柳 楊, 林 波

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 概述

山洪災(zāi)害防御是我國防洪減災(zāi)工作的難點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)。山丘區(qū)是山洪災(zāi)害的高發(fā)區(qū)，而我國有約66.7%的面積處在山丘區(qū)。山丘區(qū)的強(qiáng)降雨經(jīng)常導(dǎo)致山洪災(zāi)害的頻繁發(fā)生，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。黨和國家高度重視我國的山洪災(zāi)害問題，黨中央和國務(wù)院對此作出重要部署。據(jù)《全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目實(shí)施方案(2013—2015)》[1]所提出的要求，廣東省已納入80個(gè)山洪災(zāi)害防治實(shí)施縣，并于2013—2015年度完成和驗(yàn)收相關(guān)項(xiàng)目并投入運(yùn)行，取得一定成效。

小流域是山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)的基本單元，調(diào)查涉及災(zāi)害概況、流域特征、水文狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況等，并結(jié)合調(diào)查內(nèi)容對沿河村落的防洪現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析；通過綜合分析劃定重點(diǎn)防治區(qū)，確定預(yù)警指標(biāo)并計(jì)算對應(yīng)的閾值，以達(dá)到高時(shí)效性、高準(zhǔn)確度的預(yù)警和災(zāi)害防御效果。而雨量預(yù)警指標(biāo)分析主要以防治對象為單元，基于小流域暴雨洪水和防洪現(xiàn)狀評價(jià)成果，重點(diǎn)分析流域不同前期土壤含水量情況下的臨界雨量，即干旱(AMC I)、正常(ACM II)和濕潤(ACM III)3個(gè)級(jí)別。

廣東省基本覆蓋安裝和部署的自動(dòng)雨量站所采集的數(shù)據(jù)，可傳送至縣級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，相關(guān)防御工作人員可實(shí)時(shí)查看各自動(dòng)雨量站的雨量情況。綜合考慮流域地形地貌、洪水特征以及山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)的前期成果數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)并分析山洪災(zāi)害重點(diǎn)沿河村落與自動(dòng)雨量站之間的關(guān)聯(lián)性，將重點(diǎn)沿河村落雨量預(yù)警關(guān)聯(lián)到山洪災(zāi)害防治區(qū)內(nèi)的自動(dòng)雨量站，使雨量預(yù)警能夠在實(shí)際中應(yīng)用，并在雨量預(yù)警信息發(fā)布中準(zhǔn)確地將預(yù)警信息通知到防汛責(zé)任人，再由防汛責(zé)任人通知有關(guān)村民，做好撤離預(yù)警準(zhǔn)備。

結(jié)合現(xiàn)代遙測技術(shù)雷達(dá)云圖預(yù)測，在重點(diǎn)沿河村落小流域上空進(jìn)行氣象預(yù)報(bào)[2]、空中進(jìn)行雨量測站實(shí)時(shí)預(yù)警[3]、地上進(jìn)行河道水位的現(xiàn)場預(yù)警[4]。通過前向反饋，逐步調(diào)整和改善水文氣象預(yù)報(bào)和測報(bào)條件，提高暴雨洪水信息的時(shí)效性[5-7]。該法可以實(shí)現(xiàn)降雨產(chǎn)匯流整個(gè)過程的上、中、下3個(gè)階段預(yù)警預(yù)報(bào)的全面覆蓋，提高預(yù)警分布的可靠性和準(zhǔn)確性。

目前，廣東省山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)中重點(diǎn)沿河村落雨量預(yù)警主要進(jìn)行雨量測站實(shí)時(shí)預(yù)警，將重點(diǎn)沿河村落預(yù)警雨量關(guān)聯(lián)到山洪災(zāi)害防治區(qū)內(nèi)的自動(dòng)雨量站，通過行政區(qū)劃內(nèi)多站均值方法進(jìn)行雨量預(yù)報(bào)預(yù)警。鑒于行政區(qū)劃內(nèi)多站均值并未考慮小流域特征，往往將流域外無關(guān)聯(lián)性自動(dòng)雨量站納入計(jì)算，易導(dǎo)致預(yù)警偏差。本次細(xì)化預(yù)警機(jī)制，引入小流域內(nèi)多站均值方法，完善省山洪災(zāi)害的雨量預(yù)警，提供更準(zhǔn)確、及時(shí)的現(xiàn)場信息，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，為相關(guān)部門提供科學(xué)的預(yù)警預(yù)報(bào)決策依據(jù)，更好更快地指揮受山洪威脅地區(qū)的抗洪搶險(xiǎn)。

