，，

(甘肅省臨洮水文水資源勘測(cè)局，甘肅 臨洮 730500)

JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)雨量誤差對(duì)比試驗(yàn)研究

張春林，王漢卿，馬龍劍

(甘肅省臨洮水文水資源勘測(cè)局，甘肅 臨洮 730500)

近年來(lái),國(guó)家相繼投資在甘肅省建成了中小河流山洪預(yù)警預(yù)報(bào)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(dòng)雨量計(jì)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(jí)支流洮河、大夏河具有代表性的19個(gè)自動(dòng)雨量站采集的雨量數(shù)據(jù)與虹吸式雨量計(jì)記錄的降水量資料進(jìn)行對(duì)比分析，探求自動(dòng)雨量計(jì)產(chǎn)生誤差的原因及解決辦法。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)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(jì)；虹吸式雨量計(jì)；誤差分析

全面準(zhǔn)確掌握流域降水量和暴雨時(shí)空變化的過(guò)程及規(guī)律，對(duì)預(yù)測(cè)領(lǐng)域來(lái)水量、搞好水量調(diào)度、服務(wù)當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防汛抗旱減災(zāi)及經(jīng)濟(jì)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(cè)項(xiàng)目，正是為滿(mǎn)足這方面需要應(yīng)運(yùn)而生的新生事物，其運(yùn)行狀況尤為重要。甘肅省臨洮水文水資源勘測(cè)局管轄洮河、大夏河兩個(gè)流域，集水面積為3.18萬(wàn) km2，中小河流山洪預(yù)警系統(tǒng)中共建有自動(dòng)雨量站70處，對(duì)建成的自動(dòng)雨量計(jì)經(jīng)過(guò)檢修調(diào)試后正常運(yùn)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(cè)試驗(yàn)條件的雨量站，用虹吸式雨量計(jì)與JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)同時(shí)進(jìn)行對(duì)比觀(guān)測(cè)，積累比測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出誤差結(jié)論。其目的一是通過(guò)比測(cè)來(lái)判斷JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)是否滿(mǎn)足山洪預(yù)警精度的要求；二是驗(yàn)證該儀器在野外環(huán)境條件下，應(yīng)對(duì)高溫、寒冷、陰濕、雷電、大風(fēng)、強(qiáng)暴雨等惡劣天氣時(shí)儀器的穩(wěn)定性及技術(shù)參數(shù)；三是通過(guò)大量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，判定JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)是否滿(mǎn)足《降水量觀(guān)測(cè)規(guī)范》規(guī)定的誤差標(biāo)準(zhǔn)，能否作為正式降水資料進(jìn)行整編刊印。

1 比測(cè)試驗(yàn)雨量站點(diǎn)的選定

本次比測(cè)試驗(yàn)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(cè)試驗(yàn)站點(diǎn)占總站點(diǎn)數(shù)的27%。站點(diǎn)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(cè)試驗(yàn)期間氣溫在-9.0～36.0之間變化，洮河、大夏河水系雨量站點(diǎn)布設(shè)基本情況，詳見(jiàn)表1。

表1 洮河、大夏河水系降水量比測(cè)試驗(yàn)雨量站點(diǎn)分布情況

2 雨量?jī)x器性能及技術(shù)參數(shù)

2.1 JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)

JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)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(jì)量作用。翻斗分為左右兩個(gè)斗室，其重心位置處于翻斗軸的上方，形成一個(gè)非穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。翻斗下方有兩個(gè)調(diào)斗螺釘左右各一個(gè)，可用來(lái)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(qiáng)度測(cè)量范圍≦4 mm/min,翻斗計(jì)量誤差E,∣E∣≦4%,接點(diǎn)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(shí)，進(jìn)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(dāng)翻斗居上的一側(cè)斗室積累到一定水量時(shí)，由翻斗自重、漏斗內(nèi)水量的重量、支承力、轉(zhuǎn)動(dòng)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(lì)，便產(chǎn)生一次通斷信號(hào)，由發(fā)射裝置將產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)送到接收系統(tǒng)。一次信號(hào)降水量為0.2 mm(即分辨率)，雨量對(duì)應(yīng)時(shí)間為北京時(shí)間，每天8:00由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動(dòng)校正。

2.2 虹吸式雨量計(jì)

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

3 比測(cè)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(zhǔn)確了解掌握雨量?jī)x器的誤差，對(duì)選定的19處雨量站的雨量計(jì)，在比測(cè)試驗(yàn)之前，對(duì)JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)和虹吸式雨量計(jì)全面進(jìn)行了維修調(diào)試，確定儀器運(yùn)行正常后正式投入比測(cè)試驗(yàn)。比測(cè)試驗(yàn)期間，出現(xiàn)降水過(guò)程時(shí)，觀(guān)測(cè)人員在早上8：00對(duì)前一天降水量進(jìn)行摘錄統(tǒng)計(jì)，同時(shí)在中小河流信息平臺(tái)中摘錄相應(yīng)時(shí)段的降水量。本次試驗(yàn)期間共計(jì)降水日數(shù)為1 147 d，降水量在188～402.2 mm之間，累計(jì)降水量為5 736.7 mm，比測(cè)起訖時(shí)間自2016年5月30日8時(shí)至2016年10月29日20時(shí)，累積試驗(yàn)時(shí)間為55 561 h，其中采集雨量數(shù)據(jù)信號(hào)正常的54 817 h，信號(hào)中斷220次、達(dá)720 h，信號(hào)中斷率為1.30%。19處雨量站掉線(xiàn)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(xiàn)次數(shù)為12處、平均掉線(xiàn)率為1.2%。在列表中，用PJ 表示JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)記錄降水量；用P表示虹吸式雨量計(jì)記錄降水量，用Pmax表示虹吸雨量計(jì)最大日降水量，具體詳見(jiàn)表2。

