惠東縣山洪災(zāi)害非線性多場(chǎng)耦合預(yù)警技術(shù)

劉 宇，王 晶

(1.吉林省國(guó)土資源調(diào)查規(guī)劃研究院，吉林 長(zhǎng)春 130000; 2.吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所，吉林 長(zhǎng)春 130000)

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惠東縣山洪災(zāi)害非線性多場(chǎng)耦合預(yù)警技術(shù)

劉 宇1，王 晶2

(1.吉林省國(guó)土資源調(diào)查規(guī)劃研究院，吉林 長(zhǎng)春 130000; 2.吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所，吉林 長(zhǎng)春 130000)

針對(duì)惠東縣山洪監(jiān)測(cè)體系的現(xiàn)實(shí)需求，解譯NDVI指數(shù)建立植被覆蓋度指標(biāo)，運(yùn)用DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)提取地形指標(biāo)；基于巖石及土壤類型圖，采用地質(zhì)雷達(dá)量化松散度；采用水文學(xué)方法計(jì)算土壤前期雨量。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建亞熱帶山洪災(zāi)害多場(chǎng)非線性預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的快速定位、準(zhǔn)確評(píng)估、提早預(yù)警、科學(xué)決策。

亞熱帶;山洪;非線性;多場(chǎng);耦合

1 概述

廣東省地處歐亞大陸的東南緣，屬熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季長(zhǎng)而冬季短。水熱資源充沛，但時(shí)空變異大，災(zāi)害氣候頻繁。水熱同步，干濕季明顯，冬季受強(qiáng)大的大陸氣團(tuán)控制，盛行偏北風(fēng)，寒冷干燥，晴朗無(wú)雨；夏季則受西南季風(fēng)以及東南季風(fēng)的影響，盛行偏南風(fēng)，天氣炎熱，濕潤(rùn)多雨。

廣東省瀕臨南海，背靠嶺南山脈，直接承受印度洋孟加拉灣和太平洋輸入的水汽，形成暴雨的水汽、動(dòng)力、熱力條件都很充分，成為全國(guó)降水量最為充沛的省份之一。廣東省多年平均降水量為 1 771 mm，最大為2 278 mm(1973年)，最小為1 178 mm(1963年)，是全國(guó)暴雨最為頻繁的地區(qū)之一，具有開(kāi)始早、結(jié)束遲、暴雨日數(shù)多以及暴雨強(qiáng)度大等特點(diǎn)。

暴雨是山洪災(zāi)害的主要根源。每年4—9月(粵西4—10月)為廣東省的多雨季節(jié)， 4—6月，以鋒面雨為主，雨區(qū)范圍寬廣；后汛期7—9、10月，常有臺(tái)風(fēng)影響廣東省，暖濕氣流劇烈輻合上升，造成降水強(qiáng)度大、降水量集中的暴雨，一些流域面積較小的河流，易于被暴雨區(qū)籠罩，形成小流域性的山洪災(zāi)害。短歷時(shí)暴雨是廣東省山區(qū)小流域山洪災(zāi)害暴發(fā)的主要原因。

惠東縣河流因蓮花山系的主脈橫貫縣境，界分屬珠江和粵東沿海兩個(gè)水系。主要流域?yàn)槲髦饔?，發(fā)源于本縣東北側(cè)與紫金縣交界的竹凹頂南麓。從發(fā)源地南流偏東，至雙子水，折向西偏南流至李坑屯，沿著蓮花山主脈北麓西南流，至白盆珠水庫(kù)攔河大壩，稱為上游，屬低中山地帶。

惠東縣國(guó)土面積為3 535.17 km2，年平均降雨量為1 800 mm，由于地形地貌及氣候原因，縣域山洪災(zāi)害主要分布在多祝鎮(zhèn)、安墩鎮(zhèn)和寶口鎮(zhèn)3個(gè)鎮(zhèn)。據(jù)調(diào)查，1979年發(fā)生超百年一遇洪水，2008年發(fā)生50年一遇洪水，直接損失達(dá)2.5億元。以上2次均為洪水災(zāi)害，全部都是由于突降暴雨就地起洪所致，給當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳a(chǎn)和生活造成了極大的損失。