2 預(yù)警雨量的確定

2.1 預(yù)警時(shí)段確定

預(yù)警時(shí)段是雨量預(yù)警指標(biāo)的重要組成部分，對應(yīng)預(yù)警指標(biāo)的典型降雨歷時(shí)。預(yù)警時(shí)段的影響因素眾多，包括防災(zāi)對象上游集雨面積大小、流域形狀、降雨強(qiáng)度，以及地形地貌、土壤含水量、植被等。一般情況下，預(yù)警時(shí)段長度與流域面積成正比，與河流比降成反比。

在山洪災(zāi)害分析評價(jià)中，預(yù)警時(shí)段的確定遵循以下的幾條具體原則：

1)最長時(shí)段：沿河村落預(yù)警指標(biāo)的最長時(shí)段取用對應(yīng)小流域的流域匯流時(shí)間。

2)典型時(shí)段：對于小于最長時(shí)段典型時(shí)段，根據(jù)防災(zāi)對象所在地區(qū)氣候、地形等特性，綜合確定小于匯流時(shí)間的短歷時(shí)預(yù)警時(shí)段，如60 min、180 min等，通常選取2～3個(gè)典型預(yù)警時(shí)段。廣東省位于典型的南方濕潤地區(qū)，最小預(yù)警時(shí)段選為30 min。

3)綜合確定：充分參考流域單位線信息，結(jié)合暴雨和下墊面特性并將歷史山洪情況納入考量，同時(shí)考慮對象所處河段的河谷形態(tài)、洪水上漲速率、轉(zhuǎn)移時(shí)間及其影響人口等，綜合確定各各個(gè)典型預(yù)警時(shí)段，從最小預(yù)警時(shí)段直至流域匯流時(shí)間。

2.2 流域土壤含水量確定

流域土壤含水量影響流域產(chǎn)流，是雨量預(yù)警的重要基礎(chǔ)信息，可用于分析臨界雨量閾值。當(dāng)土壤含水量較小時(shí)，降雨入滲較大，地表徑流相應(yīng)較小，山洪災(zāi)害發(fā)生的概率也相對較低。當(dāng)土壤含水量較大時(shí)，降雨入滲則較小，對應(yīng)地表徑流增大，山洪災(zāi)害發(fā)生率上升。

本文預(yù)警指標(biāo)分析的3種初始土壤含水量情況分別是干旱(Pa≤0.5Wm)、正常(0.5Wm≤Pa≤0.75Wm)以及濕潤(Pa≥0.9Wm)3種。本次計(jì)算流域平均最大需水量取100 mm，初始含水量值設(shè)定為90 mm、75 mm、50 mm 3種情況，分別代表土壤含水量濕潤、正常和干旱3種情況。

采用現(xiàn)有成果或前期降雨對流域初始土壤含水量進(jìn)行估算。土壤含水量的大小與臨界雨量計(jì)算時(shí)對應(yīng)的雨量扣損密切相關(guān)?？蹞p主要分為初損和穩(wěn)定下滲兩個(gè)部分，初損指從暴雨起始時(shí)間開始發(fā)生的逐時(shí)段扣損，當(dāng)扣除的累積雨量值達(dá)到初損值時(shí)停止。在完成扣損后的凈雨時(shí)程分配成果，不會(huì)改變主雨峰和雨型的分配狀況。在初損結(jié)算完畢，轉(zhuǎn)為采用穩(wěn)定下滲率進(jìn)行逐時(shí)扣損。

根據(jù)有關(guān)研究[8]，在山洪凈雨分析中通?？梢院雎?.25～1.25 mm之間的植被截流量；而部分小流域具有較高的森林覆蓋率，此時(shí)林冠層截留降雨作用受到植被郁閉度、林型、樹種和枯枝落葉層等因素影響，當(dāng)降雨量較低時(shí)，截流作用產(chǎn)生較大波動(dòng)；當(dāng)降雨量較大時(shí)，截留作用達(dá)到定值，可達(dá)13～17 mm。

2.3 雨量預(yù)警指標(biāo)綜合確定

雨量預(yù)警指標(biāo)計(jì)算采用降雨分析法，計(jì)算方法總體而言相當(dāng)于設(shè)計(jì)洪水的反過程。采用推理公式法針對一個(gè)確定的流域進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)，其變量只是設(shè)計(jì)頻率[9-10]，因此，可以建立洪峰流量與設(shè)計(jì)頻率的單一函數(shù)關(guān)系，由此可根據(jù)成災(zāi)流量反推出相應(yīng)的頻率，進(jìn)而確定出相應(yīng)降雨值(計(jì)算流程如圖1所示)。

