山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究及發(fā)展趨勢綜述

垚

(1.長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010； 2.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

我國位于東亞季風(fēng)氣候區(qū)，暴雨頻發(fā)，地形地貌環(huán)境復(fù)雜，加之人類活動(dòng)劇烈，導(dǎo)致我國山洪災(zāi)害頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1-2]，1949～2015年，全國發(fā)生山洪災(zāi)害場次為53 000多次，累積死亡約6萬人，占洪澇災(zāi)害死亡人數(shù)70%以上。隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響，山區(qū)城市化進(jìn)程加快、生態(tài)環(huán)境惡化、極端水文事件頻發(fā)造成山洪災(zāi)害日益嚴(yán)重。針對我國山洪災(zāi)害問題日益突出的問題，以《全國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》為依據(jù)，全國(2007～2015)累計(jì)投入289.4億元，經(jīng)歷“規(guī)劃批復(fù)，方案制定”—“試點(diǎn)建設(shè)”—“縣級非工程措施項(xiàng)目” —“全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目”—“監(jiān)測預(yù)警體系升級改造”5個(gè)階段，基本建成了適合中國國情的專群結(jié)合的山洪災(zāi)害防治體系[3-4]，實(shí)現(xiàn)了山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在全國2 138縣(市、區(qū))386萬km2的全覆蓋，自動(dòng)雨量監(jiān)測站和水位監(jiān)測站的布設(shè)密度達(dá)到50 km2/個(gè)和100 km2/個(gè)。

國外以美國、歐盟各國、日本為代表的發(fā)達(dá)國家自20世紀(jì)70年代開始在國家戰(zhàn)略層面進(jìn)行了山洪災(zāi)害防治工作，在監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研發(fā)和系統(tǒng)建設(shè)方面取得了一定成就。美國國家水文研究中心[5]開發(fā)了山洪預(yù)警系統(tǒng)，在中美洲7個(gè)國家50萬km2的山丘區(qū)應(yīng)用，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到65%。世界氣象組織[6-7]提出的山洪預(yù)警系統(tǒng)，在中美州、黑海和中東等地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用。歐盟框架計(jì)劃[8]開展山洪預(yù)警技術(shù)研發(fā)，成立了山洪災(zāi)害防御網(wǎng)絡(luò)，并在法國、意大利、西班牙和德國，組織政府相關(guān)部門聯(lián)合開展了流域山洪災(zāi)害防御技術(shù)研究與示范。日本國土交通省[9]針對局地短歷時(shí)強(qiáng)降雨引發(fā)山洪和中小河流洪水災(zāi)害的特點(diǎn)，采用高頻率、高分辨率的X波段MP雷達(dá)實(shí)現(xiàn)雨量高精度監(jiān)測，結(jié)合激光雷達(dá)技術(shù)和京都大學(xué)KW分布式水文模型，實(shí)現(xiàn)山區(qū)洪水預(yù)報(bào)，并運(yùn)用推送型(Push)與關(guān)注型(Pull)模式實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息發(fā)布并建立了全國性的洪水預(yù)警發(fā)布網(wǎng)站(www.river.go.jp)。

國內(nèi)關(guān)于山洪災(zāi)害防治理論和技術(shù)的研究伴隨著全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目建設(shè)，為項(xiàng)目的推廣和應(yīng)用提供技術(shù)支撐。中國知網(wǎng)結(jié)果(見圖1)顯示：2000～2006年期間，關(guān)于山洪災(zāi)害防治研究文獻(xiàn)穩(wěn)步增長，該階段研究側(cè)重山洪災(zāi)害的區(qū)域特征和成因機(jī)理，為監(jiān)測預(yù)警技術(shù)發(fā)展和體系構(gòu)建奠定了理論基礎(chǔ)；2007年之后，關(guān)于山洪災(zāi)害防治研究成果穩(wěn)定在每年500篇左右。相關(guān)研究從山洪過程模擬、山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)、監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)3個(gè)方面進(jìn)行了理論探索、技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用，為山洪災(zāi)害防治非工程措施體系建設(shè)和新技術(shù)在山洪災(zāi)害防治中應(yīng)用提供了支撐。

圖1 2000～2017年國內(nèi)山洪災(zāi)害主題文獻(xiàn)發(fā)表量Fig.1 Published papers related to mountain torrents disaster during 2000 and 2017 in China