目前，廣東省舉大量人力物力建設(shè)的山洪監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是采集水文數(shù)據(jù)(水位、降雨量)，只有將水文數(shù)據(jù)與下墊面(植被、地形、土壤)耦合關(guān)聯(lián)后，才能進(jìn)行山洪災(zāi)害預(yù)警。由于涉及非線性多場(chǎng)耦合等技術(shù)問(wèn)題，使得我省乃至全國(guó)山洪災(zāi)害預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的突破，落后于工程建設(shè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總體上沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的效能。

2 研究區(qū)概況

惠東縣現(xiàn)有山洪防治工程參差不齊：其中江堤58.55 km，海堤167.92 km，大型水庫(kù)1座，中型水庫(kù)2座，小(1)型水庫(kù)30座，小(2)型水庫(kù)65座，已基本完成除險(xiǎn)加固，防御能力較好；而723座塘壩(其中寶口18座，多祝102座，安墩86座)，大部分是20世紀(jì)五六十年代建成，工程年久老化，難以抵御洪水的侵襲，一旦暴雨侵襲，易形成山洪災(zāi)害。

惠東縣易發(fā)山洪災(zāi)害的小流域達(dá)20個(gè)，面積達(dá)2 988.5 km2，涉及人口44.114萬(wàn)人。地形地勢(shì)條件決定了這些小流域易發(fā)生暴雨匯流后的洪水災(zāi)害，并且由于基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，防災(zāi)能力低；河道行洪不暢，

表1 惠東縣歷史山洪災(zāi)害損失情況

洪道淤積嚴(yán)重，易就地起洪，成為廣東省山洪災(zāi)害多發(fā)區(qū)(圖1)。

圖1 惠東縣歷史山洪災(zāi)害分布示意

根據(jù)水利部2006年第2號(hào)文公布的《關(guān)于劃分國(guó)家水土流失重點(diǎn)防治區(qū)的公告》，惠東縣屬國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防保護(hù)區(qū)。

3 非線性多場(chǎng)耦合預(yù)警技術(shù)

我國(guó)亞熱帶地區(qū)臨界雨量與溫帶、暖溫帶差異較大，沿海地區(qū)最大臨界雨量140 mm，而在西北內(nèi)陸僅10 mm左右， 較大的臨界雨量導(dǎo)致山洪以湍流的形式演進(jìn)成災(zāi)，具有高度非線性特點(diǎn)，因此，要對(duì)山洪進(jìn)行較為精準(zhǔn)的預(yù)警，需要采用非線性模擬技術(shù)與方法。山洪的孕災(zāi)和形成受地質(zhì)地貌、氣候、人類活動(dòng)等諸多因素影響，影響因素多，單一運(yùn)用水文學(xué)方法對(duì)山洪災(zāi)害進(jìn)行分析預(yù)警，有所欠缺，需要綜合植被場(chǎng)(生物場(chǎng))，地理場(chǎng)(地形)等多場(chǎng)耦合，開(kāi)展綜合研究。

實(shí)地調(diào)查收集研究區(qū)河流、氣象、水文條件，暴雨洪水特性，地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造與地層巖性、土壤類型及水土流失等情況；統(tǒng)計(jì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息；分析歷史山洪災(zāi)害損失及成因。采集惠東縣27個(gè)全自動(dòng)雨量站數(shù)據(jù)、8個(gè)自動(dòng)水文站數(shù)據(jù)和布設(shè)5個(gè)土壤前期雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行NDVI植被指數(shù)、地形因子、土壤前期雨量、巖石類型及土壤類型劃分計(jì)算和數(shù)據(jù)提取。

1) NDVI植被指數(shù)

