融雪式雨量計在水文測驗中的應(yīng)用

徐 健

（昌吉水文勘測局，新疆 昌吉 831100）

0 引言

洪澇災(zāi)害是全球最頻繁的自然災(zāi)害之一，一旦發(fā)生將給人民群眾造成重大的生命財產(chǎn)損失。根據(jù)聯(lián)合國的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)調(diào)查結(jié)果，全球洪災(zāi)比例占所有自然災(zāi)害的一半，尤其是在亞洲地區(qū)，更是接近70%。水文監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)是洪澇災(zāi)害預(yù)警的基礎(chǔ)，自動的水文預(yù)報裝置能為地區(qū)防汛部門提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及支撐依據(jù)，在應(yīng)對洪澇災(zāi)害、水資源調(diào)度、搶險救災(zāi)時，才能做到及時決策。精確的區(qū)域(流域)面雨量值，對水文預(yù)報、洪澇災(zāi)害預(yù)警、天氣預(yù)報等都有著重要的意義。水文站觀測站是提供水文氣象的主要設(shè)施，水文預(yù)報的準(zhǔn)確性取決于流域水文模型的精確程度與實時流域面雨量值的準(zhǔn)確性[1～3]。目前國內(nèi)采用的流域水文模型經(jīng)過多年運行與驗證，基本可保證預(yù)測的精確性；獲取精確流域面雨量最直接的方法就是布設(shè)極高密度的雨量監(jiān)測站網(wǎng)，傳統(tǒng)雨量監(jiān)測設(shè)備多采用人工觀測、翻斗式雨量計、虹吸式雨量計等,自動化程度不高，耗時費工。JEZ02 融雪式雨量計可準(zhǔn)確估測降雨量、進(jìn)行中小尺度的數(shù)值降雨預(yù)報和對惡劣氣象條件下的降雨量進(jìn)行定量探測，自動化水平高，減少人工測量的工作量，在洪水災(zāi)害預(yù)警中越來越具有應(yīng)用優(yōu)勢[4～10]。

1 五圣宮站概況

本文選擇白楊河五圣宮水文站作為儀器觀測可靠性的試點水文站，該站于1980 年5 月由新疆水利廳昌吉州水電局設(shè)站，站址位于新疆吉木薩爾縣泉子街鎮(zhèn)公圣村，現(xiàn)測驗斷面以上集水面積172 km2，屬國家基本三類水文站。氣象場建在測驗河段左岸土梁上，海撥高度1347 m，面積為6 m×6 m，四周地勢相對開闊，無遮擋物，區(qū)域代表性較好。

2 JEZ02 融雪式雨量計工作原理

為盡快實現(xiàn)水文工作自動化、信息化，采用JEZ02 型雨雪量計用于觀測自然界降水（雨、雪）量，同時將一定的降水量轉(zhuǎn)換為相關(guān)信息量輸出，以滿足信息傳輸、處理、記錄和顯示的需要。該型號雨量計的結(jié)構(gòu)見圖1，主要由8 部分組成，核心部件為控制單元和翻斗部件。

圖1 結(jié)構(gòu)特征與工作原理

JEZ 系列雨雪量計是在JDZ 系列雨量傳感器的基礎(chǔ)上，增加以下各功能部件：（1）加熱膜；（2）溫度傳感器及其控制器件；（3）阻燃型隔熱保溫材料等組成。加熱控制部分置于一防水盒內(nèi)，安裝于筒側(cè)（該部分稱之為控制單元），雨（雪）量筒采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外層間置保溫材料。工作環(huán)境溫度較高時，產(chǎn)品與常規(guī)翻斗式雨量傳感器工作方式無異。內(nèi)層筒的內(nèi)壁安裝有加熱膜A（以下稱之為環(huán)境加熱膜），該加熱膜用于使筒內(nèi)環(huán)境溫度始終保持在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，以確保水流通暢，無冰凍阻塞。

承水器底部安裝有加熱膜B（以下稱之為融雪加熱膜），該加熱膜用于融化承水器內(nèi)的積雪；通過雨雪感應(yīng)器感應(yīng)外部雨雪情況。融雪加熱膜采用區(qū)間加熱工作方式，這樣既可確保正常融雪，又不致形成“干燒”或降雪強(qiáng)度較小時“瞬間蒸發(fā)”的現(xiàn)象。

降雨（雪）由承水器匯集后，流經(jīng)翻斗部件，使翻斗產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)動作。翻斗每翻轉(zhuǎn)一次，翻斗部件發(fā)出一個通斷脈沖。據(jù)此，就可以測得降雨（雪）量大小。

