基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的山洪預(yù)警和影響分析方法的研究

周毅 雷雪蓮

摘 要： 由于對(duì)臨界雨量分析不足，目前的山洪預(yù)警方法可能導(dǎo)致預(yù)警不準(zhǔn)確?；趧?dòng)態(tài)臨界雨量的山洪預(yù)警方式，綜合考慮降雨量、降雨強(qiáng)度、前期影響雨量對(duì)山洪暴發(fā)的影響，能有效提高降雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，并利用短歷時(shí)降雨預(yù)報(bào)延長(zhǎng)山洪預(yù)見(jiàn)期，利用水文、水動(dòng)力學(xué)模型分析預(yù)警后山洪可能造成的影響，為決策提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞： 山洪；動(dòng)態(tài)臨界雨量；預(yù)警；影響分析；云平臺(tái)

1引言

山洪是山區(qū)中小流域由強(qiáng)降雨引起的突發(fā)性洪水，具有突發(fā)性和極強(qiáng)的破壞性，威脅著人類(lèi)的生命和財(cái)產(chǎn)安全。我國(guó)河流眾多，流域面積覆蓋面廣，中小河流大多分布在城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村周?chē)?，由于缺少系統(tǒng)性的管理，加上近年來(lái)極端天氣事件增多，突發(fā)性暴雨頻率增加，我國(guó)城鄉(xiāng)尤其是重要城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)受山洪災(zāi)害損失十分嚴(yán)重。在此背景下，山洪災(zāi)害的防治尤為重要。

山洪預(yù)警是山洪災(zāi)害防治的重要手段，能有效預(yù)報(bào)災(zāi)害并以此作出應(yīng)急響應(yīng)，以減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。我國(guó)針對(duì)中小河流山洪災(zāi)害的技術(shù)研究開(kāi)展較晚，目前山洪預(yù)警所用的雨量站閾值一般是通過(guò)統(tǒng)計(jì)、回歸等方法確定的臨界雨量值，是一個(gè)“靜態(tài)”值。而山洪災(zāi)害發(fā)生不僅與降雨量有關(guān)，還與土壤含水量、降雨強(qiáng)度等諸多因素有關(guān)，臨界雨量會(huì)隨著土壤干濕程度、降雨過(guò)程變化而變化，因此固定的閾值會(huì)導(dǎo)致預(yù)警不準(zhǔn)確。加之山洪災(zāi)害一般具有突發(fā)性，從降雨到山洪發(fā)生往往僅幾十分鐘，長(zhǎng)的不超過(guò)數(shù)小時(shí)，目前基于實(shí)測(cè)降雨的預(yù)警方式預(yù)見(jiàn)期短，可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)警不及時(shí)，當(dāng)?shù)鼐用裢鶡o(wú)法及時(shí)轉(zhuǎn)移。為此，本文提出基于動(dòng)態(tài)臨界雨量對(duì)山洪進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，能有效提高降雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，并利用短歷時(shí)降雨預(yù)報(bào)延長(zhǎng)山洪預(yù)見(jiàn)期。以此為基礎(chǔ)搭建的預(yù)警云平臺(tái)能夠有效預(yù)報(bào)山洪，并分析山洪災(zāi)害影響，為決策提供指導(dǎo)。

2預(yù)警平臺(tái)架構(gòu)

山洪預(yù)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)總體框架如下圖所示，包括感知層、信息處理層和應(yīng)用層三部分，各個(gè)層次均有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全體系作為保障。

2.1感知層

云平臺(tái)采集各類(lèi)傳感器實(shí)時(shí)感知的水情、雨情、工情及氣象等各類(lèi)數(shù)據(jù)，這是山洪預(yù)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)的數(shù)據(jù)來(lái)源。

2.2信息處理層

信息處理層是信息匯集、存儲(chǔ)、分析、管理的中心，是山洪預(yù)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)的核心層。

多源數(shù)據(jù)通過(guò)信息通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至云數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等方式對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式進(jìn)行整編，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)規(guī)則存儲(chǔ)在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心。

信息處理層依靠行業(yè)機(jī)理模型作為數(shù)據(jù)分析引擎。通過(guò)將降雨預(yù)報(bào)模型、水文模型、水動(dòng)力模型、損失評(píng)估模型按照編排的工作流和模型之間的信息交互，并借助云平臺(tái)強(qiáng)大的計(jì)算能力，讓數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)各個(gè)模型協(xié)同完成山洪災(zāi)害的模擬推演，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

云平臺(tái)還為用戶提供模型管理工具，主要包括模型審核、模型注冊(cè)、模型評(píng)價(jià)和任務(wù)管理等，為模型的準(zhǔn)確性、適用性等方面做出合理評(píng)價(jià)和管理。

2.3應(yīng)用層

應(yīng)用服務(wù)層主要為終端用戶提供各種定制化的服務(wù)。通過(guò)動(dòng)態(tài)臨界雨量法預(yù)測(cè)預(yù)警和影響分析的方式，將用戶關(guān)注的計(jì)算結(jié)果指標(biāo)，通過(guò)服務(wù)器、短信、微信等方式以KPI的形式反饋給水行業(yè)管理單位或者社會(huì)公眾，采取相應(yīng)的措施和行動(dòng)。這樣，過(guò)去山洪中憑經(jīng)驗(yàn)解決的問(wèn)題，現(xiàn)在可以通過(guò)登錄山洪預(yù)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)，讓水行業(yè)大數(shù)據(jù)指導(dǎo)決策。

