3　资料测算与数据处理

3.1　雨量测算

3.1.1　雨量观测

雨量观测是水文要素观测的重要组成部分。观测场地尽量选在四周空旷、平坦、避开局部地形地物影响的地点,如有障碍物,它与仪器距离不得小于障碍物顶部与器口高差的2倍。场地面积不小于4m×4m。观测方法主要有人工雨量观测法,自记雨量计法、无线自动雨量站等。

人工雨量筒观测法是利用20cm口径雨量计进行分段定时观测。各段次及时间如下:一段制(每日8时),两段制(每日8时,20时),四段制(每日8时、14时、20时、2时),八段制(每日8时、11时、14时、17时、20时、23时、2时、5时),12段制(每日10时,12时,14时,16时,18时,20时,22时,24时,2时,4时,6时,8时),24段(每次9时～次日8时),一般在少雨季节采用1段或者2段观测,多雨季节采用4段以上观测。

常见的自记雨量计有虹吸式和翻斗式两种。①虹吸式雨量计。雨水由筒口收集后流入一测量筒内,筒内的浮筒随之上升,当筒内贮满一定量的降雨时,发生一次短时的虹吸作用,将其内的水排净,使浮子重新开始从零位记录。浮子上的笔尖则在钟筒上记下降雨量随时间的累积过程。②翻斗式雨量计。其测量器为两个三角形翻斗,每次只有其中的一个翻斗正对受雨器的漏水口,当翻斗盛满0.1mm或0.2mm降雨时,由重心外移而倾倒,将斗中的降水倒出,同时使另一个翻斗对准漏水口,翻斗交替的次数和间隔时间可在自记钟筒上记录下来。

无线自动雨量站是用于收集地面降雨信息的自动观测仪器,它可精确的记录每分钟的降水。无线自动雨量站由翻斗式雨量传感器,雨量微电脑采集器和GPRS无线数传模块构成,雨量微电脑采集器具有雨量显示,自动记录,实时时钟,历史数据纪录,超限报警和数据通讯等功能。翻斗式雨量传感器得到的雨量电信号传输到雨量微电脑采集器,雨量微电脑采集器将采集到的雨量值通过RS232串口传输给GPRS数传模块,再传送给数据中心计算机。

3.1.2　平均雨量计算

雨量站观测的雨量,是反应站点附近的降雨情况,称作点雨量,在水文计算中,需要知道整个流域面上的雨量分布,计算平均雨量,称作面雨量。这就涉及由各站点的点雨量推求面雨量的问题,常用的有以下几种计算方法:

(1)算数平均法。当流域内雨量站分布较均匀、地形起伏变化不大时,可根据各站同时段观测的降雨量用算术平均法推求。

把流域内所有雨量站同期雨量累加,除以站数,得到该时段的流域平均雨量,可按式(3.1)计算:

(2)加权平均法(泰森多边形法)。流域内设有三个及三个以上雨量观测点,且各雨量观测点在面上的分布不够均匀时,可以在流域水系图上将相邻的观测点用直线连成三角网,在各三角形的每一边上作垂直等分线,相交于三角形的重心的位置,这些垂直等分线将整个流域分成多个多边形,每个多边形内有一个雨量观测点。由于这一多边形内任何地点到这个观测点的距离比其他任何观测点都近,所以用这点的降水量作为这个多边形内的平均降水量。见图3.1。用求积仪或其他方法把A、B、C、D雨量点控制的多边形面积求出来,并除以整个流域面积便得A、B、C、D雨量点的面积权重数,按式(3.2)计算:

把各雨量点的降水量分别乘以各点的权重,称为权雨量,将各雨量点的权雨量加起来,就是流域平均降水量,按式(3.3)计算:

(3)等雨量线法。当流域内雨量站分布较密时,可根据各雨量站同时段观测的雨量绘制等雨量线图,然后用等雨量线图推算流域平均降雨量。按式(3.4)计算:

其余符号意义同前。

上述的几种方法都有它的优缺点:①算术平均法简单,但没有考虑各雨量站的权重或看作等权重,只能粗略估计流域或地区特定时段内的平均降水量。②泰森多边形法虽然考虑了权重,但权重是根据雨量站的控制几何面积确定的。泰森多边形法的权重只考虑各站点的地理位置,根据几何特征,选择距离控制站点最近的面积占整个流域面积的比例作为权重,没有考虑站点雨量在空间上的分布,无论什么样的雨型各站点的权重是不变的,即假定在该站控制范围内雨量是均匀分布。③等雨量线图法能考虑降水量在空间上的分布情况,精度较高,当雨量站比较多而且密集时,可以作为平均降雨量的期望值。但要求站点较多,且每次都要重绘等雨量线图,工作量大、繁琐。如果结合GIS将会很大程度减轻工作量并提高工作效率。

因此有学者提出采用“加权平均的权重优选算法”对各雨量站权重进行优选,以泰森多边形法的权重为初始值,以多个样本的等雨量线图法计算的平均降水量为期望输出值,通过优选得到的权重模型误差更小,比等雨量线图法简便。

针对中小型水库,尤其是小型水库集水面积很小或集水区内降雨没有明显的变化的特点,只在坝址附近设点观测的,可以采用代表站法,即以该点的观测成果作为流域的平均降雨量。