山洪災(zāi)害短歷時(shí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)研究及應(yīng)用

江雨田，范仲麗，孫如飛，趙思遠(yuǎn)，朱從飛

（寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315192）

0 引言

山洪災(zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、成災(zāi)速度快、破壞性大的特點(diǎn)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。自 2006 年國(guó)務(wù)院批復(fù)《全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》以來(lái)，全國(guó)共有 2 076 個(gè)縣開(kāi)展了山洪災(zāi)害非工程措施項(xiàng)目建設(shè)，建設(shè)了縣級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱預(yù)警系統(tǒng)）[1]，基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雨量進(jìn)行山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警，解決了基層山洪災(zāi)害防御手段缺乏的問(wèn)題。然而，受限于預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)時(shí)（多數(shù)在 2015 年以前建設(shè)）的技術(shù)和設(shè)備條件，建設(shè)完成的預(yù)警系統(tǒng)普遍存在預(yù)警預(yù)見(jiàn)期、精確性及系統(tǒng)穩(wěn)定性等不足的短板[2]。

寧波市地處我國(guó)海岸線中段，長(zhǎng)江三角洲南翼，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密集[3]。轄區(qū)內(nèi)山丘區(qū)面積占全市總面積的 58.7%，山區(qū)小流域由于雨量豐沛，河流源短流急，水位暴漲暴落，臺(tái)風(fēng)暴雨形成的突發(fā)性山洪，極易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為最大限度地提升山洪災(zāi)害災(zāi)前預(yù)防能力，減輕山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，寧波市水利局在 2018 年啟動(dòng)寧波市山洪災(zāi)害短歷時(shí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱平臺(tái)）項(xiàng)目建設(shè)，利用短臨降雨預(yù)報(bào)、氣象雷達(dá)、動(dòng)態(tài)預(yù)警等技術(shù)[4–5]，搭建新一代山洪預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)，支撐防汛防臺(tái)期間的山洪災(zāi)害防御工作。

1 平臺(tái)建設(shè)

1.1 平臺(tái)總體框架

平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與集成采用 B/S 方式[6]，各子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)均圍繞網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行，平臺(tái)框架如圖 1 所示。

圖 1 平臺(tái)總體框架圖

1.2 平臺(tái)預(yù)報(bào)預(yù)警模型

為克服監(jiān)測(cè)預(yù)警模式預(yù)見(jiàn)期、精確性不足的弊端，構(gòu)建了基于精細(xì)化短臨降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的山洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警模型[7]。預(yù)報(bào)預(yù)警模型由以下 2 個(gè)模塊構(gòu)成：

1）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊。降雨是山洪災(zāi)害預(yù)警分析的核心驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。通過(guò)與寧波市水文站、氣象局技術(shù)對(duì)接，平臺(tái)接入了寧波市雨量站點(diǎn)實(shí)測(cè)和短臨降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。其中，短臨降雨預(yù)報(bào)是基于多普勒雷達(dá)、衛(wèi)星、自動(dòng)氣象站、中尺度數(shù)值模式制作的，每 10 min 更新 1 次，預(yù)見(jiàn)期為未來(lái) 1，3 h[8]。

實(shí)測(cè)和預(yù)報(bào)降雨由于數(shù)據(jù)來(lái)源、格式、更新頻次均不相同，因此需要進(jìn)行時(shí)間和空間尺度上的標(biāo)準(zhǔn)化解譯。時(shí)間尺度上，需要將降雨數(shù)據(jù)時(shí)間步長(zhǎng)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為 10 min，與短臨降雨預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)更新頻次保持一致；空間尺度上，需要利用空間插值方法將離散站點(diǎn)實(shí)測(cè)雨量、GRIB2 碼格式預(yù)報(bào)降雨等數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)分辨力柵格的降雨數(shù)據(jù)。