3.基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的山洪預(yù)警方法

3.1山洪暴發(fā)影響因素

一般情況下，山洪成災(zāi)的原因是局部地區(qū)暴雨形成的洪水，而暴雨產(chǎn)生徑流又與降雨總量、降雨強(qiáng)度、前期影響雨量等諸多因素有關(guān)。前期影響雨量表示一場(chǎng)降雨前，流域土壤的干濕狀況對(duì)此次降雨產(chǎn)生徑流的影響。前期影響雨量大，則降雨損失較小，產(chǎn)生徑流越大；反之，產(chǎn)生徑流越小。

影響因素的選取如圖所示，累計(jì)雨量P，表示從降雨開(kāi)始到面臨時(shí)刻的降雨總量，如圖中Ⅰ區(qū)域所示；面臨時(shí)刻前一時(shí)段降雨量PⅡ，表示降雨強(qiáng)度對(duì)臨界雨量的影響，如圖中Ⅱ區(qū)域所示；臨界雨量P臨，表示面臨時(shí)刻未來(lái)一個(gè)時(shí)段的降雨量，如圖中Ⅲ區(qū)所示；前期影響雨量Pa如圖中Ⅳ區(qū)所示；預(yù)警時(shí)刻如圖中Ⅴ區(qū)所示。

山洪暴發(fā)影響因素中，累計(jì)雨量P和代表降雨強(qiáng)度的降雨量PⅡ可以根據(jù)雨量站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)直接統(tǒng)計(jì)出。前期影響雨量Pa需要如下公式求得：

Pat=KPt-1+ K2Pt-2+ K3Pt-3+……+KnPt-n

上式中，Pat為第t日的土壤含水量指標(biāo)（mm）；Pt-n為第t日前n天的日雨量（mm）；K為日折減系數(shù)，與土壤蒸發(fā)能力有關(guān)；n為計(jì)算天數(shù)。

3.2臨界雨量的計(jì)算方法

山洪災(zāi)害主要由強(qiáng)降雨產(chǎn)生，匯流歷時(shí)短，洪水陡漲睹落，因此臨界雨量指標(biāo)的時(shí)段長(zhǎng)主要采用1h、3h和6h三個(gè)時(shí)間尺度。山洪暴發(fā)的各個(gè)影響因素會(huì)隨著降雨的變化而變化，因此警戒臨界雨量也呈動(dòng)態(tài)變化。因此，尋求各個(gè)影響因素與臨界雨量的關(guān)系是本方法的關(guān)鍵。

截取任意歷時(shí)T的降雨過(guò)程，利用水文模型推求其產(chǎn)生洪水的過(guò)程。判別山洪是否發(fā)生，若洪峰流量大于預(yù)警流量，則山洪已發(fā)生，需重新截取；若未發(fā)生，給第T+1時(shí)段的降雨量由小到大賦值PT+1，并判斷山洪是否發(fā)生，使山洪發(fā)生的最小值PT+1即為該條件下的P臨。得到點(diǎn)（Pa+ P+PⅡ，P臨）。按照上述方法計(jì)算數(shù)十次洪水，得到一個(gè)點(diǎn)集，擬合得到P臨～Pa+ P+PⅡ的關(guān)系曲線。

3.3山洪預(yù)測(cè)預(yù)警

山洪預(yù)測(cè)預(yù)警流程如下：

圖3山洪預(yù)測(cè)預(yù)警流程示意圖

臨界雨量作為是否發(fā)布預(yù)警的判別指標(biāo)，當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)， 通過(guò)雨量站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算前期影響雨量Pa、累計(jì)雨量P和PⅡ，得到Pa+ P+PⅡ，通過(guò)P臨～Pa+ P+PⅡ的關(guān)系曲線圖中查找對(duì)應(yīng)的臨界雨量P臨。將下一個(gè)時(shí)刻的預(yù)報(bào)降雨P(guān)Ⅲ與之比較，如果P臨PⅢ，則不需要發(fā)布預(yù)警。

本次短歷時(shí)臨近降雨數(shù)據(jù)采用彩云天氣分鐘級(jí)降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。彩云天氣依托卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)中國(guó)氣象局雷達(dá)圖進(jìn)行分類(lèi)、識(shí)別處理，降雨時(shí)間的預(yù)測(cè)存在約 5 分鐘誤差。通過(guò)提供雨量站經(jīng)緯度信息，彩云天氣就可以將預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)以API的形式發(fā)送給山洪預(yù)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)。

4.預(yù)警影響分析

4.1預(yù)警影響分析流程

圖4預(yù)警影響分析流程示意圖

由上述方法確認(rèn)需要發(fā)布預(yù)警之后，根據(jù)實(shí)測(cè)和預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)，通過(guò)水文模型計(jì)算可以得出流域河流的出口斷面流量過(guò)程，再結(jié)合基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等，通過(guò)水動(dòng)力學(xué)模型和損失評(píng)估模型，可以模擬出流域范圍內(nèi)洪水淹沒(méi)和損失情況。