圖1 推理公式法推求預(yù)警指標(biāo)流程示意

預(yù)警指標(biāo)的確定，應(yīng)當(dāng)考慮多個(gè)因素，涵蓋對象所處河段河谷形態(tài)、洪水上漲速率、預(yù)警響應(yīng)時(shí)間和站點(diǎn)位置等因素，完成臨界雨量的計(jì)算后以此為參考加以確定準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移的預(yù)警指標(biāo)，利用洪水信息向預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行反饋校正，防止成災(zāi)水位和其對應(yīng)的暴雨洪水的頻率產(chǎn)生較大差異。

從計(jì)算原理而言，臨界雨量基于洪水對降雨的信息反算，在數(shù)值上通?？梢哉J(rèn)為臨界雨量是立即轉(zhuǎn)移的指標(biāo)；而準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)，則需要確定某個(gè)控制斷面的準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移流量，再反推對應(yīng)雨量，對臨界雨量進(jìn)行折減[11-12]。

通過設(shè)計(jì)洪水推算立即轉(zhuǎn)移流量過程線，并將過程線前推30 min作為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移過程，此過程對應(yīng)準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移流量，進(jìn)一步推算準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量。

3 雨量預(yù)警的方法分析

3.1 行政區(qū)劃內(nèi)多站均值法

2010年以來，全國陸續(xù)開展了山洪災(zāi)害的防治工作，山洪災(zāi)害防御體系已經(jīng)初步形成。大數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)也為山洪災(zāi)害防治提供技術(shù)支持，如山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)(主要建設(shè)于山洪災(zāi)害防治縣)，山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息管理系統(tǒng)(主要建設(shè)于國家和省、市級(jí))，近年還以省級(jí)為單位先后開展山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)同步共享系統(tǒng)的試點(diǎn)建設(shè)?，F(xiàn)有山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，能夠結(jié)合信息技術(shù)發(fā)展新趨勢集成應(yīng)用山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)成果，解決基層技術(shù)力量薄弱、運(yùn)行維護(hù)困難問題，并將預(yù)警精度再上升一個(gè)臺(tái)階。下一步將在不改變現(xiàn)有山洪災(zāi)害防御管理體制和責(zé)任體制條件下，采用省級(jí)部署、多級(jí)應(yīng)用的模式，在省級(jí)重點(diǎn)建設(shè)面向水旱災(zāi)害防御部門和公眾可參與的新一代山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)。省級(jí)平臺(tái)建設(shè)將強(qiáng)化現(xiàn)有監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，對可靠性和綜合性能進(jìn)行全方位優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)集約化建設(shè)和管理；規(guī)范預(yù)警模式、升級(jí)技術(shù)方法，如采用分布式水文等模型，與傳統(tǒng)模型相比，基于物理過程的分布式水文模型可以更加準(zhǔn)確詳細(xì)地描述流域內(nèi)的水文物理過程，獲取流域的信息更貼近實(shí)際。通過分布式水文模型實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害更為精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化的預(yù)警，更具有時(shí)效性，能夠更為合理地為防汛部門的指揮調(diào)度提供指導(dǎo)，強(qiáng)化我國山洪災(zāi)害防御能力。

基于《省、地市級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息管理系統(tǒng)技術(shù)要求》[11]《山洪災(zāi)害防治非工程措施補(bǔ)充完善技術(shù)要求》[12]《廣東省2013年度山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目實(shí)施方案》[13]，結(jié)合《省級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)技術(shù)要求(試行)》[14]的任務(wù)要求，進(jìn)一步完善縣級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)。

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮自動(dòng)雨量站在使用上的權(quán)限性和管理上的地區(qū)性，為了便于行政管理流程直接性和預(yù)警發(fā)布的快捷性，為保障行政區(qū)域內(nèi)居民安全度汛，更好地提供準(zhǔn)確、及時(shí)的現(xiàn)場信息，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，廣東省主要通過行政區(qū)劃內(nèi)多站均值法進(jìn)行雨量預(yù)警。

目前，廣東省山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)的雨量預(yù)警主要對鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)界內(nèi)實(shí)時(shí)降雨量大于0的自動(dòng)雨量站進(jìn)行不同時(shí)段的平均值計(jì)算，再通過平均值與鄉(xiāng)鎮(zhèn)所屬重點(diǎn)沿河村落的預(yù)警指標(biāo)對比，預(yù)警指標(biāo)按照1 h、2 h、3 h、5 h、6 h等時(shí)段依次比對，任何一個(gè)重點(diǎn)沿河村落預(yù)警指標(biāo)低于自動(dòng)雨量站實(shí)時(shí)降雨量平均值，預(yù)警平臺(tái)就產(chǎn)生山洪災(zāi)害預(yù)警。廣東省山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)具體預(yù)警觸發(fā)流程見圖2所示。山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)的預(yù)警流程如下：新產(chǎn)生→內(nèi)部預(yù)警→會(huì)商研判→外部預(yù)警→跟蹤督導(dǎo)→取消預(yù)警→處置記錄。

