瑪納斯河流域遙測水位和雨量計測驗精度對比分析

商 莉，蔣 華，程曉燕

(新疆石河子水文水資源勘測局，新疆 石河子832000)

0 引 言

新疆現(xiàn)有水文站130 多個，以人工觀測為主，人員嚴(yán)重不足。近幾年山洪災(zāi)害防治新建設(shè)了2000多個自動雨量和水位站，中小河流項目新增140 多個水文(水位)站，但是水文職工沒有增加。而且隨著水文自動化的快速發(fā)展，遙測自計水文儀器也是今后發(fā)展的必然趨勢。

新疆水文站水位監(jiān)測主要是為了推求流量，水位監(jiān)測準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到流量或河川徑流量的準(zhǔn)確性，而降水量又是河川徑流的補給源，時水量平衡計算的重要要素之一，其觀測精度直接影響到水站計算的準(zhǔn)確性。

近年來新疆水文系統(tǒng)安裝了大量遙測自計儀器，發(fā)現(xiàn)與人工觀測值比較出現(xiàn)誤差較大的現(xiàn)象。分析誤差產(chǎn)生的原因，消除由于儀器設(shè)備和人為因素產(chǎn)生的誤差勢在必行。

因此，選擇位于天山北坡的瑪納斯河流域水文站主要觀測項目水位和降水量采用的自計儀器測驗精度進行了對比分析，能為新疆水文測驗自動化和無人職守的實施提供幫助［1］。

1 瑪納斯河流域概況

瑪納斯河流域位于準(zhǔn)葛爾盆地南緣天山北麓，范圍介于E85°01' ～E86°32'，N43°27' ～N45°21'，流域總面積2.43 ×102km2，其中山區(qū)1.1 ×102km2。流域地勢由東南向西北傾斜，流域海拔最高5242.5m，最低256m。

瑪納斯河流域主要有5 條河流組成，東起塔西河，依此為瑪納斯河、寧家河、金溝河，西至八音溝河，其中較大的河流有塔西河、瑪納斯河和金溝河，均發(fā)源于天山依連哈比爾尕山山脈，海拔高程3600m 以上為終年積雪覆蓋，冰川面積1037.68km2，是河流的補給源之一?，敿{斯河是天山北坡徑流量最大的河流，河川徑流主要以降水補給為主。

2 自計儀器使用現(xiàn)狀

瑪納斯河流域主要有瑪納斯河肯斯瓦特站、煤窯站，清水河子站;金溝河八家戶站和塔西河石門子站5個水文站，現(xiàn)有測驗項目主要有降水量、蒸發(fā)量、水溫、氣溫、水位、流量、泥沙、水質(zhì)等。該流域于2014年3月進行了水文自動測報系統(tǒng)建設(shè)，雨量傳感器使用JDZ05 －1 型翻斗式雨量計，水位使用OTT RLS 雷達水位計。

瑪納斯河流域各水文站配備的水文自動測報系統(tǒng)是YAC9900 型多路徑遙測終端，主要由水位計、雨量傳感器、數(shù)據(jù)采集終端(RTU)、數(shù)據(jù)傳輸信道、通信設(shè)備組成。目前還處于比測和實驗階段。能實現(xiàn)雨量、水位信息的自動采集、存貯，并通過通信信道實時、定時自動傳送至中心站，希望盡快實現(xiàn)“有人看管、無人值守”的管理模式［2］。

2.1 自記雨量計的性能指標(biāo)

JDZ05 －1 型翻斗式雨量計主要技術(shù)指標(biāo)有:

1)工作溫度為 －20 ℃～+55 ℃;

2)適宜雨強范圍為0.01 ～4 mm/min;

3)翻斗計量誤差＜ ± 4% ，儀器分辨率為0.2 mm。

按照氣象規(guī)范要求觀測，人工測量記載雨量使用的是普通式雨量器，缺點是受蒸發(fā)以及人為的測計誤差影響。

2.2 水位計性能指標(biāo)

OTT RLS 雷達水位計是一款非接觸式水位計，采用脈沖雷達技術(shù)對水位進行測量，這種節(jié)能、非接觸式的測量技術(shù)使得OTT RLS 在測量時不受溫度梯度、水中污染物以及沉淀物的影響，因而可以獲取精確的測量結(jié)果。OTT RLS 雷達水位計的測量范圍:0.8 ～35m，測量精度為±3 mm。

