、蒸發、流量等。阿拉溝水文站氣象場北面有山體斜坡，測站實現了電話寬帶連接及4G無線網絡覆蓋。

1.2 氣象場基本情況

阿拉溝水文站氣象場于1957年2月設立，配有人工觀測氣溫百葉箱、20 cm 口徑蒸發器和20 cm 口徑雨量筒，均為人工觀測記錄。2022年6月1日，升級改造新增20 cm口徑自動蒸發系統，配有包括1套集氣溫、風向、氣壓等傳感器于一體的自動氣象儀、1套雨量傳感器在內的一系列自動化設備。同時，根據《水面蒸發觀測規范》（SL 630-2013）要求，氣象場設定為12 m×12 m的標準場地。

2 觀測設備及觀測情況

2.1 儀器設備改造情況

依托“十四五”規劃提檔升級項目，阿拉溝水文站對站屬水文儀器進行了升級改造，引進錦州陽光自動氣象設備。其中，氣象場設備升級改造于2022年6月1日前完成，并進行了測試。

全自動氣象站由采集器、溫濕度傳感器、風向風速傳感器、氣壓傳感器、雨量傳感器、4G 無線模塊和內網模塊、20 cm 蒸發傳感器及太陽能供電系統等組成。

2.1.1 采集器

采集器控制系統主機是整套系統的神經中樞，主要負責整套系統的數據采集和邏輯處理[4]。采集器主機直接控制氣象六要素變化模塊和外設開關量主控模塊，另外還負責與服務器通信和數據交換。外設控制模塊主要負責蒸發、雨量、補水溢流系統內部的開關量模塊控制，下發開關量指令。4G 通信模塊或內網通信模塊主要功能是與服務器進行數據內傳交換。太陽能與充電控制器負責對整套系統進行供電。本站通信模塊以內網為主，4G備用。

2.1.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器用于氣溫觀測，控制系統每5 min采集1 次數據，除確保按規范要求8、12、20 時采集外，還要確保日最高、最低氣溫采集，以便掌握最高最低氣溫變化過程，便于和人工觀測數據對比。

2.1.3 雨量傳感器

雨量傳感器為0.2 mm 翻斗雨量計，其標準口徑為20 cm 口徑雨量筒。該雨量計采用雙翻斗工作模式，解決了雨量測量的精度問題，同時大雨測量精度可以達到0.2 mm。截流閥和溢流閥是截止雨水流入和雨水自動溢出的裝置，主要是配合降雨量觀測時間與主機控制系統一起工作，由控制系統主機來計算雨水蒸發量，同時上報雨量或進行其他操作。

2.1.4 蒸發傳感器

蒸發傳感器為20 cm 標準口徑蒸發稱重系統，用于稱量蒸發皿內水的重量，包括蒸發秤、蒸發秤座和蒸發秤盤。稱重傳感器將測量皿中的水重量傳送給控制系統主機，由控制主機通過水的體積和密度關系計算出水位變化高度，并進行下一步的數據報送。

2.2 觀測情況

觀測儀器經過調試后，于2022年6月3日開始正式比測。其間，人工觀測與全自動氣象系統觀測同步進行，采集7月1日—10月10日數據作對比分析。

3 比測分析

3.1 資料選取

采用2022年7月1日—10月10日共102 d 的觀測數據，從整點、最高和最低氣溫以及蒸發量、降水量方面進行對比分析。其中，由于外界因素造成蒸發量數據異常，采用人工蒸發數據進行對比，發現系統統計誤差較大。

3.2 誤差分析

3.2.1 氣溫

通過對102 d 的數據統計分析，得出常溫、最高氣溫、最低氣溫誤差結果，詳見表1。由表1可知，常溫|誤差|在0～0.2 有220 點，占總數的71.9%；|誤差|在0.3～0.5 有57 點，占總數的18.6%；|誤差|在0.6～0.8 有14 點，占總數的4.6%；|誤差|在0.9～1.1 有10點，占總數的3.3%；|誤差|在1.2 以上有5 點，占總數的1.6%。最大|誤差|為0.3。

表1 2022年7月1日—10月10日氣溫誤差統計

最高氣溫|誤差|在0～0.2 有40 d，占總數的39.2%；|誤差|在0.3～0.5 有44 d，占總數的43.2%；|誤差|在0.6～0.8 有10 d，占總數的9.8%；|誤差|在0.9～1.1 有4 d，占總數的3.9%；|誤差|在1.2 以上有4 d，占總數的3.9%。最大|誤差|為1.0。