圖2 廣東省山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)具體預(yù)警觸發(fā)流程示意

3.2 小流域內(nèi)多站均值法

各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的行政區(qū)界內(nèi)存在較多自動(dòng)雨量站，尤其個(gè)別行政區(qū)界較大的區(qū)域，當(dāng)出現(xiàn)局部暴雨時(shí)，各自動(dòng)雨量站的實(shí)測降雨值差異很大，平均值計(jì)算時(shí)雨量值會(huì)遠(yuǎn)低于暴雨中心雨量值。另外，行政區(qū)界內(nèi)大多數(shù)自動(dòng)雨量站不屬于同一個(gè)小流域，不同流域又往往導(dǎo)致產(chǎn)匯流不一致，不同流域內(nèi)自動(dòng)雨量站的實(shí)測雨量之間不存在有一定的相關(guān)性。因此，通過行政區(qū)內(nèi)多站均值法進(jìn)行平均值計(jì)算，并給該鄉(xiāng)鎮(zhèn)所屬重點(diǎn)沿河村落發(fā)布預(yù)警，可能會(huì)造成漏報(bào)現(xiàn)象。

為了更好地給重點(diǎn)沿河村落發(fā)布預(yù)警，減少漏報(bào)現(xiàn)象，對鄉(xiāng)鎮(zhèn)界內(nèi)雨量測站分布范圍進(jìn)行縮小，將該鄉(xiāng)鎮(zhèn)重點(diǎn)沿河村落所屬流域外的雨量測站剔除，對重點(diǎn)沿河村落所屬流域內(nèi)雨量測站按流域分塊統(tǒng)計(jì)[15]，當(dāng)該流域內(nèi)雨量測站少于3 h，則從附近流域查找關(guān)聯(lián)，至少保證每個(gè)流域有3～5個(gè)雨量測站，保證有一定數(shù)量自動(dòng)雨量站可使用。

小流域內(nèi)多站均值法對雨量預(yù)警判斷規(guī)則進(jìn)行細(xì)化改善，主要對流域或附近小流域內(nèi)實(shí)時(shí)降雨量大于0的自動(dòng)雨量站進(jìn)行不同時(shí)段的平均值計(jì)算，再通過平均值與該流域所屬重點(diǎn)沿河村落的預(yù)警指標(biāo)對比，預(yù)警指標(biāo)按照1 h、2 h、3 h、5 h、6 h等時(shí)段依次比對，任何一個(gè)重點(diǎn)沿河村落預(yù)警指標(biāo)低于自動(dòng)雨量站實(shí)時(shí)降雨量平均值，則產(chǎn)生山洪災(zāi)害預(yù)警。

通過小流域內(nèi)多站均值法的雨量預(yù)警，考慮了局部暴雨、不同流域產(chǎn)匯流等情況，一定程度上提高了雨量預(yù)警的精確性。

4 結(jié)語

1)采用行政區(qū)劃內(nèi)多站均值法進(jìn)行雨量預(yù)警，具有水利相關(guān)部門行政管理流程直接性和預(yù)警發(fā)布的快捷性，但忽略了小流域特征，將流域外無關(guān)聯(lián)性雨量站一并納入計(jì)算，易導(dǎo)致雨量預(yù)警偏差。

2)采用小流域內(nèi)多站均值法進(jìn)行雨量預(yù)警，對鄉(xiāng)鎮(zhèn)界內(nèi)雨量測站分布范圍進(jìn)行縮小，將該鄉(xiāng)鎮(zhèn)重點(diǎn)沿河村落所屬流域外的雨量測站剔除，對重點(diǎn)沿河村落所屬流域內(nèi)雨量測站按流域分塊統(tǒng)計(jì)，一定程度上提高了雨量預(yù)警的精確性。

3)通過產(chǎn)匯流原理的對比分析，相較于行政區(qū)劃內(nèi)多站均值法，小流域內(nèi)多站均值法綜合考慮了局部暴雨、不同流域產(chǎn)匯流差異等情況，更好地反映了流域產(chǎn)匯流過程中降雨量與水位的相關(guān)關(guān)系，雨量預(yù)警更加合理、精確。

4)山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警措施落實(shí)到位，離不開地方居民的理解和配合，應(yīng)加大對山洪災(zāi)害防治的宣傳力度，增強(qiáng)地方防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)，提高地方汛期警惕性，督促地方時(shí)刻做好避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)備和措施。