雨量自动测报系统可靠性及误差分析

吕树龙

（辽宁省水文局，辽宁沈阳 115003）

1 简述

随着时代的进步和科技的发展，雨量报汛手段不断增强。由原始的人工观测再拍发电报发展到自记雨量计及语音电话发报，进而演变到雨量自动化终端测量雨量通过GPRS传输。科技的进步不断改变着水文观测的现实，利用电脑、网络等自动化手段传输水情情报，不仅解放了劳动力，也提高了工作效率。

雨量自动报汛系统由采集终端和分中心系统组成，采集终端通过自动感应降雨，计数并通过触发器出发传输设备，通过GPRS信道传输到分中心，分中心系统接收数据处理并写入数据库，再通过查询系统进行显示、查询，通过信息交换系统转发到省中心。

营口地区雨量自动报汛系统始建于2006年，初期遥测站只建设了基本水文站及大中型水库。经过不断地发展建设，逐步覆盖小一型水库站、中小河流雨量站，站点遍布本地区各流域水系的山区、平原区。

营口地区雨量自动报汛系统遥测站采用YAC9900多路径遥测终端设备构建，设备自动监测雨量数据，数据通过GPRS/GSM通信网络传输到水情分中心。遥测站具有数据采集、存储、触发传输的功能，由雨量传感器、控制器（RTU）、通信模块、蓄电池、太阳能板及充电控制器及信号避雷设备构成，其结构如图1所示。分中心由信号接收通信模块，计算机数据处理系统和数据库组成。

雨量自动报汛系统的建设与使用，极大的提高了水情报汛的时效性，实现和雨量数据的实时测报，使防汛工作能够更加快速、详细的了解雨情情报。然而系统的可靠性和误差情况，也一直存在很大的争议，对水文资料的准确性有很大的影响。通过对自动化报汛系统可靠性以及雨量数据与人工数据的分析，不断提高系统的可靠性及精度，才能保证水文资料的可靠性与连续性。

2 系统运行可靠性

雨量自动报汛系统的可靠性是水情信息及时采集与传输的关键，可靠性好坏主要反应在终端故障率、传输网络畅通性上。通过分析系统的数据传输，定时畅通率可以放映出雨量自动报汛系统的稳定程度。

图1 遥测站设备组成结构示意图

系统可靠性，用系统在规定条件下和规定的时间内，完成数据收集的月平均畅通率和完成数据处理作业的完成率来衡量。

系统的月平均畅通率应达到，平均每个数据收集周期有95%以上的遥测站（重要控制站必须包括在内）能把数据准确送到分中心。

系统畅通率（P）按下式计算：

式中：N——为系统设定的定时报汛次数；m——为系统接收到的定时数据次数。

为了能够反映出系统在各种降雨条件下的可靠性，选取有大雨发生的年份资料。因系统主要应用于汛期，非汛期的使用有限，维护、检修也都不能及时到位，故选择有大洪水发生的2012年6—8月份的数据进行分析。遥测终端雨量传感器为0.5 mm计数，达到设定值进行传输，定时数据为每日24次，即每小时发送一次定时数据。通过对6—8月份系统接收到的定时数据进行统计，实际收到的数据条数与应该收到的数据条数相比，得出定时数据传输畅通率。可以看出各站均保持在98%以上，其中通过GPRS信道传输数据占90%以上。GSM信道传输主要是由于当地信号较弱，GPRS不稳定导致系统自动切换到备用信道。

3 降水量误差分析

3.1 误差分析方法及标准

自动报汛系统的雨量数据其准确性是否满足服务防汛工作及水文资料整编的要求，需通过与人工观测数据进行对比分析。为了控制人工观测数据的准确性，选用的基本水文站和基本雨量站的报汛数据进行对比分析。

