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。

1 同馬大堤懷寧段防汛信息采集方法設(shè)計(jì)

1.1 同馬大堤懷寧段的基本情況

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。

1.2 多地點(diǎn)采集均值法

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。

1.3 多時(shí)間點(diǎn)采集均值法

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。

1.4 插值均衡調(diào)整法

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。

2 同馬大堤懷寧段的防汛信息采集試驗(yàn)

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

3 結(jié)論

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。