3 JEZ02 型融雪式雨量計與人工觀測的對比分析

為了保證JEZ02 型融雪式雨量計在五圣宮水文站應(yīng)用中的準(zhǔn)確性，對人工觀測與JEZ02 型雨雪量計觀測進(jìn)行對比，驗證儀器觀測的精度，默認(rèn)人工觀測的準(zhǔn)確性最高。通過對比分析氣溫資料序列的差異，建立相關(guān)關(guān)系來比較儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3.1 比測方法

人工觀測與JEZ02 型雨雪量計同時對比觀測，觀測時間為2019 年7 月21 日～10 月15 日。人工觀測降水天數(shù)24 日，自動氣象站測得降水天數(shù)24 日。觀測嚴(yán)格按規(guī)范執(zhí)行，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

3.2 比測成果分析

3.2.1 注水試驗

JEZ02 型雨雪量計于2019 年7 月18 日做注水試驗：為模擬每分鐘4 mm 的降水強(qiáng)度下JEZ02 型雨雪量的測試精度，首先量取10 mm 的清水，在2.5 分鐘中全部注入完成。此時，雨雪量計計顯示的降水量為9. 8 mm，與實際降水量誤差為0.2 mm。該誤差不超過降水觀測允許誤差值±0.4 mm，因此，JEZ02 型雨雪量計精度可滿足要求。

3.2.2 對比分析

為分析JEZ02 型雨雪量計與人工觀測結(jié)果的相關(guān)性，采用方法為：人工觀測降水天數(shù)24 日，總降水量為100.1 mm；JEZ02 型雨雪量計測得降水天數(shù)24 日，總降水量為99.6 mm，兩者的絕對誤差為0.5 mm。經(jīng)分析造成誤差的原因主要是外部環(huán)境變化所造成的影響，人工觀測與JEZ02 型雨雪量計觀測結(jié)果見表1。

通過分析JEZ02 型雨雪量計測得的降水?dāng)?shù)據(jù)和人工同步觀測的降水?dāng)?shù)據(jù)系列建立相關(guān)關(guān)系，通過相關(guān)分析，降水?dāng)?shù)據(jù)成一帶狀，呈線性關(guān)系，相關(guān)性很好，人工觀測結(jié)果與JEZ02 型雨雪量計關(guān)系滿足Y=1.0014X+0.015（R2=0.9996），見圖2。

表1 五圣宮站JEZ02 型雨雪量計與人工觀測降水量

圖2 五圣宮站JEZ02 型雨雪量計與人工觀測降水量相關(guān)圖

經(jīng)過相關(guān)關(guān)系公式率定后，JEZ02 型雨雪量計觀測的同時段降水量為100.1 mm，誤差為0.0 mm，滿足《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)范要求，相關(guān)關(guān)系公式合理，可作為本站JEZ02 型雨雪量計降水量訂正使用。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文以人工觀測的數(shù)據(jù)為真實數(shù)據(jù)對照組，對比分析JEZ02 型雨量計觀測數(shù)據(jù)的可靠性，研究結(jié)果表明：人工觀測與JEZ02 型雨雪量計觀測的降水?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系很好，兩者滿足Y=1.0014X+0.015（R2=0.9996），經(jīng)相關(guān)關(guān)系公式訂正后的JEZ02 型雨雪量計觀測的降水量與人工觀測降水量誤差為0.0 mm,滿足《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)范要求，相關(guān)關(guān)系公式合理，可作為本站JEZ02 型雨雪量計降水量訂正使用。

JEZ02 型雨雪量計安裝、調(diào)試準(zhǔn)確，且保證電源充足，在設(shè)備不發(fā)生故障和無特殊天氣的情況下與人工觀測降水?dāng)?shù)據(jù)非常接近，絕對誤差小，可以替代人工觀測雨量在站使用，提高水文站觀測自動化水平。

4.2 建議

JEZ02 型雨雪量計與人工觀測降水?dāng)?shù)據(jù)非常接近，絕對誤差小，可以替代人工觀測雨量在站使用。同時，冬季降雪或特殊天氣情況下還需采用人工觀測，對JEZ02 型雨雪量計每年進(jìn)行注水試驗，根據(jù)天氣情況，不定期進(jìn)行校檢，校檢記錄應(yīng)符合要求，發(fā)現(xiàn)問題及時校正，保證資料的準(zhǔn)確性、連續(xù)性。