李樹波

（新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番水文勘測局，新疆 吐魯番 838000）

隨著水文科技事業(yè)的發(fā)展，近年來，有一大批先進(jìn)儀器投入水文測報(bào)工作中。由于區(qū)域水文差異影響，這些儀器的選擇和使用也需區(qū)別對待。為了提高水文科技水平、提高觀測精度，現(xiàn)以阿拉溝水文站為例，對自動儀器與人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比測分析。

1 概況

阿拉溝河發(fā)源于天格爾山南側(cè)和阿拉溝山北側(cè)，河源高程4400 m，雪線高程3980 m[1]。流域地形西北高東南低，海拔高度自西向東從4400 m 降至780 m 左右；高山區(qū)降水豐沛，是阿拉溝河徑流主要形成區(qū)。徑流來源主要為冰川融水、融雪、降雨、地下水等，河流主要以降雨與地下水補(bǔ)給為主。阿拉溝河呈東西流向，進(jìn)入托克遜縣與白楊河匯合，再向東注入艾丁湖[2]，屬于內(nèi)陸河湖，地跨烏魯木齊市、巴音郭楞蒙古自治州和靜縣、吐魯番市托克遜縣。

1.1 測站基本情況

阿拉溝水文站位于吐魯番市托克遜縣阿樂惠鎮(zhèn)，設(shè)立于1956年11月，1997年7月測驗(yàn)斷面下遷5000 m，更名為阿拉溝（二）水文站，2015年1月上遷40 m，主管機(jī)構(gòu)為新疆維吾爾自治區(qū)水文局[3]。測站以上集水面積1861 km2，是區(qū)域代表站、省級重要站，觀測項(xiàng)目有氣溫、降雨、蒸發(fā)、流量等。阿拉溝水文站氣象場北面有山體斜坡，測站實(shí)現(xiàn)了電話寬帶連接及4G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

1.2 氣象場基本情況

阿拉溝水文站氣象場于1957年2月設(shè)立，配有人工觀測氣溫百葉箱、20 cm 口徑蒸發(fā)器和20 cm 口徑雨量筒，均為人工觀測記錄。2022年6月1日，升級改造新增20 cm口徑自動蒸發(fā)系統(tǒng)，配有包括1套集氣溫、風(fēng)向、氣壓等傳感器于一體的自動氣象儀、1套雨量傳感器在內(nèi)的一系列自動化設(shè)備。同時，根據(jù)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL 630-2013）要求，氣象場設(shè)定為12 m×12 m的標(biāo)準(zhǔn)場地。

2 觀測設(shè)備及觀測情況

2.1 儀器設(shè)備改造情況

依托“十四五”規(guī)劃提檔升級項(xiàng)目，阿拉溝水文站對站屬水文儀器進(jìn)行了升級改造，引進(jìn)錦州陽光自動氣象設(shè)備。其中，氣象場設(shè)備升級改造于2022年6月1日前完成，并進(jìn)行了測試。

全自動氣象站由采集器、溫濕度傳感器、風(fēng)向風(fēng)速傳感器、氣壓傳感器、雨量傳感器、4G 無線模塊和內(nèi)網(wǎng)模塊、20 cm 蒸發(fā)傳感器及太陽能供電系統(tǒng)等組成。

2.1.1 采集器

采集器控制系統(tǒng)主機(jī)是整套系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，主要負(fù)責(zé)整套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和邏輯處理[4]。采集器主機(jī)直接控制氣象六要素變化模塊和外設(shè)開關(guān)量主控模塊，另外還負(fù)責(zé)與服務(wù)器通信和數(shù)據(jù)交換。外設(shè)控制模塊主要負(fù)責(zé)蒸發(fā)、雨量、補(bǔ)水溢流系統(tǒng)內(nèi)部的開關(guān)量模塊控制，下發(fā)開關(guān)量指令。4G 通信模塊或內(nèi)網(wǎng)通信模塊主要功能是與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)傳交換。太陽能與充電控制器負(fù)責(zé)對整套系統(tǒng)進(jìn)行供電。本站通信模塊以內(nèi)網(wǎng)為主，4G備用。

