稱重式雨量計(jì)在響水口站應(yīng)用分析

單 帥，李 昂，黃 琨，徐逸凡，宋 超

（江蘇省水文水資源勘測(cè)局鹽城分局,江蘇 鹽城 224000）

1 引言

降水是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié),是地表水和地下水的重要來源,與人們的生活、生產(chǎn)和建設(shè)有著極為密切的關(guān)系,因此,在人類活動(dòng)的許多方面需要掌握降水量資料,研究降水規(guī)律。

響水口站于1912 年3 月設(shè)立,常年監(jiān)測(cè)站,位于灌河右岸,屬于淮河流域,沂河水系。主要觀測(cè)水位、降水和蒸發(fā),降水觀測(cè)主要以翻斗式自記雨量計(jì)為主,人工觀測(cè)為輔,在汛期為收集短歷時(shí)暴雨資料,另外安裝虹吸式雨量計(jì)進(jìn)行雨量同步觀測(cè)。現(xiàn)對(duì)2021 年1 月～2022 年12 月共24 個(gè)月資料進(jìn)行對(duì)比分析,研究稱重式雨量計(jì)在響水口站使用的可行性。

2 測(cè)量原理

OTT pluvio2-200 型高精度稱重法雨量計(jì)由承雨器、儲(chǔ)水器、稱重機(jī)構(gòu)、地盤等組成,使用高精度的電子稱重原理進(jìn)行全類型降水量測(cè)量[1]。高精度的重量傳感器可同時(shí)計(jì)量降雨強(qiáng)度,內(nèi)部的電子平衡系統(tǒng)也可高精度地計(jì)量出雨水的蒸發(fā)量（0.01 mm）。承雨器口面積200 cm2,分辨力為0.1 mm,降水強(qiáng)度測(cè)量范圍為0～30 mm/min,測(cè)量量程1500 mm,當(dāng)降雨強(qiáng)度在0.1 mm/min～30 mm/min 范圍內(nèi)變化時(shí),測(cè)量誤差不大于±4%。

翻斗式雨量計(jì)由傳感器和存儲(chǔ)裝置構(gòu)成,翻斗式雨量傳感器主要由承雨器、翻斗、發(fā)信部件、底座組成。承雨器口內(nèi)徑200 mm,分辨力為0.2 mm,降水強(qiáng)度測(cè)量范圍為0～4 mm/min。當(dāng)降雨強(qiáng)度在0.1 mm/min～4.0 mm/min 范圍內(nèi)時(shí),測(cè)量誤差不大于±4%。

3 逐月降水量分析

本次分析主要采用響水口站稱重式雨量計(jì)與翻斗式雨量計(jì)2021 年～2022 年共24 個(gè)月成果數(shù)據(jù),以翻斗式雨量計(jì)為實(shí)際值,稱重式雨量計(jì)為測(cè)量值,分別計(jì)算逐月降水總量、降水天數(shù)和最大日量,對(duì)比分析稱重式雨量計(jì)觀測(cè)降雨過程的準(zhǔn)確性、有效性[2-3],見表1、表2。

表1 2021 年響水口兩種雨量計(jì)逐月降水量統(tǒng)計(jì)表

表2 2022 年響水口兩種雨量計(jì)逐月降水量統(tǒng)計(jì)表

3.1 逐月降水總量對(duì)比分析

稱重式雨量計(jì)記錄2021 年降水總量1130.8 mm,降水天數(shù)89 天,2022 年降水總量696.5 mm,降水天數(shù)69 天；翻斗式雨量計(jì)記錄2021 年降水總量435.0 mm,降水天數(shù)92 天,2022 年降水總量1235.5 mm,降水天數(shù)65 天。2021 年日降水主要集中在7 月～10 月,降水量超50mm 的暴雨有5 次,最大日降水量為7 月16 日的74.2 mm,7 月降雨總量達(dá)402.8 mm,日降水量超50 mm 的有3 次。2022 年降水主要集中在6 月～11 月,降水量超50 mm 的暴雨有1 次,最大日降水量為8 月16 日的68.6 mm,8 月降水總量達(dá)179.2 mm。

