復(fù)合預(yù)警指標(biāo)在山洪災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用分析

郭良 王雅莉 李青 翟曉燕 張曉蕾 劉榮華

摘要：預(yù)警指標(biāo)是山洪災(zāi)害預(yù)警的依據(jù)，準(zhǔn)確、有效的預(yù)警指標(biāo)是山洪災(zāi)害預(yù)警的必然要求。在總結(jié)國內(nèi)外預(yù)警指標(biāo)確定方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮前期影響雨量、場次累計雨量和雨強(qiáng)，提出了復(fù)合預(yù)警指標(biāo)法，闡述了確定復(fù)合預(yù)警指標(biāo)的原理及方法，并以山西省北張店小流域為例對復(fù)合預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行分析計算。結(jié)果表明：考慮多個降雨特征值的復(fù)合預(yù)警指標(biāo)能夠較為準(zhǔn)確地反映引發(fā)山洪災(zāi)害的降雨條件。復(fù)合預(yù)警指標(biāo)是由雨強(qiáng)、前期影響雨量和場次累計雨量計算得到的，其計算方法簡便、所需資料少、預(yù)警過程簡單，適合在我國大部分地區(qū)山洪災(zāi)害預(yù)警中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：山洪預(yù)警；復(fù)合預(yù)警指標(biāo)；前期影響雨量；場次累計雨量

中圖分類號：TV877

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10. 3969/j.issn.1000-1379.2018.07.009

山洪是指降雨、融雪、潰壩等在山丘區(qū)小流域引發(fā)的陡漲陡落的洪水。近年來，受自然地理條件、極端氣象要素以及人類經(jīng)濟(jì)社會活動的影響，山洪災(zāi)害頻發(fā)，造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失、基礎(chǔ)設(shè)施損毀和生態(tài)環(huán)境破壞十分嚴(yán)重。2000-2010年山洪災(zāi)害年均死亡人數(shù)1079人，約占全國洪澇災(zāi)害死亡人數(shù)的75%，山洪災(zāi)害已成為我國自然災(zāi)害造成人員傷亡的主要災(zāi)種。2013-2015年，全國開展了大規(guī)模山洪災(zāi)害調(diào)查評價工作，形成了全國山洪災(zāi)害調(diào)查評價成果數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺系統(tǒng)。預(yù)警平臺系統(tǒng)以調(diào)查評價數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實時監(jiān)測地區(qū)暴雨洪水，根據(jù)預(yù)警指標(biāo)臨界值，發(fā)布山洪災(zāi)害預(yù)警信息。

本文在總結(jié)國內(nèi)外山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確定方法的基礎(chǔ)上，提出考慮多降雨特征值的復(fù)合預(yù)警指標(biāo)確定方法，并以山西省北張店流域為例，運(yùn)用流域?qū)崪y降雨資料，對復(fù)合預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行分析計算。

1國內(nèi)外預(yù)警指標(biāo)確定方法

確定山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)是山洪災(zāi)害預(yù)警的前提條件。美國山洪預(yù)警指標(biāo)的確定是基于山洪預(yù)警指導(dǎo)系統(tǒng)（FFGS），根據(jù)實時土壤含水量，運(yùn)用水文模型計算臨界流量的時段雨量作為預(yù)警指標(biāo)；歐洲的山洪預(yù)警指標(biāo)為基于氣象的雨量預(yù)警指標(biāo)（EPIC），即運(yùn)用歐洲洪水預(yù)警系統(tǒng)（EFAS）統(tǒng)計分析近30a不同時段數(shù)值天氣預(yù)報的降雨數(shù)據(jù)，根據(jù)降雨的重現(xiàn)期設(shè)定預(yù)警指標(biāo)，一般設(shè)定2a一遇降雨量為中級預(yù)警指標(biāo)值，5a一遇降雨量為高級預(yù)警指標(biāo)值，20 a一遇降雨量為最高級預(yù)警指標(biāo)值；日本運(yùn)用以降雨量為指標(biāo)的地質(zhì)災(zāi)害警戒系統(tǒng)對山洪進(jìn)行預(yù)警，把短期雨量指標(biāo)（雨強(qiáng)）作為縱坐標(biāo)，長期雨量指標(biāo)（土壤雨量指數(shù)）作為橫坐標(biāo)，以歷史山洪災(zāi)害為基礎(chǔ)，繪制地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警臨界線（蛇形曲線），并以此線作為判斷地質(zhì)災(zāi)害是否發(fā)生的依據(jù) 。我國臺灣的預(yù)警指標(biāo)與日本預(yù)警指標(biāo)的設(shè)定類似，分別以短期、長期雨量指標(biāo)作為縱、橫軸，采用降雨驅(qū)動指標(biāo)劃定山洪災(zāi)害預(yù)警臨界值。我國大陸在2013年以前山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)的確定以經(jīng)驗法為主。自2013年開始全國范圍的山洪災(zāi)害調(diào)查以來，中國水利水電科學(xué)研究院編制《全國山洪災(zāi)害分析評價指南》，在全國推行設(shè)計暴雨洪水反推法計算預(yù)警指標(biāo)，運(yùn)用成災(zāi)水位反推成災(zāi)流量，設(shè)定不同的土壤含水量條件（較干、一般、較濕三種情況），運(yùn)用推理公式法或水文模型法反推時段雨量，作為預(yù)警指標(biāo)。

