玛纳斯河流域遥测水位和雨量计测验精度对比分析

商 莉，蒋 华，程晓燕

(新疆石河子水文水资源勘测局，新疆 石河子832000)

0 引 言

新疆现有水文站130 多个，以人工观测为主，人员严重不足。近几年山洪灾害防治新建设了2000多个自动雨量和水位站，中小河流项目新增140 多个水文(水位)站，但是水文职工没有增加。而且随着水文自动化的快速发展，遥测自计水文仪器也是今后发展的必然趋势。

新疆水文站水位监测主要是为了推求流量，水位监测准确与否直接关系到流量或河川径流量的准确性，而降水量又是河川径流的补给源，时水量平衡计算的重要要素之一，其观测精度直接影响到水站计算的准确性。

近年来新疆水文系统安装了大量遥测自计仪器，发现与人工观测值比较出现误差较大的现象。分析误差产生的原因，消除由于仪器设备和人为因素产生的误差势在必行。

因此，选择位于天山北坡的玛纳斯河流域水文站主要观测项目水位和降水量采用的自计仪器测验精度进行了对比分析，能为新疆水文测验自动化和无人职守的实施提供帮助［1］。

1 玛纳斯河流域概况

玛纳斯河流域位于准葛尔盆地南缘天山北麓，范围介于E85°01' ～E86°32'，N43°27' ～N45°21'，流域总面积2.43 ×102km2，其中山区1.1 ×102km2。流域地势由东南向西北倾斜，流域海拔最高5242.5m，最低256m。

玛纳斯河流域主要有5 条河流组成，东起塔西河，依此为玛纳斯河、宁家河、金沟河，西至八音沟河，其中较大的河流有塔西河、玛纳斯河和金沟河，均发源于天山依连哈比尔尕山山脉，海拔高程3600m 以上为终年积雪覆盖，冰川面积1037.68km2，是河流的补给源之一。玛纳斯河是天山北坡径流量最大的河流，河川径流主要以降水补给为主。

2 自计仪器使用现状

玛纳斯河流域主要有玛纳斯河肯斯瓦特站、煤窑站，清水河子站;金沟河八家户站和塔西河石门子站5个水文站，现有测验项目主要有降水量、蒸发量、水温、气温、水位、流量、泥沙、水质等。该流域于2014年3月进行了水文自动测报系统建设，雨量传感器使用JDZ05 －1 型翻斗式雨量计，水位使用OTT RLS 雷达水位计。

玛纳斯河流域各水文站配备的水文自动测报系统是YAC9900 型多路径遥测终端，主要由水位计、雨量传感器、数据采集终端(RTU)、数据传输信道、通信设备组成。目前还处于比测和实验阶段。能实现雨量、水位信息的自动采集、存贮，并通过通信信道实时、定时自动传送至中心站，希望尽快实现“有人看管、无人值守”的管理模式［2］。

2.1 自记雨量计的性能指标

JDZ05 －1 型翻斗式雨量计主要技术指标有:

1)工作温度为 －20 ℃～+55 ℃;

2)适宜雨强范围为0.01 ～4 mm/min;

3)翻斗计量误差＜ ± 4% ，仪器分辨率为0.2 mm。

按照气象规范要求观测，人工测量记载雨量使用的是普通式雨量器，缺点是受蒸发以及人为的测计误差影响。

2.2 水位计性能指标

OTT RLS 雷达水位计是一款非接触式水位计，采用脉冲雷达技术对水位进行测量，这种节能、非接触式的测量技术使得OTT RLS 在测量时不受温度梯度、水中污染物以及沉淀物的影响，因而可以获取精确的测量结果。OTT RLS 雷达水位计的测量范围:0.8 ～35m，测量精度为±3 mm。

3 降水量观测对比分析

降水量观测对比分析包括:日降水量统计分析、雨量对比观测值结果分析及评和雨量误差原因分析3个部分。

3.1日降水量统计分析

为了对两种观测仪器进行比较分析，选取肯斯瓦特、八家户、煤窑、石门子四站2014年遥测翻斗式雨量计与人工观测雨量器平行观测的6—8月份月降水量进行误差分析。选取6—8月份日降水量是因为天山北坡河流水文站都在山区，海拔较高900 ～1 320 m，9月—次年5月由于气温会出现在0℃以下，降水有可能是固态降水。

3.2 雨量对比观测值结果分析

JDZ05—1 雨量计的分辨率为0.2 mm，因此，遥测雨量计与人工观测雨量相差＞0.2 mm 考虑为误差值进行统计分析。玛纳斯沙流域4 站日雨量误差分析见表1。

由表1 可看出:

1)以人工观测降水量为标准，将遥测降水量与之进行比较，4个站合格率在73.3% ～93.5%，其中八家户站的合格率最低。

2)其误差的变幅范围一般在2 mm，八家户和煤窑站各有一次出现了1.9 mm。

3)系统误差Sj的计算见公式(2)，范围在－0.046 ～0.87 mm之间。

表1 玛纳斯河流域4 站日雨量误差分析

3.3 雨量误差原因分析

3.3.1 仪器本身产生误差

对遥测雨量计与人工观测降水量2014年日降水量进行对比分析，引起误差主要原因是仪器本身性能造成的误差:

