山區(qū)小流域暴雨山洪災(zāi)害分區(qū)預(yù)警研究

王協(xié)康，楊 坡，孫 桐，許澤星

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065)

近年來，全球氣候變化引發(fā)極端降雨頻發(fā)，山洪災(zāi)害正成為全球各類自然災(zāi)害的主要災(zāi)種。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上197個(gè)國(guó)家有105個(gè)山洪災(zāi)害損失居自然災(zāi)害前兩位，經(jīng)濟(jì)損失年均460多億美元，占全球自然災(zāi)害類型的50%。中國(guó)是受山洪災(zāi)害威脅最嚴(yán)重的國(guó)家之一，自1949年有準(zhǔn)確位置和時(shí)間記錄的山洪災(zāi)害共發(fā)生了5萬多次，平均每年因山洪災(zāi)害的死亡人數(shù)達(dá)1000多人，占洪澇災(zāi)害死亡人數(shù)的70%以上，嚴(yán)重制約了中國(guó)山丘區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

大量研究表明山洪災(zāi)害一方面受流域氣候、地形地貌、強(qiáng)人類活動(dòng)等因素的綜合影響，另一方面與洪水過程中的泥沙運(yùn)動(dòng)及河床響應(yīng)密切相關(guān)。Gaume等[1]統(tǒng)計(jì)了歐洲1946年至2007年發(fā)生的550場(chǎng)山洪災(zāi)害，發(fā)現(xiàn)極端降雨是形成山洪主要原因；Atif等[2]以吉達(dá)鎮(zhèn)“11·25”山洪災(zāi)害為例，分析發(fā)現(xiàn)深層對(duì)流是造成區(qū)域暴雨山洪的重要原因；孫桐等[3]反演分析中都河流域“8·16”山洪致災(zāi)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)鼐用駠鸀┰斓厍终己拥溃樗羞M(jìn)過程中因河床束窄水位陡漲致災(zāi)；Kotlyakov等[4]基于實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)克雷姆斯克鎮(zhèn)“7·6”山洪災(zāi)害主要表現(xiàn)為高含沙洪水在局部河段發(fā)生淤堵抬升水位成災(zāi)；Diakakis等[5]基于地空觀測(cè)數(shù)據(jù)反演了希臘曼德拉鎮(zhèn)“11·15”山洪災(zāi)害過程，致災(zāi)表現(xiàn)為兩河交匯口處水流相互頂托及卵石淤堵橋涵引起水位大幅抬升成災(zāi)；王協(xié)康等[6]通過實(shí)地調(diào)查中國(guó)西南地區(qū)山洪災(zāi)害事件，發(fā)現(xiàn)受災(zāi)區(qū)多位于輸沙能力較弱的河槽彎曲段、寬窄相間段、干支流交匯段及陡緩坡銜接段等，均為泥沙淤堵水位陡增致災(zāi)；Cao等[7]根據(jù)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)研究了四川省波羅水電站（位于挖黑河與先家普河交匯處）“7·28”山洪災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理，具體表現(xiàn)為暴雨引發(fā)挖黑河與先家普河河水暴漲，洪水?dāng)y帶的大量泥沙在兩河交匯處發(fā)生淤積，河床抬高7.5 m，致使50年一遇洪峰達(dá)到了千年一遇洪水位，造成發(fā)電廠房淹沒致災(zāi)?；谏鲜鲅芯砍晒?，山洪成災(zāi)模式主要表現(xiàn)為“暴雨—洪水—水位陡漲”型山洪洪水災(zāi)害、“暴雨—洪水—泥沙—溝床響應(yīng)”型山洪水沙災(zāi)害以及“暴雨—泥石流—沖毀淤埋”型山洪泥石流災(zāi)害[8]，相比于一般暴雨山洪洪水災(zāi)害，山洪泥石流及山洪水沙災(zāi)害過程中水沙耦合作用顯著放大了災(zāi)害規(guī)模，加劇了山洪災(zāi)害人員傷亡及災(zāi)害損失，給山洪災(zāi)害防治帶來了極大困難。