對比國內(nèi)外幾種預(yù)警指標(biāo)（見表1）發(fā)現(xiàn)，我國與美國預(yù)警指標(biāo)確定方法都是基于流域的產(chǎn)匯流機(jī)制，設(shè)定時段雨量為預(yù)警指標(biāo)，在一定程度上反映了流域的物理特性。歐洲的預(yù)警指標(biāo)確定方法都是基于歷史災(zāi)害資料的統(tǒng)計分析，只根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報降雨信息確定預(yù)警指標(biāo)，下墊面條件及土壤含水量狀況等均未考慮。美國、日本、我國臺灣及我國現(xiàn)行水位流量反推法都考慮或部分考慮了土壤含水量對預(yù)警指標(biāo)的影響，美國考慮隨時間變化的土壤含水量對預(yù)警指標(biāo)的影響，稱為動態(tài)預(yù)警指標(biāo)：我國臺灣把前期土壤含水量與場次累計雨量并稱為有效累計雨量，用來確定預(yù)警指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)考慮前期雨量、雨強(qiáng)、有效累計雨量等降雨要素，能夠較為準(zhǔn)確地反映引發(fā)山洪的降雨條件，提高預(yù)警指標(biāo)的精準(zhǔn)度。

2復(fù)合預(yù)警指標(biāo)理論

運(yùn)用經(jīng)驗法確定的預(yù)警指標(biāo)，未定量考慮雨強(qiáng)和前期影響雨量。引發(fā)山洪的暴雨產(chǎn)流具有非線性特點，往往在降雨初期形成超滲產(chǎn)流，造成地面徑流迅速增長，形成山洪災(zāi)害。研究發(fā)現(xiàn)，雨強(qiáng)是山洪災(zāi)害形成的主導(dǎo)因素，場次累計雨量和前期影H向雨量對山洪災(zāi)害的形成有一定的影響。復(fù)合預(yù)警指標(biāo)法是以我國臺灣的降雨驅(qū)動指標(biāo)法為基礎(chǔ)，考慮了雨強(qiáng)、前期影響雨量、場次累計雨量等降雨要素的一種山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)計算方法。復(fù)合預(yù)警指標(biāo)確定過程中，把場次累計雨量與前期影響雨量之和定義為有效累計雨量。

復(fù)合預(yù)警指標(biāo)計算的基本理論與降雨驅(qū)動指標(biāo)法類似，其基本公式為

CWI=PI·R

（1）式中：CWI為復(fù)合預(yù)警指標(biāo)，mm^2/h；PI為山洪發(fā)生時刻的降雨強(qiáng)度，mm/h；R為有效累計雨量，mm。

有效累計雨量R定義為該場次累計雨量（R0）與前期影響雨量（Pa）之和：

R =Ro+Pa

（2）

前期影響雨量為該次降雨開始時刻前幾天的加權(quán)降雨量之和：式中：Pa≤Wm.（飽和土壤含水量）；Ri為第i天日雨量；αi為第i天日雨量加權(quán)系數(shù)；n為計算天數(shù)。

