JDZ-1 型翻斗式雨量计在乌伦古湖流域应用的比测分析

古米娜·哈木斯别克

（阿勒泰水文勘测局，新疆 阿勒泰 836500）

1 问题的提出

乌伦古河流域在新疆阿勒泰区域境内，由大青格里河、查干郭勒河、强罕河、布尔根河等汇聚而成，最后流入乌伦古湖，乌伦古河流域国内部分长649 km，面积2.698 万km2。流域呈典型的干旱区气候特征，远离海洋，冬季寒冷干燥，降水多以积雪形式存在于流域内，夏季冰雪消融，春汛爆发，冻土层以下地下水得到补给，流域内水量较为稳定。乌伦古河流域内二台水文站设立于上世纪五十年代中期，位于阿勒泰地区青河县萨尔托海乡境内乌伦古河流域上游，海拔1420 m，是乌伦古河流域水系区域性代表站，属于国家基本水文站。该测站主要进行水位、流量、降水、泥沙、气温、蒸发、水质、水温等项目的监测，同时为青河、富蕴、福海三县农业灌溉及防汛抗旱提供必需的水情资料。JDZO2-1 型翻斗式雨量计安装在原雨量观测场以内，并与自记雨量计、人工雨量计成斜三角型式摆放。雨量计设置及测站观测场地均符合《降水量观测规范》（SL 21-2006）的基本要求。

降雨量是水循环过程中重要的水文资料，降雨量资料在水文气象、水利、农业灌溉、水库工程运行管理等方面发挥着重要作用。传统的虹吸式日记型自记雨量计作为降雨量自动测量仪器，存在降雨量向可供处理的电信号转换方面的缺陷[1]，所以，在进行基于降雨情况的洪水分析预报过程中，预报人员可能无法及时了解降雨实际情况、降雨时程分布等，从而使洪水预报的预见期和准确率无法保证，如果能有效实现降雨量信号的传输，则上述问题将得到根本性解决。JDZO2-1 型翻斗式雨量计由南京水利水文自动化研究院生产，在雨量传感器上配备雨量固态存储器及通信设备之后，便可实现降雨资料无人工干预的自动收集、处理与传输。JDZO2-1 型翻斗式雨量仪包括承雨器组件与计量组件部分，前者主要用于采集、承接降雨，后者则用于计量降雨量。在具体计量过程中，承雨口所承接的降雨经漏嘴汇聚于漏斗，再通过滴嘴滴落在上翻斗内，一旦翻斗内所汇集的雨量多达6.3822 mL 时翻斗就会发生翻转，在其翻转的同时磁钢无限靠近干簧管，在其磁场的作用下，干簧管的簧片分别发生磁化，此后不断的开关闭合的过程中，电路导通，从而实现每0.2 mm 单元雨量的转换与信号的输出。与此同时，原翻斗组件内的下斗上升转换为上斗，而后不断重复上述过程，从而实现对降雨量的连续循环计量[2]。

2 资料的选用

乌伦古河流域地处内陆，来自大西洋气流的水汽经过远距离输送已经大量减少，但仍然是乌伦古河流域主要的水分来源，此外，北冰洋的干冷气流越过阿尔泰山进入该流域，其水分含量仅为大西洋气流的1/3 左右，对降水影响较小。在阿尔泰山地形梯度变化的作用下，随流域高程的升高，降水不断增大，山区降水量明显高于平原。流域紧邻阿尔泰山的区域降水明显丰富，越靠近准格尔盆地降水越稀少，从统计资料可以看出，乌伦古河流域降水量明显少于群库勒、阿勒泰和富蕴站。流域降水年内分配表现为春秋季少、夏季多，年内期内分配极不均匀，汛期降水量明显大于枯水期，数据见表1。选取2018 年汛期（5月15 日～8 月30 日）乌伦古河流域二台水文站的观测资料，根据《降水量观测规范》（SL 21-2006）的规定，所采集的日报表遥测显示值和人工报汛值中只要有一个≥0.2 mm，则必须进行对比分析。

表1 二台水文站降雨量观测资料统计

3 JDZ-1 型翻斗式雨量计比测误差及原因分析

3.1 比测误差分析

按照《降水量观测规范》（SL 21-2006）相关规定，真值设为人工报汛值，并以遥测显示值为仪器所记录水量值，则日雨量资料的合格率可以用相对误差进行评价，公式如下：

式中：δ 为相对误差，|δ|≤4%为合格；Wt为遥测显示值；Wd为人工报汛值。

二台水文站所获取的有效样本数55 个，相对误差|δ|≤4%范围内的样本共有34 个，合格率63.72%，异常样本较多，相对误差多为负值，具体见表2。

续表2

3.1.1 日降水量误差分析

按照《水文自动测报系统规范》（SL 61-2003）所要求的雨量传感器允许误差，不足10 mm 的JDZO2-1 型翻斗式雨量计与排水量绝对误差在±0.2 mm 以内，而超过10 mm 的JDZO2-1 型翻斗式雨量计与排水量的相对误差在4%范围内。可见，二台水文站6 月10 日、7 月13 日雨量均超出规范范围，而且JDZO2-1 型翻斗式雨量计观测量大于人工观测，引起这种误差的原因主要在于人工分段观测量取时集水瓶内尚有雨量存余等。而引起日降雨量人工观测与JDZO2-1 型翻斗式雨量计存在0.1 mm 误差的原因，一是人工量取时观察与读数引起，二是降雨量尾数为奇数，但由于JDZO2-1 型翻斗式雨量计精度为0.2 mm，且其总量尾数始终为偶数，所以0.1 mm 降水JDZO2-1 型翻斗式雨量计并无记录。

