山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確定方法

李昌志，孫東亞

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

我國(guó)山區(qū)面積占國(guó)土面積的2/3，山區(qū)洪水源短流急，陡漲陡落，歷時(shí)短，突發(fā)性強(qiáng)，預(yù)報(bào)和預(yù)防已成為目前防洪減災(zāi)工作中突出的難點(diǎn)。形成這種狀況的原因，除山洪災(zāi)害自身特點(diǎn)外，山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警基礎(chǔ)工作薄弱也是重要原因之一。山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)是監(jiān)測(cè)預(yù)警重要的基礎(chǔ)工作和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文在文獻(xiàn)研究和分析的基礎(chǔ)上，力圖較為系統(tǒng)地對(duì)山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確定方法進(jìn)行探討，拋磚引玉，與同仁商榷，以期更好地加強(qiáng)這一基礎(chǔ)性研究工作，為我國(guó)山洪災(zāi)害防治工作提供技術(shù)支撐。

一、山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)研究簡(jiǎn)述

根據(jù)目前的主要文獻(xiàn)及應(yīng)用情況，山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)主要有臨界雨量和臨界水位/流量。前者主要指在一個(gè)流域或區(qū)域內(nèi)，降雨量達(dá)到或超過(guò)某一量級(jí)和強(qiáng)度時(shí)，該流域或區(qū)域發(fā)生山溪洪水、泥石流、滑坡等山洪災(zāi)害，把這時(shí)的降雨量和降雨強(qiáng)度作為預(yù)警指標(biāo)。后者可以理解為某種特征水位，如警戒水位、平灘水位、轉(zhuǎn)移水位等。自2009年開始，我國(guó)開展了103個(gè)縣的山洪災(zāi)害防治試點(diǎn)工作，目前正式開展了全國(guó)1 836個(gè)縣的山洪災(zāi)害防治非工程措施建設(shè)工作。其間，水利部水文局、各流域機(jī)構(gòu)、科研院所、高校等，都對(duì)山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)開展了大量研究，積極推廣山洪災(zāi)害防御試點(diǎn)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，加快山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)步伐。這些研究成果主要集中于臨界雨量的研究，在地域方面覆蓋了我國(guó)濕潤(rùn)地區(qū)、半濕潤(rùn)地區(qū)、半干旱地區(qū)、干旱地區(qū)，在資料方面覆蓋了資料豐富地區(qū)和無(wú)（少）資料地區(qū)，在方法方面包括了理論分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法以及歷史災(zāi)害分析法等。但總體而言，絕大部分成果集中于數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和歷史災(zāi)害分析法，以水文基礎(chǔ)理論進(jìn)行分析的研究成果較少；也有少數(shù)文獻(xiàn)將臨界雨量與臨界水位聯(lián)系起來(lái)，最近也有成果對(duì)動(dòng)態(tài)臨界雨量進(jìn)行研究。

國(guó)外常用的山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)主要分為臨界雨量、臨界水位和臨界流量3種。目前，采用的山洪預(yù)報(bào)預(yù)警方法有分布式水文模型山洪預(yù)報(bào)預(yù)警和動(dòng)態(tài)臨界雨量指導(dǎo)兩種。

二、山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確定常用方法

目前，國(guó)內(nèi)山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確定方法有很多，大致可以劃分為理論方法和經(jīng)驗(yàn)方法兩大類。

1.理論方法

理論方法具有較強(qiáng)的物理機(jī)理和理論推導(dǎo)過(guò)程，對(duì)資料的全面性、配套性等要求較高。全面性主要體現(xiàn)在包括降雨、地形、土地利用方式以及洪水等資料都有相應(yīng)要求，配套性則體現(xiàn)為這些資料是與具體的流域和山洪場(chǎng)次相對(duì)應(yīng)的。目前主要的理論方法包括經(jīng)典水文理論法、土壤飽和度—降雨量關(guān)系法、水位/流量反推法以及暴雨臨界曲線法。