國外關(guān)于山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究起步較早，取得了一定成果，但其在中國適應(yīng)性有待驗(yàn)證；國內(nèi)關(guān)于山洪災(zāi)害防治研究針對中國山洪災(zāi)害的特點(diǎn)，更貼近災(zāi)害防治實(shí)際需求。本文基于國內(nèi)外山洪災(zāi)害防治現(xiàn)狀，分析山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系建設(shè)的科技需求，對國內(nèi)外山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警基礎(chǔ)理論、實(shí)用技術(shù)和防治模式進(jìn)行了綜述，并提出了發(fā)展趨勢，以期為山洪災(zāi)害防治體系升級改造提供科技支撐。

2 山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警研究現(xiàn)狀

2.1 山洪過程模擬

暴雨山洪是一種陡漲陡落的洪水，過程具有隨機(jī)性和偶然性，因此，山區(qū)暴雨洪水過程模擬具有一定不確定性[10]，制約了山洪災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)警報(bào)。山洪過程模擬技術(shù)主要分為統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和水文水力學(xué)方法。

在早期對山區(qū)暴雨洪水研究中，頻率分析(Frequency analysis)是估算小流域設(shè)計(jì)洪水的常用方法[11-12]，但不同地區(qū)的特大洪水研究揭示了頻率計(jì)算的局限性，促進(jìn)了對可能最大洪水的研究。近年來國內(nèi)外對洪水抽樣方法、頻率曲線選型、頻率公式、參數(shù)估算、時(shí)間序列分析等進(jìn)行了廣泛的研究，上述方法和成果也被應(yīng)用到無資料地區(qū)小流域洪水計(jì)算中。推理公式法(Rational method)和單位線法(Unit hydrography method)是早期利用暴雨資料間接推求小流域洪水最大流量的方法[11,13]。隨著上述方法的推廣，許多水文學(xué)家將地區(qū)暴雨洪水特性和推理公式法/單位線法相結(jié)合，對基本公式進(jìn)行修正，提高方法的適用性，上述方法現(xiàn)在仍是各省市《水文手冊》和《暴雨洪水查算手冊》建議使用的方法。隨著數(shù)學(xué)物理方法和計(jì)算機(jī)計(jì)算的發(fā)展，水文模型逐漸成為小流域洪水計(jì)算中的重要手段[14-16]，SCS模型是最早用于小流域洪水計(jì)算的模型之一，隨后，以SWAT模型、IHACRES模型和TOPMODEL模型為代表的分布式水文模型也應(yīng)用于小流域山洪過程模擬。

上述方法[11-16]側(cè)重對小流域降雨-徑流過程的描述，忽略了洪水波在山區(qū)溝道的傳播過程解析。受山區(qū)下墊面和山洪溝道復(fù)雜異質(zhì)性的影響，山區(qū)洪水溝道傳播過程具有很強(qiáng)的非線性和不確定性[5]。山區(qū)小流域產(chǎn)流水文模型和洪水傳播水動(dòng)力學(xué)模型耦合研究是山洪過程模擬的重點(diǎn)[17-18]。

2.2 監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

目前，國內(nèi)外山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警通常是采用先進(jìn)的監(jiān)測和預(yù)報(bào)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)視暴雨山洪情況，預(yù)測山洪發(fā)生的時(shí)間和危害程度，做出準(zhǔn)確的山洪預(yù)報(bào)，并發(fā)布預(yù)警信息[19-21]。建設(shè)山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是減少和避免山洪災(zāi)害導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的重要舉措。山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系(見圖2)主要包括水雨情監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)[19]。當(dāng)前水雨情監(jiān)測系統(tǒng)以山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)雨量監(jiān)測為主，輔以必要的水位和流量監(jiān)測。水雨情監(jiān)測站主要分為簡易監(jiān)測站、人工監(jiān)測站和自動(dòng)監(jiān)測站，按照優(yōu)先滿足預(yù)報(bào)和預(yù)警需求的原則布設(shè)[22-23]。預(yù)警系統(tǒng)通常以信息匯集與預(yù)警平臺(tái)的形式工作，通過信息匯集、查詢、預(yù)報(bào)、決策和預(yù)警等模塊實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害實(shí)時(shí)預(yù)警[22-23]。