2）預(yù)警分析模塊。根據(jù)收集的寧波市前期山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目中 558 個(gè)受山洪威脅嚴(yán)重的沿河村落的雨量預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于雨量指標(biāo)法的山洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警分析模型。結(jié)合實(shí)測(cè)和預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊，預(yù)警分析模型在后臺(tái)每 10 min 自動(dòng)運(yùn)行開(kāi)展分析計(jì)算，流程圖如圖 2 所示。基于精細(xì)化短臨降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)警分析模型，相比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，能夠提前 1～3 h 對(duì)可能發(fā)生的山洪災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，為風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域人員和財(cái)產(chǎn)轉(zhuǎn)移贏得寶貴時(shí)間。

圖 2 沿河村落山洪預(yù)警分析流程

1.3 平臺(tái)功能模塊

根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì)，包括以下 5 個(gè)功能模塊：

1）基礎(chǔ)信息模塊。提供山洪災(zāi)害相關(guān)的沿河村落和小流域基礎(chǔ)信息的查詢功能，結(jié)合 GIS 地圖，進(jìn)行可視化展示。小流域信息包括小流域名稱、河長(zhǎng)、面積、比降等基本信息；沿河村落信息包括沿河村落社會(huì)經(jīng)濟(jì)、控制斷面、預(yù)警指標(biāo)等信息。

2）降雨跟蹤模塊。降雨跟蹤模塊提供實(shí)況雷達(dá)、實(shí)時(shí)降雨、預(yù)報(bào)降雨和土壤濕度跟蹤查詢等功能。基于 GIS 地圖實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)反射率圖、站點(diǎn)實(shí)測(cè)雨量、短歷時(shí)預(yù)報(bào)雨量、土壤濕度的跟蹤展示。

3）山洪預(yù)警模塊。以 10 min 頻次，自動(dòng)開(kāi)展平臺(tái)建設(shè)范圍內(nèi)沿河村落的山洪預(yù)報(bào)預(yù)警和整體形勢(shì)分析。根據(jù)預(yù)警分析成果，提供各沿河村落當(dāng)前預(yù)警信息、降雨詳情、土壤含水量、預(yù)警分析和基礎(chǔ)信息的查詢展示。

4）分析簡(jiǎn)報(bào)模塊。結(jié)合防汛實(shí)際需求建設(shè)分析簡(jiǎn)報(bào)模板，分析簡(jiǎn)報(bào)主要是實(shí)時(shí)和歷史分析簡(jiǎn)報(bào)，具體內(nèi)容包括風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警概況、預(yù)警等級(jí)說(shuō)明表、區(qū)縣（市）山洪預(yù)警概況、預(yù)警村落詳細(xì)信息等。

5）數(shù)據(jù)大屏模塊。采用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警數(shù)據(jù)成果進(jìn)行可視化展示，為更深入地觀察和分析山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)情況提供支持。

2 平臺(tái)應(yīng)用分析

寧波市級(jí)山洪災(zāi)害短歷時(shí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)于2018 年 9 月上線開(kāi)始試運(yùn)行。先后在“20180815 暴雨”“20180917 暴雨”“2019 年利奇馬”“20190902暴雨”等多場(chǎng)次臺(tái)風(fēng)暴雨中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，截至2020 年 5 月，共進(jìn)行了 8.6 萬(wàn)次預(yù)警分析，累計(jì)產(chǎn)生了 280 場(chǎng)/次預(yù)警。

2.1 “20180917”暴雨應(yīng)用案例

2018 年 9 月 17 日，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”在廣東省臺(tái)山市海宴鎮(zhèn)登陸，受臺(tái)風(fēng)外圍對(duì)流云團(tuán)影響，寧波市普降暴雨，其中 9 月 17 日 8—12 時(shí)降雨最為集中。

