不同雨量計(器)在黃土丘三區典型小流域的適用性分析

魏小東,秦瑞杰,劉 琦,郝 磊,李茹虹,白 娜

[黃河水土保持天水治理監督局(天水水土保持科學試驗站),甘肅 天水 741000]

降水量作為氣象和水文等相關部門最重要的基礎資料之一,是研究流域或地區水文循環系統的動態輸入項目[1］,對于有效推動工農業生產、水利開發、江河防洪和工程管理等有重大作用。對小流域水土保持研究而言,降水量是開展流域水沙關系研究的重要基礎數據[2-3］。布設雨量站點收集降水進行觀測,是世界各國一直沿用的傳統觀測方法。作為直接觀測降水的方法之一,雨量站在小流域水土保持治理中占有重要地位[4］。

羅玉溝流域位于甘肅省天水市北郊,流域面積72.79 km2,是渭河支流藉河左岸的一級支溝。該地區屬大陸性季風氣候區,多年平均氣溫10.7 ℃,無霜期184 d,年均降水量為550.6 mm,5—10月為汛期,期間降水量占年降水量的80%左右。溝內旱季無徑流,雨季經常暴發山洪。自1983年8月開始,羅玉溝流域被列為黃河中游地區水土保持試點小流域,此后經過發展,流域內現布設有12個雨量站,均為SM1型普通雨量器、SL3-1型遙測雨量計和JDZ02-1型固態存貯式雨量計(以下簡稱“SM1型”“SL3-1型”“JDZ02-1型”)三套儀器平行觀測[5］。目前,對該流域降雨侵蝕力、水沙變化等方面已做了較多的研究[6-9］。但是,針對黃土丘陵溝壑區第三副區(以下簡稱“黃土丘三區”)典型小流域雨量計(器)適用性比較、降水量觀測誤差分析的研究鮮有報道。

本研究通過隨機選取羅玉溝流域部分雨量站降水量資料,對比分析三種雨量計(器)在該地區的適用性,并分析誤差產生的原因,以便提高其在降水量觀測過程中的使用能力,從而更加精準地掌握小流域降水規律,為流域水土保持、農業生產及城市防洪防汛等工作提供重要參考。

1 數據來源與處理方法

1.1 數據來源

本次分析數據來源于羅玉溝流域2018—2020年12個雨量站降水量資料。該流域雨量站布設依據《水土保持試驗規程》(SL 419—2007),降水量觀測依據《降水量觀測規范》(SL 21—2015),降水量采集儀器分別為SM1型、SL3-1型和JDZ02-1型,實行平行觀測。在處理資料的過程中,對儀器識別的降水現象異常值進行了剔除。羅玉溝流域雨量站基本情況見表1。

表1 羅玉溝流域部分雨量站基本情況

1.2 數據處理方法

降水數據整編主要根據《水土保持試驗規程》(SL 419—2007)和《水土保持徑流泥沙測驗及資料整編須知》進行。以8時為日分界,所觀測的降水量即為日降水量,每月各日降水量之和為當月降水量,全年逐日降水量總和即為年降水量。汛期(5—10月)人工觀測(SM1型)時段采用四段制,即每日2、8、14、20時分別定時觀測;自記觀測(SL3-1型、JDZ02-1型)采用24段制獲取數據。

初始數據均采用Excel 2010進行歸納和整理,后期運用Origin 2018、Excel 2010進行數據處理與圖形繪制,并采用DPS 9.05對數據進行誤差分析、相關性分析及顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 雨量計(器)觀測精度對比分析

隨機選取羅玉溝流域2020年趙家灣站、姚家溝站、下茹站及馬周站汛期降水量資料,從降水天數和降水量兩個方面分析SM1型、SL3-1型和JDZ02-1型在該地區的適用性。

表2為羅玉溝流域部分雨量站2020年汛期降水天數統計。由表2可知,SM1型、SL3-1型、JDZ02-1型在趙家灣站、姚家溝站、下茹站及馬周站所觀測的總降水天數分別為364、364和244 d,SM1型和SL3-1型觀測的總降水天數一致,均比JDZ02-1型所觀測的總降水天數高出49.18%,JDZ02-1型降水天數觀測結果誤差較大,這主要是因為儀器分辨率不同而造成的差異。