鑒于山洪災(zāi)害監(jiān)測以雨量監(jiān)測為主，且雨量預(yù)警可以延長預(yù)見期，因此，山洪災(zāi)害臨界雨量指標(biāo)是山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警的重要基礎(chǔ)[24-26]。推求山洪災(zāi)害臨界雨量的主要方法有兩種[26]：① 統(tǒng)計(jì)歸納方法。通過統(tǒng)計(jì)分析時(shí)段雨量與山洪災(zāi)害對應(yīng)關(guān)系，將時(shí)段雨量統(tǒng)計(jì)特征值作為臨界雨量，主要包括滑動(dòng)平均法、內(nèi)插法和比擬法等。② 水文水力學(xué)方法。通過溪河水位(流量)判斷山洪災(zāi)害的發(fā)生，根據(jù)河道水位反推臨界雨量，主要包括FFG(flash flood guidance)方法、暴雨臨界曲線法等。對小流域而言，基礎(chǔ)資料的匱乏和下墊面的急劇變化影響了臨界雨量的不確定性，通過山洪過程模擬研究提高災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力是今后研究的重點(diǎn)[26]。

2.3 防災(zāi)減災(zāi)模式

復(fù)雜多樣地貌、特征多樣季風(fēng)氣候、人口分布不均等導(dǎo)致山洪災(zāi)害發(fā)生存在明顯地域差異，針對區(qū)域特征的防治對策是科學(xué)防治山洪災(zāi)害的重要舉措[27]。張平倉等[28]統(tǒng)計(jì)分析了8個(gè)二級山洪災(zāi)害防治區(qū)災(zāi)害發(fā)育特征，針對性地提出了生物措施、工程措施和非工程措施相結(jié)合的災(zāi)害防治對策。隨后，相關(guān)研究進(jìn)一步系統(tǒng)總結(jié)了流域和區(qū)域(省、市、縣)尺度山洪災(zāi)害成因、特征、現(xiàn)狀和需求，提出了適應(yīng)的分區(qū)防御對策[29-32]。

圖2 山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系架構(gòu)示意Fig.2 Sketch of mountain torrents disaster monitoring and pre-warning system

馬建華和胡維忠[33]深入分析了我國山洪災(zāi)害防治形勢，首次系統(tǒng)論述了以非工程措施為主，工程措施為輔的災(zāi)害防治綜合對策措施，成為山洪災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)模式的雛形。隨后，相關(guān)研究[32，34]進(jìn)一步細(xì)化了山洪災(zāi)害防御責(zé)任制度、防御預(yù)案編制、監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)建設(shè)、宣傳、培訓(xùn)和演練的具體內(nèi)容，形成了系統(tǒng)的山洪災(zāi)害群治群防體系。

3 山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警發(fā)展趨勢

3.1 監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)需求

縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，盡管目前山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)取得了一定進(jìn)展，但由于山區(qū)暴雨洪水形成、致災(zāi)方式機(jī)理還不甚清楚，導(dǎo)致監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)體系建設(shè)上存在一定問題，主要表現(xiàn)為：監(jiān)測預(yù)警設(shè)施適應(yīng)性實(shí)用性差，預(yù)報(bào)不準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸漏報(bào)、遲緩，預(yù)警不及時(shí)，應(yīng)急搶險(xiǎn)處置時(shí)效不高等。因此，研發(fā)構(gòu)建適應(yīng)山區(qū)環(huán)境、實(shí)用、先進(jìn)的山洪立體監(jiān)測和動(dòng)態(tài)預(yù)警技術(shù)體系，構(gòu)建區(qū)域穩(wěn)定、適用的山洪災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)模式，是十分必要和迫切的。

長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院承擔(dān)的十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)與集成示范”，擬通過多學(xué)科交叉融合、宏觀和微觀結(jié)合、野外定位觀測、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬等技術(shù)(見圖3)，從過程機(jī)理研究-技術(shù)研發(fā)-模式構(gòu)建-應(yīng)用示范4個(gè)層面開展山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)科研攻關(guān)與應(yīng)用示范，為提升國家防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力、保障山丘區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全提供了科技支撐。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是集合無線傳感器和射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification)發(fā)展起來的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其體系主要由感知層、傳輸層、處理層和應(yīng)用層組成[35-36]。在山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警過程中，感知層利用無線傳感器和射頻識(shí)別技術(shù)對雨量、地表變化信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；傳輸層通過多渠道將采集的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理層；處理層對數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析處理，為決策提供支撐；應(yīng)用層與用戶交互，發(fā)布預(yù)警信息[35]。