對于濕潤、半濕潤地區(qū)，蒸發(fā)量較小，n≥10，α為0.8～0.9；對于干旱、半干旱地區(qū)，蒸發(fā)量較大，n≥5，α為0.6～0.8。

計算復(fù)合預(yù)警指標(biāo)時，首先要分析每次山洪發(fā)生時的降雨強(qiáng)度（ PI）及山洪發(fā)生之前的有效累計雨量（R），然后計算該次山洪事件的復(fù)合預(yù)警指標(biāo)值（CWI）。在我國大部分地區(qū)，發(fā)生山洪的時刻不能準(zhǔn)確確定，因此通常以該場降雨的最大降雨強(qiáng)度作為發(fā)生山洪時的雨強(qiáng)。

3復(fù)合預(yù)警指標(biāo)的應(yīng)用

3.1研究區(qū)概況

北張店小流域位于山西省長治市屯留縣張店鎮(zhèn)，絳河上游，集水面積270km^2。流域形狀為扇形，屬砂頁巖石山區(qū)，黃土覆蓋不厚，多屬于第三紀(jì)紅土，植被較差，水土流失嚴(yán)重。流域地勢西高東低，由西北向東南傾斜，平均高程1182m。流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年平均氣溫為9.2℃。多年平均降水量為574.9mm，年際變化較大，年內(nèi)分配不均勻，冬季干旱少雨，夏季降雨充沛。多年平均汛期（6-9月）降雨量占全年降水量的70%以上，多年平均蒸發(fā)能力為l755mm。流域內(nèi)有1個水文站（北張店站）、10個雨量站。北張店小流域山洪災(zāi)害頻發(fā)，20世紀(jì)以來文獻(xiàn)記載的較大山洪災(zāi)害共7次。下面根據(jù)成災(zāi)和未成災(zāi)的20場實測暴雨洪水資料，分析計算其復(fù)合預(yù)警指標(biāo)。

3.2復(fù)合預(yù)警指標(biāo)計算

在進(jìn)行復(fù)合預(yù)警指標(biāo)計算前，需根據(jù)實測降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行雨場分割，對引發(fā)洪水的降雨，找出洪水發(fā)生時的雨強(qiáng)以及災(zāi)害發(fā)生前的有效累計降雨量。對未發(fā)生洪水的降雨場次或發(fā)生洪水但不確定成災(zāi)時刻的降雨場次，將場次的最大雨強(qiáng)作為激發(fā)雨強(qiáng)，并計算相應(yīng)的有效累計雨量。

在一次連續(xù)降雨過程中，采用小時雨量大于4mm的時刻作為場次降雨開始時刻，小時雨量連續(xù)3h小于4mm的開始點作為降雨結(jié)束時刻，來劃分降雨場次。

對北張店小流域的降雨資料進(jìn)行場次劃分后，統(tǒng)計其成災(zāi)時刻雨強(qiáng)（或最大雨強(qiáng)）、場次累計雨量和前期影響雨量。統(tǒng)計的20場降雨中，有7場發(fā)生了山洪災(zāi)害。按照發(fā)生山洪災(zāi)害的降雨場次和未發(fā)生山洪災(zāi)害的降雨場次，繪制有效累計雨量和雨強(qiáng)散點圖（見圖1）。從圖1可以看出，當(dāng)有效累計降雨量較小時（圖中紅線左側(cè)），即使雨強(qiáng)相對較大也未能引發(fā)山洪災(zāi)害；在雨強(qiáng)和有效累計雨量都較大時（圖中紅線右側(cè)），發(fā)生山洪災(zāi)害的可能性更大。這種現(xiàn)象是山丘區(qū)小流域的產(chǎn)匯流特性決定的，較大的雨強(qiáng)是山洪發(fā)生的激發(fā)因素，較大的有效累計雨量為山洪災(zāi)害的發(fā)生創(chuàng)造了必要條件。在山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確定過程中，需綜合考慮二者的影響，缺一不可。

