基于聲光電預(yù)警設(shè)備的山洪聯(lián)動(dòng)預(yù)警應(yīng)用

蔣 迅,裘洪斌,黃賢平,李 杰

(1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310002; 2.新昌縣水利水電局, 浙江 新昌 312500)

山洪是指山區(qū)溪溝中發(fā)生的暴漲性洪水,具有突發(fā)、水量集中、流速大、沖刷破壞力強(qiáng)等特點(diǎn),常造成局部性洪災(zāi)。我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速推進(jìn),很大程度加劇了山洪災(zāi)害發(fā)生的不確定性[1-2]。目前,我國(guó)山丘區(qū)中小河流局地突發(fā)性強(qiáng)降雨的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力不強(qiáng),短歷時(shí)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警整體水平不高,防洪工程調(diào)度困難,應(yīng)急處置技術(shù)體系薄弱,難以完全滿足洪水防控和應(yīng)急管理需求[3],急需加強(qiáng)山洪災(zāi)害防御工程建設(shè)及采取非工程措施。山洪災(zāi)害防御非工程措施以水文監(jiān)測(cè)為前提條件,而當(dāng)前針對(duì)山丘區(qū)小流域的水文監(jiān)測(cè)以雨量站為主,輔以少量水位站、流量站和土壤墑情站等監(jiān)測(cè)站點(diǎn),監(jiān)測(cè)手段單一,對(duì)浙江省萬(wàn)余個(gè)山洪防御重要村落而言,遠(yuǎn)不能滿足山洪災(zāi)害水位預(yù)警的要求,因此大多數(shù)情況下,僅能以雨量作為預(yù)警的唯一指標(biāo)[4]。雨量預(yù)警多采用傳統(tǒng)水文方法確定臨界雨量閾值,受山丘區(qū)環(huán)境復(fù)雜、水文監(jiān)測(cè)歷史資料積累不足、算法局限、降雨不確定性等條件制約,設(shè)定的預(yù)警閾值精度不高[5]。

浙江省自2021年起,大力推進(jìn)以聲光電監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備為主的新型預(yù)警設(shè)施建設(shè),通過(guò)近兩年的山洪災(zāi)害防御能力提升項(xiàng)目建設(shè),該設(shè)備在山洪災(zāi)害防御重要村落得以大量投入使用。該設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小流域內(nèi)的降雨量與溪溝水位,當(dāng)雨量或水位指標(biāo)超出預(yù)警閾值時(shí),自動(dòng)觸發(fā)閃光、警笛等報(bào)警信號(hào),提醒周邊群眾轉(zhuǎn)移避險(xiǎn),彌補(bǔ)了靠單一雨量指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警的不足,同時(shí)也滿足了防洪重要村落現(xiàn)地預(yù)警的需求。

然而,山洪災(zāi)害防御仍然存在預(yù)見(jiàn)期偏短的問(wèn)題,遭遇降雨或洪水時(shí),完全可能出現(xiàn)報(bào)時(shí)已災(zāi)的情況[6]。而將傳統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)模型應(yīng)用于山區(qū)小流域或山洪重要村落上的難度頗大,一方面是因?yàn)槟Ｐ陀?jì)算的精度難以保證[7];另一方面,對(duì)山洪防御非工程措施而言,該方法投資成本偏高。

基于以上現(xiàn)狀與問(wèn)題,筆者充分利用聲光電設(shè)備現(xiàn)地預(yù)警的能力,探究山洪防御重要村落上下游聯(lián)動(dòng)預(yù)警的方法并建立自動(dòng)化系統(tǒng),旨在根據(jù)上游設(shè)備監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)水情,分析下游村落未來(lái)水位,并判斷水位超警情況。通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)遠(yuǎn)程操控,提前在下游村落發(fā)布山洪預(yù)警,為轉(zhuǎn)移、避險(xiǎn)提供更多寶貴時(shí)間,進(jìn)一步保障山區(qū)民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 研究區(qū)域

