新疆阿克蘇地區(qū)小流域山洪災(zāi)害與預(yù)警技術(shù)研究

陳 雷，陳 波

（阿克蘇水文勘測局,新疆 阿克蘇 843000）

由于地形地貌和山區(qū)氣象條件的復(fù)雜性,山洪災(zāi)害往往以洪水疊加泥石流和山體滑坡的形式出現(xiàn),雖然作用時(shí)間短但后果相對嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,在因洪災(zāi)死亡的人口中,山洪造成的死亡人數(shù)占比超過70%。這一方面是由于山區(qū)氣象和水文監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)相對較少,加之局地短時(shí)強(qiáng)降雨發(fā)生頻率較高、預(yù)測預(yù)報(bào)難度大。另一方面則是因?yàn)樯絽^(qū)小流域溝道縱橫交錯(cuò)、比降較大,降水匯流時(shí)間短則幾分鐘、長則幾小時(shí),留給人們的預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間十分有限。因此,在衛(wèi)星遙感、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)日益成熟的背景下,在山洪災(zāi)害防控體系建設(shè)中,預(yù)警技術(shù)的研究和應(yīng)用成為了重要課題。

1 小流域山洪災(zāi)害預(yù)警技術(shù)概述

1.1 山洪災(zāi)害預(yù)警技術(shù)原理

根據(jù)小流域山洪形成過程及其作用機(jī)理,預(yù)警技術(shù)應(yīng)用主要是通過實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測對象上游的降水量和流域水文數(shù)據(jù),通過構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)分析模型,實(shí)現(xiàn)對災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評估。目前,國內(nèi)的小流域山洪災(zāi)害監(jiān)測主要指標(biāo)是降雨量和流量、流速等水文數(shù)據(jù),通常以臨界雨量和水位做為預(yù)警閾值[1]。而預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建需要依靠物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù),通過在流域范圍內(nèi)科學(xué)布置監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn),利用傳感裝置動(dòng)態(tài)監(jiān)測、采集和傳輸各項(xiàng)數(shù)據(jù),并且基于數(shù)據(jù)庫和分布式水文分析或降雨量預(yù)測模型的構(gòu)建,對數(shù)據(jù)進(jìn)行多目標(biāo)的實(shí)時(shí)分析和處理,當(dāng)預(yù)警指標(biāo)達(dá)到臨界閾值時(shí),系統(tǒng)會自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信息并啟動(dòng)防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。

1.2 山洪災(zāi)害預(yù)警核心技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

精準(zhǔn)預(yù)測局地強(qiáng)降雨的發(fā)生時(shí)間、影響范圍是保證預(yù)警時(shí)效性的前提,而小流域往往地處偏僻地區(qū),已有的氣象和水文監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)相對較少,使用的技術(shù)手段相對落后,且布局不夠合理[2]。在新疆阿克蘇地區(qū),目前有相當(dāng)一部分降雨量監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)采用的是人工測量和記錄數(shù)據(jù)的形式,無法保證山洪災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)效性。此外,要想精準(zhǔn)預(yù)測災(zāi)害發(fā)生概率及其影響,必須動(dòng)態(tài)測量、感應(yīng)和匯總各方面信息,模擬推演洪災(zāi)的發(fā)生發(fā)展過程,以便優(yōu)化臨界雨量、水位、應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間等預(yù)警指標(biāo)。

2 小流域山洪災(zāi)害預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用

拜城縣位于新疆阿克蘇地區(qū),整體地形地貌為狹長的盆地,四面被群山環(huán)繞,總面積約19100 km2,年均降水量大約95 mm,最長的連續(xù)降水時(shí)間為8天,日最高降水量約55 mm。境內(nèi)山洪主要溝道四十多條,支溝則多達(dá)數(shù)百條。因此,拜城縣是阿克蘇地區(qū)小流域山洪災(zāi)害發(fā)生頻率高的地區(qū)。加之縣內(nèi)河道也存在洪澇災(zāi)害,二者疊加作用下的損失往往非常嚴(yán)重,因此,探索災(zāi)害預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對拜城縣小流域山洪災(zāi)害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、精準(zhǔn)預(yù)測和有效預(yù)防,是一項(xiàng)意義重大的工作。

2.1 拜城縣小流域山洪災(zāi)害特點(diǎn)

拜城縣地處天山山脈中部的阿克蘇地區(qū),山洪災(zāi)害類型多樣且發(fā)生頻率較高。小流域溝道走向復(fù)雜,分布范圍廣。首先,按照起因分類,拜城縣小流域存在強(qiáng)降雨山洪、融雪山洪以及二者共同作用下的山洪災(zāi)害。尤其是暴雨引發(fā)的山洪災(zāi)害突發(fā)性極強(qiáng),從起漲到回落時(shí)間最短的僅約30 min,多數(shù)都不超過24 h,而且洪水量懸殊；其次,由于阿克蘇地區(qū)特殊的地形地貌和氣象條件,導(dǎo)致拜城縣小流域山洪溝道眾多,在局地發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降雨的情況下,匯流形成時(shí)間多在6 h以內(nèi)。而其影響范圍內(nèi)的村莊和人口較為分散,應(yīng)急疏散所需時(shí)間相對較長。所以,山洪災(zāi)害對當(dāng)?shù)孛癖姷纳a(chǎn)生活危害較大。

