章曉軍
(安徽省懷寧長(zhǎng)江河道管理局,安徽 安慶 246053)
隨著全球氣候變暖,各地氣象水文條件都出現(xiàn)了明顯的非規(guī)律變化,自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加大[1]。自2023年以來(lái),我國(guó)多地區(qū)出現(xiàn)了降雨量增加、汛情嚴(yán)重的情況,給大江大河沿岸的防汛工作帶來(lái)了更大的壓力[2]。為此,需要對(duì)防汛數(shù)據(jù)信息進(jìn)行準(zhǔn)確采集,以便于進(jìn)一步的規(guī)律化分析,形成科學(xué)的汛情判斷,并制定有效的防汛對(duì)策。長(zhǎng)江是我國(guó)第一大江,水系覆蓋面廣,汛期對(duì)沿岸多個(gè)省份具有重要的影響[3]。其中同馬大堤懷寧段是皖河水系的一部分,最終注入長(zhǎng)江形成長(zhǎng)江水系的支流。該文針對(duì)同馬大堤懷寧段的具體防汛情況,構(gòu)建了防汛信息的采集方法,可提升汛期數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性和覆蓋度,為后期的汛情分析提供更有效的支持。
同馬大堤懷寧段與皖河的地理環(huán)境和河流水系密切相關(guān)。要想了解同馬大堤懷寧段所在區(qū)域的水文特征,就要了解皖河的地理特征及河流水系。皖河發(fā)源于大別山南麓的岳西縣,由長(zhǎng)河、潛水和皖水3 條一級(jí)支流及武昌湖水系組成。支流長(zhǎng)河、潛水和皖水先后在懷寧縣的石牌鎮(zhèn)陶灣附近匯合,形成皖河干流。于皖河閘納武昌湖來(lái)水,在安慶上游注入長(zhǎng)江。
從區(qū)域降水量來(lái)看,降水量年內(nèi)分布不均,主要集中在5月—9月。降水量年際變化也比較大,僅以石牌站記錄統(tǒng)計(jì)為例,最近10年平均降水量為1515.54mm,最大年降水量為2113.5mm,最小年僅為1150.9mm,相差接近2 倍。
同馬大堤懷寧段的汛情主要與降水量有關(guān)。降水量大的季節(jié)汛情嚴(yán)重,防汛壓力大。降水量小的季節(jié)汛情減輕,防汛壓較弱。原因是皖河洪水均由降水形成,洪水的季節(jié)特點(diǎn)、時(shí)空變化與該地區(qū)降水一致。
用于反映汛情的數(shù)據(jù)有很多,包括水位、降雨量、管涌、滑坡以及跌窩等。但這些數(shù)據(jù)如果只在一個(gè)點(diǎn)位測(cè)量,往往不能取得最大的準(zhǔn)確性。例如在同一河道內(nèi)距離相距較近的范圍內(nèi)測(cè)量水位,也很難達(dá)到同一數(shù)值。為此,該文采用多地點(diǎn)采集進(jìn)而求平均值代替既定點(diǎn)位測(cè)量結(jié)果的方法,如公式(1)和公式(2)所示。
式中:i為第i個(gè)測(cè)量地點(diǎn)的序號(hào);n為一共存在的測(cè)量地點(diǎn)的個(gè)數(shù);Di為第i個(gè)測(cè)量地點(diǎn)測(cè)得的汛情數(shù)據(jù);Ds為全部測(cè)量地點(diǎn)得到的某個(gè)汛情數(shù)據(jù)的總和。
式中:n為一共存在的測(cè)量地點(diǎn)的個(gè)數(shù);Ds為全部測(cè)量地點(diǎn)得到的某個(gè)汛情數(shù)據(jù)的總合;D為全部測(cè)量地點(diǎn)得到的汛情數(shù)據(jù)的平均值。
與多地點(diǎn)采集均值法類似,多時(shí)間點(diǎn)采集均值法是在某一個(gè)測(cè)量點(diǎn)位上分不同時(shí)刻進(jìn)行多次采集,并根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算均值代替既定測(cè)量點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的一種方法。例如如果某個(gè)測(cè)量區(qū)域內(nèi)不方便增設(shè)測(cè)量點(diǎn)位,在只有單一測(cè)量點(diǎn)位的情況下,就需要采用多時(shí)間點(diǎn)位采集均值法來(lái)提升測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,該方法如公式(3)和公式(4)所示。
式中:j為第j個(gè)測(cè)量時(shí)刻的序號(hào);m為一共存在的測(cè)量時(shí)刻的個(gè)數(shù);Tj為第j個(gè)測(cè)量時(shí)刻測(cè)得的汛情數(shù)據(jù);Ts為全部測(cè)量時(shí)刻得到的某個(gè)汛情數(shù)據(jù)的總和。
式中:m為一共存在的測(cè)量時(shí)刻的個(gè)數(shù);Ts為全部測(cè)量時(shí)刻得到的某個(gè)汛情數(shù)據(jù)的總和;T為全部測(cè)量時(shí)刻得到的汛情數(shù)據(jù)的平均值。