3 降水量觀測對比分析

降水量觀測對比分析包括:日降水量統(tǒng)計分析、雨量對比觀測值結(jié)果分析及評和雨量誤差原因分析3個部分。

3.1日降水量統(tǒng)計分析

為了對兩種觀測儀器進行比較分析，選取肯斯瓦特、八家戶、煤窯、石門子四站2014年遙測翻斗式雨量計與人工觀測雨量器平行觀測的6—8月份月降水量進行誤差分析。選取6—8月份日降水量是因為天山北坡河流水文站都在山區(qū)，海拔較高900 ～1 320 m，9月—次年5月由于氣溫會出現(xiàn)在0℃以下，降水有可能是固態(tài)降水。

3.2 雨量對比觀測值結(jié)果分析

JDZ05—1 雨量計的分辨率為0.2 mm，因此，遙測雨量計與人工觀測雨量相差＞0.2 mm 考慮為誤差值進行統(tǒng)計分析?，敿{斯沙流域4 站日雨量誤差分析見表1。

由表1 可看出:

1)以人工觀測降水量為標(biāo)準(zhǔn)，將遙測降水量與之進行比較，4個站合格率在73.3% ～93.5%，其中八家戶站的合格率最低。

2)其誤差的變幅范圍一般在2 mm，八家戶和煤窯站各有一次出現(xiàn)了1.9 mm。

3)系統(tǒng)誤差Sj的計算見公式(2)，范圍在－0.046 ～0.87 mm之間。

表1 瑪納斯河流域4 站日雨量誤差分析

3.3 雨量誤差原因分析

3.3.1 儀器本身產(chǎn)生誤差

對遙測雨量計與人工觀測降水量2014年日降水量進行對比分析，引起誤差主要原因是儀器本身性能造成的誤差:

1)由于儀器本身水平狀態(tài)未調(diào)整好，會使翻斗處于非正常平衡狀態(tài)，或控制2個漏斗底部的旋轉(zhuǎn)螺釘偏低或偏高會造成系統(tǒng)偏大或偏小。

2)翻斗內(nèi)存有灰塵或其它雜物沉積后，必然會增加翻斗的重量而提前翻轉(zhuǎn)，使測得的雨量偏大。

3)翻斗的翻轉(zhuǎn)需要一定的時間，在其翻斗翻轉(zhuǎn)的過程中，會有額外的雨水流入已經(jīng)容納規(guī)定雨量的斗內(nèi)使觀測值偏小，在降雨強度較大時，這一誤差是比較明顯的。

4)選用翻斗式雨量計分辨率為0.2 mm，如降水量不為0.2 的倍數(shù)時，其誤差可能偏大或偏小。

5)時段或日分界時的雨量應(yīng)該是上一時段或者是上一日的量，在分界線時翻斗沒有翻轉(zhuǎn)所以雨量值記到下一時段，從2014年八家戶站的數(shù)據(jù)整理中發(fā)現(xiàn)，此種情況極易發(fā)生，這也是造成雨量觀測數(shù)據(jù)偏大或偏小的原因。

3.3.2 人為因素產(chǎn)生誤差

人為因素引起降水量的誤差主要是:

1)降水時間長或者降水后沒有及時觀測，蒸發(fā)會造成觀測值偏小。

2)人工觀測可造成的水量流失、水量貼附在蓄水器側(cè)面上所造成的降水量偏小以及人工觀測出現(xiàn)系統(tǒng)誤差等。

通過以上分析，遙測雨量計測驗數(shù)據(jù)還需經(jīng)過分析才能參加整編。

4 水位觀測對比分析

水位對比分析資料采用的是金溝河的八家戶水文站2014年6—8月日平均水位。測站順直河段長約0.5 km，斷面上游約200m 為彎道，下游約100m為彎道。兩岸邊為基巖，河床組成主要是砂卵石、礫石。測站測驗斷面、河槽的底坡、斷面的形狀、糙率等水力因素比較穩(wěn)定，為易形成河槽控制的河段?；舅邤嗝嬖O(shè)在水流順暢、無旋渦、回流、死水等情況的斷面，并且垂直于流向。

