復(fù)雜山區(qū)山洪監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)方法研究

楊培生 雷聲 許小華 王小笑 付佳偉

摘要：

監(jiān)測(cè)站網(wǎng)是獲取區(qū)域尤其是復(fù)雜山區(qū)小流域暴雨洪水特性最重要、最直接的方式。在分析站網(wǎng)布設(shè)相關(guān)研究現(xiàn)狀和站網(wǎng)存在問題的基礎(chǔ)上，提出采用錐體法分析滿足小流域山洪災(zāi)害防治需求的站點(diǎn)總數(shù)，采用風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)關(guān)聯(lián)法優(yōu)化站網(wǎng)的空間分布。前者著眼于降雨過程的時(shí)空分布特征，后者側(cè)重于歷史山洪災(zāi)害情況及沿河村落的預(yù)警需求。以此理論為基礎(chǔ)，綜合分析了江西省鉛山縣監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)合理性，結(jié)論表明需在關(guān)聯(lián)性較弱且危險(xiǎn)區(qū)人口較多處新增監(jiān)測(cè)站點(diǎn)以滿足監(jiān)測(cè)預(yù)警需求。研究成果對(duì)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的建設(shè)和調(diào)整優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

關(guān) 鍵 詞：

山洪災(zāi)害; 監(jiān)測(cè)站網(wǎng); 站網(wǎng)布設(shè)理論; 調(diào)整優(yōu)化; 江西省

中圖法分類號(hào)： TV21;TV87

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.006

0 引 言

山洪災(zāi)害是指在山丘區(qū)由強(qiáng)降雨引發(fā)的具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大等特征的洪水災(zāi)害[1]，江西省以丘陵、山地為主，山洪災(zāi)害頻發(fā)[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，江西省1991～2006年，因山洪災(zāi)害死亡1 452人，平均每年達(dá)91人，占洪災(zāi)死亡人數(shù)的近80%?？梢娚胶闉?zāi)害已嚴(yán)重影響了江西省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，成為主要自然災(zāi)害之一[3]。

監(jiān)測(cè)站網(wǎng)是獲取區(qū)域尤其是復(fù)雜山區(qū)小流域暴雨洪水特性最重要、最直接的方式[4]。合理的站網(wǎng)布局有利于監(jiān)測(cè)降雨強(qiáng)度變化和洪峰變化的時(shí)空差異性，降低流域水文計(jì)算的不確定度，大大提高山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的精度[5]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)方法做了大量研究。國外常用的方法有空間插值法[6]、統(tǒng)計(jì)分析法[7]、熵理論[8]等。20世紀(jì)七八十年代，中國學(xué)者提出了累積積差法、暴雨中心控制區(qū)法、錐體法、流域水文模型法和抽站法等雨量站布設(shè)方法[9]。前2種方法由于存在理論缺陷已較少應(yīng)用;錐體法[10]因其簡單、對(duì)資料要求低，已被廣泛應(yīng)用于稀疏區(qū)域站網(wǎng)規(guī)劃與布設(shè);流域水文模型法和抽站法常用于站網(wǎng)密度的合理性分析[11]。雖然上述監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)方法已得到廣泛應(yīng)用，但對(duì)考慮山洪災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)特性的布設(shè)方法研究相對(duì)較少，在CNKI中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中以“站網(wǎng)布設(shè)”或“站網(wǎng)優(yōu)化”作為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，共得到符合條件的期刊論文729篇，但考慮山洪特性的站網(wǎng)布設(shè)相關(guān)論文僅11篇[12]。