表2 羅玉溝流域部分雨量站2020年汛期降水天數統計

圖1為羅玉溝流域部分雨量站2020年汛期降水量觀測結果。各雨量站8月降水量最多,汛期雨量計(器)各月降水量觀測大小順序基本表現為SM1型>SL3-1型>JDZ02-1型,SM1型和SL3-1型各月觀測差值范圍為-8.70～6.60 mm,JDZ02-1型和SM1型、SL3-1型各月觀測差值范圍分別為-0.40～221.70 mm、6.40～215.10 mm;SM1型、SL3-1型、JDZ02-1型在趙家灣站、姚家溝站、下茹站及馬周站所觀測的總降水量分別為3 305.40、3 290.70、1 922.20 mm,JDZ02-1型降水量觀測誤差較大,這可能是由于儀器操作不當和后期維護方面的影響所造成的。

圖1 羅玉溝流域部分雨量站2020年汛期降水量觀測結果

2.2 典型降水過程

根據2018—2020年羅玉溝流域降水資料,選取月降水總量超過140 mm的4個典型降水過程進行分析,累計降水趨勢對比分析及擬合函數見圖2、表3。分析得出,各雨量計(器)測得的累計降水量具有相似的變化趨勢,函數擬合程度較高(R2≥0.868 4)。SM1型與SL3-1型觀測結果誤差較小(r1≥0.990 5),2020年8月姚家溝站、2020年7月及8月馬周站典型降水過程呈現出擬合函數方程基本吻合的情況;JDZ02-1型與SM1型、SL3-1型觀測結果誤差較大(r2≤0.837 8、r3≤0.846 6)。JDZ02-1型月初或月末出現連續性不統計數據的情況,甚至延續到每月中下旬,這可能是由于人為或外界環境因素所造成的誤差。

圖中r1、r2、r3分別為SM1型與SL3-1型、SM1型與JDZ02-1型、SL3-1型與JDZ02-1型的相關系數。

表3 羅玉溝流域部分雨量站各雨量計(器)擬合函數

2.3 各雨量計(器)比測顯著性分析

選取羅玉溝流域姚家溝站、馬周站雨量計(器)觀測情況,運用Duncan’s新復極差法從汛期降水天數、月降水總量兩方面進行分析,SM1型觀測結果與SL3-1型觀測結果無顯著性差異(P>0.05),JDZ02-1型觀測結果與SM1型、SL3-1型觀測結果均差異極顯著(P<0.01)。不同雨量計(器)比測顯著性分析結果見表4。

表4 不同雨量計(器)比測顯著性分析

3 結論

1)通過降水天數統計和降水量觀測兩個方面分析得出,SM1型、SL3-1型在羅玉溝流域的適用性要優于JDZ02-1型,且SM1型和SL3-1型觀測結果相差較小。JDZ02-1型故障率高、操作難度大、后期維護成本高。

2)各雨量計(器)測得的累計降水量具有相似的變化趨勢,函數擬合程度較高(R2≥0.868 4);SM1型觀測結果與SL3-1型觀測結果相關性較高,無顯著性差異(P>0.05),JDZ02-1型觀測結果與SM1型、SL3-1型觀測結果均差異極顯著(P<0.01);JDZ02-1型每月月初或月末出現連續性不統計數據的情況,甚至延續到每月中下旬,不排除人為或外界環境因素的影響。

分析誤差產生的原因主要概括為以下幾點:一是受儀器分辨率的影響,當降水量達不到翻斗式雨量器的分辨率時無記錄,導致其日、月降水量偏少;二是受人為或外界環境因素的影響,人工操作不當或者外界氣候條件影響也會造成誤差的產生;三是蒸發蒸散損失及降雨強度的影響;四是儀器維護方面的影響,JDZ02-1型維護成本較高,可能影響了儀器的正常運轉。本研究結論還有待后續補充完善,今后可從多站點觀測數據、單次強降雨時段數據對比分析等角度進一步開展研究,以期為黃土丘三區典型小流域降水量觀測提供科學幫助。