最低氣溫|誤差|在0～0.2 有8 d，占總數的7.8%；|誤差|在0.3～0.5有11 d，占總數的10.8%；|誤差|在0.6～0.8 有35 d，占總數的34.3%；|誤差|在0.9～1.1 有25 d，占總數的24.5%；|誤差|在1.2～1.4 有9 d，占總數的8.8%；|誤差|在1.5以上的有14 d，占總數的13.8%。最大|誤差|為1.0。

通過對自動與人工觀測數據對比發現，常溫觀測|誤差|在0.2以內占比達71.9%，加上|誤差|在0.3～0.5占比18.6%，總數達到90.5%。最高氣溫自動與人工觀測數據對比發現，|誤差|在0.2以內占比達39.2%，加上|誤差|在0.3～0.5 占比43.2%，總數達到82.4%。最低氣溫自動與人工觀測數據對比發現，誤差較大且無規律，|誤差|在0.6～0.8占比為34.3%、0.9～1.1占比為24.5%，兩者合計為58.8%；其他占比不高，最大|誤差|達到4.4℃。

3.2.2 蒸發量

采用2022年6月1日—7月21日的日蒸發量數據進行對比分析，結果詳見表2。由表2可知，|誤差|≤10%占總數的6.9%，|誤差|10%～20%占總數的3.4%，|誤差|20%～30%占總數的44.8%，|誤差|30%～40%占總數的31.1%，|誤差|＞40%占總數的13.8%。日最大|誤差|為69%。

表2 2022年6月1日—7月21日蒸發量誤差統計

由表2 可知，自動與人工觀測方法在同地測量蒸發量有明顯的異常差別。通過對2022年6月1日—7月21日的日蒸發量數據對比分析發現，自動觀測所得的日累計誤差較大，需要持續對比觀測，以便進一步分析。

3.2.3 降水量

本次降水誤差分析采用注水試驗進行。按相關規范要求，注水前應注入5～10 mm清水濕潤過水部件，并檢查翻斗運轉是否靈活、信號輸出是否正常，清除翻斗存留水量后，以注入法進行試驗。采用量雨杯以1.5～2.5 mm/min 的模擬降雨強度向儀器注入清水，同時對翻斗翻轉次數進行計數，翻斗翻轉50 次立即停止注水，記錄注入水量、傳感器輸出值和歷時。分辨力為0.2 mm 的儀器每次注入水量不少于10 mm。至少進行3 次試驗，取其注入水量的平均值。

對儀器輸出值與注入水量進行比較，按下式計算儀器測量誤差：

式中：Eb為測量誤差（%）；Vm為儀器記錄水量（mm）；為注入水量的平均值（mm）。

自記雨量器測量誤差分析，詳見表3。

表3 自記雨量器測量誤差分析

由表3 可知，通過5 次注水比測分析，儀器記錄水量均為10 mm 時其注入量平均值是10.3 mm，測量誤差為-2.91%。

4 注意事項

通過對比分析發現，除了使用儀器之外，觀測管理也很重要。為保證觀測數據的準確性和穩定性，在儀器運行期間，應指定專人進行數據記錄，每月按照水文規范進行觀測數據對比，一旦發現異?，F象應及時處理或聯系廠家技術人員排查問題。在日常觀測中，要注意以下事項：觀測氣溫時，應提前進入氣象場，準時觀測，以便與自動觀測同步進行。9月28日—10月30日，整點準時觀測數據精度較高；定期檢查百葉箱是否有松動，防止氣溫表有傾斜現象；每年進行一次系統準確度校驗；定期清洗20 cm 口徑蒸發皿，建議早上8時以后清洗，避開下雨和整點時段，清洗前先關閉系統總電開關和蒸發桶內的閥門；定期檢查雨量承雨口，承雨口內應保持清潔，避免沙塵與雜物堵塞承雨口。

5 結語

水文新儀器的使用可以提高時效、減輕人力。通過對阿拉溝水文站氣溫、蒸發、降水自動與人工觀測數據比測發現，其誤差在可控范圍內，只要加強管理和設備維護，注意觀測事項，完全可以滿足水文觀測需求。