山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警是山洪災(zāi)害防治非工程措施的重要組成部分，一般分為水位預(yù)警和雨量預(yù)警。對(duì)于臨界水位計(jì)算，王協(xié)康等[9]提出了基于洪水上漲率的臨界水位判定法，Tu等[10]采用該方法在白沙河小流域確定了防災(zāi)對(duì)象立即轉(zhuǎn)移水位和準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移水位。臨界雨量一般采用基于“水位-流量-降雨”關(guān)系的水位流量反推法，如美國(guó)FFG法[11]、Yuan等[12]提出的HEC-HMS模型法、Miao等[13]提出的GBHM模型法等。中國(guó)自2010年開展山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目建設(shè)以來，已初步建成山洪災(zāi)害預(yù)警體系，每年因山洪災(zāi)害造成的群死群傷事件大幅減少[14]。然而，由于對(duì)暴雨山洪形成機(jī)理及致災(zāi)機(jī)制研究不足，中國(guó)在山洪災(zāi)害預(yù)警方面仍存在一些薄弱環(huán)節(jié)。長(zhǎng)期以來，傳統(tǒng)山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)方法一般在斷面具有穩(wěn)定的水位-流量關(guān)系時(shí)預(yù)警可靠性較高，在產(chǎn)輸沙嚴(yán)重的山區(qū)小流域，暴雨山洪水沙耦合作用造成河床形態(tài)急劇調(diào)整，傳統(tǒng)預(yù)警指標(biāo)方法極有可能發(fā)生漏警，如前文介紹的四川省波羅水電站“7·28”山洪水沙災(zāi)害，若以發(fā)生的千年一遇洪水位反推臨界雨量并作為預(yù)警指標(biāo)，此次災(zāi)害中實(shí)際降雨并未達(dá)到這一閾值，則必然造成漏警。由此可見，超量泥沙補(bǔ)給的“溝床淤積-水位陡增”型山洪災(zāi)害顯著降低了成災(zāi)時(shí)臨界閾值。

綜上所述，傳統(tǒng)暴雨山洪預(yù)警技術(shù)沒有充分考慮洪水泥沙耦合作用下山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)的成災(zāi)特征，忽略了泥沙補(bǔ)給對(duì)預(yù)警指標(biāo)的影響，無法滿足目前重大山洪災(zāi)害防治實(shí)際需求。王協(xié)康等[15]結(jié)合暴雨山洪過程“雨-水-沙”變化特征及其致災(zāi)規(guī)律，突破傳統(tǒng)暴雨山洪災(zāi)害預(yù)警技術(shù)雨水情分析方法，提出了基于雨-水-沙變化的山區(qū)小流域山洪災(zāi)害預(yù)警方法。為此，根據(jù)暴雨山洪易發(fā)區(qū)特點(diǎn)及山洪災(zāi)害表現(xiàn)形式構(gòu)建預(yù)警指標(biāo)分區(qū)分級(jí)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范模式，對(duì)洪水泥沙耦合作用下的山洪災(zāi)害預(yù)警具有重要實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值?；诮鹕辰Я髦卸己有×饔蚝歪航Я靼咨澈有×饔蛏胶闉?zāi)害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)降雨誘發(fā)滑坡為山洪泥石流及山洪水沙災(zāi)害的形成提供了豐富固體物源。為此，采用基于柵格單元的降雨誘發(fā)型邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型（transient rainfall infiltration and grid based regional slope-stability model，TRIGRS）分析暴雨條件下流域滑坡易發(fā)性，根據(jù)滑坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并結(jié)合歷史山洪災(zāi)害成災(zāi)形式及溝床形態(tài)將防災(zāi)對(duì)象劃為山洪洪水災(zāi)害預(yù)警區(qū)、山洪水沙災(zāi)害預(yù)警區(qū)及山洪泥石流災(zāi)害預(yù)警區(qū)，最后針對(duì)不同預(yù)警區(qū)采用不同方法確定預(yù)警指標(biāo)?；诜罏?zāi)對(duì)象山洪災(zāi)害成災(zāi)形式構(gòu)建預(yù)警指標(biāo)分區(qū)分級(jí)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范模式，對(duì)有效破解洪水泥沙耦合作用下的山洪災(zāi)害預(yù)警具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。

1 研究方法

1.1 山洪災(zāi)害防治區(qū)預(yù)警區(qū)劃

山洪災(zāi)害分區(qū)預(yù)警核心在于識(shí)別山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)類型。為此，按山洪災(zāi)害表現(xiàn)形式劃分預(yù)警區(qū)時(shí)，首先采用基于柵格的瞬態(tài)降水入滲邊坡穩(wěn)定性模型TRIGRS分析流域的滑坡易發(fā)性[16]，將滑坡風(fēng)險(xiǎn)較小的區(qū)域劃為山洪洪水災(zāi)害預(yù)警區(qū)，對(duì)于滑坡風(fēng)險(xiǎn)較高且具有豐富松散固體物源的地區(qū)，采用許唯臨等提出的陡緩銜接河段山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)判別法[17]劃分山洪水沙、山洪泥石流災(zāi)害預(yù)警區(qū)，即根據(jù)目標(biāo)河段的溝床比降選出陡緩銜接河段，上游河段為陡比降河段，下游為緩比降河段，當(dāng)上下游陡緩坡降比值大于2.0時(shí)即為山洪泥沙災(zāi)害易發(fā)區(qū)，其中，山洪泥石流易災(zāi)區(qū)一般位于上游陡比降河段，山洪水沙災(zāi)害易發(fā)區(qū)位于下游陡緩相接的緩坡段。方法原理詳見文獻(xiàn)[17]。