在ENVI 遙感影像處理平臺(tái)上，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行歸一化植被指數(shù)計(jì)算，采用資料包括近期TM 遙感影像圖及1 ∶5萬(wàn)地形圖。圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理包括遙感影像的幾何校正、研究區(qū)的裁剪等基礎(chǔ)工作。根據(jù)惠東縣1 ∶50 000地形圖，對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正，采用二次多項(xiàng)式擬和法進(jìn)行影像配準(zhǔn)，然后運(yùn)用鄰近點(diǎn)插值法進(jìn)行重采樣，誤差控制在一個(gè)像元內(nèi)。

歸一化植被指數(shù)NDVI采用TM 影像2個(gè)波段值，第一波段( 近紅外) 和第二波段( 紅外波段) (圖2)。

計(jì)算公式(一):

NDVI=(Xnir-Xred)/(Xnir+Xred)

(1)

式中 Xnir為近紅外波段; Xred為紅外波段。

圖2 惠東縣植被NDVI指數(shù)分布示意(2008年5月16日)

2) 地形因子

惠東縣地形地貌主要包括低山丘陵和沖積平原兩個(gè)地形地貌單元?；輺|縣屬沿海山區(qū)縣，蓮花山脈分布在縣境北部和東北部，地勢(shì)較高，南部沿海多為丘陵，地勢(shì)較低，整個(gè)地勢(shì)由東北向西南傾斜。

采用DEM分析技術(shù)，計(jì)算地形坡向或坡度等因子(圖3)。

圖3 研究區(qū)地形坡向示意

3) 土壤前期雨量

惠東縣域內(nèi)的地層巖性主要有河湖相沉積層、沖積層(Qal)、殘積層(Qel)及下第三系丹霞群(Edn)的粉砂巖、含礫砂巖、砂礫巖、礫巖等。

歷史土壤前期雨量主要采用統(tǒng)計(jì)相關(guān)的方法來(lái)計(jì)算，流域的土壤前期雨量與流域地理、環(huán)境因子有關(guān)，如:流域面積、形狀、地形起伏狀況，流域內(nèi)植被覆蓋等可以通過(guò)建立前期雨量與流域地理、環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算流域的土壤前期雨量[2]。

選取流域面積F。流域的形狀系數(shù)θ=F/C(F為流域面積、C為周長(zhǎng))，流域的主溝比降J來(lái)表示地形的起伏狀況。通過(guò)對(duì)己經(jīng)確定臨界雨量的流進(jìn)行回歸分析，最終得到臨界雨量與流域的地理，環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系(惠東縣流域總面積4 120 km2，主流全長(zhǎng)176 km，平均比降0.6‰)。

預(yù)警土壤前期雨量是采用惠東縣山洪實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)土壤水分無(wú)線傳感器發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波沿探針傳輸，到達(dá)底部后返回，檢測(cè)探頭輸出的電壓，由于土壤介電常數(shù)的變化取決于土壤的含水量，由輸出電壓和水分的關(guān)系則可計(jì)算出土壤的含水量。測(cè)試土壤含水量以百分比表示?；贕PRS無(wú)線傳輸可保證大范圍無(wú)人值守環(huán)境下的土壤水分連續(xù)觀測(cè)與實(shí)時(shí)傳輸。

4) 巖石類型及土壤類型劃分

采用巖石類型分區(qū)和土壤類型分區(qū)圖進(jìn)行劃分。其中巖石類型圖是根據(jù)1 ∶500 000數(shù)字地質(zhì)圖，將廣東省劃分為6個(gè)巖土體類型，即極硬巖石、次硬巖石、次軟巖石、極軟巖石、軟硬相間巖石和土體類。

土壤類型圖是基于廣東省土地類型圖劃分，廣東省主要土壤類型受地帶性氣候影響，自北向南，呈現(xiàn)明顯的地帶性土壤分布，北部為中亞熱帶紅壤，中南部為南亞熱帶赤紅壤，雷州半島一帶則為磚紅壤。土壤類型也受區(qū)域性巖石類型分布的影響，主要有石灰土、紫色土(圖4)。

