歐美山洪災(zāi)害防治研究進(jìn)展及實(shí)踐

孫東亞，張紅萍

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

近幾十年，山洪災(zāi)害已經(jīng)成為世界各類自然災(zāi)害中的一個(gè)主要災(zāi)種，每年因山洪災(zāi)害所造成的人員傷亡和社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失占各類自然災(zāi)害的比例居高不下，并呈上升趨勢(shì)，引起各國(guó)政府和世界組織及山丘區(qū)居民的普遍關(guān)切。據(jù)國(guó)際氣象組織的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在所調(diào)查的139個(gè)國(guó)家中，把山洪災(zāi)害所造成的損失排在各類自然災(zāi)害中第一、第二位的國(guó)家有105個(gè)。包括美國(guó)、歐盟各國(guó)、日本、韓國(guó)在內(nèi)的一些發(fā)達(dá)國(guó)家，均已經(jīng)在國(guó)家戰(zhàn)略層面采取措施，加強(qiáng)山洪災(zāi)害防治工作，特別是監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)和建設(shè)。但鑒于山洪災(zāi)害具有局地性和突發(fā)性等特點(diǎn)，山洪災(zāi)害防治工作技術(shù)難度高，有必要相互借鑒彼此的經(jīng)驗(yàn)。本文簡(jiǎn)單介紹美國(guó)、歐盟等國(guó)的相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)我國(guó)今后山洪災(zāi)害防治工作起到一定的借鑒作用。

一、美國(guó)山洪預(yù)警技術(shù)

針對(duì)山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)需求，美國(guó)國(guó)家水文研究中心（HRC）聯(lián)合其他機(jī)構(gòu)或單位，提出了基于山洪預(yù)警指標(biāo) FFG（Flash Flood Guide）的預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)思路，并自2004年開(kāi)始在中美洲7個(gè)國(guó)家50萬(wàn)km2的山丘區(qū)應(yīng)用。經(jīng)初步檢驗(yàn)該系統(tǒng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度為65%，誤報(bào)率為35%，漏報(bào)率為3%。

美國(guó)的山洪預(yù)警指標(biāo)系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是基于偏差校正的衛(wèi)星降雨估算場(chǎng)，二是基于自然過(guò)程的水文模型。在山洪預(yù)警業(yè)務(wù)中，首先，河流預(yù)報(bào)中心（RFCs）利用降雨徑流模型實(shí)時(shí)模擬當(dāng)前土壤濕度狀態(tài)以及在當(dāng)前土壤濕度條件下可能引發(fā)山洪的時(shí)段降雨量（FFG），然后根據(jù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星降雨估算，通過(guò)與預(yù)警閾值FFG比較，判斷本地區(qū)發(fā)生山洪的可能性，并向有關(guān)部門發(fā)布預(yù)警消息，最后由專業(yè)部門統(tǒng)一向公眾發(fā)布山洪預(yù)警。美國(guó)基于FFG的山洪預(yù)警，是將復(fù)雜的水文分析放在了山洪發(fā)生之前，并且委托給具有豐富預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)和能力的河流洪水預(yù)報(bào)部門完成，而在山洪即將發(fā)生時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)降雨情況，通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的預(yù)警閾值比較即可判斷是否要向公眾發(fā)出預(yù)警信息。

山洪預(yù)警指標(biāo)FFG是指可引發(fā)山洪的時(shí)段降雨量，在美國(guó)通常是指1、3、6小時(shí)三個(gè)固定的時(shí)間段。需要說(shuō)明的是：FFG是指預(yù)報(bào)河流斷面上游流域上的平均雨量；由于山洪不僅與當(dāng)前降雨有關(guān)，還與小流域下墊面條件、前期洼蓄量、土壤濕度等因素有關(guān)，在不同條件下，導(dǎo)致某一山洪溝發(fā)生洪水所需的降雨量也不同，因此FFG不是一個(gè)固定值，而是一個(gè)需要估算的動(dòng)態(tài)變化值。

在2006年由世界氣象組織主辦的山洪預(yù)報(bào)國(guó)際研討會(huì)上，與會(huì)人員提出開(kāi)發(fā)一套適合全球應(yīng)用的山洪預(yù)警系統(tǒng)。目前，山洪預(yù)警系統(tǒng)（FFG system）正在通過(guò)一系列區(qū)域性項(xiàng)目在一些國(guó)家和地區(qū)推廣應(yīng)用。已經(jīng)實(shí)施的項(xiàng)目分布在中美、南非、黑海和中東等地區(qū)，一個(gè)原型系統(tǒng)已經(jīng)自2011年在巴基斯坦開(kāi)始運(yùn)行。其應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是利用美國(guó)衛(wèi)星可獲得的衛(wèi)星降雨估算場(chǎng)、數(shù)字高程模型、遙感影像數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)?；谶@些數(shù)據(jù)，可進(jìn)行小流域基礎(chǔ)信息提取和降雨徑流分析計(jì)算。

