魏小東,秦瑞杰,劉 琦,郝 磊,李茹虹,白 娜

[黃河水土保持天水治理監(jiān)督局(天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站),甘肅 天水 741000]

降水量作為氣象和水文等相關(guān)部門(mén)最重要的基礎(chǔ)資料之一,是研究流域或地區(qū)水文循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)輸入項(xiàng)目[1］,對(duì)于有效推動(dòng)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水利開(kāi)發(fā)、江河防洪和工程管理等有重大作用。對(duì)小流域水土保持研究而言,降水量是開(kāi)展流域水沙關(guān)系研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2-3］。布設(shè)雨量站點(diǎn)收集降水進(jìn)行觀測(cè),是世界各國(guó)一直沿用的傳統(tǒng)觀測(cè)方法。作為直接觀測(cè)降水的方法之一,雨量站在小流域水土保持治理中占有重要地位[4］。

羅玉溝流域位于甘肅省天水市北郊,流域面積72.79 km2,是渭河支流藉河左岸的一級(jí)支溝。該地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫10.7 ℃,無(wú)霜期184 d,年均降水量為550.6 mm,5—10月為汛期,期間降水量占年降水量的80%左右。溝內(nèi)旱季無(wú)徑流,雨季經(jīng)常暴發(fā)山洪。自1983年8月開(kāi)始,羅玉溝流域被列為黃河中游地區(qū)水土保持試點(diǎn)小流域,此后經(jīng)過(guò)發(fā)展,流域內(nèi)現(xiàn)布設(shè)有12個(gè)雨量站,均為SM1型普通雨量器、SL3-1型遙測(cè)雨量計(jì)和JDZ02-1型固態(tài)存貯式雨量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“SM1型”“SL3-1型”“JDZ02-1型”)三套儀器平行觀測(cè)[5］。目前,對(duì)該流域降雨侵蝕力、水沙變化等方面已做了較多的研究[6-9］。但是,針對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“黃土丘三區(qū)”)典型小流域雨量計(jì)(器)適用性比較、降水量觀測(cè)誤差分析的研究鮮有報(bào)道。

本研究通過(guò)隨機(jī)選取羅玉溝流域部分雨量站降水量資料,對(duì)比分析三種雨量計(jì)(器)在該地區(qū)的適用性,并分析誤差產(chǎn)生的原因,以便提高其在降水量觀測(cè)過(guò)程中的使用能力,從而更加精準(zhǔn)地掌握小流域降水規(guī)律,為流域水土保持、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及城市防洪防汛等工作提供重要參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次分析數(shù)據(jù)來(lái)源于羅玉溝流域2018—2020年12個(gè)雨量站降水量資料。該流域雨量站布設(shè)依據(jù)《水土保持試驗(yàn)規(guī)程》(SL 419—2007),降水量觀測(cè)依據(jù)《降水量觀測(cè)規(guī)范》(SL 21—2015),降水量采集儀器分別為SM1型、SL3-1型和JDZ02-1型,實(shí)行平行觀測(cè)。在處理資料的過(guò)程中,對(duì)儀器識(shí)別的降水現(xiàn)象異常值進(jìn)行了剔除。羅玉溝流域雨量站基本情況見(jiàn)表1。

表1 羅玉溝流域部分雨量站基本情況

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

降水?dāng)?shù)據(jù)整編主要根據(jù)《水土保持試驗(yàn)規(guī)程》(SL 419—2007)和《水土保持徑流泥沙測(cè)驗(yàn)及資料整編須知》進(jìn)行。以8時(shí)為日分界,所觀測(cè)的降水量即為日降水量,每月各日降水量之和為當(dāng)月降水量,全年逐日降水量總和即為年降水量。汛期(5—10月)人工觀測(cè)(SM1型)時(shí)段采用四段制,即每日2、8、14、20時(shí)分別定時(shí)觀測(cè);自記觀測(cè)(SL3-1型、JDZ02-1型)采用24段制獲取數(shù)據(jù)。

初始數(shù)據(jù)均采用Excel 2010進(jìn)行歸納和整理,后期運(yùn)用Origin 2018、Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與圖形繪制,并采用DPS 9.05對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析、相關(guān)性分析及顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 雨量計(jì)(器)觀測(cè)精度對(duì)比分析

隨機(jī)選取羅玉溝流域2020年趙家灣站、姚家溝站、下茹站及馬周站汛期降水量資料,從降水天數(shù)和降水量?jī)蓚€(gè)方面分析SM1型、SL3-1型和JDZ02-1型在該地區(qū)的適用性。

表2為羅玉溝流域部分雨量站2020年汛期降水天數(shù)統(tǒng)計(jì)。由表2可知,SM1型、SL3-1型、JDZ02-1型在趙家灣站、姚家溝站、下茹站及馬周站所觀測(cè)的總降水天數(shù)分別為364、364和244 d,SM1型和SL3-1型觀測(cè)的總降水天數(shù)一致,均比JDZ02-1型所觀測(cè)的總降水天數(shù)高出49.18%,JDZ02-1型降水天數(shù)觀測(cè)結(jié)果誤差較大,這主要是因?yàn)閮x器分辨率不同而造成的差異。