運(yùn)用統(tǒng)計的雨強(qiáng)和有效累計雨量按照上述理論方法計算復(fù)合預(yù)警指標(biāo)值，并把這些值按照從大到小的順序排列，運(yùn)用經(jīng)驗頻率法計算其頻率（見圖2），大的預(yù)警指標(biāo)值對應(yīng)小的頻率值。圖2中可以看出復(fù)合預(yù)警指標(biāo)有明顯的分群現(xiàn)象，發(fā)生山洪災(zāi)害的復(fù)合預(yù)警指標(biāo)值普遍較大，而未發(fā)生山洪災(zāi)害的指標(biāo)值較小。復(fù)合預(yù)警指標(biāo)值最大約為2300mm^2/h，均值為1122mm^2/h。有效累計雨量和雨強(qiáng)決定了復(fù)合預(yù)警指標(biāo)的大小。北張店小流域位于我國北方地區(qū)，屬半濕潤區(qū)與半干旱區(qū)的交界地帶，年降水量較小，夏季短歷時大暴雨居多，年降雨日數(shù)少，暴雨場次的前期影響雨量小，場次累計雨量不大，導(dǎo)致有效累計雨量偏小，計算的大部分場次降雨的復(fù)合預(yù)警指標(biāo)值不大。夏季也會出現(xiàn)連綿降雨的情況，計算的復(fù)合預(yù)警指標(biāo)值會比較大，但這種情況較少。

綜合分析北站店小流域的降雨特征，分別設(shè)定頻率0.5和0.7為高預(yù)警臨界值和低預(yù)警臨界值，對應(yīng)的復(fù)合預(yù)警指標(biāo)值分別為915mm^2/h和686mm^2/h，把這兩個值作為山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)，繪制預(yù)警臨界曲線（見圖3）。

在山洪災(zāi)害預(yù)警過程中，實時觀測降雨，找出降雨的最大雨強(qiáng)，計算場次降雨的有效累計雨量，得到復(fù)合預(yù)警指標(biāo)值，并將其與預(yù)警臨界值對比。若實時計算的復(fù)合預(yù)警指標(biāo)值大于橙色預(yù)警臨界值，發(fā)布橙色預(yù)警信息；若實時復(fù)合預(yù)警指標(biāo)值大于紅色預(yù)警指標(biāo)臨界值，發(fā)布紅色預(yù)警信息。運(yùn)用復(fù)合預(yù)警指標(biāo)預(yù)警的流程見圖4。

4結(jié)語

在分析國內(nèi)外山洪預(yù)警指標(biāo)確定方法的基礎(chǔ)上，提出了考慮多要素的復(fù)合預(yù)警指標(biāo)，在闡述復(fù)合預(yù)警指標(biāo)計算理論的基礎(chǔ)上，以山西省北張店小流域為例，將復(fù)合預(yù)警指標(biāo)應(yīng)用在山洪災(zāi)害預(yù)警中。

（1）美國、歐洲、日本、我國臺灣等都形成了一套比較完整的預(yù)警指標(biāo)確定方法，這些地區(qū)的氣候條件和下墊面條件不同，考慮的降雨要素也不盡相同。綜合考慮雨強(qiáng)、前期影響雨量和場次累計雨量的復(fù)合預(yù)警指標(biāo)確定方法能夠較為準(zhǔn)確地反映引發(fā)山洪災(zāi)害的降雨條件。

（2）根據(jù)實測降雨資料計算出復(fù)合預(yù)警指標(biāo)值后，運(yùn)用經(jīng)驗頻率分析法得到橙色預(yù)警和紅色預(yù)警臨界值，繪制預(yù)警臨界線，并以此為依據(jù)進(jìn)行山洪災(zāi)害預(yù)警。

考慮多要素的預(yù)警指標(biāo)確定方法是山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)發(fā)展的必然趨勢。復(fù)合預(yù)警指標(biāo)因其考慮降雨特征值多、計算簡單、所需資料少，適合在我國大部分地區(qū)應(yīng)用，尤其是在山丘區(qū)采用簡易雨量報警器進(jìn)行預(yù)警的村莊，可在簡易雨量報警器中嵌入復(fù)合預(yù)警指標(biāo)計算程序和閾值。在以后的研究中，需關(guān)注其應(yīng)用效果及與其他預(yù)警指標(biāo)的應(yīng)用對比。