2.1.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器用于氣溫觀測，控制系統(tǒng)每5 min采集1 次數(shù)據(jù)，除確保按規(guī)范要求8、12、20 時采集外，還要確保日最高、最低氣溫采集，以便掌握最高最低氣溫變化過程，便于和人工觀測數(shù)據(jù)對比。

2.1.3 雨量傳感器

雨量傳感器為0.2 mm 翻斗雨量計(jì)，其標(biāo)準(zhǔn)口徑為20 cm 口徑雨量筒。該雨量計(jì)采用雙翻斗工作模式，解決了雨量測量的精度問題，同時大雨測量精度可以達(dá)到0.2 mm。截流閥和溢流閥是截止雨水流入和雨水自動溢出的裝置，主要是配合降雨量觀測時間與主機(jī)控制系統(tǒng)一起工作，由控制系統(tǒng)主機(jī)來計(jì)算雨水蒸發(fā)量，同時上報(bào)雨量或進(jìn)行其他操作。

2.1.4 蒸發(fā)傳感器

蒸發(fā)傳感器為20 cm 標(biāo)準(zhǔn)口徑蒸發(fā)稱重系統(tǒng)，用于稱量蒸發(fā)皿內(nèi)水的重量，包括蒸發(fā)秤、蒸發(fā)秤座和蒸發(fā)秤盤。稱重傳感器將測量皿中的水重量傳送給控制系統(tǒng)主機(jī)，由控制主機(jī)通過水的體積和密度關(guān)系計(jì)算出水位變化高度，并進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)報(bào)送。

2.2 觀測情況

觀測儀器經(jīng)過調(diào)試后，于2022年6月3日開始正式比測。其間，人工觀測與全自動氣象系統(tǒng)觀測同步進(jìn)行，采集7月1日—10月10日數(shù)據(jù)作對比分析。

3 比測分析

3.1 資料選取

采用2022年7月1日—10月10日共102 d 的觀測數(shù)據(jù)，從整點(diǎn)、最高和最低氣溫以及蒸發(fā)量、降水量方面進(jìn)行對比分析。其中，由于外界因素造成蒸發(fā)量數(shù)據(jù)異常，采用人工蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)誤差較大。

3.2 誤差分析

3.2.1 氣溫

通過對102 d 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出常溫、最高氣溫、最低氣溫誤差結(jié)果，詳見表1。由表1可知，常溫|誤差|在0～0.2 有220 點(diǎn)，占總數(shù)的71.9%；|誤差|在0.3～0.5 有57 點(diǎn)，占總數(shù)的18.6%；|誤差|在0.6～0.8 有14 點(diǎn)，占總數(shù)的4.6%；|誤差|在0.9～1.1 有10點(diǎn)，占總數(shù)的3.3%；|誤差|在1.2 以上有5 點(diǎn)，占總數(shù)的1.6%。最大|誤差|為0.3。

表1 2022年7月1日—10月10日氣溫誤差統(tǒng)計(jì)

最高氣溫|誤差|在0～0.2 有40 d，占總數(shù)的39.2%；|誤差|在0.3～0.5 有44 d，占總數(shù)的43.2%；|誤差|在0.6～0.8 有10 d，占總數(shù)的9.8%；|誤差|在0.9～1.1 有4 d，占總數(shù)的3.9%；|誤差|在1.2 以上有4 d，占總數(shù)的3.9%。最大|誤差|為1.0。

最低氣溫|誤差|在0～0.2 有8 d，占總數(shù)的7.8%；|誤差|在0.3～0.5有11 d，占總數(shù)的10.8%；|誤差|在0.6～0.8 有35 d，占總數(shù)的34.3%；|誤差|在0.9～1.1 有25 d，占總數(shù)的24.5%；|誤差|在1.2～1.4 有9 d，占總數(shù)的8.8%；|誤差|在1.5以上的有14 d，占總數(shù)的13.8%。最大|誤差|為1.0。

