JDZ1翻斗式自动雨量计雨量误差对比试验研究

2017-12-20，，

地下水 2017年6期

关键词：虹吸式雨量计比测

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(甘肃省临洮水文水资源勘测局，甘肃临洮 730500)

JDZ1翻斗式自动雨量计雨量误差对比试验研究

张春林，王汉卿，马龙剑

(甘肃省临洮水文水资源勘测局，甘肃临洮 730500)

近年来,国家相继投资在甘肃省建成了中小河流山洪预警预报系统工程，在防汛抗旱减灾中发挥着重要作用。为了解JDZ1翻斗式自动雨量计在降水量采集、传输及其精度和仪器稳定性等方面情况，选用黄河流域一级支流洮河、大夏河具有代表性的19个自动雨量站采集的雨量数据与虹吸式雨量计记录的降水量资料进行对比分析，探求自动雨量计产生误差的原因及解决办法。为准确评价中小河流山洪预警系统雨量站的预警功能提供科学依据。

JDZ1翻斗式雨量计；虹吸式雨量计；误差分析

全面准确掌握流域降水量和暴雨时空变化的过程及规律，对预测领域来水量、搞好水量调度、服务当地工农业生产、防汛抗旱减灾及经济建设具有十分重要的作用。新建成的中小河流山洪水情预警系统中雨量站降水监测项目，正是为满足这方面需要应运而生的新生事物，其运行状况尤为重要。甘肃省临洮水文水资源勘测局管辖洮河、大夏河两个流域，集水面积为3.18万 km2，中小河流山洪预警系统中共建有自动雨量站70处，对建成的自动雨量计经过检修调试后正常运行，自2016年6月1日至2016年10月29日期间，选用19处具有代表性和具备比测试验条件的雨量站，用虹吸式雨量计与JDZ1翻斗式自动雨量计同时进行对比观测，积累比测数据，进行统计分析，得出误差结论。其目的一是通过比测来判断JDZ1翻斗式自动雨量计是否满足山洪预警精度的要求；二是验证该仪器在野外环境条件下，应对高温、寒冷、阴湿、雷电、大风、强暴雨等恶劣天气时仪器的稳定性及技术参数；三是通过大量观测数据的对比分析，判定JDZ1翻斗式自动雨量计是否满足《降水量观测规范》规定的误差标准，能否作为正式降水资料进行整编刊印。

1 比测试验雨量站点的选定

本次比测试验的19处雨量站，分布于洮河水系14处、大夏河水系3处、黄河流域2处。其中15处设立在现有水文站，4处为委托雨量站，比测试验站点占总站点数的27%。站点地理位置在东经102°27′31.05″～104°06′43.1″、北纬34°26′38.37″～35°48′12.14″之间，海拔高程在1 714～3 081 m之间，比测试验期间气温在-9.0～36.0之间变化，洮河、大夏河水系雨量站点布设基本情况，详见表1。

表1 洮河、大夏河水系降水量比测试验雨量站点分布情况

2 雨量仪器性能及技术参数

2.1 JDZ1翻斗式自动雨量计

JDZ1翻斗式自动雨量计由承雨器、翻斗部件等组成，承雨器用于承接、采集降水。翻斗部件的核心是翻斗，起计量作用。翻斗分为左右两个斗室，其重心位置处于翻斗轴的上方，形成一个非稳定机构。翻斗下方有两个调斗螺钉左右各一个，可用来调节翻斗的倾斜角度，控制翻斗每次翻转的水量。主要技术性能及参数：降水强度测量范围≦4 mm/min,翻斗计量误差E,∣E∣≦4%,接点工作寿命≧107次，工作环境温度-10℃～+55℃，贮存环境温度-40℃～+60℃。其工作原理，工作时，进入承雨器内的降水，在其锥形底部汇集后，流入翻斗部件的漏斗，再注入翻斗。当翻斗居上的一侧斗室积累到一定水量时，由翻斗自重、漏斗内水量的重量、支承力、转动摩擦力、磁阻力、流水冲击作用力等组成的力平衡关系被打破，使翻斗状态产生突变，翻斗翻转。固定在翻斗架上的干簧管受到磁激励，便产生一次通断信号，由发射装置将产生的信号发送到接收系统。一次信号降水量为0.2 mm(即分辨率)，雨量对应时间为北京时间，每天8:00由网络系统自动校正。

2.2 虹吸式雨量计

虹吸式雨量计可连续记录降水量和降水时间，当降水降落到承雨器口流入漏斗进入量筒后，量筒内的浮子将随水位的升高上浮带动自给笔在自记坐标纸上画出降水过程线，当量筒内的水位上升至10 mm时，借助虹吸管迅速将降水排除，笔尖回归零位后重新开始记录。该雨量器的分辨率为0.1 mm，机械钟的日误差不超过±5 min，在雨量站观测降水量中本仪器因性能稳定可靠，精度高而普遍长期使用。