2007年江西省在全國率先開展山洪監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)，至今已持續(xù)建設(shè)10多年，累計(jì)投入約1.9億元，全省監(jiān)測(cè)站網(wǎng)密度達(dá)到36.02 km2/站（含水庫監(jiān)測(cè)站點(diǎn)），但對(duì)山洪災(zāi)害頻發(fā)的山區(qū)小流域仍不滿足要求。在山區(qū)，不同海拔高度的降雨量差異很大，從山腳到山腰，降雨量隨著地勢(shì)的升高而逐漸增加，但是到山頂附近之后，由于海拔上升，空氣中水汽減少，導(dǎo)致降雨量明顯減少。如2016年5月6日，宜春市明月山景區(qū)遭遇短時(shí)強(qiáng)降雨，造成山洪暴發(fā)，致使設(shè)施損毀，游客滯留，其中明月山站24 h降雨達(dá)68.5 mm，但軍背站僅為8.5 mm，降雨變幅高達(dá)87%。此外，不同坡向降雨量也不同，同時(shí)期陽坡降雨量要高于陰坡[13]。上述因素導(dǎo)致部分山區(qū)仍存在站網(wǎng)密度難以滿足防治需求的問題。

本文以山洪災(zāi)害頻發(fā)的江西省鉛山縣為例，通過錐體法和山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)關(guān)聯(lián)法綜合分析了該縣監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)現(xiàn)狀，并提出了優(yōu)化布設(shè)方案，以期為監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的建設(shè)和調(diào)整優(yōu)化提供參考。

1 布設(shè)方法研究

監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布局涉及監(jiān)測(cè)站總數(shù)及其空間分布的合理性。采用錐體法對(duì)滿足山洪災(zāi)害防治需求的站點(diǎn)總數(shù)進(jìn)行分析，采用風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)關(guān)聯(lián)法對(duì)站點(diǎn)的空間分布進(jìn)行優(yōu)化。前者著眼于降雨過程的時(shí)空分布特征，后者側(cè)重于歷史山洪災(zāi)害形勢(shì)和沿河村莊的預(yù)警需求。

1.1 錐體法

錐體法認(rèn)為暴雨量從中心向邊緣逐漸減少，以降雨等值線梯度變化最大的一側(cè)作為圓錐體的一側(cè)，以通過暴雨中心的垂直線為軸線[14]。假設(shè)降雨量從中心至邊緣呈直線變化，則降雨量計(jì)算如下：

式中：P0為暴雨中心雨量，mm;Pn為對(duì)應(yīng)于暴雨中心Ln處的雨量，mm;Ln為計(jì)算面雨量的面積半徑。

若按正方形網(wǎng)格布設(shè)雨量站，暴雨中心處于4個(gè)雨量站的中心位置，〖JP4〗依據(jù)三角函數(shù)，可得暴雨中心的雨量為

則降雨相對(duì)誤差為

式中：M為流域內(nèi)雨量站數(shù)量，A為流域面積。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)關(guān)聯(lián)法

山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)由致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體等3個(gè)方面致災(zāi)因素組成[15]。風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)關(guān)聯(lián)法是基于山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)獲取的危險(xiǎn)區(qū)分布、小流域?qū)傩?、危險(xiǎn)區(qū)人口、房屋類型、企事業(yè)單位分布、暴雨時(shí)空分布、坡度、土壤類型等信息，以保護(hù)危險(xiǎn)區(qū)人口為核心，以小流域?yàn)閱卧?，將處于同一個(gè)小流域的危險(xiǎn)區(qū)與監(jiān)測(cè)站點(diǎn)關(guān)聯(lián)，根據(jù)各小流域風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)因子優(yōu)化站點(diǎn)布設(shè)，達(dá)到“最少站點(diǎn)，最優(yōu)監(jiān)測(cè)”的目的[16]。