（1）經(jīng)典水文理論法

根據(jù)經(jīng)典的水文學(xué)理論，為了計(jì)算臨界雨量/臨界水位，通常需要針對(duì)每個(gè)計(jì)算單元，經(jīng)過(guò)雨量計(jì)算、產(chǎn)流分析、匯流分析、洪水演進(jìn)等環(huán)節(jié)的計(jì)算。在雨量計(jì)算中，又有點(diǎn)雨量到面雨量的轉(zhuǎn)換、雨量時(shí)段選擇等問(wèn)題；產(chǎn)流分析環(huán)節(jié)在我國(guó)明顯地分為蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流兩大類型；在匯流環(huán)節(jié)，又包括了等流時(shí)線法、經(jīng)驗(yàn)單位線法、瞬時(shí)單位線法等；洪水演進(jìn)環(huán)節(jié)有動(dòng)力波法、馬斯京根法等。當(dāng)然，每個(gè)環(huán)節(jié)還有更細(xì)的內(nèi)容可以考慮。方法中的計(jì)算單元，可能是一個(gè)個(gè)小流域，也可能是一個(gè)個(gè)網(wǎng)格。此法基于水文學(xué)的基本理論，具有較強(qiáng)的物理背景和機(jī)理基礎(chǔ)，所有資料較全，計(jì)算所得的臨界雨量、臨界水位/流量等指標(biāo)具有較科學(xué)的依據(jù)；但也有其弱點(diǎn)，主要為：①山洪易發(fā)地水文資料短缺,建模和驗(yàn)證困難；②山丘區(qū)雨量站網(wǎng)布設(shè)密度太小，很難滿足山洪預(yù)報(bào)要求；③為提高山洪預(yù)報(bào)預(yù)見期，需要結(jié)合未來(lái)降雨預(yù)報(bào)進(jìn)行水文模擬計(jì)算，故準(zhǔn)確程度還受降雨預(yù)報(bào)限制。這種方法目前在國(guó)外用得較多，國(guó)內(nèi)因資料太少很難達(dá)到建模的要求，故除一些研究機(jī)構(gòu)和高校外，相關(guān)業(yè)務(wù)部門采用這種方法計(jì)算山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的較少。

（2）土壤飽和度—降雨量關(guān)系法

山洪大小除了與降雨總量、降雨強(qiáng)度有關(guān)外，還和流域土壤飽和程度（或前期影響雨量）密切相關(guān)。當(dāng)土壤較干時(shí)，降水下滲大，產(chǎn)生地表徑流則小；反之，如果土壤較濕，降水入滲少，易形成地表徑流。因此，在進(jìn)行山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)計(jì)算時(shí)，應(yīng)該考慮流域的土壤飽和情況?；谶@一理念，這種方法根據(jù)土壤飽和度和降雨量的關(guān)系，動(dòng)態(tài)確定臨界雨量。具體做法是，將流域的土壤飽和度和降雨量繪制為土壤飽和度—降雨量關(guān)系散點(diǎn)圖，兩軸分別為土壤飽和度和降雨量。 確定時(shí)段尺度，如 1h，3h，6h等，針對(duì)歷史資料系列中流域所發(fā)生過(guò)的所有洪水，分別在其前24 h的降雨量中求出該時(shí)段的最大雨量，以及該時(shí)段最大雨量發(fā)生之前的土壤飽和度。將土壤飽和度和該時(shí)段最大雨量值繪制為土壤飽和度—降雨量關(guān)系散點(diǎn)圖，并根據(jù)其對(duì)應(yīng)的洪水是否超過(guò)警戒流量分為兩類。在圖中可以設(shè)法畫出一條臨界雨量線（直線）將土壤飽和度和該時(shí)段最大雨量組成的狀態(tài)空間分為兩部分。這樣，將山洪臨界雨量指標(biāo)確定問(wèn)題轉(zhuǎn)化為模式識(shí)別的數(shù)學(xué)問(wèn)題，如最小方差準(zhǔn)則算法，可以很快畫出直線。

（3）水位/流量反推法

水位/流量反推法也是一種理論方法。該法主要思路和算法如下：①選取控制斷面，確定斷面歷史最高水位和預(yù)警水位等指標(biāo)，計(jì)算水位流量關(guān)系；②繪出各頻率不同時(shí)段下（1 h、3 h、6 h）降雨的暴雨頻率曲線圖；③確定各暴雨頻率下 1 h、3 h、6 h降雨形成的斷面洪水過(guò)程線；④繪制各頻率洪水洪峰流量與暴雨頻率關(guān)系的曲線；⑤根據(jù)特征流量，從各頻率洪水洪峰流量與暴雨頻率關(guān)系圖中查出該值對(duì)應(yīng)的頻率值；⑥根據(jù)該頻率值，從暴雨頻率曲線上確定降雨量，該降雨量即可作為臨界雨量值。這種方法對(duì)資料的要求較高，并且假定洪水與暴雨同頻率。