二、歐盟山洪預(yù)警技術(shù)

為加強(qiáng)洪水管理，歐洲一些國(guó)家聯(lián)合資助開(kāi)展第16個(gè)歐盟研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱為FLOODsite。在此項(xiàng)目下，設(shè)立了山洪災(zāi)害防治技術(shù)研究項(xiàng)目，并開(kāi)展流域性示范（Pilot Study Flash Flood Basins），成立山洪災(zāi)害防御網(wǎng)絡(luò)（FF network）。在法國(guó)、意大利、西班牙和德國(guó)分別選擇一個(gè)流域，組織水文氣象部門、監(jiān)測(cè)服務(wù)部門，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中心、研究機(jī)構(gòu)和災(zāi)害應(yīng)急管理機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)展山洪災(zāi)害防御技術(shù)的研究與示范。這四個(gè)示范區(qū)域的共同特點(diǎn)是具有適宜的水文氣象站點(diǎn)密度以及良好可靠的氣象雷達(dá)覆蓋，這些監(jiān)測(cè)站點(diǎn)已經(jīng)投入運(yùn)行，并在過(guò)去的10年中積累了大量詳細(xì)的山洪資料。該研究項(xiàng)目于2004年正式啟動(dòng)，2009年年底結(jié)束。

該項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵是山洪預(yù)報(bào)，歐盟專家清晰地認(rèn)識(shí)到，鑒于山洪的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)方法在應(yīng)用于山洪災(zāi)害防治工作中面臨諸多問(wèn)題，突出表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

①因?yàn)闅夂蚰Ｐ团c山洪形成模型在空間和時(shí)間尺度上的不一致所帶來(lái)的降尺度問(wèn)題；

②需要在河網(wǎng)區(qū)域上進(jìn)行空間分布預(yù)報(bào)，而不是簡(jiǎn)單地僅在個(gè)別河道斷面上預(yù)報(bào)；

③山洪易發(fā)區(qū)往往無(wú)監(jiān)測(cè)設(shè)施，導(dǎo)致這些無(wú)資料或少資料小流域的模型無(wú)法得到有效驗(yàn)證。

針對(duì)上述問(wèn)題，為有效開(kāi)展山洪預(yù)報(bào)，開(kāi)展了兩方面的研究工作：一是檢驗(yàn)論證分布式或半分布式降雨徑流模型，二是評(píng)估美國(guó)山洪預(yù)警系統(tǒng)在歐洲應(yīng)用的可行性。從山洪預(yù)報(bào)實(shí)際情況出發(fā)，歐盟選擇的半分布式降雨徑流模型有6個(gè)，在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)簡(jiǎn)單（4~8個(gè)參數(shù)）。這些模型在法國(guó)中南部的盧瓦爾（Loire）河流域中的11個(gè)小流域應(yīng)用檢驗(yàn)。這些小流域的面積為20~3 234 km2，降雨監(jiān)測(cè)站點(diǎn)密度為80 km2/站，所采用的時(shí)間序列資料為2~8年。從實(shí)際檢驗(yàn)的成果來(lái)看，預(yù)報(bào)模型的性能不盡如人意，即使模型已經(jīng)被率定，對(duì)于3小時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果，只有20%~30%降雨徑流過(guò)程被模型所揭示。這類問(wèn)題一方面受模型本身所限制，另一方面主要受其他各類不確定因素的影響，特別是實(shí)際降雨量的不確定性。對(duì)于較大流域，洪水過(guò)程還受到降雨時(shí)空模式的影響。從歐盟項(xiàng)目研究成果看，若基于超前預(yù)報(bào)進(jìn)行山洪預(yù)警，將存在很大的不確定性，對(duì)人們的防災(zāi)意識(shí)產(chǎn)生消極影響。

在預(yù)警指標(biāo)確定方面，歐盟一些國(guó)家還開(kāi)展了貝葉斯降雨閾值方法（The Bayesian Rainfall Thresholds methodology）的研究。該方法考慮了流域飽和狀況對(duì)徑流形成過(guò)程的影響，基于貝葉斯損失函數(shù)的最小化確定臨界降雨指標(biāo)。該臨界降雨指標(biāo)對(duì)應(yīng)于某個(gè)河道斷面的臨界水位，當(dāng)洪水位高于此值時(shí)，可形成災(zāi)害。采用該方法有兩種技術(shù)途徑，即蒙特卡洛模擬（Monte-Carlo simulations）和 正 態(tài)分位數(shù)轉(zhuǎn)化（Normal Quantile Transform），其區(qū)別在于對(duì)數(shù)據(jù)的要求，即是否有降雨和徑流時(shí)間序列資料。