根據(jù)山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果及山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)需求，從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體3個(gè)方面出發(fā)，選取暴雨均值、暴雨空間分布、坡度、土壤類型等9個(gè)指標(biāo)項(xiàng)目綜合評(píng)價(jià)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)對(duì)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)的影響，各指標(biāo)項(xiàng)及其對(duì)風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)影響分析如表1所列。應(yīng)指出，利用表1中的影響因子分析時(shí)需結(jié)合小流域?qū)嶋H情況決定各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)先性，確定小流域各位置的風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)程度。一般，承災(zāi)體指標(biāo)優(yōu)于孕災(zāi)環(huán)境指標(biāo)優(yōu)于致災(zāi)因子，即首要考慮對(duì)人口密集、財(cái)產(chǎn)分布多、房屋建筑抗災(zāi)能力弱的區(qū)域監(jiān)測(cè)，其次要對(duì)匯流時(shí)間短、下墊面蓄水能力弱等區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最后結(jié)合暴雨時(shí)空分布調(diào)整優(yōu)化站點(diǎn)位置，尤其要對(duì)降雨突變明顯、現(xiàn)有站點(diǎn)覆蓋不足且有人員活動(dòng)而又易被忽視的局地山丘加大監(jiān)測(cè)力度。

利用風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)程度進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布局，本方法采用“風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)控制總數(shù)、單站就近原則法”分析監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和小流域危險(xiǎn)區(qū)關(guān)聯(lián)情況，確保各個(gè)小流域范圍內(nèi)所有重點(diǎn)沿河村落與流域內(nèi)或附近自動(dòng)監(jiān)測(cè)站關(guān)聯(lián)[17]，具體方法為：① 極高、較高、中等、較低、極低5個(gè)等級(jí)的危險(xiǎn)區(qū)平均站網(wǎng)密度至少需達(dá)到20，25，30，40，50 km2/站;② 若危險(xiǎn)區(qū)與附近的雨量站處于同一小流域且不超過5 km，則雨量站應(yīng)盡量布設(shè)在危險(xiǎn)區(qū)上游;③ 若危險(xiǎn)區(qū)與附近的雨量站處于不同小流域，距離不超過3 km且不跨山脊線，雨量站可布設(shè)于附近小流域;④ 若危險(xiǎn)區(qū)與附近雨量站距3 km以內(nèi)但降雨存在突變，應(yīng)適當(dāng)加密站點(diǎn)。

2 研究實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

鉛山縣位于江西省東北部，信江上游，武夷山北麓，地勢(shì)南高北低，鉛山縣概況圖如圖1所示?？h域多年平均降雨量1 958 mm，降雨量在時(shí)間上分配極為不均，4～7月份降雨量占全年降雨量的60%左右，境內(nèi)小流域眾多，短歷時(shí)、強(qiáng)暴雨極易導(dǎo)致山洪暴發(fā)[18]?？h域內(nèi)歷史上曾多次發(fā)生山洪災(zāi)害，以2010年6月16日的山洪災(zāi)害事件損失最嚴(yán)重，過程降雨以鉛山縣徐家廠站775 mm為最大，縣直接經(jīng)濟(jì)損失約7.28億元[19]。根據(jù)鉛山縣山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果，該縣約42%的人口受到山洪災(zāi)害威脅，其中受山洪嚴(yán)重威脅的沿河村落數(shù)104個(gè)[20]。目前鉛山縣已建自動(dòng)雨量站32個(gè)、自動(dòng)水位站30個(gè)（其中水庫水位站23個(gè)），雨量監(jiān)測(cè)站網(wǎng)密度達(dá)到31.58 km2/站，但部分山洪災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)仍無法有效關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，因此，優(yōu)化鉛山縣山洪監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布局，對(duì)加強(qiáng)局地暴雨捕捉能力、提升山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警水平具有重大意義。