表2 羅玉溝流域部分雨量站2020年汛期降水天數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖1為羅玉溝流域部分雨量站2020年汛期降水量觀測(cè)結(jié)果。各雨量站8月降水量最多,汛期雨量計(jì)(器)各月降水量觀測(cè)大小順序基本表現(xiàn)為SM1型>SL3-1型>JDZ02-1型,SM1型和SL3-1型各月觀測(cè)差值范圍為-8.70～6.60 mm,JDZ02-1型和SM1型、SL3-1型各月觀測(cè)差值范圍分別為-0.40～221.70 mm、6.40～215.10 mm;SM1型、SL3-1型、JDZ02-1型在趙家灣站、姚家溝站、下茹站及馬周站所觀測(cè)的總降水量分別為3 305.40、3 290.70、1 922.20 mm,JDZ02-1型降水量觀測(cè)誤差較大,這可能是由于儀器操作不當(dāng)和后期維護(hù)方面的影響所造成的。

圖1 羅玉溝流域部分雨量站2020年汛期降水量觀測(cè)結(jié)果

2.2 典型降水過(guò)程

根據(jù)2018—2020年羅玉溝流域降水資料,選取月降水總量超過(guò)140 mm的4個(gè)典型降水過(guò)程進(jìn)行分析,累計(jì)降水趨勢(shì)對(duì)比分析及擬合函數(shù)見(jiàn)圖2、表3。分析得出,各雨量計(jì)(器)測(cè)得的累計(jì)降水量具有相似的變化趨勢(shì),函數(shù)擬合程度較高(R2≥0.868 4)。SM1型與SL3-1型觀測(cè)結(jié)果誤差較小(r1≥0.990 5),2020年8月姚家溝站、2020年7月及8月馬周站典型降水過(guò)程呈現(xiàn)出擬合函數(shù)方程基本吻合的情況;JDZ02-1型與SM1型、SL3-1型觀測(cè)結(jié)果誤差較大(r2≤0.837 8、r3≤0.846 6)。JDZ02-1型月初或月末出現(xiàn)連續(xù)性不統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的情況,甚至延續(xù)到每月中下旬,這可能是由于人為或外界環(huán)境因素所造成的誤差。

圖中r1、r2、r3分別為SM1型與SL3-1型、SM1型與JDZ02-1型、SL3-1型與JDZ02-1型的相關(guān)系數(shù)。

表3 羅玉溝流域部分雨量站各雨量計(jì)(器)擬合函數(shù)

2.3 各雨量計(jì)(器)比測(cè)顯著性分析

選取羅玉溝流域姚家溝站、馬周站雨量計(jì)(器)觀測(cè)情況,運(yùn)用Duncan’s新復(fù)極差法從汛期降水天數(shù)、月降水總量?jī)煞矫孢M(jìn)行分析,SM1型觀測(cè)結(jié)果與SL3-1型觀測(cè)結(jié)果無(wú)顯著性差異(P>0.05),JDZ02-1型觀測(cè)結(jié)果與SM1型、SL3-1型觀測(cè)結(jié)果均差異極顯著(P<0.01)。不同雨量計(jì)(器)比測(cè)顯著性分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同雨量計(jì)(器)比測(cè)顯著性分析

3 結(jié)論

1)通過(guò)降水天數(shù)統(tǒng)計(jì)和降水量觀測(cè)兩個(gè)方面分析得出,SM1型、SL3-1型在羅玉溝流域的適用性要優(yōu)于JDZ02-1型,且SM1型和SL3-1型觀測(cè)結(jié)果相差較小。JDZ02-1型故障率高、操作難度大、后期維護(hù)成本高。

2)各雨量計(jì)(器)測(cè)得的累計(jì)降水量具有相似的變化趨勢(shì),函數(shù)擬合程度較高(R2≥0.868 4);SM1型觀測(cè)結(jié)果與SL3-1型觀測(cè)結(jié)果相關(guān)性較高,無(wú)顯著性差異(P>0.05),JDZ02-1型觀測(cè)結(jié)果與SM1型、SL3-1型觀測(cè)結(jié)果均差異極顯著(P<0.01);JDZ02-1型每月月初或月末出現(xiàn)連續(xù)性不統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的情況,甚至延續(xù)到每月中下旬,不排除人為或外界環(huán)境因素的影響。

分析誤差產(chǎn)生的原因主要概括為以下幾點(diǎn):一是受儀器分辨率的影響,當(dāng)降水量達(dá)不到翻斗式雨量器的分辨率時(shí)無(wú)記錄,導(dǎo)致其日、月降水量偏少;二是受人為或外界環(huán)境因素的影響,人工操作不當(dāng)或者外界氣候條件影響也會(huì)造成誤差的產(chǎn)生;三是蒸發(fā)蒸散損失及降雨強(qiáng)度的影響;四是儀器維護(hù)方面的影響,JDZ02-1型維護(hù)成本較高,可能影響了儀器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本研究結(jié)論還有待后續(xù)補(bǔ)充完善,今后可從多站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)、單次強(qiáng)降雨時(shí)段數(shù)據(jù)對(duì)比分析等角度進(jìn)一步開(kāi)展研究,以期為黃土丘三區(qū)典型小流域降水量觀測(cè)提供科學(xué)幫助。