圖4 廣東省土地類型示意

4 GIS非線性多場(chǎng)耦合技術(shù)

在GIS平臺(tái)上針對(duì)植被覆蓋、地形，土壤類型與松散度、土壤前期含水量，和山洪災(zāi)害發(fā)生前期水雨情資料進(jìn)行多影響因子非線性分析分析，耦合運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)[6]。最終建立山洪災(zāi)害非線性模型，模擬山洪災(zāi)害與各個(gè)影響因子的非線性關(guān)系。

將歷史山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)主要時(shí)期的植被場(chǎng)(由遙感影像NDVI解譯出數(shù)據(jù))、地形場(chǎng)(由DEM劃分出地形坡度數(shù)據(jù))、土壤類型(由土壤類型圖劃分土壤松散成都)、水文場(chǎng)(降雨強(qiáng)度和土壤前期雨量)等多場(chǎng)數(shù)據(jù)輸入到GIS模型中，采用GIS非空間分析技術(shù)，進(jìn)行多場(chǎng)耦合，生成模擬場(chǎng)，將模擬場(chǎng)與歷史山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)分布圖對(duì)比，通過(guò)調(diào)整非線性關(guān)系進(jìn)行匹配。建立山洪災(zāi)害非線性多場(chǎng)耦合模型[13]。

根據(jù)惠東縣的暴雨特性、地形地質(zhì)條件、前期降雨量等，參照歷史山洪災(zāi)害發(fā)生時(shí)的降雨情況，把流域內(nèi)1 h內(nèi)降雨量達(dá)到10 mm以上的雨強(qiáng)作為預(yù)警初值，制定4個(gè)預(yù)警方案(分別是1 h內(nèi)降雨量達(dá)到10 mm、20 mm、50 mm、100 mm)。

輸入雨強(qiáng)到非線性多場(chǎng)耦合預(yù)警模型中，可計(jì)算出不同雨強(qiáng)設(shè)計(jì)方案時(shí)惠東縣山洪災(zāi)害高危險(xiǎn)性出現(xiàn)的地點(diǎn)和區(qū)域，從而提前實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警(圖5)。

圖5 基于GIS平臺(tái)山洪災(zāi)害非線性多場(chǎng)耦合預(yù)警模型

5 結(jié)語(yǔ)

將歷史山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)的植被場(chǎng)、地形場(chǎng)、土壤類型、水文場(chǎng)等數(shù)據(jù)輸入到GIS模型中，采用GIS空間分析技術(shù)，進(jìn)行多場(chǎng)耦合，生成模擬場(chǎng)，通過(guò)模擬場(chǎng)與歷史山洪災(zāi)害情景模擬匹配，模擬量化多場(chǎng)之間的非線性關(guān)系，建立山洪災(zāi)害非線性多場(chǎng)耦合預(yù)警模型。

以雨強(qiáng)作為預(yù)警指標(biāo)，結(jié)合惠東縣山洪監(jiān)測(cè)體系等數(shù)據(jù)與信息，設(shè)計(jì)小時(shí)降雨10 mm、20 mm、50 mm、100 mm等設(shè)計(jì)方案，輸入到非線性多場(chǎng)耦合模型中，計(jì)算不同設(shè)計(jì)方案下(雨強(qiáng))的山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)域及等級(jí)，實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害提早預(yù)警。

多場(chǎng)耦合問(wèn)題是山洪災(zāi)害預(yù)警的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題之一，采用GIS空間分析和圖形運(yùn)算功能加以實(shí)現(xiàn)，主要是對(duì)多場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，圖形運(yùn)算生成模擬場(chǎng)，可有效避免耦合奇異問(wèn)題，提高多場(chǎng)耦合的關(guān)聯(lián)度。

[1] 趙紅莉，王力，徐永年.基于GIS的山洪及誘發(fā)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)分析[J].泥沙研究，2004(5):41-45．

[2] 趙然杭，王敏，陸小蕾.山洪災(zāi)害雨量預(yù)警指標(biāo)確定方法研究[J].水電能源科學(xué)，2011，29(9):49-53．

[3] 周金星，王禮先，謝寶元，等.山洪災(zāi)害泥石流災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)述評(píng)[J].山地學(xué)報(bào)，2001，19(6): 527-532．

[4] 趙士鵬.中國(guó)山洪災(zāi)害系統(tǒng)的整體特征及其危險(xiǎn)度區(qū)劃的初步研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，1996， 5(3) :93-99.