（4）暴雨臨界曲線法

暴雨臨界曲線法也是一種理論的方法，僅涉及水量平衡方程，主要思路和算法如下：①確定分析地點(diǎn)所在斷面的安全流量；②計(jì)算最小臨界雨量；③確定年最大24 h相應(yīng)頻率設(shè)計(jì)暴雨；④計(jì)算臨界雨量；⑤確定暴雨臨界曲線參數(shù)；⑥整理山洪時(shí)段雨量與累計(jì)雨量；⑦繪制暴雨臨界曲線；⑧在暴雨臨界曲線圖中點(diǎn)繪實(shí)際時(shí)段雨量與累計(jì)雨量，判斷山洪是否發(fā)生。這種方法綜合考慮了累計(jì)降雨量與降雨強(qiáng)度雙指標(biāo)，克服了以往方法僅考慮降雨強(qiáng)度單指標(biāo)的缺陷，最終成果為一條暴雨臨界曲線，能較好地反映由暴雨引發(fā)的山洪災(zāi)害是降雨強(qiáng)度與累計(jì)降雨量共同作用的結(jié)果。

2.經(jīng)驗(yàn)方法

經(jīng)驗(yàn)方法無(wú)明顯的物理機(jī)理和推導(dǎo)過(guò)程，主要根據(jù)事件相關(guān)性、地理?xiàng)l件相似性等原則，確定山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)，目前最為主要的經(jīng)驗(yàn)方法有統(tǒng)計(jì)歸納法、比擬法和內(nèi)插法等。

（1）統(tǒng)計(jì)歸納法

本方法是全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃領(lǐng)導(dǎo)小組2003年12月下發(fā)的《全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃—山洪災(zāi)害臨界雨量分析計(jì)算細(xì)則（試行）》中提供的指導(dǎo)性方法，也有專門的文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行闡述。這種方法要求參照歷史山洪災(zāi)害發(fā)生時(shí)的降雨情況，根據(jù)各地的暴雨特性、地形地質(zhì)條件、前期降雨等，分析確定本地區(qū)可能發(fā)生山洪災(zāi)害的臨界雨量值，是針對(duì)實(shí)測(cè)降雨資料較為豐富和詳細(xì)的情況制定的，分為以下四步進(jìn)行：①按照要求，統(tǒng)計(jì)降雨量，針對(duì)各次山洪、每個(gè)雨量站、相應(yīng)時(shí)段（1 h、3 h、6 h、12 h、24 h）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括計(jì)算區(qū)域的雨量平均值、最小值和最大值；②臨界雨量初值計(jì)算，要求進(jìn)行單站和區(qū)域的臨界雨量初值；③臨界雨量分析，結(jié)合實(shí)際資料情況，對(duì)單站和區(qū)域的臨界雨量進(jìn)行分析；④臨界雨量確定，根據(jù)第③步分析結(jié)果，對(duì)閾值進(jìn)行一定范圍內(nèi)的浮動(dòng)，確定各個(gè)時(shí)段的臨界雨量。此方法可操作性強(qiáng)，全國(guó)很多省份的山洪防治試點(diǎn)工作中，都采用了這一方法確定臨界雨量，取得了大量有價(jià)值的成果。

（2）比擬法

這種方法適用于目標(biāo)區(qū)無(wú)資料，但與典型區(qū)相似的情況。相似條件包括降水條件、地質(zhì)條件（地質(zhì)構(gòu)造、地形、植被情況等）、氣象條件（地理位置、氣候特征、年均雨量等）、水文條件（流域面積、年均流量、河道長(zhǎng)度、河道比降等）。如果目標(biāo)區(qū)與典型區(qū)有少量差異，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。

（3）內(nèi)插法

本法適用于在已分析單站臨界雨量區(qū)域，有少數(shù)雨量站的空白區(qū)。運(yùn)用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，降雨量分布從氣候角度看空間是連續(xù)的，因?yàn)榕R界雨量與地質(zhì)條件及氣象條件有關(guān)；已限定區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件及氣象條件相差不大，認(rèn)為臨界雨量在典型區(qū)內(nèi)也是連續(xù)的。此方法將各單站各時(shí)間段臨界雨量填在對(duì)應(yīng)的雨量站點(diǎn)位置，通過(guò)勾繪等值線，求出空白處山洪溝臨界雨量。常用的方法包括GIS軟件提供的克里金插值法、反距離加權(quán)插值法、徑向基函數(shù)法等。