2.2 錐體法計(jì)算結(jié)果

鉛山縣流域主要由鉛山河、陳坊河和西坂河組成，3條河流的流域面積占到全縣國土面積的94.2%。針對(duì)3條流域分別采用錐體法進(jìn)行站網(wǎng)密度分析，其中鉛山河選取鐵路坪站（P0=76 mm，2019年6月21日）和石垅站（P0=66 mm，2019年6月6日）進(jìn)行試算分析并相互驗(yàn)證;陳坊河選取陳坊站（P0=40 mm，2019年7月16日）和汪二站（P0=62 mm，2019年7月9日）進(jìn)行試算分析并相互驗(yàn)證;西坂河選取河源水庫站（P0=47 mm，2019年6月6日）為暴雨中心進(jìn)行試算分析。按照山洪災(zāi)害預(yù)警分析要求，本次相對(duì)誤差取5%進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。計(jì)算結(jié)果表明，鉛山河需增設(shè)1處雨量站。分析其原因，鉛山河上游的武夷山山脈和葛仙山山脈峰高坡陡，導(dǎo)致不同高程降雨量分布差異較大，對(duì)照鉛山縣概況圖中的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布，建議在葛仙山鄉(xiāng)項(xiàng)源村馬鞍山自然村上游增設(shè)1處站點(diǎn);陳坊河需增設(shè)1處站點(diǎn)，目前陳坊河主河中游只有1處站點(diǎn)，建議在中下游新增1處站點(diǎn);西坂河流域已建站點(diǎn)數(shù)量大于應(yīng)設(shè)站點(diǎn)數(shù)量，但該流域已建的5處站點(diǎn)有3處為水庫水位站，水庫水位站主要為測(cè)量水庫水位站而設(shè)，故建議維持現(xiàn)狀。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)關(guān)聯(lián)法計(jì)算結(jié)果

利用表1中的9個(gè)因子，結(jié)合鉛山縣山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果，利用層次分析法綜合分析風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)因子指標(biāo)，得出鉛山縣山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)如圖2所示;再結(jié)合鉛山縣現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布（見圖3），按照風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)關(guān)聯(lián)法中設(shè)定的原則，結(jié)合GIS中的“近鄰分析”工具，得出無法有效關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的重點(diǎn)防治區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表3所列。

2.4 綜合布設(shè)及優(yōu)化

錐體法結(jié)果表明需在鉛山河和陳坊河各新增1處監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)關(guān)聯(lián)法表明需在湖坊鎮(zhèn)安蘭村和葛仙山鄉(xiāng)項(xiàng)源村各新增1處監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，由于湖坊鎮(zhèn)位于陳坊河流域內(nèi)，葛仙山鄉(xiāng)位于鉛山河流域內(nèi)，兩種方法計(jì)算結(jié)果吻合。綜合上述2種方法計(jì)算結(jié)果，鉛山縣需新增2處雨量監(jiān)測(cè)站：一處在陳坊河中游湖坊鎮(zhèn)橋北村附近，一處在葛仙山鄉(xiāng)項(xiàng)源村馬鞍山自然村附近，新增建議如表4所列。

3 結(jié)論與展望

（1） 本文結(jié)合山洪災(zāi)害影響程度、保護(hù)范圍重要程度及山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警需求等實(shí)際情況，利用錐體法和風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)關(guān)聯(lián)法對(duì)鉛山縣現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站網(wǎng)進(jìn)行合理性分析和優(yōu)化布局研究。結(jié)論表明，需在關(guān)聯(lián)性較弱且危險(xiǎn)區(qū)人口較多的2處重點(diǎn)防治區(qū)新增2處雨量監(jiān)測(cè)站，以滿足監(jiān)測(cè)預(yù)警需求。該成果對(duì)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的建設(shè)和調(diào)整優(yōu)化具有參考和指導(dǎo)意義。

（2） 在風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)關(guān)聯(lián)法中，利用層次分析法綜合分析風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)因子指標(biāo)，得出山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)圖時(shí)，由于不同學(xué)者選擇指標(biāo)側(cè)重點(diǎn)不同，得到的區(qū)域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)存在一定的差異，后續(xù)研究可采用其他方法率定風(fēng)險(xiǎn)潛勢(shì)準(zhǔn)確性，以進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的合理度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊培生，許小華.山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)對(duì)策[J].江西水利科技，2016，42（5）：359-361.

[2] 雷聲.江西省山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目概述[J].江西水利科技，2015，41（3）：179-181，185.

[3] 江西省水利廳.江西省2020年度山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目實(shí)施方案[R].南昌：江西省水利廳，2020.