4.2洪水淹沒(méi)分析

山洪成災(zāi)河流多為山區(qū)性中小河流，河道比降大，河水流向相對(duì)單一，可以采用二維水動(dòng)力學(xué)模型概化河道和二維淹沒(méi)區(qū)地形，通過(guò)概化地形、阻水構(gòu)筑物、導(dǎo)水構(gòu)筑物等方式模擬，描述洪水在二維區(qū)域的演進(jìn)、淹沒(méi)情況，包括淹沒(méi)水深、洪峰達(dá)到時(shí)間、淹沒(méi)歷時(shí)等要素。

4.3山洪影響分析

根據(jù)洪水淹沒(méi)分析得到的淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)等要素，結(jié)合淹沒(méi)區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，綜合分析評(píng)估洪水影響程度。洪水影響分析指標(biāo)包括受淹耕地面積、受淹房屋面積、受災(zāi)人口、受影響GDP、淹沒(méi)區(qū)經(jīng)濟(jì)損失等，在一定程度上反映出洪水的危害程度。

具體步驟如下：將洪水水情特征分布圖層和與社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)聯(lián)的土地利用分布圖層通過(guò)空間地理關(guān)系進(jìn)行疊加分析，以實(shí)現(xiàn)各類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)的淹沒(méi)情況統(tǒng)計(jì)；隨后，建立淹沒(méi)水深與各類(lèi)財(cái)產(chǎn)損失關(guān)系，綜合評(píng)估各洪水影響指標(biāo)。具體分析步驟如下：

（1）地圖數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

將洪水影響分析與洪災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估所需要的基礎(chǔ)信息繪制成GIS圖層，將圖層設(shè)定為行政區(qū)劃面圖層、居民地面圖層、農(nóng)田植被面圖層、鐵路線圖層、公路線圖層、重點(diǎn)單位點(diǎn)圖層等。

（2）社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，主要包括行政區(qū)面積、人口、耕地面積、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、地區(qū)生產(chǎn)總值、人均住房情況、人均收入情況、重要工業(yè)企業(yè)單位等與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展相關(guān)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，對(duì)數(shù)據(jù)類(lèi)型和統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行分析和分類(lèi)整理，形成社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表。

（3）損失評(píng)估分析

將基礎(chǔ)圖層、淹沒(méi)圖層、以及經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)依次導(dǎo)入系統(tǒng)，進(jìn)行空間疊加分析，確定損失關(guān)系并進(jìn)行分析計(jì)算，便可得到各洪水影響指標(biāo)。

5.結(jié)論

本研究主要探討了基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的山洪預(yù)警方法，提出了山洪影響的分析方法，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建山洪預(yù)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)。

基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的預(yù)警方式，綜合考慮降雨強(qiáng)度、前期土壤含水量等影響因素，結(jié)合降雨預(yù)報(bào)，對(duì)山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警。該方法與傳統(tǒng)山洪預(yù)警方法相比，有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）預(yù)報(bào)預(yù)警更加準(zhǔn)確。動(dòng)態(tài)臨界雨量法能夠?qū)⒏饔绊懸蛩貙?shí)際情況相結(jié)合，通過(guò)分析降雨量、壤含水量、降雨強(qiáng)度、降雨分布等諸多因素對(duì)山洪暴發(fā)的影響，合理動(dòng)態(tài)設(shè)置預(yù)警閾值，并且每一次預(yù)警和影響分析，模型都會(huì)將計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，不斷優(yōu)化模型參數(shù)，使得預(yù)報(bào)預(yù)警更加準(zhǔn)確。

（2）提高山洪預(yù)見(jiàn)期。動(dòng)態(tài)臨界雨量結(jié)合預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)，能提前預(yù)知山洪災(zāi)害的發(fā)生，增加轉(zhuǎn)移救援的應(yīng)對(duì)時(shí)間。

（3）提升決策支撐能力。平臺(tái)根據(jù)實(shí)測(cè)和預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)，結(jié)合基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等，通過(guò)水文模型、水動(dòng)力學(xué)模型和損失評(píng)估模型分析，能夠在短時(shí)間內(nèi)模擬出流域范圍內(nèi)洪水淹沒(méi)情況和影響情況，并以KPI的形式展示，更好的輔助管理者決策。

目前全國(guó)山洪災(zāi)害防治體系已初步建立，但大多還是以監(jiān)測(cè)預(yù)警為主，預(yù)警能力也有待提升。山洪預(yù)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)旨在提供山洪災(zāi)害防治應(yīng)用領(lǐng)域中數(shù)據(jù)接入、預(yù)測(cè)預(yù)警、影響分析、動(dòng)態(tài)展示的一站式服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)山洪災(zāi)害自動(dòng)化預(yù)測(cè)預(yù)警，提升山洪災(zāi)害防治能力，為山洪災(zāi)害頻發(fā)的中小流域提供服務(wù)。

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