平臺(tái)依據(jù)最新跟蹤的站點(diǎn)實(shí)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)降雨及實(shí)時(shí)土壤濕度信息進(jìn)行了預(yù)警分析，9 月 17 日上午 9 時(shí)山洪預(yù)警成果圖如圖 3 所示。平臺(tái)第一時(shí)間向?qū)幉ㄊ斜眮鰠^(qū)人民政府防汛防旱指揮部辦公室發(fā)送了山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警信息，北侖區(qū)在 9 時(shí) 20 分啟動(dòng)防汛防臺(tái) Ⅳ 級(jí)響應(yīng)，并及時(shí)組織沿河村落村民進(jìn)行轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)。上午 11 時(shí)，北侖區(qū)白峰、郭巨、梅山、柴橋、大碶的多個(gè)村莊出現(xiàn)村莊進(jìn)水，道路積水，農(nóng)田普遍受淹，溪坑等水利工程受到不同程度損壞，所幸人員已經(jīng)提前撤離，未造成人員傷亡。

本次暴雨期間山洪災(zāi)害的發(fā)生區(qū)域、時(shí)間與平臺(tái)預(yù)警成果基本一致，驗(yàn)證了平臺(tái)的可靠性和準(zhǔn)確性。

2.2 “利奇馬”臺(tái)風(fēng)應(yīng)用案例

2019 年汛期的“利奇馬”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)為建國(guó)以來(lái)登陸浙江的第三強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，風(fēng)強(qiáng)，雨大，來(lái)勢(shì)兇猛，影響時(shí)間長(zhǎng)。

在防御“利奇馬”臺(tái)風(fēng)過(guò)程中，平臺(tái)每 10 min在后臺(tái)自動(dòng)開(kāi)展覆蓋寧波市全部山區(qū)的山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警分析，提前 1～3 h 對(duì)可能發(fā)生山洪災(zāi)害的區(qū)域發(fā)布預(yù)報(bào)預(yù)警信息，向?qū)幉ㄊ懈鲄^(qū)縣發(fā)送預(yù)警短信 15 次，各區(qū)縣發(fā)送監(jiān)測(cè)預(yù)警短信 6 萬(wàn)多條。

圖 3 “20180917”暴雨 09 時(shí)平臺(tái)山洪預(yù)警成果圖

其中，8 月 10 日 5 時(shí) 10 分，平臺(tái)整體形勢(shì)未來(lái) 3 h 預(yù)警分析中，鄞州區(qū)東吳鎮(zhèn)天童寺附近出現(xiàn)紅色預(yù)警。平臺(tái)分析成果第一時(shí)間發(fā)送到相應(yīng)防汛責(zé)任人手中，鄞州區(qū)東吳鎮(zhèn)迅速組織風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)人員避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移。8 月 10 日上午 7 時(shí)，天童寺爆發(fā)山洪泥石流，所幸寺廟人員已及時(shí)撤離，未造成人員傷亡。本次天童寺山洪災(zāi)害，平臺(tái)、原監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警時(shí)間，以及山洪實(shí)際發(fā)生的時(shí)間及預(yù)見(jiàn)期延長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)如表 1 所示。從表 1 可以看出：本平臺(tái)提前130 min 發(fā)出了山洪預(yù)警，而原監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)只提前30 min，預(yù)警預(yù)見(jiàn)期延長(zhǎng)了100 min。

表 1 “利奇馬”臺(tái)風(fēng)天童寺預(yù)警時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語(yǔ)

建設(shè)的以精細(xì)化短臨降雨預(yù)報(bào)為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的山洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)，與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)相比，能夠提前 1～3 h 對(duì)可能發(fā)生山洪的區(qū)域進(jìn)行預(yù)警。

平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，針對(duì)出現(xiàn)的服務(wù)器存儲(chǔ)空間溢出的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并建立了數(shù)據(jù)定時(shí)清理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余數(shù)據(jù)的定期、自動(dòng)清理，保證平臺(tái)正常穩(wěn)定運(yùn)行。

目前平臺(tái)預(yù)警短信只能向各級(jí)防汛責(zé)任人發(fā)送，下一步可探索研究基于運(yùn)營(yíng)商的信令大數(shù)據(jù)，向山洪風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的社會(huì)公眾靶向發(fā)送預(yù)警信息，進(jìn)一步提升平臺(tái)應(yīng)用效益。