不同雨量计(器)在黄土丘三区典型小流域的适用性分析

魏小东,秦瑞杰,刘 琦,郝 磊,李茹虹,白 娜

[黄河水土保持天水治理监督局(天水水土保持科学试验站),甘肃 天水 741000]

降水量作为气象和水文等相关部门最重要的基础资料之一,是研究流域或地区水文循环系统的动态输入项目[1］,对于有效推动工农业生产、水利开发、江河防洪和工程管理等有重大作用。对小流域水土保持研究而言,降水量是开展流域水沙关系研究的重要基础数据[2-3］。布设雨量站点收集降水进行观测,是世界各国一直沿用的传统观测方法。作为直接观测降水的方法之一,雨量站在小流域水土保持治理中占有重要地位[4］。

罗玉沟流域位于甘肃省天水市北郊,流域面积72.79 km2,是渭河支流藉河左岸的一级支沟。该地区属大陆性季风气候区,多年平均气温10.7 ℃,无霜期184 d,年均降水量为550.6 mm,5—10月为汛期,期间降水量占年降水量的80%左右。沟内旱季无径流,雨季经常暴发山洪。自1983年8月开始,罗玉沟流域被列为黄河中游地区水土保持试点小流域,此后经过发展,流域内现布设有12个雨量站,均为SM1型普通雨量器、SL3-1型遥测雨量计和JDZ02-1型固态存贮式雨量计(以下简称“SM1型”“SL3-1型”“JDZ02-1型”)三套仪器平行观测[5］。目前,对该流域降雨侵蚀力、水沙变化等方面已做了较多的研究[6-9］。但是,针对黄土丘陵沟壑区第三副区(以下简称“黄土丘三区”)典型小流域雨量计(器)适用性比较、降水量观测误差分析的研究鲜有报道。

本研究通过随机选取罗玉沟流域部分雨量站降水量资料,对比分析三种雨量计(器)在该地区的适用性,并分析误差产生的原因,以便提高其在降水量观测过程中的使用能力,从而更加精准地掌握小流域降水规律,为流域水土保持、农业生产及城市防洪防汛等工作提供重要参考。

1 数据来源与处理方法

1.1 数据来源

本次分析数据来源于罗玉沟流域2018—2020年12个雨量站降水量资料。该流域雨量站布设依据《水土保持试验规程》(SL 419—2007),降水量观测依据《降水量观测规范》(SL 21—2015),降水量采集仪器分别为SM1型、SL3-1型和JDZ02-1型,实行平行观测。在处理资料的过程中,对仪器识别的降水现象异常值进行了剔除。罗玉沟流域雨量站基本情况见表1。

表1 罗玉沟流域部分雨量站基本情况

1.2 数据处理方法

降水数据整编主要根据《水土保持试验规程》(SL 419—2007)和《水土保持径流泥沙测验及资料整编须知》进行。以8时为日分界,所观测的降水量即为日降水量,每月各日降水量之和为当月降水量,全年逐日降水量总和即为年降水量。汛期(5—10月)人工观测(SM1型)时段采用四段制,即每日2、8、14、20时分别定时观测;自记观测(SL3-1型、JDZ02-1型)采用24段制获取数据。

初始数据均采用Excel 2010进行归纳和整理,后期运用Origin 2018、Excel 2010进行数据处理与图形绘制,并采用DPS 9.05对数据进行误差分析、相关性分析及显著性分析。

2 结果与分析

2.1 雨量计(器)观测精度对比分析

随机选取罗玉沟流域2020年赵家湾站、姚家沟站、下茹站及马周站汛期降水量资料,从降水天数和降水量两个方面分析SM1型、SL3-1型和JDZ02-1型在该地区的适用性。

表2为罗玉沟流域部分雨量站2020年汛期降水天数统计。由表2可知,SM1型、SL3-1型、JDZ02-1型在赵家湾站、姚家沟站、下茹站及马周站所观测的总降水天数分别为364、364和244 d,SM1型和SL3-1型观测的总降水天数一致,均比JDZ02-1型所观测的总降水天数高出49.18%,JDZ02-1型降水天数观测结果误差较大,这主要是因为仪器分辨率不同而造成的差异。