营口地区所使用的遥测终端雨量传感器分辨率为0.5 mm，按照相关规范规定，降雨量量测的相对误差与绝对误差应满足：

1）当降水量小于等于12.5 mm时，允许的绝对误差不超过±0.5 mm。

式中：δ——绝对误差；P遥——遥测雨量数值；P人——人工观测雨量数值。

2）当降水量大于12.5 mm时，允许的相对误差为±4%。

式中：δ——绝对误差；P遥——遥测雨量数值；P人——人工观测雨量数值。

6—8月份降雨数据按日、旬、月和场次分四种情况，分别分析遥测数据与人工数据的误差情况，并做统计汇总并对最大场地降水及总降水量进行分析对比。

3.2 误差分析结果

对营口地区报汛的基本水文站、基本雨量站5—8月份的遥测数据与人工数据进行对比分析。以营口站为例的降水量对比分析数据见表1及图2。

表1 营口站 7月日雨量对比分析表

图2 营口站6-8月雨量数据对比柱状图

日降水量对比分析：5站3个月共计降水199 d次，在误差允许范围内的天数为172 d，合格率为86.4%。其中：降水量小于等于12.5 mm的天数为140 d，绝对误差超标14 d，合格天数为126 d，合格率为90%，最大绝对误差为1.5 mm；降水量大于12.5 mm的天数为59 d，相对误差超标13 d，合格天数为46 d，合格率为77.9%，最大相对误差为8.91%。

旬降水量对比分析：5站3个月共统计旬降水量45个，超标8个，在误差允许范围内37个，合格率为82.2%。其中：降水量小于等于12.5 mm的旬数为11个，绝对误差超标1个，合格旬数为10个，合格率为90.9%，最大绝对误差为0.7 mm；降水量大于12.5 mm的旬数为34个，相对误差超标9个，合格旬数为25个，合格率为73.5%，最大相对误差为7.5%。

月降水量对比分析：5站3个月共统计月降水量15个，超标3个，在误差允许范围内12个，合格率为80%。

以营口站为例的旬月降水量对比分析见表2。

表2 营口站 旬月雨量对比分析表

场次降雨量对比分析：每站选取5场降雨进行对比分析，共计25场，超标7场，在误差允许范围内18个，合格率为72%。以营口站为例的场次降水量对比分析，见表3。

表3 营口站 场次雨量对比分析表

年度最大场次降雨分析：营口站7月28日至8月4日遥测降水量267 mm，人工降水量262 mm，其绝对误差为5 mm，相对误差为1.91%。

总降水量对比分析：6—8月5站总降水量遥测数据为2 200 mm，人工数据为2 192.1 mm，其绝对误差为7.9 mm，相对误差为99.6%。

4 误差原因分析

根据以上统计分析可以看出，遥测降水量与人工观测数据的绝对误差并不是很大，合格率能达到90%以上，而相对误差得合格率也在70%以上。由于各站所处的地理位置、周围环境、仪器状况、系统维护等原因都会对分析结果产生影响。

1）仪器精度误差。由于雨量传感器的分辨率为0.5 mm，在降雨停止时，未达到0.5 mm的雨量不会计数，或被蒸发或累加到下一次降水中。造成雨量偏差。

2）系统时钟误差。由于各终端设备的时钟经常会不一致，随着时间的延长，时钟偏差越大。这就造成了整点雨量计数的偏离。管理人员应定期进行全部设备的时钟校准。

3）设备维护不及时。电子设备收到环境影响常会出现故障，有时会出现数据跳变、死机等故障，维护不及时必然会导致数据的丢失。

4）设备调校不准。雨量传感器依靠电磁元件感应翻斗并计数，如磁头调校不准会造成感应数据不灵敏。

5）雨量翻斗不灵活。设备长期暴露在外，雨量翻斗会积尘、淤泥，造成翻斗量测不平衡，翻转不畅，也会造成雨量足就翻转。

5 结语

通过对比分析，可以看出自动报汛系统的可靠性很高，相较人工数据仍有一定误差存在，但雨量总值基本相当。误差主要由设备故障、系统调试维护等方面造成。相比人工报汛在时效性、便利性上有很大优势。

遥测雨量计的应用大大提高了雨量报汛的工作效率，推进了自动化报汛系统的建设，促进了水情报汛工作的快速发展，为防汛决策更及时的提供参考。随着对文现代化的不断发展，自动化报汛必将全面渗透到水文工作的各个部位，为了更好将现代化工具的应用与生产实践，提高工作效能，促进质量提升，必须敢于应用，勤于总结，精于分析。为了充分发挥现代化设备的作用，更要加大力度维护保养，减少系统故障。同时也要大力提高人员素质，工作技能，规范操作流程，实行标准化建设与管理。