根據(jù)表3 兩種雨量器降水量誤差統(tǒng)計(jì)表可知,2021 年92 場(chǎng)次降雨,稱重式雨量計(jì)觀測(cè)降水量較翻斗式雨量計(jì)數(shù)據(jù)為負(fù)有86 場(chǎng)次,日平均降水量誤差-1.2 mm,月降水量誤差最大為12 月-0.6 mm,最小為7 月-32.2 mm,平均-8.7 mm；2022 年65 場(chǎng)次降雨,稱重式雨量計(jì)觀測(cè)降水量較翻斗式雨量計(jì)數(shù)據(jù)為負(fù)有59 場(chǎng)次,日平均降水量誤差-0.8 mm,月降水量誤差最大為12 月-0.7 mm, 最小為6 月-11.7 mm,平均-4 mm,稱重式雨量計(jì)數(shù)據(jù)偏小。

表3 2021 年～2022 年響水口站兩種雨量器降水量誤差統(tǒng)計(jì)表

表4 稱重式雨量計(jì)與翻斗式雨量計(jì)回歸方程

3.2 降水天數(shù)對(duì)比分析

在2021 年3 月26 日的降雨過程中,翻斗式雨量計(jì)觀測(cè)26 日降水量為17.8 mm,27 日降水量為0mm,稱重式雨量計(jì)觀測(cè)26 日降水量為88.4 mm,27 日降水量為145.8 mm,經(jīng)分析是由于稱重式雨量計(jì)發(fā)生儀器故障,導(dǎo)致降水量觀測(cè)異常偏大,在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析過程中,舍棄該場(chǎng)次降雨過程,異常降雨場(chǎng)次占場(chǎng)次降水總數(shù)的1.08%,同時(shí)繪制降水天數(shù)對(duì)比柱狀圖。

針對(duì)2021 年92 場(chǎng)次、2022 年65 場(chǎng)次降雨過程進(jìn)行對(duì)比分析：稱重式雨量計(jì)2021 年漏記6 次降雨,降水量均為0.2 mm；2022 年漏記1 次降雨,降水量為0.2 mm,降水日數(shù)一致率為95.6%。

分析圖1 降水天數(shù)差異原因：

圖1 2021 年～2022 年響水口兩種雨量計(jì)降水天數(shù)對(duì)比

（1）2021 年～2022 年稱重式雨量計(jì)較翻斗式雨量計(jì)漏記共7 次,降水量均為0.2 mm,累計(jì)1.4 mm,分析原因可能是稱重式雨量計(jì)將該降雨定性為落葉等非降雨因素干擾,做刪除處理。

（2）2021 年～2022 年稱重式雨量計(jì)觀測(cè)的降水日數(shù)多于翻斗式雨量計(jì)觀測(cè)日數(shù)共8 次,對(duì)比逐時(shí)觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),稱重式雨量計(jì)觀測(cè)的8 場(chǎng)次降雨的量均為0.1 mm,分析原因是稱重式雨量計(jì)分辨力為0.1 mm,翻斗式雨量計(jì)分辨力為0.2 mm,該8 場(chǎng)次降雨無法被翻斗式雨量計(jì)觀測(cè)記錄,認(rèn)為觀測(cè)數(shù)據(jù)合理。

4 實(shí)測(cè)降水量回歸分析

根據(jù)響水口站觀測(cè)的2021 年～2022 年稱重式雨量計(jì)與翻斗式雨量計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比[4-5],繪制出二者降水量散點(diǎn)圖見圖2,并求解回歸方程,日平均絕對(duì)誤差為-1.0 mm,日平均相對(duì)誤差為-12.3%,,通過回歸方程分析可知：稱重式雨量計(jì)較翻斗式雨量計(jì)測(cè)得的降水量數(shù)據(jù)偏小,相關(guān)性系數(shù)為R2=0.998,即相關(guān)性良好。