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用研究主要集中在傳統(tǒng)雨量、水位、土壤水監(jiān)測儀器改造，自組網(wǎng)通信技術(shù)在信息傳輸?shù)膽?yīng)用以及監(jiān)測預(yù)警云平臺(tái)設(shè)計(jì)中。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有泛在感知、可靠傳送和智能處理等優(yōu)點(diǎn)，其在山洪災(zāi)害防治關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新與實(shí)施，能有效實(shí)現(xiàn)山洪多要素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測、信息多鏈路應(yīng)急傳輸以及多指標(biāo)動(dòng)態(tài)預(yù)警。目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域中的應(yīng)用尚處于起步階段，還存在與傳統(tǒng)系統(tǒng)接口不匹配、傳感器電池續(xù)航不足、儀器設(shè)備開發(fā)費(fèi)用高和缺乏統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等問題，在山洪災(zāi)害防治發(fā)揮的效益亟待進(jìn)一步研究。

3.3 “自然-社會(huì)”二元災(zāi)害防治范式

氣候變化和人類活動(dòng)是影響流域水文循環(huán)過程的兩大驅(qū)動(dòng)因素，氣候變化通過影響降雨、溫度等水循環(huán)要素來影響小流域暴雨-洪水過程，人類活動(dòng)則通過改變下墊面條件影響小流域產(chǎn)匯流機(jī)制[37-38]。小流域暴雨徑流過程是山洪災(zāi)害發(fā)生的直接原因，其時(shí)空變化特征決定了山洪災(zāi)害的時(shí)空分布情況。近年來，全球氣溫升高引起高緯度地區(qū)降雨增加，短時(shí)暴雨和雨強(qiáng)增大，導(dǎo)致我國水文極端事件頻發(fā)；同時(shí)人類活動(dòng)引起流域下墊面改變，增加小流域不透水性，造成面雨量匯集能力加大，使山洪洪峰量增加。上述因素造成山洪災(zāi)害突發(fā)性增強(qiáng)，使山洪災(zāi)害防治難度增加。

受自然和人為要素的影響，山洪災(zāi)害過程呈現(xiàn)越來越強(qiáng)的“自然-社會(huì)”二元特性。以“自然-社會(huì)”演變?yōu)榛A(chǔ)的二元山洪災(zāi)害防治范式(見圖4)應(yīng)充分考慮氣候變化和人類活動(dòng)影響[39]。防治范式的驅(qū)動(dòng)力體現(xiàn)為自然和人工驅(qū)動(dòng)力的耦合，災(zāi)害形成不僅受自然降水過程影響，還受制于人類活動(dòng)。因此，災(zāi)害防治措施也具有二元化特征，既應(yīng)從災(zāi)害本身出發(fā)，采取工程和非工程措施減緩其發(fā)生，也應(yīng)從防災(zāi)對象出發(fā)，采用金融和保險(xiǎn)等手段，降低防災(zāi)對象風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 項(xiàng)目技術(shù)路線Fig.3 Project technology roadmap

圖4 “自然-社會(huì)”二元災(zāi)害防治模式Fig.4 Two fold disaster prevention mode based on nature and society concept

4 結(jié)論與展望

當(dāng)前國內(nèi)外在山區(qū)暴雨洪水過程模擬、監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研發(fā)和防災(zāi)減災(zāi)模式建設(shè)方面取得了諸多成果，但在小流域非線性山洪過程模擬、坡面產(chǎn)流與河道洪水傳播過程耦合、臨界雨量計(jì)算不確定性、山洪要素實(shí)時(shí)監(jiān)測與穩(wěn)定傳輸?shù)确矫嫒燥@不足，制約了山洪災(zāi)害防御體系完善。為此，研究需要從以下幾方面加強(qiáng)。

(1) 考慮山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系研發(fā)的實(shí)際需求，綜合過程機(jī)理研究、技術(shù)研發(fā)、模式構(gòu)建、應(yīng)用示范4個(gè)層面開展山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)科研攻關(guān)與應(yīng)用示范，充分考慮山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警儀器環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)行穩(wěn)定性，開發(fā)能適應(yīng)復(fù)雜山區(qū)環(huán)境和抵御山洪災(zāi)害損毀的監(jiān)測預(yù)警體系。

(2) 加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域的應(yīng)用，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)泛在感知、可靠傳送和智能處理等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮其在山洪災(zāi)害防治中的創(chuàng)新與實(shí)施，解決山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息實(shí)時(shí)應(yīng)急傳輸?shù)膯栴}。

(3) 受自然和人為要素影響，山洪災(zāi)害防治應(yīng)充分考慮“自然-社會(huì)”二元特性，在采取工程/非工程措施防治自然災(zāi)害的同時(shí)，考慮采用經(jīng)濟(jì)、保險(xiǎn)等“社會(huì)”屬性工具進(jìn)行災(zāi)害防治。