1.2 山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)計(jì)算方法

計(jì)算山洪洪水災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)主要采用以下4種方法：1）實(shí)時(shí)累積雨量法，即結(jié)合山區(qū)小流域暴雨洪水過程與累積雨量的內(nèi)在聯(lián)系，將洪水過程中成災(zāi)流量出現(xiàn)時(shí)刻提前一個(gè)預(yù)警時(shí)段對(duì)應(yīng)的累積雨量作為暴雨山洪預(yù)警轉(zhuǎn)移的臨界累積雨量[18]。2）基于洪水上漲率的預(yù)警水位判定法，即通過實(shí)時(shí)計(jì)算斷面洪水的水位上漲率推測(cè)洪水上漲至成災(zāi)水位的時(shí)長(zhǎng)以劃分立即轉(zhuǎn)移水位和準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移水位。3）水位流量反推法，即先假定一個(gè)降雨過程并根據(jù)水文模型模擬洪水過程，當(dāng)洪峰流量與防災(zāi)對(duì)象設(shè)定的預(yù)警流量相接近時(shí)，假定的過程雨量便為該時(shí)段預(yù)警雨量。4）簡(jiǎn)易雨量站廣播預(yù)警法，即按降雨量分3級(jí)預(yù)警，1 h累積降雨量達(dá)20 mm時(shí)為提醒雨量；3 h累積降雨量30 mm時(shí)為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量，40 mm為立即轉(zhuǎn)移雨量[19]。

計(jì)算山洪水沙災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)，作者提出基于河床沖淤變化的洪水水位陡漲率判定法，即從山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)中選取一典型斷面，計(jì)算不同頻率設(shè)計(jì)洪水在飽和輸沙條件下河床淤堵后的設(shè)計(jì)洪水位，并根據(jù)淤床后的洪水上漲率預(yù)測(cè)洪水淹沒至成災(zāi)水位的時(shí)長(zhǎng)以確定預(yù)警水位，其中淤床厚度采用沙莫夫推移質(zhì)輸沙率公式計(jì)算[20]，相關(guān)公式如下：

式中，Z為設(shè)計(jì)洪水挾沙淤床后的洪水位，Z0為不考慮河床淤堵時(shí)的設(shè)計(jì)洪水位， ΔZ為設(shè)計(jì)洪水挾沙淤床厚度，Bi+1、gb,i+1分別為典型斷面上游單位長(zhǎng)度斷面的河寬及推移質(zhì)單寬輸沙率，Bi-1、gb,i-1分別為典型斷面下游單位長(zhǎng)度斷面的河寬及推移質(zhì)單寬輸沙率，B為典型斷面平均河寬，Δt為時(shí)間步長(zhǎng)，ρs為泥沙密度，Δt為典型斷面上下游兩個(gè)單位長(zhǎng)度，gb為單寬輸沙率，D為泥沙平均粒徑，U為斷面平均流速，Uc為泥沙起動(dòng)流速，h為水深，γ、γs分別為水容重和泥沙容重，g為重力加速度。

山洪泥石流災(zāi)害預(yù)警一般以引發(fā)泥石流的激發(fā)雨量為預(yù)警指標(biāo)，主要通過統(tǒng)計(jì)歷史泥石流災(zāi)害降雨資料，以發(fā)生災(zāi)害的最小雨強(qiáng)或最小雨量確定致災(zāi)臨界閾值，如靳文等[21]基于實(shí)地調(diào)查并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)分析，確定了汶川“8·20”山洪泥石流的激發(fā)雨強(qiáng)和有效降雨分別為24.2 mm/h和116.4 mm；丁桂伶等[22]根據(jù)北京地區(qū)已發(fā)生的82起泥石流的雨量資料，提出了不同泥石流易發(fā)等級(jí)的雨量預(yù)警閾值，如高易發(fā)區(qū)總臨界雨量135.9 mm，最大1 h臨界雨量26.0 mm；Zhou等[23]根據(jù)汶川地震后的11場(chǎng)誘發(fā)泥石流的降雨事件，構(gòu)建了該地區(qū)泥石流啟動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)臨界雨強(qiáng)-持續(xù)時(shí)間閾值，即降雨強(qiáng)度為7.8～8.4 mm/h，降雨持續(xù)時(shí)間2～15 h時(shí)，汶川地震災(zāi)區(qū)將發(fā)生山洪泥石流。

1.3 山洪災(zāi)害應(yīng)急處置時(shí)效評(píng)估方法

編制山洪應(yīng)急預(yù)案是山洪災(zāi)害群測(cè)群防體系的重要組成部分，一般流程如圖1（a）所示，主要包括預(yù)警提醒、發(fā)布轉(zhuǎn)移指令、預(yù)警處置及轉(zhuǎn)移處置4個(gè)步驟。山洪災(zāi)害應(yīng)急處置可分為3個(gè)時(shí)段，如圖1（b）所示，即從發(fā)布轉(zhuǎn)移指令到洪水上漲至成災(zāi)水位的時(shí)段為有效預(yù)警時(shí)間（ Δt0），預(yù)警處置時(shí)長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移時(shí)長(zhǎng)之和為山洪預(yù)警緊急處置措施完全生效時(shí)間（ Δt1）。為評(píng)估山洪災(zāi)害應(yīng)急處置效率，本文擬將有效山洪預(yù)警時(shí)間及緊急處置措施用時(shí)與洪水到達(dá)成災(zāi)水位時(shí)居民安全轉(zhuǎn)移用時(shí)T（結(jié)合山洪災(zāi)害成災(zāi)特點(diǎn)及防災(zāi)效率，一般小于1 h）之比定義為山洪災(zāi)害預(yù)警處置時(shí)效β，其比值越大，時(shí)效性越高。計(jì)算公式如下：