以意大利山洪預(yù)警系統(tǒng)為例，歐盟一些國(guó)家所建設(shè)的山洪預(yù)警系統(tǒng)主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：一個(gè)可視化的便于操作的平臺(tái)；具有不同功能的模塊，包括服務(wù)器優(yōu)化計(jì)算分析模塊，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)模塊，雷達(dá)數(shù)據(jù)管理和處理模塊；綜合形成預(yù)警信息的決策信息生成系統(tǒng)。在監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)中，歐盟非常重視基礎(chǔ)工作，例如建立相對(duì)比較詳細(xì)的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)展降雨與流量的耦合監(jiān)測(cè)和分析，進(jìn)行山洪災(zāi)害事件現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)據(jù)整編入庫(kù)等。

三、小結(jié)與建議

山洪災(zāi)害問(wèn)題已經(jīng)引起世界各國(guó)和組織的普遍關(guān)注，近年，在山洪災(zāi)害防治方面所開(kāi)展的工作不斷深入，在科研、示范、監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)、風(fēng)險(xiǎn)管理等方面均取得了很大進(jìn)展。借鑒歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)山洪災(zāi)害防治工作現(xiàn)狀和實(shí)際需求，建議在今后繼續(xù)組織開(kāi)展如下幾個(gè)方面的工作，把我國(guó)山洪災(zāi)害防御工作推向一個(gè)新的高度。

①加強(qiáng)基礎(chǔ)信息的調(diào)查和整編。組織開(kāi)展山區(qū)小流域基礎(chǔ)資料的調(diào)查和分析整理，包括水文氣象、地形、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面的內(nèi)容，為研究降雨——徑流動(dòng)力學(xué)過(guò)程、建立山洪預(yù)報(bào)模型和進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)支撐。同時(shí)，要充分利用新建小流域監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不斷率定和完善山洪預(yù)報(bào)模型。

②加強(qiáng)示范區(qū)建設(shè)。借鑒歐盟經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一些重大技術(shù)難題，如降雨——徑流分析、臨界預(yù)警指標(biāo)的確定方法、預(yù)警信息發(fā)布等，宜選擇具有不同自然地理特征的小流域，建立山洪災(zāi)害防治小流域示范區(qū)，開(kāi)展專項(xiàng)研究，并作為一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)持續(xù)開(kāi)展下去。通過(guò)不斷探索，提出上述重大技術(shù)難題的解決方案，完善后向全國(guó)推廣。

③加強(qiáng)基于實(shí)時(shí)降雨監(jiān)測(cè)的山洪預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)。從歐美國(guó)家的研究成果和實(shí)踐來(lái)看，基于天氣狀況的山洪預(yù)報(bào)具有很大的不確定性，須根據(jù)實(shí)時(shí)降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮前期降雨量以及通過(guò)降雨雷達(dá)觀測(cè)所獲得的降雨場(chǎng)信息，結(jié)合小流域特征，綜合生成預(yù)警信息。為提高時(shí)效性，需開(kāi)發(fā)小流域分布式或半分布式水文模型，提前開(kāi)展不同降雨情景下保護(hù)區(qū)位置的洪水位計(jì)算，據(jù)此建立臨界預(yù)警指標(biāo)及其閾值數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上針對(duì)實(shí)際降雨和天氣情勢(shì)，通過(guò)快速綜合研判生成預(yù)警信息，提高山洪預(yù)警可靠性和時(shí)效性。

[1]WMO Commission for Hydrology.Implementation of a Flash Flood Guidance System[R].2007.

[2]Konstantine Georgakakos.Modern operational flash flood warning systems based on flash flood guidance theory:Performance evaluation[C].International Conference on Innovation Advances and Implementation ofFlood Forecasting Technology,2005.

[3]Instituteforthe Protection and Security of the Citizen.Guidelines on Flash Flood Prevention and Mitigation[M].Brussels:European Commission，JointResearch Centre,Institute for the Protection and the Security of the Citizen,Technological and Economic Risk Management Natural Risk Sector,2002.

[4]APFM.Guidance on Flash Flood Management:Recent Experiences from Central and Eastern Europe[R].2007.

[5]Marco Borga.Real time guidance forflash flood risk management[J].Technical Report 2009（3）.