[4] 董林垚，張平倉，任洪玉，等.山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究及發(fā)展趨勢(shì)綜述[J].人民長江，2019，50（8）：35-39，73.

[5] 吳小君，方秀琴，任立良，等.基于隨機(jī)森林的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：以江西省為例[J].水土保持研究，2018，25（3）：142-149.

[6] 何英，李麗，吳鞏勝.氣候要素空間插值技術(shù)的研究進(jìn)展[J].科協(xié)論壇（下半月），2010（3）：59-61.

[7] 魏麗，胡凱衡，黃遠(yuǎn)紅.我國與美國、日本山洪災(zāi)害現(xiàn)狀及防治對(duì)比[J].人民長江，2018，49（4）：29-33，39.

[8] 陳穎.基于信息熵理論的水文站網(wǎng)評(píng)價(jià)優(yōu)化研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[9] 方紹東，胡學(xué)祥，徐學(xué)飛.云南省水文監(jiān)測(cè)方式改革思路探討[J].人民長江，2019，50（增1）：71-74.

[10] 王巧平，劉克巖.錐體梯度法在雨量站網(wǎng)布設(shè)中的應(yīng)用[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2008（6）：10-11.

[11] 王葉琴.實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)雨量站網(wǎng)論證分析[D].南京：河海大學(xué)，2006.

[12] 王宏偉，鄭爽，曹永強(qiáng).基于文獻(xiàn)計(jì)量分析的國內(nèi)山洪災(zāi)害現(xiàn)狀研究[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2017，15（1）：29-36.

[13] 熊朕，田宏嶺.我國山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].災(zāi)害學(xué)，2019，34（3）：140-145.

[14] 基本雨量站網(wǎng)布設(shè)密度的分析方法：錐體法[J].水利水電技術(shù)（水文副刊），1965（5）：36-38.

[15] 江雨田，王新龍，孫如飛，等.山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)劃分模型構(gòu)建與應(yīng)用[J].人民長江，2020，51（4）：7-13.

[16] 習(xí)麗麗.山洪災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)遙測(cè)雨量站點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)研究[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2020（1）：81-84.

[17] 劉業(yè)偉，李斯穎，許小華，等.江西省鉛山河流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃[J].水電能源科學(xué)，2018，36（12）：55-58.

[18] 楊培生.鉛山縣山洪災(zāi)害成因分析與防治對(duì)策研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2015.

[19] 付佳偉，王小笑，李伊林.鉛山縣小流域山洪災(zāi)害特征與防治對(duì)策研究[J].江西水利科技，2015，41（4）：251-255.

[20] 江西省水利科學(xué)研究院.鉛山縣山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告[R].南昌：江西省水利科學(xué)研究院，2015.

（編輯：劉 媛）

Study on layout method of mountain flood monitoring station network in complex

mountainous area：case of Yanshan County， Jiangxi Province

YANG Peisheng，LEI Sheng，XU Xiaohua，WANG Xiaoxiao，F(xiàn)U Jiawei

（Jiangxi Academy of Water Science and Engineering，Nanchang 330029，China）

Abstract：

Monitoring station network is the most important and direct way to obtain the characteristics of rainstorm and flood in a region，especially in a small watershed in a complex mountainous area.Based on the research status and existing problems of the hydrological station network，we propose to use the cone method to analyze the total number of stations to meet the needs of small watershed flash flood disaster prevention，and use the risk potential correlation method to optimize the spatial distribution of the station network.The former method focuses on the temporal and spatial distribution characteristics of rainfall process，while the latter one focuses on the historical flash flood disaster and the early warning needs of villages along the river.Based on this theory，the rationality of monitoring station network layout in Yanshan County，Jiangxi Province is comprehensively analyzed.The conclusion shows that it is necessary to deploy new monitoring stations in locations of weak correlation and large population in risk areas to meet the needs of monitoring and early warning.The research results have guiding significance for the construction，adjustment and optimization of monitoring station network.

Key words：

mountain flood disaster;hydrological monitoring network;layout theory;adjustment and optimization;Jiangxi Province