在很多情況下,某些測(cè)量點(diǎn)位或者某些測(cè)量時(shí)刻出現(xiàn)了汛情數(shù)據(jù)的缺失,但為了對(duì)應(yīng)性的分析需要,還需要補(bǔ)充這些缺失的數(shù)據(jù)。為此,該文采用基于插值的均衡調(diào)整法來(lái)豐富汛情數(shù)據(jù)的采集體系。例如同馬大堤懷寧段在汛情期間,每天都可以得到關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)位的水位數(shù)據(jù),但是降雨數(shù)據(jù)并不是每天都有。該情況下就可以采用基于插值的均衡調(diào)整法,來(lái)實(shí)現(xiàn)降雨數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng),其具體原理如圖1所示。
圖1 基于插值的均衡調(diào)整法
圖1 中,1、2、3、4、5、6、7、8、9 表示連續(xù)的9個(gè)測(cè)量時(shí)刻,其下方對(duì)應(yīng)配置了9 個(gè)記錄方格。從圖1 的情況可以看出,只有第1 個(gè)測(cè)量時(shí)刻、第3 個(gè)測(cè)量時(shí)刻和第9 個(gè)測(cè)量時(shí)刻記錄了數(shù)據(jù),這3 個(gè)時(shí)刻分別記錄了A、B、C共3 個(gè)數(shù)據(jù)。目前,第2 個(gè)測(cè)量時(shí)刻、第4 個(gè)測(cè)量時(shí)刻、第5 個(gè)測(cè)量時(shí)刻、第6 個(gè)測(cè)量時(shí)刻、第7 個(gè)測(cè)量時(shí)刻以及第8 個(gè)測(cè)量時(shí)刻都存在數(shù)據(jù)缺失。該情況下就可以采用基于插值的均衡調(diào)整法進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。
如圖1所示,因第2 個(gè)測(cè)量時(shí)刻數(shù)據(jù)缺失,可以用臨近的數(shù)據(jù)A、B加和求取均值補(bǔ)充,具體如公式(5)所示。
這樣可以得到第2 個(gè)方塊即第2 個(gè)測(cè)量時(shí)刻的數(shù)據(jù)為D。
接下來(lái)該文發(fā)現(xiàn),B到C之間連續(xù)缺失了5 個(gè)測(cè)量時(shí)刻的數(shù)據(jù)。這時(shí)的處理措施是先對(duì)B和C之間的中位數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,即補(bǔ)充第6 個(gè)測(cè)量時(shí)刻(第6 個(gè)方塊)的數(shù)據(jù),具體如公式(6)所示。
得到了第6 個(gè)測(cè)量時(shí)刻的插值數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),B和E之間連續(xù)缺失了2 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù),即第4 個(gè)測(cè)量時(shí)刻、第5 個(gè)測(cè)量時(shí)刻的數(shù)據(jù)。這時(shí),因?yàn)锽和E之間沒(méi)有其他實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),所以只能對(duì)這2 個(gè)位置都進(jìn)行插值補(bǔ)充處理,對(duì)第4 個(gè)測(cè)量時(shí)刻、第5 個(gè)測(cè)量時(shí)刻的連續(xù)補(bǔ)充如公式(7)所示。
得到了第6 個(gè)測(cè)量時(shí)刻的插值數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),E和C之間連續(xù)缺失了2 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù),即第7 個(gè)測(cè)量時(shí)刻、第8 個(gè)測(cè)量時(shí)刻的數(shù)據(jù)。這時(shí),因?yàn)镋和C之間沒(méi)有其他實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),所以只能對(duì)這2 個(gè)位置都進(jìn)行插值補(bǔ)充處理,對(duì)第7 個(gè)測(cè)量時(shí)刻、第8 個(gè)測(cè)量時(shí)刻的連續(xù)補(bǔ)充如公式(8)所示。