圖2 2021～2022 年響水口兩種雨量計(jì)逐日降水量對(duì)比

由對(duì)比圖可知當(dāng)逐日降水量小于70 mm 時(shí),模擬結(jié)果比較理想,說明稱重式雨量計(jì)能記錄降雨過程中雨量變化情況,但存在系統(tǒng)誤差,導(dǎo)致稱重式雨量計(jì)觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)普遍小于翻斗式雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)逐日降水量超過70 mm 時(shí),稱重式雨量計(jì)誤差較大,有可能翻斗式雨量計(jì)在大暴雨情況下,翻斗翻轉(zhuǎn)不及時(shí)造成數(shù)據(jù)誤差。

以2021 年～2022 年逐日降水量數(shù)據(jù)建立的回歸方程作為翻斗式雨量計(jì)與稱重式雨量計(jì)的關(guān)系線,該關(guān)系線為單一曲線,考慮到5 mm 以下數(shù)據(jù)誤差較大,采用大于5 mm的80 場(chǎng)次降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系線檢驗(yàn)。通過符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離檢驗(yàn)及計(jì)算稱重式雨量計(jì)各測(cè)點(diǎn)對(duì)關(guān)系線的標(biāo)準(zhǔn)差、隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)誤差進(jìn)行定線精度檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 定線檢驗(yàn)結(jié)果

表6 2023 年1 月～3 月翻斗式雨量計(jì)與稱重式雨量計(jì)對(duì)比

三種檢驗(yàn)結(jié)果均通過,認(rèn)為定線合理。采用2023 年1 月～3 月降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系線驗(yàn)證,絕對(duì)誤差累計(jì)2.0 mm,平均0.2 mm,認(rèn)為該關(guān)系線能夠滿足模擬精度。誤差相對(duì)較大的3 場(chǎng)次降雨,降水量均小于5 mm。

5 結(jié)論

1）響水口站稱重式雨量計(jì)能夠觀測(cè)記錄降雨過程中雨量變化情況,與翻斗式雨量計(jì)相關(guān)性較好,但觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)普遍小于翻斗式雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于承雨口位置、場(chǎng)地位置、風(fēng)力風(fēng)向存在差異,所以雖同處同一觀測(cè)場(chǎng)地,但仍然會(huì)產(chǎn)生誤差。

2）稱重式雨量計(jì)精度更高,能夠更好適應(yīng)各種降水情況,尤其是在固態(tài)降水,能夠準(zhǔn)確、及時(shí)的采集降雨場(chǎng)次過程,減少由于蒸發(fā)等因素帶來的影響,從源頭上降低了雨量觀測(cè)產(chǎn)生的誤差。

3）翻斗式雨量計(jì)需要每月進(jìn)行巡檢,汛期易出現(xiàn)故障,需要立即檢查維修,稱重式雨量計(jì)測(cè)壓元件是密封處理的,可以長期保持穩(wěn)定,檢查只需每年一次,降水量累計(jì)超過總體積的80%需要清空,相比翻斗式雨量計(jì)能夠節(jié)省人力、物力資源。

4）在大暴雨期間,翻斗式雨量計(jì)容易因大雨強(qiáng)導(dǎo)致翻斗反轉(zhuǎn)不及時(shí),降水量比實(shí)際偏小,稱重式雨量計(jì)能夠很好觀測(cè)大暴雨期間降水過程,降低由于大雨強(qiáng)導(dǎo)致的降水量誤差。

5）稱重式雨量計(jì)也存在不足：出現(xiàn)故障時(shí)維修調(diào)試難度大,容易受到非降雨因素干擾,比如落葉、鳥等,造成數(shù)據(jù)誤差。