2.2 拜城縣小流域山洪災(zāi)害現(xiàn)有監(jiān)測和防控體系

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)據(jù)分析結(jié)果,在所有沿河防災(zāi)對象中,山洪災(zāi)害防控能力大于100 年一遇的14 個(gè),大于5 年但小于20 年一遇的9 個(gè),大于20 年但小于100 年一遇的13 個(gè)。目前,拜城縣境內(nèi)小流域共計(jì)有8 個(gè)自動(dòng)化和4 個(gè)人工雨量監(jiān)測點(diǎn)、4 個(gè)流域水位自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)。從搭建山洪災(zāi)害動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估和預(yù)警系統(tǒng)的角度來看,現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)類型、時(shí)效性均無法滿足要求,不能精準(zhǔn)預(yù)測局地短時(shí)強(qiáng)降雨發(fā)生時(shí)間、降雨量和各監(jiān)測點(diǎn)洪峰流量。

2.3 基于GIS系統(tǒng)構(gòu)建智能化小流域山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)

為提高拜城縣小流域山洪災(zāi)害防控的時(shí)效性,在移動(dòng)通信和衛(wèi)星遙感網(wǎng)絡(luò)基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋的背景下,探索構(gòu)建智能化的小流域山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)?；趯π陆⒖颂K地區(qū)以及拜城縣當(dāng)?shù)貧庀?、水文歷史資料和監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,優(yōu)化現(xiàn)有山區(qū)局地雨量和流域水文監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn),搭建智能化山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析和預(yù)警系統(tǒng),結(jié)合已有應(yīng)急機(jī)制,有效提升拜城縣小流域山洪災(zāi)害防控能力。

2.3.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

結(jié)合拜城縣小流域山洪災(zāi)害特點(diǎn)和作用機(jī)理,借鑒國內(nèi)其它地區(qū)小流域山洪災(zāi)害預(yù)警技術(shù)的研究成果和應(yīng)用案例,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建實(shí)時(shí)監(jiān)測和動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析、預(yù)警系統(tǒng)。在硬件設(shè)施方面,系統(tǒng)由分布于監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)的信息感應(yīng)裝置、基于無線通信的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心服務(wù)器和客戶端構(gòu)成。

2.3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置

為保證局地短時(shí)強(qiáng)降雨和山洪災(zāi)害發(fā)生概率、時(shí)間的預(yù)測精度,通過搜集新疆阿克蘇地區(qū)的氣象和水文歷史資料,參照相關(guān)科研成果和指導(dǎo)性文件,對拜城縣小流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行深入調(diào)研和分析論證。繪制多個(gè)防災(zāi)對象的水位-流量關(guān)系曲線,并且在假設(shè)洪水與暴雨同頻率的前提下,將防災(zāi)對象的危險(xiǎn)區(qū)劃分為極高、高、一般3 個(gè)等級,統(tǒng)計(jì)相應(yīng)范圍內(nèi)的人口和房屋分布。最后,結(jié)合不同區(qū)域降雨匯流時(shí)間,優(yōu)化布置降水量、流域水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集網(wǎng)點(diǎn),為評估山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)現(xiàn)智能化預(yù)警提供全面、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3.3 數(shù)據(jù)庫和分析模型構(gòu)建

針對拜城縣小流域山洪災(zāi)害特點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估、精準(zhǔn)預(yù)測局地短時(shí)強(qiáng)降雨、保證應(yīng)急疏散時(shí)間、有效減少災(zāi)害損失為目標(biāo),構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和風(fēng)險(xiǎn)分析、降雨量和山洪災(zāi)害預(yù)測模型[3]。首先,數(shù)據(jù)庫建設(shè)要以新疆阿克蘇地區(qū)小流域山洪災(zāi)害防控歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),基于拜城縣小流域?qū)崟r(shí)監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)的設(shè)置,分別構(gòu)建用于降水量預(yù)測、山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估的數(shù)據(jù)庫,動(dòng)態(tài)更新各項(xiàng)氣象、水文指標(biāo)；其次,基于GIS系統(tǒng)和人工智能技術(shù)的應(yīng)用,構(gòu)建多目標(biāo)數(shù)據(jù)分析模型,對實(shí)時(shí)匯總的氣象、水文數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析。