[5] Ahmed M Y， Biswajeet P， Abdallah M H. Flash flood risk estimation along the St. Katherine road， southern Sinai，Egypt using GIS based morphometry and satellite imagery [J]. Environmental Earth Sciences， 2011，62(3) :611-623．

[6] M. G El-Behiry，A.Shedid， A. Abu-Khadra，et al. Integrated GIS and Remote Sensing for Runoff Hazard Analysis in Ain Sukhna Industrial Area， Egypt [J]. Earth Science， 2006( 17) : 19-42．

[7] P.A.Versini，E.Gaume.and H.Andrieu.Assessment of the susceptibility of roads to flooding based on geographical information-test in a flash flood prone area (the Gard region，F(xiàn)rance) [J]. Natural Hazards and Earth System Sciences， 2010， 10(4):793-803．

[8] M.Coulibaly. Spatial analysis of an urban flash flood survey results [J]. Geocarto International，2008，23(3):217-234．

[9] Loan T.K.Ho，Masatomo U.Micro-landform classification and flood hazard assessement of the Thu Bon alluvial plain，central Vietnam via an integrated method utilizing remotely sensed data [J]. Applied Geography， 2011(31):1 082-1 093．

[10] 江錦紅，邵利萍.基于降雨觀測(cè)資料的山洪預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)[J].水利學(xué)報(bào)，2010，41(4):458-463．

[11] 劉志雨， 山洪預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 中國(guó)防汛抗旱，2012(2)：41-45.

[12] 郭良，唐學(xué)哲，孔凡哲.基于分布式水文模型的山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].中國(guó)水利， 2007(14):39-41.

[13] 李良，黃生葉.基于GIS的山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2006，6(17):2 712-2 715.

[14] 張李蘇.基于WebGIS的山洪災(zāi)害預(yù)警信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].人民長(zhǎng)江，2009，40(17):84-86．

[15] 李玟靜， 周新志.崇州市山洪預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，水電能源科學(xué)，2011，29(3):43-45.

[16] Rutherford H.P.Automated flash flood warning systems[J].Applied Geography，1987(7):289-301．

[17] 胡健偉， 劉志雨.中小河流山洪預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].水文，2011，31(3):45-46.

[18] 彭定志.基于RS和GIS的水文模型以及洪災(zāi)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)的研究[D].武漢:武漢大學(xué)，2005．

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Multi-field and Nonlinear Coupling Warning Technique of Mountain Torrent Monitoring in Huidong County

LIU Yu1, WANG Jing2

(1.Jilin Provincial Institute of Land and Resources Survey and Planning, Changchun 130000, China; 2. Jilin Provincial Institute of Hydrology and Geology, Changchun 130000, China)

According to the demand for mountain torrent monitoring system of Huidong County, analysis is made on interpretation of NDVI to define the vegetation coverage index, and by using DEM to extract the topographic indices. Besides, GPR quantized porosity is also applied based on the type maps of rocks & soils and calculates the amount of pre-rainfall by hydrology approach. On this basis, the multi-field and nonlinear warning model of mountain torrent disasters can be established in subtropical zone to make it possible for fast locating and accurate assessment, advance warning and scientific decision making of mountain torrent disasters.

subtropical zone, mountain torrent, nonlinear, multi-field, coupling.

2016-07-19；

2016-07-30

劉宇(1980)，男，本科，工程師，從事土地管理、土地測(cè)繪及土地調(diào)查工作。

P426.616

A

1008-0112(2016)08-0028-05