阿拉沟站水文观测仪器应用比测分析

李树波

（新疆维吾尔自治区吐鲁番水文勘测局，新疆 吐鲁番 838000）

随着水文科技事业的发展，近年来，有一大批先进仪器投入水文测报工作中。由于区域水文差异影响，这些仪器的选择和使用也需区别对待。为了提高水文科技水平、提高观测精度，现以阿拉沟水文站为例，对自动仪器与人工观测数据进行比测分析。

1 概况

阿拉沟河发源于天格尔山南侧和阿拉沟山北侧，河源高程4400 m，雪线高程3980 m[1]。流域地形西北高东南低，海拔高度自西向东从4400 m 降至780 m 左右；高山区降水丰沛，是阿拉沟河径流主要形成区。径流来源主要为冰川融水、融雪、降雨、地下水等，河流主要以降雨与地下水补给为主。阿拉沟河呈东西流向，进入托克逊县与白杨河汇合，再向东注入艾丁湖[2]，属于内陆河湖，地跨乌鲁木齐市、巴音郭楞蒙古自治州和静县、吐鲁番市托克逊县。

1.1 测站基本情况

阿拉沟水文站位于吐鲁番市托克逊县阿乐惠镇，设立于1956年11月，1997年7月测验断面下迁5000 m，更名为阿拉沟（二）水文站，2015年1月上迁40 m，主管机构为新疆维吾尔自治区水文局[3]。测站以上集水面积1861 km2，是区域代表站、省级重要站，观测项目有气温、降雨、蒸发、流量等。阿拉沟水文站气象场北面有山体斜坡，测站实现了电话宽带连接及4G无线网络覆盖。

1.2 气象场基本情况

阿拉沟水文站气象场于1957年2月设立，配有人工观测气温百叶箱、20 cm 口径蒸发器和20 cm 口径雨量筒，均为人工观测记录。2022年6月1日，升级改造新增20 cm口径自动蒸发系统，配有包括1套集气温、风向、气压等传感器于一体的自动气象仪、1套雨量传感器在内的一系列自动化设备。同时，根据《水面蒸发观测规范》（SL 630-2013）要求，气象场设定为12 m×12 m的标准场地。

2 观测设备及观测情况

2.1 仪器设备改造情况

依托“十四五”规划提档升级项目，阿拉沟水文站对站属水文仪器进行了升级改造，引进锦州阳光自动气象设备。其中，气象场设备升级改造于2022年6月1日前完成，并进行了测试。

全自动气象站由采集器、温湿度传感器、风向风速传感器、气压传感器、雨量传感器、4G 无线模块和内网模块、20 cm 蒸发传感器及太阳能供电系统等组成。

2.1.1 采集器

采集器控制系统主机是整套系统的神经中枢，主要负责整套系统的数据采集和逻辑处理[4]。采集器主机直接控制气象六要素变化模块和外设开关量主控模块，另外还负责与服务器通信和数据交换。外设控制模块主要负责蒸发、雨量、补水溢流系统内部的开关量模块控制，下发开关量指令。4G 通信模块或内网通信模块主要功能是与服务器进行数据内传交换。太阳能与充电控制器负责对整套系统进行供电。本站通信模块以内网为主，4G备用。

2.1.2 温湿度传感器

温湿度传感器用于气温观测，控制系统每5 min采集1 次数据，除确保按规范要求8、12、20 时采集外，还要确保日最高、最低气温采集，以便掌握最高最低气温变化过程，便于和人工观测数据对比。

2.1.3 雨量传感器

雨量传感器为0.2 mm 翻斗雨量计，其标准口径为20 cm 口径雨量筒。该雨量计采用双翻斗工作模式，解决了雨量测量的精度问题，同时大雨测量精度可以达到0.2 mm。截流阀和溢流阀是截止雨水流入和雨水自动溢出的装置，主要是配合降雨量观测时间与主机控制系统一起工作，由控制系统主机来计算雨水蒸发量，同时上报雨量或进行其他操作。

2.1.4 蒸发传感器

蒸发传感器为20 cm 标准口径蒸发称重系统，用于称量蒸发皿内水的重量，包括蒸发秤、蒸发秤座和蒸发秤盘。称重传感器将测量皿中的水重量传送给控制系统主机，由控制主机通过水的体积和密度关系计算出水位变化高度，并进行下一步的数据报送。

2.2 观测情况

观测仪器经过调试后，于2022年6月3日开始正式比测。其间，人工观测与全自动气象系统观测同步进行，采集7月1日—10月10日数据作对比分析。

3 比测分析

3.1 资料选取

采用2022年7月1日—10月10日共102 d 的观测数据，从整点、最高和最低气温以及蒸发量、降水量方面进行对比分析。其中，由于外界因素造成蒸发量数据异常，采用人工蒸发数据进行对比，发现系统统计误差较大。

