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(gè)，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(gè)自動(dòng)雨量和水位站，中小河流項(xiàng)目新增140 多個(gè)水文(水位)站，但是水文職工沒有增加。而且隨著水文自動(dòng)化的快速發(fā)展，遙測自計(jì)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(bǔ)給源，時(shí)水量平衡計(jì)算的重要要素之一，其觀測精度直接影響到水站計(jì)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(jì)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(xiàng)目水位和降水量采用的自計(jì)儀器測驗(yàn)精度進(jìn)行了對比分析，能為新疆水文測驗(yàn)自動(dòng)化和無人職守的實(shí)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(bǔ)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(bǔ)給為主。

2 自計(jì)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(gè)水文站，現(xiàn)有測驗(yàn)項(xiàng)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(jìn)行了水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)，雨量傳感器使用JDZ05 －1 型翻斗式雨量計(jì)，水位使用OTT RLS 雷達(dá)水位計(jì)。

瑪納斯河流域各水文站配備的水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)是YAC9900 型多路徑遙測終端，主要由水位計(jì)、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(shí)驗(yàn)階段。能實(shí)現(xiàn)雨量、水位信息的自動(dòng)采集、存貯，并通過通信信道實(shí)時(shí)、定時(shí)自動(dòng)傳送至中心站，希望盡快實(shí)現(xiàn)“有人看管、無人值守”的管理模式［2］。

2.1 自記雨量計(jì)的性能指標(biāo)

JDZ05 －1 型翻斗式雨量計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)有:

1)工作溫度為 －20 ℃～+55 ℃;

2)適宜雨強(qiáng)范圍為0.01 ～4 mm/min;

3)翻斗計(jì)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(diǎn)是受蒸發(fā)以及人為的測計(jì)誤差影響。

2.2 水位計(jì)性能指標(biāo)

OTT RLS 雷達(dá)水位計(jì)是一款非接觸式水位計(jì)，采用脈沖雷達(dá)技術(shù)對水位進(jìn)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(shí)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(dá)水位計(jì)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(jì)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(gè)部分。

3.1日降水量統(tǒng)計(jì)分析

為了對兩種觀測儀器進(jìn)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(jì)與人工觀測雨量器平行觀測的6—8月份月降水量進(jìn)行誤差分析。選取6—8月份日降水量是因?yàn)樘焐奖逼潞恿魉恼径荚谏絽^(qū)，海拔較高900 ～1 320 m，9月—次年5月由于氣溫會(huì)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(jì)的分辨率為0.2 mm，因此，遙測雨量計(jì)與人工觀測雨量相差＞0.2 mm 考慮為誤差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。瑪納斯沙流域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(jìn)行比較，4個(gè)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(jì)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(jì)與人工觀測降水量2014年日降水量進(jìn)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(huì)使翻斗處于非正常平衡狀態(tài)，或控制2個(gè)漏斗底部的旋轉(zhuǎn)螺釘偏低或偏高會(huì)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(huì)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(shí)間，在其翻斗翻轉(zhuǎn)的過程中，會(huì)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(qiáng)度較大時(shí)，這一誤差是比較明顯的。

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

5)時(shí)段或日分界時(shí)的雨量應(yīng)該是上一時(shí)段或者是上一日的量，在分界線時(shí)翻斗沒有翻轉(zhuǎn)所以雨量值記到下一時(shí)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(shí)間長或者降水后沒有及時(shí)觀測，蒸發(fā)會(huì)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(jì)測驗(yàn)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(yàn)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(jìn)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(shí)際只有62 d。

點(diǎn)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(dá)到0.971，相關(guān)方程為:

式中:Y計(jì)為遙測水位計(jì)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(jì)算公式為:

式中:Sg為標(biāo)準(zhǔn)差;x 為遙測雨量計(jì)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(jì)的水位資料，經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(jì)的測驗(yàn)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(jì)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(jì)日平均水位與人工觀測日平均水位的相對誤差進(jìn)行比較，日平均水位計(jì)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(gè)測段分段進(jìn)行，本站只有近3個(gè)月的實(shí)測值資料共計(jì)62個(gè)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(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)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(dá)規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

對于遙測儀器設(shè)備，為了使其測驗(yàn)精度滿足要求需做到以下3 點(diǎn):

1)要保證儀器設(shè)備安裝調(diào)試達(dá)到設(shè)計(jì)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(yùn)行狀況，隨時(shí)對儀器進(jìn)行必要的維護(hù)和調(diào)試，先進(jìn)的儀器設(shè)備如果疏于維護(hù)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(shí)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(xiàng)目采用遙測自計(jì)儀器越來越普遍，不但能夠提高自動(dòng)化水平，減輕測站人員的勞動(dòng)強(qiáng)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(jìn)一步提高測站測驗(yàn)的自動(dòng)化水平。

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

［2］迪力木拉提·努高達(dá)盞來提. 遙測水位計(jì)在水齊測站工作中的應(yīng)用管理［J］. 水利科技與經(jīng)濟(jì)，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.