另外，還有實(shí)際災(zāi)害調(diào)查法、災(zāi)害與降雨頻率分析法以及綜合方法等多種方法，綜合確定山洪災(zāi)害預(yù)警的臨界雨量、臨界水位等指標(biāo)。

前面所述的理論方法、經(jīng)驗(yàn)方法和歷史洪水法等山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確定方法，都有一定的適用條件，對(duì)資料有不同程度的需求。根據(jù)資料可用程度，對(duì)這些方法進(jìn)行劃分。對(duì)于資料較豐富的地區(qū)，主要有實(shí)測(cè)雨量統(tǒng)計(jì)法、水位/流量倒推法、暴雨臨界曲線法以及綜合分析法等；對(duì)于資料較少或無(wú)資料地區(qū)，主要有內(nèi)插法、比擬法、災(zāi)害與降雨頻率分析法等。

三、加強(qiáng)山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)研究主要內(nèi)容

從全國(guó)山洪災(zāi)害防治試點(diǎn)的情況看，試點(diǎn)縣基本上都建立了自己的山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，從硬件上為山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警準(zhǔn)備了條件。由于沒(méi)有良好的算法建模和缺乏基礎(chǔ)資料，這些監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)用性尚難達(dá)到較為滿意的程度。在今后的工作中，需要加強(qiáng)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的研究，主要包括以下4個(gè)方面：

1.山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)確定方法分析

充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)確定方法，選擇具有物理機(jī)理、操作方便、實(shí)用性強(qiáng)的計(jì)算方法，深入分析各種方法的適用條件，明確各種方法所需參數(shù)信息，制定相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范指導(dǎo)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。經(jīng)典水文理論法要求的資料全面系統(tǒng)，滿足了這一方法的資料，在其他方法中基本都能使用，故這一方法的資料需求可考慮為整個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的基本框架；進(jìn)一步深入分析和研究水位/流量倒推法，探討實(shí)現(xiàn)臨界雨量和臨界水位的相互轉(zhuǎn)換，更方便地計(jì)算和分析山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)。

2.資料積累與使用

在山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確定方法深入分析的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地、全面地、規(guī)范地進(jìn)行資料的積累與使用，主要包括歷史洪水、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)兩種。歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)的收集，重點(diǎn)在于收集整理較為配套的歷史洪水水位、流量、洪量、峰現(xiàn)時(shí)間以及典型地點(diǎn)的降雨量等資料；監(jiān)測(cè)資料的積累與使用，主要針對(duì)資料需求，不斷完善和改進(jìn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，在山洪實(shí)際觀測(cè)中加強(qiáng)氣象、地形、水文等基礎(chǔ)性配套資料的觀測(cè)和積累，并充分挖掘和運(yùn)用以往觀測(cè)積累的資料，不斷檢驗(yàn)和修正計(jì)算模型及其參數(shù)，逐漸形成各類地區(qū)較為實(shí)用的預(yù)警指標(biāo)計(jì)算模型。

3.預(yù)警指標(biāo)修訂

現(xiàn)有不少資料已經(jīng)反映出，預(yù)警指標(biāo)應(yīng)當(dāng)是針對(duì)集中居住地、水電氣通信等基礎(chǔ)設(shè)施、廠礦企業(yè)等保護(hù)對(duì)象而言的，在流域中所處的位置不同，其值應(yīng)當(dāng)是有所區(qū)別的。在資料積累和確定方法深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合山洪災(zāi)害管理的工作要求，精心設(shè)計(jì)，將較為成熟的模型有機(jī)嵌入山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，成為山洪災(zāi)害管理工作內(nèi)容和業(yè)務(wù)流程的有機(jī)組成部分，根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀坏乩憝h(huán)境和人類活動(dòng)情況，因地制宜地進(jìn)行預(yù)警指標(biāo)的修訂，適時(shí)快速計(jì)算出成果，為山洪預(yù)警提供更多的主動(dòng)避險(xiǎn)時(shí)間。

4.加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)

將制定的技術(shù)規(guī)范、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與程序、較成熟算法的檢驗(yàn)與應(yīng)用等，撰寫成詳細(xì)的技術(shù)培訓(xùn)材料，加強(qiáng)基層技術(shù)人員的培訓(xùn)工作。

[1]全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.山洪災(zāi)害臨界雨量分析計(jì)算細(xì)則[Z].2003.

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