3.2 误差分析

3.2.1 气温

通过对102 d 的数据统计分析，得出常温、最高气温、最低气温误差结果，详见表1。由表1可知，常温|误差|在0～0.2 有220 点，占总数的71.9%；|误差|在0.3～0.5 有57 点，占总数的18.6%；|误差|在0.6～0.8 有14 点，占总数的4.6%；|误差|在0.9～1.1 有10点，占总数的3.3%；|误差|在1.2 以上有5 点，占总数的1.6%。最大|误差|为0.3。

表1 2022年7月1日—10月10日气温误差统计

最高气温|误差|在0～0.2 有40 d，占总数的39.2%；|误差|在0.3～0.5 有44 d，占总数的43.2%；|误差|在0.6～0.8 有10 d，占总数的9.8%；|误差|在0.9～1.1 有4 d，占总数的3.9%；|误差|在1.2 以上有4 d，占总数的3.9%。最大|误差|为1.0。

最低气温|误差|在0～0.2 有8 d，占总数的7.8%；|误差|在0.3～0.5有11 d，占总数的10.8%；|误差|在0.6～0.8 有35 d，占总数的34.3%；|误差|在0.9～1.1 有25 d，占总数的24.5%；|误差|在1.2～1.4 有9 d，占总数的8.8%；|误差|在1.5以上的有14 d，占总数的13.8%。最大|误差|为1.0。

通过对自动与人工观测数据对比发现，常温观测|误差|在0.2以内占比达71.9%，加上|误差|在0.3～0.5占比18.6%，总数达到90.5%。最高气温自动与人工观测数据对比发现，|误差|在0.2以内占比达39.2%，加上|误差|在0.3～0.5 占比43.2%，总数达到82.4%。最低气温自动与人工观测数据对比发现，误差较大且无规律，|误差|在0.6～0.8占比为34.3%、0.9～1.1占比为24.5%，两者合计为58.8%；其他占比不高，最大|误差|达到4.4℃。

3.2.2 蒸发量

采用2022年6月1日—7月21日的日蒸发量数据进行对比分析，结果详见表2。由表2可知，|误差|≤10%占总数的6.9%，|误差|10%～20%占总数的3.4%，|误差|20%～30%占总数的44.8%，|误差|30%～40%占总数的31.1%，|误差|＞40%占总数的13.8%。日最大|误差|为69%。

表2 2022年6月1日—7月21日蒸发量误差统计

由表2 可知，自动与人工观测方法在同地测量蒸发量有明显的异常差别。通过对2022年6月1日—7月21日的日蒸发量数据对比分析发现，自动观测所得的日累计误差较大，需要持续对比观测，以便进一步分析。

3.2.3 降水量

本次降水误差分析采用注水试验进行。按相关规范要求，注水前应注入5～10 mm清水湿润过水部件，并检查翻斗运转是否灵活、信号输出是否正常，清除翻斗存留水量后，以注入法进行试验。采用量雨杯以1.5～2.5 mm/min 的模拟降雨强度向仪器注入清水，同时对翻斗翻转次数进行计数，翻斗翻转50 次立即停止注水，记录注入水量、传感器输出值和历时。分辨力为0.2 mm 的仪器每次注入水量不少于10 mm。至少进行3 次试验，取其注入水量的平均值。

对仪器输出值与注入水量进行比较，按下式计算仪器测量误差：

式中：Eb为测量误差（%）；Vm为仪器记录水量（mm）；为注入水量的平均值（mm）。

自记雨量器测量误差分析，详见表3。

表3 自记雨量器测量误差分析

由表3 可知，通过5 次注水比测分析，仪器记录水量均为10 mm 时其注入量平均值是10.3 mm，测量误差为-2.91%。

4 注意事项

通过对比分析发现，除了使用仪器之外，观测管理也很重要。为保证观测数据的准确性和稳定性，在仪器运行期间，应指定专人进行数据记录，每月按照水文规范进行观测数据对比，一旦发现异常现象应及时处理或联系厂家技术人员排查问题。在日常观测中，要注意以下事项：观测气温时，应提前进入气象场，准时观测，以便与自动观测同步进行。9月28日—10月30日，整点准时观测数据精度较高；定期检查百叶箱是否有松动，防止气温表有倾斜现象；每年进行一次系统准确度校验；定期清洗20 cm 口径蒸发皿，建议早上8时以后清洗，避开下雨和整点时段，清洗前先关闭系统总电开关和蒸发桶内的阀门；定期检查雨量承雨口，承雨口内应保持清洁，避免沙尘与杂物堵塞承雨口。

5 结语

水文新仪器的使用可以提高时效、减轻人力。通过对阿拉沟水文站气温、蒸发、降水自动与人工观测数据比测发现，其误差在可控范围内，只要加强管理和设备维护，注意观测事项，完全可以满足水文观测需求。