當(dāng)前山洪災(zāi)害轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)演練常以頻率洪水致災(zāi)的安全轉(zhuǎn)移用時(shí)為準(zhǔn)，評(píng)估時(shí)可假定安全轉(zhuǎn)移用時(shí)與緊急處置措施用時(shí)相等：當(dāng)洪水達(dá)到成災(zāi)水位前發(fā)布轉(zhuǎn)移，則Δt0大于0，β大于1；恰好達(dá)到成災(zāi)水位時(shí)發(fā)布轉(zhuǎn)移，則β等于1；在洪水達(dá)到成災(zāi)水位后發(fā)布轉(zhuǎn)移，則β小于1。

圖1 山洪災(zāi)害預(yù)警應(yīng)急處置時(shí)效分析Fig.1 Analysis of emergency response time for early warning of flash flood disaster

2 研究實(shí)例

2.1 中都河流域山洪災(zāi)害預(yù)警區(qū)劃

中都河流域位于四川省南緣，行政隸屬馬邊縣和屏山縣，金沙江下游北岸支流，全長(zhǎng)55 km，流域面積606 km2。該流域在暴雨條件下主要形成山洪洪水災(zāi)害，1937年中都區(qū)暴雨，中都場(chǎng)大部淹沒；1980年7月18日，安全公社發(fā)生山洪及泥石流，中都河河水陡漲，公社所在地會(huì)龍場(chǎng)水深達(dá)3 m，同年7月28日，中都地區(qū)降雨量達(dá)273.6 mm，河水暴漲導(dǎo)致3人死亡；1988年8月3日，蕎壩地區(qū)暴雨誘發(fā)山洪，造成5人死亡；1992年6月11日，老河壩鄉(xiāng)發(fā)生暴雨洪水災(zāi)害，毀損公路橋涵77道，損壞水利工程150處；2018年8月16日，中都河上游馬邊地區(qū)發(fā)生特大暴雨，下游河水陡漲，造成中都鎮(zhèn)3人死亡。中都河流域歷史山洪災(zāi)害點(diǎn)、雨水情監(jiān)測(cè)站及沿河村落分布情況見圖2。

TRIGRS模型為美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的降雨誘發(fā)型斜坡穩(wěn)定分析模型，通過計(jì)算降雨影響下瞬態(tài)邊坡的安全系數(shù)可劃分滑坡風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[16]?；谀M2018年“8·16”暴雨過程中流域受到雨水入滲后的邊坡穩(wěn)定性變化，將安全系數(shù)FS<1作為滑坡易發(fā)性的臨界條件，當(dāng)0.8≤FS<0.9為滑坡高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，0.9≤FS<1為中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，F(xiàn)S≥1為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；為提高TRIGRS模型分析結(jié)果與實(shí)際地貌的吻合程度，將柵格單元轉(zhuǎn)換為斜坡單元[24]，經(jīng)斜坡單元處理后的滑坡危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)分布見圖2。由圖2可知，中都河流域的滑坡中、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)極少，表明流域發(fā)生滑坡可能性較小，根據(jù)歷史山洪災(zāi)害調(diào)查結(jié)果可發(fā)現(xiàn)中都河流域很少發(fā)生滑坡誘發(fā)的山洪災(zāi)害，因此，對(duì)于該地區(qū)的沿河村落均可按山洪洪水災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。

圖2 中都河流域概況及滑坡風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級(jí)分劃Fig.2 Zhongdu River basin situationsand classification of landslide risk

計(jì)算山洪洪水災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)時(shí)一般按流域是否有實(shí)測(cè)水文資料分為有資料地區(qū)和無資料地區(qū)。第2.1節(jié)介紹的實(shí)時(shí)累積雨量法和洪水陡漲率判定法適用于有資料地區(qū)，水位流量反推法與簡(jiǎn)易雨量站廣播預(yù)警法適用于無資料地區(qū)。中都河流域橫跨馬邊屏山兩縣，暴雨中心一般位于上游馬邊地區(qū)。若以縣級(jí)行政區(qū)劃模式構(gòu)建預(yù)警體系，則下游中都鎮(zhèn)屬于無資料地區(qū)情況；若以流域劃分模式建立預(yù)警體系，則下游地區(qū)可充分考慮上游馬邊地區(qū)雨量變化，計(jì)算預(yù)警指標(biāo)時(shí)屬有資料地區(qū)情況。以中都鎮(zhèn)“8·16”山洪災(zāi)害發(fā)生人員傷亡的中都中學(xué)處沿河村落為例，分別采用洪水水位陡漲率判定法、實(shí)時(shí)累積雨量法、水位-流量反推法及簡(jiǎn)易雨量站廣播預(yù)警法，這4種預(yù)警方法計(jì)算預(yù)警閾值，根據(jù)預(yù)警可靠性與預(yù)警時(shí)長(zhǎng)確定適用該地區(qū)的最優(yōu)方法，具體分析如下：