2.3.4 預(yù)警指標(biāo)及其閾值設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)有預(yù)警技術(shù)和軟硬件設(shè)施條件,選擇以臨界降雨量和流量做為預(yù)警指標(biāo)[4]。結(jié)合拜城縣小流域不同風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)域的短時(shí)強(qiáng)降雨雨量、溝道匯流時(shí)間等歷史數(shù)據(jù),為預(yù)警指標(biāo)計(jì)算提供依據(jù)。首先,根據(jù)既定預(yù)警時(shí)段,按照選定時(shí)段給定相應(yīng)的雨量值,運(yùn)用雨力公式分析計(jì)算各個(gè)時(shí)間的雨量；其次,參照《山洪災(zāi)害分析評價(jià)技術(shù)要求》,確定預(yù)警流量和計(jì)算流量的閾值；再次,根據(jù)《評價(jià)技術(shù)要求》,臨界雨量預(yù)警值按照山洪災(zāi)害防控技術(shù)要求,分別設(shè)置準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移兩項(xiàng)指標(biāo)。

2.3.5 山洪災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)控和應(yīng)急處置體系建設(shè)

在搭建山洪災(zāi)害動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析和預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對拜城縣已有監(jiān)控和應(yīng)急處置體系進(jìn)行必要的完善,使之契合防御小流域山洪災(zāi)害的需要。首先,在科學(xué)劃分風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域、優(yōu)化布置降水量和水文數(shù)據(jù)監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)的情況下,完善原有山洪災(zāi)害應(yīng)急管理組織機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的工作流程。明確智能化監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)維和管理職責(zé),確保其風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果的可靠性以及預(yù)警信息的時(shí)效性。并且圍繞新的小流域山洪災(zāi)害防控策略。

3 設(shè)計(jì)洪水

設(shè)計(jì)洪水主要采用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法,是規(guī)范允許的資料短缺地區(qū)使用的方法,能夠反映地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)的綜合規(guī)律。該方法能充分利用水庫壩址處的歷史洪水調(diào)查結(jié)果,計(jì)算成果相對合理。

3.1 洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法

計(jì)算各站洪峰流量系列模比系數(shù),將各站洪峰流量模比系數(shù)經(jīng)驗(yàn)分布點(diǎn)繪在同一張概率格紙上,對經(jīng)驗(yàn)分布點(diǎn)進(jìn)行適線求得該區(qū)域的頻率曲線,理論頻率曲線采用P-Ⅲ型曲線,分別得到不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量模比系數(shù)。

采用地區(qū)洪峰流量頻率曲線法推求計(jì)算斷面設(shè)計(jì)洪峰流量,計(jì)算公式如下：

式中： Qp為設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s；Kp為頻率為P的洪峰流量模比系數(shù)；Qd為調(diào)查歷史洪水洪峰流量；Kd為調(diào)查洪水洪峰流量模比系數(shù)。

3.2 地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式

利用新疆水文局選用南疆巴州至克州八處有實(shí)測洪水的中小河流水文站建立的小流域暴雨洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析計(jì)算,其公式為：

式中：Qm為多年平均年最大洪峰流量,m3/s；A為流域面積,km2；L為主河溝長度,km；J為主河溝坡降,‰；f為流域形狀系數(shù),Pm為流域多年平均最大一日降水量,mm。

針對拜城縣在新疆省降雨分區(qū)、小流域特性等,選擇適合各個(gè)計(jì)算單元的設(shè)計(jì)暴雨、設(shè)計(jì)洪水以及山洪模擬的計(jì)算方法。

3.3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果整理

在以上基礎(chǔ)上,整理成果,表格填寫情況,按分析評價(jià)的防災(zāi)對象逐個(gè)繪制防災(zāi)對象水位-流量-人口對照關(guān)系圖。

圖1 牧場水位-流量-人口對照關(guān)系

圖2 尤勒袞亞村1~4組水位-流量-人口對照關(guān)系

圖3 托普魯克6村2小隊(duì)水位-流量-人口對照關(guān)系

3.4 成果整理及現(xiàn)狀防洪能力圖繪制

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查并結(jié)合分析評價(jià)得到的沿河村落、集鎮(zhèn)和城鎮(zhèn)的人口-水位關(guān)系,以及上面確定的不同危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的人口,統(tǒng)計(jì)確定成災(zāi)水位（其他特征水位）、各頻率設(shè)計(jì)洪水位下的累計(jì)人口和房屋數(shù),繪制防洪現(xiàn)狀評價(jià)圖。

圖4、圖5給出了亞吐爾鄉(xiāng)牧場以及老虎臺鄉(xiāng)托普魯克6 村2 小隊(duì)的現(xiàn)狀防洪能力圖。用同樣的方法繪制了拜城縣其他分析評價(jià)對象對象的現(xiàn)狀防洪能力圖。

圖4 牧場現(xiàn)狀防洪能力分布信息

圖5 托普魯克6村2小隊(duì)現(xiàn)狀防洪能力分布信息

4 結(jié)語

新疆阿克蘇地區(qū)小流域坡面和溝道眾多且比降較大、匯流時(shí)間短,山洪災(zāi)害發(fā)生頻率較高。在重點(diǎn)防洪區(qū)域的拜城縣探索山洪災(zāi)害預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用,通過優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)布置,搭建智能化的預(yù)警系統(tǒng),提高了局地短時(shí)強(qiáng)降雨預(yù)報(bào)精度,實(shí)現(xiàn)了對拜城縣山洪災(zāi)害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測和有效預(yù)防。