3.2 偽數(shù)據(jù)的剔除

比測(cè)試驗(yàn)期間，對(duì)虹吸式雨量計(jì)時(shí)有出現(xiàn)機(jī)械故障的情況，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，對(duì)不正常記錄的降水日量進(jìn)行了剔除，剔除的降水量數(shù)據(jù)未列入對(duì)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(lè)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(jì)剔除27次，累計(jì)時(shí)間648小時(shí)。另外多壩站8月份因JD1Z翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)內(nèi)置設(shè)備損壞停止運(yùn)行予以除外，詳見(jiàn)表2。

表2 洮河、大夏河水系雨量站降水量比測(cè)試驗(yàn)基本參數(shù)一覽表

表3 洮河、大夏河水系雨量站降水量對(duì)比分析誤差統(tǒng)計(jì)表 %

4 誤差分析

4.1 相對(duì)誤差分析

在兩雨量?jī)x器誤差分析計(jì)算中，以虹吸式雨量計(jì)記錄的雨量為標(biāo)準(zhǔn)值(即真實(shí)值)與JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)記錄的雨量值進(jìn)行誤差分析計(jì)算。通過(guò)分析計(jì)算，得出JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)平均相對(duì)誤差在5.1%～17.5%之間、系統(tǒng)誤差在2.5%～13.5%之間、累計(jì)降水量相對(duì)誤差在0.9%～11.2%之間。累計(jì)頻率達(dá)75%、95%以上的誤差不超過(guò)±3%、±5%的標(biāo)準(zhǔn)均已超出規(guī)定范圍，詳見(jiàn)表3。

4.2 不確定度

不確定度是指由于測(cè)量誤差的存在，對(duì)被測(cè)量值的不能肯定的程度，反過(guò)來(lái)也表明該結(jié)果的可信賴(lài)程度。它是測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)。不確定度愈小，結(jié)果與被測(cè)量的真值愈接近，質(zhì)量越高，水平越高，其使用價(jià)值越高；不確定度越大，測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量越低，水平越低，其使用價(jià)值也越低。對(duì)JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)記錄的降水量值進(jìn)行不確定度計(jì)算，運(yùn)用貝塞爾公式計(jì)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(guò)計(jì)算，得出19處JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)的不確定度S(x)在4.825～14.710之間，詳見(jiàn)表4。

4.3 回歸統(tǒng)計(jì)

虹吸式雨量計(jì)記錄的雨量值與JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)記錄的降水量值是否存在相關(guān)關(guān)系，通過(guò)相關(guān)分析計(jì)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(cè)定系數(shù))為0.929～0.999；(3)標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.253～1.703，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.676。由此結(jié)果所得，兩雨量?jī)x器相關(guān)系數(shù)、測(cè)定系數(shù)均接近于1.0，充分說(shuō)明二雨量?jī)x器存在相關(guān)性，對(duì)比試驗(yàn)JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)有一定的精度。詳見(jiàn)表4。

表4 JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)不確定度及回歸誤差統(tǒng)計(jì)表

5 雨量?jī)x器使用建議

(1)應(yīng)經(jīng)常保持雨量計(jì)清潔，經(jīng)常巡查承雨量器內(nèi)是否有昆蟲(chóng)、塵土、樹(shù)葉等雜物，保證水道暢通。(2)定期檢查雨量計(jì)的器身是否穩(wěn)定、器口是否水平，器內(nèi)固定螺絲有無(wú)松動(dòng)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(shí)進(jìn)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?jī)x器，防止器口扭曲變形。(4)出現(xiàn)沙塵天氣時(shí)，雨量計(jì)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(shí)可加入適量洗滌劑，然后用清水沖洗干凈。(5)在雨量計(jì)維護(hù)過(guò)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(shí)需要調(diào)校時(shí)，必須由熟練儀器性能的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)完成。(7)雨量?jī)x器長(zhǎng)期不使用時(shí)，應(yīng)移至室內(nèi)或就地蓋上筒蓋。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)虹吸式雨量計(jì)與JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)記錄的降水量進(jìn)行對(duì)比分析，初步對(duì)JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)的性能和雨量誤差得出以下結(jié)論，供相關(guān)部門(mén)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(qiáng)度均小于4 mm/min，期間降水物均為液態(tài)。

(2)比測(cè)試驗(yàn)時(shí)間為1 147 d，累計(jì)54 817 h，掉線(xiàn)次數(shù)為220次，掉線(xiàn)率為1.24%。

(3)累計(jì)降水量相對(duì)誤差為0.9%～11.2%、平均相對(duì)誤差為4.8%。

(4)系統(tǒng)誤差為2.5%～13.5%，累計(jì)頻率達(dá)75%、95%以上的誤差不超過(guò)±3%、±5%的標(biāo)準(zhǔn)均已超出范圍。

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

(6)二種不同型號(hào)的雨量?jī)x器具有相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)、測(cè)定系數(shù)均接近于1，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.253～1.703，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.676。

(7)JDZ1翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)能完整記錄降水過(guò)程，監(jiān)測(cè)的降水量具有一定的精度，可運(yùn)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(jìn)行整編刊印，尚需對(duì)儀器的靈敏度做更進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)試，方能達(dá)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?rùn)地區(qū)，小強(qiáng)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(guān)測(cè)規(guī)范.水利電力出版社.1991.2.

[2]水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范.河海大學(xué)出版社.1994.4.33-92.

[3]水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè).中國(guó)水利水電出版社.2013.5.400-423.

[4]孫貴萍，巨蘭香.自動(dòng)傳感雨量器與虹吸式雨量計(jì)對(duì)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(jí)工程師，主要從事水文水資源監(jiān)測(cè)與研究工作。