1）以流域劃分模式的實(shí)時(shí)累積雨量法

基于實(shí)地調(diào)查，“8·16”洪水后沿河村落所在溝道河床并未出現(xiàn)明顯沖淤變化，可根據(jù)曼寧公式計(jì)算斷面水位流量關(guān)系以直接確定成災(zāi)水位對(duì)應(yīng)的臨界流量（圖3），基于實(shí)測(cè)雨量資料和KW-GIUH水文模型[18]模擬典型斷面“8·16”洪水過程（圖4），確定成災(zāi)流量時(shí)刻為13：45。

圖3 典型斷面水位流量關(guān)系Fig.3 Stage-discharge relationship for typical section

圖4 典型斷面實(shí)時(shí)累積雨量法結(jié)果Fig.4 Calculation resultsbased on real-time accumulated precipitation for typical section

基于山區(qū)小流域暴雨洪水過程與累積雨量?jī)?nèi)在聯(lián)系，王協(xié)康等[19]提出西南濕潤(rùn)地區(qū)的場(chǎng)次累積降雨量達(dá)到100 mm時(shí)可作為山洪災(zāi)害的預(yù)警時(shí)刻。由圖4典型斷面“8·16”洪水過程與實(shí)時(shí)累積雨量變化關(guān)系可知，實(shí)測(cè)累積雨量達(dá)到100 mm時(shí)的預(yù)警時(shí)刻為13：23，距成災(zāi)時(shí)刻22 min，將洪水到達(dá)成災(zāi)水位時(shí)居民安全轉(zhuǎn)移用時(shí)與緊急處置措施用時(shí)假定為30 min，則該預(yù)警方法的處置時(shí)效為1.73，即處置時(shí)效提高73%，表明該方法對(duì)該場(chǎng)次致災(zāi)洪水能夠提前預(yù)警，為一種較為成功的山洪預(yù)警方法。

2）以流域劃分模式的水位陡漲率判定法

水位陡漲率判定法確定預(yù)警水位可先根據(jù)斷面水位流量關(guān)系將洪水過程轉(zhuǎn)化為洪水位過程，并實(shí)時(shí)計(jì)算斷面洪水上漲率變化過程（圖5），當(dāng)陡漲率大于1.0 m/h（水位陡漲率判定法閾值）時(shí)為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移水位，陡漲率大于1.0 m/h且預(yù)計(jì)洪水上漲至成災(zāi)水位時(shí)長(zhǎng)約為《山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)技術(shù)要求》規(guī)定的30 min時(shí)立即轉(zhuǎn)移。

圖5 典型斷面“8·16”洪水位過程及洪水陡漲率變化過程Fig.5 Variation of “8·16”flood level process and steep rise of stage for typical section

如圖5所示，04：00斷面水位為499.26 m，洪水陡漲率1.1 m/h，可發(fā)布準(zhǔn)備預(yù)警轉(zhuǎn)移指令；隨著洪水演進(jìn)，斷面洪水上漲速度相對(duì)減小，直至13：05再次發(fā)生陡漲，陡漲率達(dá)2.4 m/h，此時(shí)距成災(zāi)水位0.84 m，預(yù)計(jì)21 min達(dá)到成災(zāi)水位，可發(fā)布立即轉(zhuǎn)移指令，其中準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移水位和立即轉(zhuǎn)移水位分別為499.26 m和502.31 m。此外，從發(fā)布立即轉(zhuǎn)移指令到洪水上漲至成災(zāi)水位的實(shí)際時(shí)長(zhǎng)為40 min，比預(yù)計(jì)的21 min有所延長(zhǎng)，根據(jù)處置時(shí)效計(jì)算公式（5）可確定處置時(shí)效為2.3，表明該方法不僅能夠提前捕捉洪水致災(zāi)時(shí)刻，且可提高預(yù)警處置時(shí)效。