表2 罗玉沟流域部分雨量站2020年汛期降水天数统计

图1为罗玉沟流域部分雨量站2020年汛期降水量观测结果。各雨量站8月降水量最多,汛期雨量计(器)各月降水量观测大小顺序基本表现为SM1型>SL3-1型>JDZ02-1型,SM1型和SL3-1型各月观测差值范围为-8.70～6.60 mm,JDZ02-1型和SM1型、SL3-1型各月观测差值范围分别为-0.40～221.70 mm、6.40～215.10 mm;SM1型、SL3-1型、JDZ02-1型在赵家湾站、姚家沟站、下茹站及马周站所观测的总降水量分别为3 305.40、3 290.70、1 922.20 mm,JDZ02-1型降水量观测误差较大,这可能是由于仪器操作不当和后期维护方面的影响所造成的。

图1 罗玉沟流域部分雨量站2020年汛期降水量观测结果

2.2 典型降水过程

根据2018—2020年罗玉沟流域降水资料,选取月降水总量超过140 mm的4个典型降水过程进行分析,累计降水趋势对比分析及拟合函数见图2、表3。分析得出,各雨量计(器)测得的累计降水量具有相似的变化趋势,函数拟合程度较高(R2≥0.868 4)。SM1型与SL3-1型观测结果误差较小(r1≥0.990 5),2020年8月姚家沟站、2020年7月及8月马周站典型降水过程呈现出拟合函数方程基本吻合的情况;JDZ02-1型与SM1型、SL3-1型观测结果误差较大(r2≤0.837 8、r3≤0.846 6)。JDZ02-1型月初或月末出现连续性不统计数据的情况,甚至延续到每月中下旬,这可能是由于人为或外界环境因素所造成的误差。

图中r1、r2、r3分别为SM1型与SL3-1型、SM1型与JDZ02-1型、SL3-1型与JDZ02-1型的相关系数。

表3 罗玉沟流域部分雨量站各雨量计(器)拟合函数

2.3 各雨量计(器)比测显著性分析

选取罗玉沟流域姚家沟站、马周站雨量计(器)观测情况,运用Duncan’s新复极差法从汛期降水天数、月降水总量两方面进行分析,SM1型观测结果与SL3-1型观测结果无显著性差异(P>0.05),JDZ02-1型观测结果与SM1型、SL3-1型观测结果均差异极显著(P<0.01)。不同雨量计(器)比测显著性分析结果见表4。

表4 不同雨量计(器)比测显著性分析

3 结论

1)通过降水天数统计和降水量观测两个方面分析得出,SM1型、SL3-1型在罗玉沟流域的适用性要优于JDZ02-1型,且SM1型和SL3-1型观测结果相差较小。JDZ02-1型故障率高、操作难度大、后期维护成本高。

2)各雨量计(器)测得的累计降水量具有相似的变化趋势,函数拟合程度较高(R2≥0.868 4);SM1型观测结果与SL3-1型观测结果相关性较高,无显著性差异(P>0.05),JDZ02-1型观测结果与SM1型、SL3-1型观测结果均差异极显著(P<0.01);JDZ02-1型每月月初或月末出现连续性不统计数据的情况,甚至延续到每月中下旬,不排除人为或外界环境因素的影响。

分析误差产生的原因主要概括为以下几点:一是受仪器分辨率的影响,当降水量达不到翻斗式雨量器的分辨率时无记录,导致其日、月降水量偏少;二是受人为或外界环境因素的影响,人工操作不当或者外界气候条件影响也会造成误差的产生;三是蒸发蒸散损失及降雨强度的影响;四是仪器维护方面的影响,JDZ02-1型维护成本较高,可能影响了仪器的正常运转。本研究结论还有待后续补充完善,今后可从多站点观测数据、单次强降雨时段数据对比分析等角度进一步开展研究,以期为黄土丘三区典型小流域降水量观测提供科学帮助。