3.1.2 时段总降水量误差分析

二台水文站5 月15 日～8 月30 日汛期总降水量JDZO2-1型翻斗式雨量计显示226.3 mm，自记雨量仪显示221.9 mm，人工观测219.7 mm。JDZO2-1 型翻斗式雨量计比自记雨量计多4.4 mm，相对误差2.7%，由以上分析可以看出，自记雨量仪由于系统偏小、仪器故障等原因而导致其雨量偏小，其雨量与JDZO2-1 型翻斗式雨量计的相对误差主要是由自记雨量计自身原因所致。JDZO2-1 型翻斗式雨量仪计人工观测多出6.6 mm，相对误差2.9%，从总量上考察，JDZO2-1 型翻斗式雨量计符合《水文自动测报系统规范》（SL 61-2003）对雨量传感器所允许误差的相关规定。

3.2 误差原因

3.2.1 JDZO2- 1 型翻斗式雨量计的适用性

按照《降水量观测规范》（SL 21-2006）的相关规定，降雨区域分布控制性雨量站的降雨量至少0.1 mm，但对于降水强度观测的相关规定和要求仅有：对于仅通过雨量器观测的测站，在暴雨过程中，可以根据降水强度的变化适当增加观测次数，并在观测记载簿中记录加测降雨的起讫时间及所对应的降雨量。当前，二台水文站所使用的任务书并无雨日统计和强度的具体规定，如果新任务书提出具体要求，则JDZO2-1 型翻斗式雨量计精度将无法达到要求。

3.2.2 特殊情况分析

JDZO2-1 型翻斗式雨量计分辨率仅为0.2 mm，如果降雨量＞0.2 mm 且尾数为偶数，则雨量计可以完整而正常的计量，不会发生数据遗漏和丢失现象。但当尾数为奇数时，可能漏记或丢失0.1 mm。究其原因，可能是0.1 mm 降雨翻斗没翻，也可能是两次降雨时间间隔较长，期间0.1 mm 降雨蒸发所致。JDZO2-1 型翻斗式雨量计采集降雨量后需经传输、存储、显示等环节进而生成遥测值，结合系统维护记录可知，二台水文站雨量计在1 a 内并未出现过故障，性能稳定。但是2017 年汛前检查过程中发现，二台水文站JDZO2-1 型翻斗式雨量计圆水准气泡存在严重偏离，必将造成翻斗式转基点的偏离和计量误差的增加。通过进一步核算异常值发现，遥测值和人工报汛值之间并未产生较大差异，而只是由于JDZO2-1 型翻斗式雨量存储以每隔5 min 进行一次摘录，而自记雨量计由人工分段摘录，存在时间上的不对应。

3.2.3 有雨无记录的情况

二台水文站JDZO2-1 型翻斗式雨量计在2018 年5 月15 日～8 月30 日期间共出现四次有雨而无记录的情况，自记雨量计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 型翻斗式雨量计并无这四次降水记录。综合比较可以发现，有雨而无记录的情况通常都是出现在降雨量＜0.2 mm的情况，降雨量不大，降水历时较长，翻斗并不翻动，所以仪器并无记录。而当这样的降雨并非一天内最末一次降雨时，这次的0.1 mm 就会累计计入下一次降雨，雨量并未损失。但是当这样的降雨是一天内最末次降雨且下次降雨间隔较长，则这次的0.1 mm 降雨就会因蒸发而损失。

3.2.4 无雨有记录的情况

二台水文站8 月17 日9：15JDZO2-1 型翻斗式雨量仪有0.2 mm 的雨量记录，但自记雨量计和人工雨量计均无这一记录，造成这一现象的原因一是翻斗因人为或自然震动而翻动，二是由于前次降雨不足0.2 mm 而累积到本次JDZO2-1 型翻斗式雨量计内雨量达到0.2 mm，所以便出现自记雨量计和人工观测没有记录的现象。

4 结论

通过JDZO2-1 型翻斗式雨量计与自记雨量计和人工观测的分析可以看出，自记雨量计由于存在系统偏小和仪器故障等原因可能导致其雨量观测总量偏小。JDZO2-1 型翻斗式雨量计采集雨量数据及时、性能稳定、信号传输灵敏，能有效弥补自记雨量计的缺陷，便于洪水分析预报及雨量传输。雨量传感器计量结果经处理后形成监测值，其中任何环节出现问题都将导致遥测值异常，这种异常并非雨量传感器计量错误而致，应从异常值分析中发掘原因。本文通过对比二台水文站1a 的遥测值与人工报汛值发现，JDZO2-1 型翻斗式雨量计传感器实际应用效果较好，测量误差完全符合《水文自动测报系统规范》（SL 61-2003）对雨量传感器的误差要求。