3）以行政劃分模式的水位流量反推法

水位流量反推法是目前無資料地區(qū)計(jì)算山洪災(zāi)害預(yù)警雨量的常用方法之一，分為立即轉(zhuǎn)移雨量和準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量，主要思路：根據(jù)不同頻率設(shè)計(jì)暴雨推算洪水過程，當(dāng)計(jì)算洪峰流量與成災(zāi)流量接近時(shí)，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的雨量即為立即轉(zhuǎn)移預(yù)警雨量；將洪水過程中成災(zāi)流量時(shí)刻提前0.5 h的對(duì)應(yīng)流量作為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移流量，同理可計(jì)算準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，實(shí)際降雨過程中13：34達(dá)到準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量，13：49達(dá)到立即轉(zhuǎn)移雨量，實(shí)際成災(zāi)時(shí)刻為13：45。由此可見，對(duì)于這一防災(zāi)對(duì)象該方法不能準(zhǔn)確捕捉成災(zāi)時(shí)刻，屬于漏警。由處置時(shí)效分析可知，該方法在洪水到達(dá)成災(zāi)水位后4 min發(fā)出預(yù)警，有效預(yù)警時(shí)長(zhǎng)為-4 min，處置時(shí)效為β=0.87<1，沒有起到提前預(yù)警作用。主要原因在于該方法假定暴雨和洪水同頻率與實(shí)際不符，且推算設(shè)計(jì)洪水過程中的設(shè)計(jì)雨型與實(shí)際雨型有一定差異，導(dǎo)致同一累積雨量形成的洪水過程不同，因此，該預(yù)警方法的可靠性具有不確定性。

圖6 典型斷面水位流量反推法結(jié)果Fig.6 Calculation of inversion on water level/flow for typical section

4）以行政劃分模式的簡(jiǎn)易雨量站廣播預(yù)警法

簡(jiǎn)易雨量站廣播預(yù)警法主要以簡(jiǎn)易雨量站實(shí)時(shí)記錄的累積降雨量作為預(yù)警指標(biāo)，每小時(shí)降雨量為20 mm或3 h累積雨量達(dá)到30 mm，以敲鑼打鼓方式提醒防災(zāi)區(qū)沿河居民準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移；累積雨量達(dá)到40 mm時(shí)通過手搖報(bào)警器通知沿河居民立即轉(zhuǎn)移。以中都雨量站觀測(cè)結(jié)果（圖7）分析該方法預(yù)警可靠性。由圖7可知，整個(gè)降雨過程中1 h雨量均小于20 mm，未達(dá)到提醒預(yù)警的臨界雨量，最大3 h累積雨量（43 mm）于15：00達(dá)到了立即轉(zhuǎn)移雨量，但洪水在13：45已達(dá)到成災(zāi)水位，處置時(shí)效為-1.5，屬于嚴(yán)重漏警。漏警的原因在于該方法主要通過統(tǒng)計(jì)歷史山洪災(zāi)害系列數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)降雨關(guān)系確定臨界雨量，沒有考慮降雨空間分布對(duì)預(yù)警指標(biāo)影響；此次山洪災(zāi)害造成人員傷亡主要原因在于局部地區(qū)降雨分布不均導(dǎo)致下游沿河居民不知上游降雨情況而未及時(shí)撤離。因此，該方法一般用于山區(qū)支溝局部區(qū)域山洪預(yù)警，對(duì)于主流沿河兩岸的村落建議采用水文水力學(xué)法。

圖7 2018年8月16日中都雨量站實(shí)測(cè)雨量過程Fig.7 Rainfall processobserved at Zhongdu precipitation station on August 16，2018

5）不同劃分模式條件下的預(yù)警方法結(jié)果比較

由圖4～7可知，基于流域劃分模式的洪水上漲率判定法及實(shí)時(shí)累積雨量法對(duì)該場(chǎng)次致災(zāi)山洪均能提前發(fā)布預(yù)警。其中，洪水上漲率判定法的預(yù)警時(shí)長(zhǎng)比《山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)技術(shù)要求》規(guī)定的30 min延長(zhǎng)了10 min，實(shí)現(xiàn)預(yù)警期延長(zhǎng)33%，有效延長(zhǎng)了沿河居民的安全轉(zhuǎn)移時(shí)間，顯著提高了山洪災(zāi)害預(yù)警處置時(shí)效。以行政區(qū)劃模式的水位流量反推法及簡(jiǎn)易雨量站廣播預(yù)警法均發(fā)生漏警，且處置時(shí)效偏低。因此，對(duì)一般暴雨山洪洪水災(zāi)害建議以流域劃分模式構(gòu)建預(yù)警體系，并合理布置雨水情監(jiān)測(cè)站，在洪水陡漲率法基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)時(shí)累積雨量法進(jìn)行多指標(biāo)聯(lián)合預(yù)警，以提高山洪預(yù)警可靠性。

2.2 白沙河流域山洪災(zāi)害預(yù)警區(qū)劃

白沙河位于四川省都江堰市，為岷江左岸支流，主流全長(zhǎng)約49.3 km，面積364 km2，平均比降約4.77%。該流域自汶川“5·12”地震后，大量滑坡松散體堆積于坡麓溝道，暴雨條件下這些松散物源匯入河道致使山洪水沙災(zāi)害及山洪泥石流災(zāi)害問題突出。2009年7月17日，暴雨引發(fā)山體滑坡并形成山洪泥石流，致使虹口鄉(xiāng)2人失蹤；2010年8月13日，都江堰市虹口鄉(xiāng)持續(xù)性強(qiáng)降雨引發(fā)山洪泥石流災(zāi)害，致1人死亡、3人受傷。白沙河歷史滑坡、泥石流災(zāi)害點(diǎn)及沿河村落分布情況見圖8。