通過對自動與人工觀測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，常溫觀測|誤差|在0.2以內(nèi)占比達(dá)71.9%，加上|誤差|在0.3～0.5占比18.6%，總數(shù)達(dá)到90.5%。最高氣溫自動與人工觀測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，|誤差|在0.2以內(nèi)占比達(dá)39.2%，加上|誤差|在0.3～0.5 占比43.2%，總數(shù)達(dá)到82.4%。最低氣溫自動與人工觀測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，誤差較大且無規(guī)律，|誤差|在0.6～0.8占比為34.3%、0.9～1.1占比為24.5%，兩者合計(jì)為58.8%；其他占比不高，最大|誤差|達(dá)到4.4℃。

3.2.2 蒸發(fā)量

采用2022年6月1日—7月21日的日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果詳見表2。由表2可知，|誤差|≤10%占總數(shù)的6.9%，|誤差|10%～20%占總數(shù)的3.4%，|誤差|20%～30%占總數(shù)的44.8%，|誤差|30%～40%占總數(shù)的31.1%，|誤差|＞40%占總數(shù)的13.8%。日最大|誤差|為69%。

表2 2022年6月1日—7月21日蒸發(fā)量誤差統(tǒng)計(jì)

由表2 可知，自動與人工觀測方法在同地測量蒸發(fā)量有明顯的異常差別。通過對2022年6月1日—7月21日的日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，自動觀測所得的日累計(jì)誤差較大，需要持續(xù)對比觀測，以便進(jìn)一步分析。

3.2.3 降水量

本次降水誤差分析采用注水試驗(yàn)進(jìn)行。按相關(guān)規(guī)范要求，注水前應(yīng)注入5～10 mm清水濕潤過水部件，并檢查翻斗運(yùn)轉(zhuǎn)是否靈活、信號輸出是否正常，清除翻斗存留水量后，以注入法進(jìn)行試驗(yàn)。采用量雨杯以1.5～2.5 mm/min 的模擬降雨強(qiáng)度向儀器注入清水，同時對翻斗翻轉(zhuǎn)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，翻斗翻轉(zhuǎn)50 次立即停止注水，記錄注入水量、傳感器輸出值和歷時。分辨力為0.2 mm 的儀器每次注入水量不少于10 mm。至少進(jìn)行3 次試驗(yàn)，取其注入水量的平均值。

對儀器輸出值與注入水量進(jìn)行比較，按下式計(jì)算儀器測量誤差：

式中：Eb為測量誤差（%）；Vm為儀器記錄水量（mm）；為注入水量的平均值（mm）。

自記雨量器測量誤差分析，詳見表3。

表3 自記雨量器測量誤差分析

由表3 可知，通過5 次注水比測分析，儀器記錄水量均為10 mm 時其注入量平均值是10.3 mm，測量誤差為-2.91%。

4 注意事項(xiàng)

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，除了使用儀器之外，觀測管理也很重要。為保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在儀器運(yùn)行期間，應(yīng)指定專人進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，每月按照水文規(guī)范進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)對比，一旦發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象應(yīng)及時處理或聯(lián)系廠家技術(shù)人員排查問題。在日常觀測中，要注意以下事項(xiàng)：觀測氣溫時，應(yīng)提前進(jìn)入氣象場，準(zhǔn)時觀測，以便與自動觀測同步進(jìn)行。9月28日—10月30日，整點(diǎn)準(zhǔn)時觀測數(shù)據(jù)精度較高；定期檢查百葉箱是否有松動，防止氣溫表有傾斜現(xiàn)象；每年進(jìn)行一次系統(tǒng)準(zhǔn)確度校驗(yàn)；定期清洗20 cm 口徑蒸發(fā)皿，建議早上8時以后清洗，避開下雨和整點(diǎn)時段，清洗前先關(guān)閉系統(tǒng)總電開關(guān)和蒸發(fā)桶內(nèi)的閥門；定期檢查雨量承雨口，承雨口內(nèi)應(yīng)保持清潔，避免沙塵與雜物堵塞承雨口。

5 結(jié)語

水文新儀器的使用可以提高時效、減輕人力。通過對阿拉溝水文站氣溫、蒸發(fā)、降水自動與人工觀測數(shù)據(jù)比測發(fā)現(xiàn)，其誤差在可控范圍內(nèi)，只要加強(qiáng)管理和設(shè)備維護(hù)，注意觀測事項(xiàng)，完全可以滿足水文觀測需求。