上述工作對(duì)同馬大堤懷寧段的汛期基本情況進(jìn)行了分析,進(jìn)而設(shè)計(jì)了汛情數(shù)據(jù)采集方法。在接下來(lái)的工作中將通過(guò)數(shù)據(jù)試驗(yàn)分析來(lái)證實(shí)所提出方法的有效性。試驗(yàn)過(guò)程中將分別針對(duì)同馬大堤懷寧段的汛期水位數(shù)據(jù)、降雨量數(shù)據(jù)以及2 類數(shù)據(jù)的誤差,根據(jù)常規(guī)采集法和該文設(shè)計(jì)的采集法進(jìn)行處理。
首先,觀察2 種方法測(cè)量的同馬大堤懷寧段的汛期水位數(shù)據(jù),對(duì)比情況如圖2所示。
圖2 2 種測(cè)量方法得到的同馬大堤懷寧段的汛期水位數(shù)據(jù)
圖2 中,橫坐標(biāo)代表了測(cè)量日期,7.1 即表示7月1日,從7月1日一直到7月7日??v坐標(biāo)表示水位,單位是m,從15m 一直到22m。圖中白色矩形代表傳統(tǒng)方法記錄的采集結(jié)果,帶有剖面線的矩形代表用該文方法記錄的采集結(jié)果。從圖2 的情況可以看出,7月1日,同馬大堤懷寧段的汛期水位數(shù)據(jù)還低于17m,但7月2日以后猛增至20m 附近,這表明汛情加重了。從2 種方法的對(duì)比情況可以看出,2 種方法的測(cè)量結(jié)果存在一定差距,二者的紀(jì)錄與真實(shí)情況的相符程度需要進(jìn)一步的誤差比較,如圖3所示。
圖3 中,橫坐標(biāo)代表了測(cè)量日期,7.1 即表示7月1日,從7月1日一直到7月7日??v坐標(biāo)表示水位誤差,單位是m,從0m 一直到0.7m。黑色實(shí)線代表傳統(tǒng)方法采集水位數(shù)據(jù)形成的誤差,黑色虛線代表該文方法采集水位數(shù)據(jù)形成的誤差。從圖3 中2 條曲線的對(duì)比可以明顯看出:采用傳統(tǒng)方法采集的水位數(shù)據(jù)誤差最大超過(guò)了0.5m,最小也超過(guò)了0.4m,而采用該文方法采集的水位數(shù)據(jù)誤差最大也沒(méi)有超過(guò)0.2m,基本在0.1m~0.2m。
圖3 水位采集數(shù)據(jù)誤差對(duì)比
其次,觀察2 種方法測(cè)量的同馬大堤懷寧段的汛期降雨量數(shù)據(jù),對(duì)比情況如圖4所示。
圖4 2 種測(cè)量方法得到的同馬大堤懷寧段的汛期降雨量數(shù)據(jù)
圖4 中,橫坐標(biāo)代表了測(cè)量日期,7.1 即表示7月1日,從7月1日一直到7月7日??v坐標(biāo)表示降雨量,單位是mm,從0mm 一直到210mm。圖中白色矩形代表用傳統(tǒng)方法記錄的采集結(jié)果,帶有剖面線的矩形代表用該文方法記錄的采集結(jié)果。從圖4 的情況可以看出,7月3日,同馬大堤懷寧段的汛期降雨量數(shù)據(jù)最大達(dá)到了160mm 以上,而7 天連續(xù)都有降雨,最少的也超過(guò)了15mm,大部分集中在40mm~50mm,第二多的一天超過(guò)了90mm。也正是因?yàn)檫B續(xù)降雨的存在,才導(dǎo)致了同馬大堤懷寧段汛期水位猛漲。從2 種方法的對(duì)比情況可以看出,2 種方法的測(cè)量結(jié)果存在一定差距,二者的紀(jì)錄與真實(shí)情況的相符程度需要進(jìn)一步的誤差比較,如圖5所示。
圖5 中,橫坐標(biāo)代表了測(cè)量日期,7.1 即表示7月1日,從7月1日一直到7月7日??v坐標(biāo)表示降雨量誤差,單位是mm,從0mm 一直到7mm。黑色實(shí)線代表傳統(tǒng)方法采集降雨量數(shù)據(jù)形成的誤差,黑色虛線代表該文方法采集降雨量數(shù)據(jù)形成的誤差。從圖5 中2 條曲線的對(duì)比可以明顯看出:采用傳統(tǒng)方法采集的降雨量數(shù)據(jù)誤差,最大超過(guò)了5mm,最小也超過(guò)了2.5mm,而采用該文方法采集的降雨量數(shù)據(jù)誤差,最大也沒(méi)有超過(guò)2mm,基本在0.5mm~2.0mm。
圖5 降雨量采集數(shù)據(jù)誤差對(duì)比
同馬大堤懷寧段是皖河水系的重要防汛區(qū)段,對(duì)其進(jìn)行汛期數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集具有重要意義。該文針對(duì)傳統(tǒng)汛期數(shù)據(jù)采集方法的局限性,分別形成了多地點(diǎn)采集均值計(jì)算法、多時(shí)間點(diǎn)采集均值計(jì)算法和基于插值的平衡調(diào)整法,豐富了汛期數(shù)據(jù)采集的方法體系。試驗(yàn)過(guò)程中,分別以同馬大堤懷寧段水位數(shù)據(jù)和降雨量數(shù)據(jù)為采集對(duì)象,結(jié)果證實(shí)了該文方法對(duì)汛期數(shù)據(jù)采集和處理的有效性,其誤差明顯低于傳統(tǒng)方法。