采用TRIGRS模型模擬白沙河流域短歷時(shí)暴雨條件下的邊坡穩(wěn)定性變化，根據(jù)安全系數(shù)劃分滑坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，如圖8所示。由圖8可知，40.8%的歷史滑坡點(diǎn)分布于流域滑坡高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，39.6%的歷史滑坡點(diǎn)位于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，19.6%分布于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)與中、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的交界處，表明TRIGRS模型可作為判斷白沙河流域滑坡易發(fā)性的方法。此外，歷史泥石流災(zāi)害點(diǎn)全部分布于滑坡中、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，說明該流域發(fā)生泥石流災(zāi)害多與滑坡提供的固體物源有關(guān)。圖8中，滑坡中、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布于正河、關(guān)門山溝、小連河、二道河、頭道河等上游無人區(qū)，以及磨子溝、觀鳳溝、深溪溝等中游人口聚集區(qū)，這一區(qū)域松散固體物源豐富，暴雨條件下極易發(fā)生山洪泥石流災(zāi)害和山洪水沙災(zāi)害。白果崗水電站下游地區(qū)滑坡風(fēng)險(xiǎn)較低，上游來沙大多被攔截于水庫。因此，下游沿河村落一般以暴雨山洪洪水災(zāi)害為主，可按山洪洪水災(zāi)害預(yù)警。

圖8 白沙河流域歷史滑坡、泥石流災(zāi)害點(diǎn)、沿河村落分布及滑坡風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃Fig.8 Distribution of historical landslide and debris flow disaster pointsand villagesin Baisha River basin

基于白沙河流域野外調(diào)查分析，暴雨引發(fā)的山洪泥石流一般發(fā)生于具有松散滑坡體的上游陡比降河段，山洪水沙災(zāi)害主要發(fā)生于下游溝床比降陡緩相接的緩坡段。以觀鳳溝、廟壩溝、深溪溝及菜子坡等人口聚集區(qū)河段為例，分別計(jì)算沿河村落所在溝道的上下游比降（圖9）。將上游陡比降河段處的沿河村落劃為山洪泥石流災(zāi)害區(qū)，將上下游河段坡降比值大于2.0的陡緩銜接段劃為山洪水沙災(zāi)害易發(fā)區(qū)，白沙河小流域不同成災(zāi)形式的山洪災(zāi)害預(yù)警區(qū)劃分如圖10所示。由圖10可知，此次調(diào)查分析的18個(gè)沿河村落中，山洪泥石流災(zāi)害預(yù)警區(qū)6個(gè)，山洪水沙災(zāi)害預(yù)警區(qū)8個(gè)，山洪洪水災(zāi)害預(yù)警區(qū)4個(gè)，由此便可根據(jù)山洪災(zāi)害成災(zāi)形式選擇相應(yīng)預(yù)警方法以確定不同預(yù)警區(qū)的臨界雨量或臨界水位。其中，白沙河小流域山洪洪水災(zāi)害預(yù)警方法可參照第2.1節(jié)都河小流域計(jì)算，山洪泥石流災(zāi)害預(yù)警一般采用激發(fā)雨量作為預(yù)警指標(biāo)，白沙河小流域山洪泥石流雨量預(yù)警閾值可參考文獻(xiàn)[25]。

圖9 菜子坡、白沙河及其支溝比降變化Fig.9 Slope change of Caizipo River，Baisha River and its tributaries

圖10 白沙河流域沿河村落山洪災(zāi)害預(yù)警區(qū)劃Fig.10 Early warning division of flash flood disaster in villages of Baisha River basin

采用考慮河床沖淤變化的水位陡漲率判定法計(jì)算白沙河小流域山洪水沙災(zāi)害預(yù)警區(qū)的臨界閾值。以深溪溝上游菜子坡村為例，首先，根據(jù)不同頻率設(shè)計(jì)暴雨推算設(shè)計(jì)洪水；然后，計(jì)算典型斷面水位流量關(guān)系，將設(shè)計(jì)洪水過程轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)洪水位過程，采用式（1）～（4）計(jì)算典型斷面洪水挾沙淤床后的設(shè)計(jì)洪水位及洪水陡漲率變化過程，以陡漲率大于1.0 m/h時(shí)的水位作為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移水位，以洪水上漲至成災(zāi)水位的時(shí)長(zhǎng)不小于30 min確定立即轉(zhuǎn)移水位。不同頻率設(shè)計(jì)洪水位及陡漲率過程分別如圖11和12所示。

圖11 不同頻率設(shè)計(jì)洪水位過程Fig.11 Design flood level with different frequencies

由圖11不同頻率設(shè)計(jì)洪水位過程可知，清水條件下菜子坡村典型斷面成災(zāi)水位大于100年一遇設(shè)計(jì)洪水位，在飽和輸沙條件下則為20年一遇設(shè)計(jì)洪水位，即在超量泥沙補(bǔ)給下20年一遇設(shè)計(jì)洪水形成了超100年一遇的洪水規(guī)模，顯著降低了致災(zāi)山洪臨界閾值。若以基于“雨量-徑流-成災(zāi)水位”關(guān)系的水位流量反推法計(jì)算的臨界雨量為預(yù)警指標(biāo)，則發(fā)生漏警。