1)由于仪器本身水平状态未调整好，会使翻斗处于非正常平衡状态，或控制2个漏斗底部的旋转螺钉偏低或偏高会造成系统偏大或偏小。

2)翻斗内存有灰尘或其它杂物沉积后，必然会增加翻斗的重量而提前翻转，使测得的雨量偏大。

3)翻斗的翻转需要一定的时间，在其翻斗翻转的过程中，会有额外的雨水流入已经容纳规定雨量的斗内使观测值偏小，在降雨强度较大时，这一误差是比较明显的。

4)选用翻斗式雨量计分辨率为0.2 mm，如降水量不为0.2 的倍数时，其误差可能偏大或偏小。

5)时段或日分界时的雨量应该是上一时段或者是上一日的量，在分界线时翻斗没有翻转所以雨量值记到下一时段，从2014年八家户站的数据整理中发现，此种情况极易发生，这也是造成雨量观测数据偏大或偏小的原因。

3.3.2 人为因素产生误差

人为因素引起降水量的误差主要是:

1)降水时间长或者降水后没有及时观测，蒸发会造成观测值偏小。

2)人工观测可造成的水量流失、水量贴附在蓄水器侧面上所造成的降水量偏小以及人工观测出现系统误差等。

通过以上分析，遥测雨量计测验数据还需经过分析才能参加整编。

4 水位观测对比分析

水位对比分析资料采用的是金沟河的八家户水文站2014年6—8月日平均水位。测站顺直河段长约0.5 km，断面上游约200m 为弯道，下游约100m为弯道。两岸边为基岩，河床组成主要是砂卵石、砾石。测站测验断面、河槽的底坡、断面的形状、糙率等水力因素比较稳定，为易形成河槽控制的河段。基本水尺断面设在水流顺畅、无旋涡、回流、死水等情况的断面，并且垂直于流向。

4.1 水位对比观测值精度分析及评定

选取八家户站2014年6—8月遥测日平均水位与人工观测日平均水位进行分析。6月1—19日，8月8—18日由于电站渠引水，河道几乎干涸。因此水位对比分析资料实际只有62 d。

点绘八家户站7月人工观测和遥测水位过程见图1，两者变化趋势比较一致，遥测水位过程基本能够与人工观测过程相吻合。

图1 八家户站2014年7月人工观测和遥测水位对比图

从八家户站7月人工观测和遥测水位相关图见图2，两者相关性较好，相关系数R 达到0.971，相关方程为:

式中:Y计为遥测水位计值;X人为人工观测值。

图2 八家户站2014年7月人工观测和遥测水位相关图

根据《水位观测规范》GB/T50138—2010 要求，置信水平95%的综合不确定度应为3cm，系统误差应为1cm 。问题突出的区域可放宽到5cm。不确定度U95=2 Sg［3］。计算公式为:

式中:Sg为标准差;x 为遥测雨量计值;x″为人工观测值;n 为系列数;U95为不确定度;Sj为系统误差。

对八家户水文站人工观测与遥测水位计的水位资料，经统计系统误差Sj为－4.7cm，标准差Sg为9cm ，不确定度U95=2* Sg=18cm。可以看出，遥测水位计的测验误差较大。

4.2 水位误差原因分析

从2014年6—9月遥测水位计日平均水位与人工观测日平均水位对比观测结果分析看，以人工观测日平均水位为标准，将遥测水位计日平均水位与人工观测日平均水位的相对误差进行比较，日平均水位计日平均水位相对误差在± 5% 以内，最大4.5%。

若按照规范要求，采用不确定度来评定是不合格的。应该按照水位变幅分几个测段分段进行，本站只有近3个月的实测值资料共计62个值，系列较短，况且2014年玛纳斯河流域是枯水年，水位变化不大。

从过程线图1 看出，7月21日以后，对比数据有较大系统误差，遥测水位值比人工观测值偏小，需要进行进一步的实际情况调查分析，可能是没有调试校核所致。

鉴于2014年的偏枯水情，没有发生高洪和超警戒水位等情况，缺乏一定代表性。所以标准差和不确定度没有到达规范要求。

5 结 论

对于遥测仪器设备，为了使其测验精度满足要求需做到以下3 点:

1)要保证仪器设备安装调试达到设计的性能指标，这是满足精度要求的重要保证。

2)在使用过程中要经常检查仪器设备的运行状况，随时对仪器进行必要的维护和调试，先进的仪器设备如果疏于维护和调试都有可能出现较大偏差。

3)要考虑仪器设备使用的条件和环境与实际是否比较相配，也是必须考虑的重要问题。

总之，水文站水位和降水量等观测项目采用遥测自计仪器越来越普遍，不但能够提高自动化水平，减轻测站人员的劳动强度，也是今后发展的必然趋势。所以，必须高度重视遥测仪器设备的正常使用，进一步提高测站测验的自动化水平。

［1］陈松生，魏进春. 水文测验精度研究［J］. 水文，2011，31(S1):21 －25.

［2］迪力木拉提·努高达盏来提. 遥测水位计在水齐测站工作中的应用管理［J］. 水利科技与经济，2013，19(09):119 －120.

［3］中华人民共和国水利部.《水位观测规范》GB/T50138—2010［S］. 北京:人民出版社，2010.