3 比测资料收集及数据分析

3.1 降水量资料的收集情况

为了准确了解掌握雨量仪器的误差，对选定的19处雨量站的雨量计，在比测试验之前，对JDZ1翻斗式自动雨量计和虹吸式雨量计全面进行了维修调试，确定仪器运行正常后正式投入比测试验。比测试验期间，出现降水过程时，观测人员在早上8：00对前一天降水量进行摘录统计，同时在中小河流信息平台中摘录相应时段的降水量。本次试验期间共计降水日数为1 147 d，降水量在188～402.2 mm之间，累计降水量为5 736.7 mm，比测起讫时间自2016年5月30日8时至2016年10月29日20时，累积试验时间为55 561 h，其中采集雨量数据信号正常的54 817 h，信号中断220次、达720 h，信号中断率为1.30%。19处雨量站掉线率最高为3.42%、最低为0.62%，分别是下巴沟站和红旗站，其平均掉线次数为12处、平均掉线率为1.2%。在列表中，用PJ 表示JDZ1翻斗式自动雨量计记录降水量；用P表示虹吸式雨量计记录降水量，用Pmax表示虹吸雨量计最大日降水量，具体详见表2。

3.2 伪数据的剔除

比测试验期间，对虹吸式雨量计时有出现机械故障的情况，在数据统计过程中，对不正常记录的降水日量进行了剔除，剔除的降水量数据未列入对比分析数列。19处雨量站中，剔除数据的有夏河站1次、双城站3次、多坝站1次、冶力关站2次、李家村站6次、康乐站1次、庆坪站1次、尧甸站2次、临洮站1次、三家集站4次、红旗站5次，共计剔除27次，累计时间648小时。另外多坝站8月份因JD1Z翻斗式自动雨量计内置设备损坏停止运行予以除外，详见表2。

表2 洮河、大夏河水系雨量站降水量比测试验基本参数一览表

表3 洮河、大夏河水系雨量站降水量对比分析误差统计表 %

4 误差分析

4.1 相对误差分析

在两雨量仪器误差分析计算中，以虹吸式雨量计记录的雨量为标准值(即真实值)与JDZ1翻斗式自动雨量计记录的雨量值进行误差分析计算。通过分析计算，得出JDZ1翻斗式自动雨量计平均相对误差在5.1%～17.5%之间、系统误差在2.5%～13.5%之间、累计降水量相对误差在0.9%～11.2%之间。累计频率达75%、95%以上的误差不超过±3%、±5%的标准均已超出规定范围，详见表3。

4.2 不确定度

不确定度是指由于测量误差的存在，对被测量值的不能肯定的程度，反过来也表明该结果的可信赖程度。它是测量结果质量的指标。不确定度愈小，结果与被测量的真值愈接近，质量越高，水平越高，其使用价值越高；不确定度越大，测量结果的质量越低，水平越低，其使用价值也越低。对JDZ1翻斗式自动雨量计记录的降水量值进行不确定度计算，运用贝塞尔公式计算不确定度，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为日降水量次数。经过计算，得出19处JDZ1翻斗式自动雨量计的不确定度S(x)在4.825～14.710之间，详见表4。

4.3 回归统计

虹吸式雨量计记录的雨量值与JDZ1翻斗式自动雨量计记录的降水量值是否存在相关关系，通过相关分析计算得出以下结果：(1)Multiple R(相关系数)为0.964～1.000；(2)R Square(测定系数)为0.929～0.999；(3)标准误差为0.253～1.703，平均标准误差为0.676。由此结果所得，两雨量仪器相关系数、测定系数均接近于1.0，充分说明二雨量仪器存在相关性，对比试验JDZ1翻斗式自动雨量计有一定的精度。详见表4。

表4 JDZ1翻斗式自动雨量计不确定度及回归误差统计表

5 雨量仪器使用建议

(1)应经常保持雨量计清洁，经常巡查承雨量器内是否有昆虫、尘土、树叶等杂物，保证水道畅通。(2)定期检查雨量计的器身是否稳定、器口是否水平，器内固定螺丝有无松动或翻转不灵活的现象，若发现不符合相关规范技术要求的应及时进行纠正。(3)雨量器要水平，圆水泡应处于中间位置，避免碰撞雨量仪器，防止器口扭曲变形。(4)出现沙尘天气时，雨量计翻斗内可能有沉积泥沙，要定期清淤；可用干净的脱脂毛笔刷洗，必要时可加入适量洗涤剂，然后用清水冲洗干净。(5)在雨量计维护过程中，不允许直接用手触摸翻斗内壁。(6)不要随意调整翻斗内的螺钉，确实需要调校时，必须由熟练仪器性能的专业人员来完成。(7)雨量仪器长期不使用时，应移至室内或就地盖上筒盖。