圖12 不同頻率設(shè)計(jì)洪水位陡漲率變化過程Fig.12 Variation of design stage rising rate with different frequencies

由河床淤堵后的水位上漲率變化（圖12）可知，00：05時(shí)洪水陡漲率大于1.0 m/h，此時(shí)可提醒相關(guān)人員發(fā)布準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指令；此后洪水上漲速度相對(duì)減緩，直至02：05再次發(fā)生陡漲，20年一遇、50年一遇及100年一遇洪水位過程的瞬時(shí)陡漲率分別為2.8、3.1、3.2 m/h，預(yù)計(jì)距成災(zāi)水位時(shí)長(zhǎng)分別為37、29、23 min，與《山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)技術(shù)要求》中規(guī)定的30 min接近，則該洪水位可作為立即轉(zhuǎn)移水位。此外，圖11中不同設(shè)計(jì)頻率洪水的立即轉(zhuǎn)移時(shí)刻到成災(zāi)時(shí)刻的實(shí)際預(yù)警時(shí)長(zhǎng)分別為53、39、30 min，比預(yù)計(jì)預(yù)警時(shí)間有所延長(zhǎng)。因此，該方法在山洪水沙災(zāi)害易發(fā)區(qū)的預(yù)警可靠性較高。

3 結(jié) 論

突破傳統(tǒng)暴雨山洪災(zāi)害預(yù)警技術(shù)雨水情分析方法，采用“雨-水-沙”變化致災(zāi)的研究思路，基于區(qū)域滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、歷史山洪災(zāi)害調(diào)查及溝床形態(tài)分析，將中都河小流域及白沙河小流域沿河村落按成災(zāi)形式劃分為山洪洪水災(zāi)害預(yù)警區(qū)、山洪水沙災(zāi)害預(yù)警區(qū)和山洪泥石流災(zāi)害預(yù)警區(qū)，結(jié)合4種暴雨山洪洪水災(zāi)害預(yù)警方法計(jì)算中都河小流域典型暴雨山洪災(zāi)害預(yù)警區(qū)的預(yù)警指標(biāo)，以基于河床沖淤變化的洪水位上漲率法確定白沙河小流域暴雨條件下山洪水沙災(zāi)害預(yù)警區(qū)的預(yù)警水位。主要成果如下：

1）采用TRIGRS模型劃分滑坡高、中、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)與中都河小流域和白沙河小流域滑坡、泥石流災(zāi)害調(diào)查結(jié)果較為吻合，其中，白沙河小流域40.8%的歷史滑坡點(diǎn)分布于流域滑坡高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，39.6%的歷史滑坡點(diǎn)位于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，19.6%分布于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)與中、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的交界處。

2）中都河流域發(fā)生滑坡風(fēng)險(xiǎn)較小，暴雨誘發(fā)山洪一般以淹沒式洪水災(zāi)害為主，對(duì)該地區(qū)沿河村落均可按山洪洪水災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。4種預(yù)警方法分析表明，以行政區(qū)劃模式的水位流量反推法及簡(jiǎn)易雨量站廣播預(yù)警法易發(fā)生漏警，以流域劃分模式的洪水陡漲率法及實(shí)時(shí)累積雨量法預(yù)警效果較好，建議在暴雨山洪洪水災(zāi)害預(yù)警區(qū)采用洪水陡漲率判定法及實(shí)時(shí)累積雨量法進(jìn)行多指標(biāo)聯(lián)合預(yù)警，以提高山洪預(yù)警可靠度。

3）結(jié)合山洪災(zāi)害安全轉(zhuǎn)移及應(yīng)急處置方案分析，提出了山洪災(zāi)害防治預(yù)警技術(shù)應(yīng)急處置時(shí)效評(píng)估方法，以中都河“8·16”暴雨山洪典型成災(zāi)斷面分析為例，表明洪水上漲率判定法及實(shí)時(shí)累積雨量法的多指標(biāo)聯(lián)合預(yù)警可顯著提高預(yù)警處置時(shí)效。

4）白沙河流域白果崗水電站下游地區(qū)滑坡風(fēng)險(xiǎn)較低，上游來沙多被攔截于水庫，沿河村落可劃為山洪洪水災(zāi)害預(yù)警區(qū)，電站上游多為滑坡中、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，其中，溝床陡緩坡銜接段劃為山洪水沙災(zāi)害預(yù)警區(qū)，陡坡段劃為山洪泥石流預(yù)警區(qū)。此外，白沙河小流域暴雨山洪水沙災(zāi)害預(yù)警采用河床沖淤變化的水位上漲率法效果較好，能夠?yàn)樯胶樗碁?zāi)害預(yù)警提供技術(shù)支撐。