4.1 水位對比觀測值精度分析及評定

選取八家戶站2014年6—8月遙測日平均水位與人工觀測日平均水位進行分析。6月1—19日，8月8—18日由于電站渠引水，河道幾乎干涸。因此水位對比分析資料實際只有62 d。

點繪八家戶站7月人工觀測和遙測水位過程見圖1，兩者變化趨勢比較一致，遙測水位過程基本能夠與人工觀測過程相吻合。

圖1 八家戶站2014年7月人工觀測和遙測水位對比圖

從八家戶站7月人工觀測和遙測水位相關(guān)圖見圖2，兩者相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)R 達到0.971，相關(guān)方程為:

式中:Y計為遙測水位計值;X人為人工觀測值。

圖2 八家戶站2014年7月人工觀測和遙測水位相關(guān)圖

根據(jù)《水位觀測規(guī)范》GB/T50138—2010 要求，置信水平95%的綜合不確定度應(yīng)為3cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)為1cm 。問題突出的區(qū)域可放寬到5cm。不確定度U95=2 Sg［3］。計算公式為:

式中:Sg為標(biāo)準(zhǔn)差;x 為遙測雨量計值;x″為人工觀測值;n 為系列數(shù);U95為不確定度;Sj為系統(tǒng)誤差。

對八家戶水文站人工觀測與遙測水位計的水位資料，經(jīng)統(tǒng)計系統(tǒng)誤差Sj為－4.7cm，標(biāo)準(zhǔn)差Sg為9cm ，不確定度U95=2* Sg=18cm?？梢钥闯?，遙測水位計的測驗誤差較大。

4.2 水位誤差原因分析

從2014年6—9月遙測水位計日平均水位與人工觀測日平均水位對比觀測結(jié)果分析看，以人工觀測日平均水位為標(biāo)準(zhǔn)，將遙測水位計日平均水位與人工觀測日平均水位的相對誤差進行比較，日平均水位計日平均水位相對誤差在± 5% 以內(nèi)，最大4.5%。

若按照規(guī)范要求，采用不確定度來評定是不合格的。應(yīng)該按照水位變幅分幾個測段分段進行，本站只有近3個月的實測值資料共計62個值，系列較短，況且2014年瑪納斯河流域是枯水年，水位變化不大。

從過程線圖1 看出，7月21日以后，對比數(shù)據(jù)有較大系統(tǒng)誤差，遙測水位值比人工觀測值偏小，需要進行進一步的實際情況調(diào)查分析，可能是沒有調(diào)試校核所致。

鑒于2014年的偏枯水情，沒有發(fā)生高洪和超警戒水位等情況，缺乏一定代表性。所以標(biāo)準(zhǔn)差和不確定度沒有到達規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

對于遙測儀器設(shè)備，為了使其測驗精度滿足要求需做到以下3 點:

1)要保證儀器設(shè)備安裝調(diào)試達到設(shè)計的性能指標(biāo)，這是滿足精度要求的重要保證。

2)在使用過程中要經(jīng)常檢查儀器設(shè)備的運行狀況，隨時對儀器進行必要的維護和調(diào)試，先進的儀器設(shè)備如果疏于維護和調(diào)試都有可能出現(xiàn)較大偏差。

3)要考慮儀器設(shè)備使用的條件和環(huán)境與實際是否比較相配，也是必須考慮的重要問題。

總之，水文站水位和降水量等觀測項目采用遙測自計儀器越來越普遍，不但能夠提高自動化水平，減輕測站人員的勞動強度，也是今后發(fā)展的必然趨勢。所以，必須高度重視遙測儀器設(shè)備的正常使用，進一步提高測站測驗的自動化水平。

［1］陳松生，魏進春. 水文測驗精度研究［J］. 水文，2011，31(S1):21 －25.

［2］迪力木拉提·努高達盞來提. 遙測水位計在水齊測站工作中的應(yīng)用管理［J］. 水利科技與經(jīng)濟，2013，19(09):119 －120.

［3］中華人民共和國水利部.《水位觀測規(guī)范》GB/T50138—2010［S］. 北京:人民出版社，2010.