上下游聯(lián)動(dòng)預(yù)警村落的選擇應(yīng)滿足以下要求:1) 聯(lián)動(dòng)預(yù)警村落應(yīng)處于同一流域。2) 上下游村落間距盡可能遠(yuǎn),為下游村落提供足夠長(zhǎng)的預(yù)見(jiàn)期。3) 流域內(nèi)水系相對(duì)簡(jiǎn)單,盡可能減少影響洪水傳播的因素。根據(jù)以上條件,筆者選擇浙江省新昌縣莒根溪流域?yàn)檠芯繉?duì)象,探索莒根溪上下游聯(lián)動(dòng)預(yù)警方法并開發(fā)相應(yīng)系統(tǒng),以達(dá)到在山洪暴發(fā)時(shí),聲光電設(shè)備可提前在下游村落觸發(fā)警報(bào),提醒周邊群眾轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)的目標(biāo)。

莒根溪屬曹娥江水系,是黃澤江的一級(jí)支流,發(fā)源于海拔519 m的寧海縣馬岙村,在新昌縣小將鎮(zhèn)流經(jīng)巧英水庫(kù),再向西北前行約20 km后注入欽寸水庫(kù),最終匯合黃澤江[8]。河道全長(zhǎng)35 km,流域面積98.2 km2,平均比降7.7‰,平均年徑流深990.2 mm。

本次選取莒根溪巧英水庫(kù)至欽寸水庫(kù)段開展研究,涉及舊塢村、里家溪村、丹坑村三個(gè)山洪防御重要村落,區(qū)域示意如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域示意圖

圖1中,舊塢村以上集雨面積約23.4 km2(扣除巧英水庫(kù)以上面積,下同),里家溪村以上集雨面積約28.8 km2,丹坑村以上集雨面積約40 km2。

2 模型計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

考慮山區(qū)小流域往往缺乏實(shí)測(cè)水文資料,不具備常規(guī)建模條件,而山區(qū)性河道的水位流量關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定,本研究通過(guò)斷面水位流量關(guān)系結(jié)合面積比擬法,推求上下游斷面水位的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

通過(guò)斷面水位流量關(guān)系,推求上游舊塢村斷面實(shí)時(shí)水位H1下的相應(yīng)流量Q1[9-10],舊塢村斷面水位流量關(guān)系見(jiàn)圖2(a),再根據(jù)舊塢村斷面流量Q1,采用流域面積比擬法[11-12],推求出下游里家溪村、丹坑村斷面未來(lái)相應(yīng)流量Q2,即

圖2 各控制斷面水位流量關(guān)系

(1)

式(1)中:Q1為上游斷面流量,m3/s;Q2為下游斷面流量,m3/s;F1為上游斷面集雨面積,km2;F2為下游斷面集雨面積,km2;n為面積比指數(shù)。

根據(jù)水位流量關(guān)系,以下游村落未來(lái)流量Q2推求相應(yīng)水位H2,若H2大于預(yù)警水位,系統(tǒng)即可自動(dòng)啟動(dòng)下游設(shè)備預(yù)警。下游里家溪村水位流量關(guān)系見(jiàn)圖2(b),丹坑村斷面水位流量關(guān)系見(jiàn)圖2(c)。

2.2 率定與驗(yàn)證

運(yùn)用本模型進(jìn)行計(jì)算的關(guān)鍵在于確定面積比指數(shù)n,由于莒根溪及相近流域上并無(wú)充足的水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)與實(shí)測(cè)歷史資料可用于分析率定,因此,此處采用聲光電預(yù)警設(shè)備建設(shè)后監(jiān)測(cè)到的3場(chǎng)相對(duì)較大的洪水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定。洪水?dāng)?shù)據(jù)及參數(shù)率定結(jié)果見(jiàn)表1。本次n值取3場(chǎng)洪水率定結(jié)果的平均值0.67。因資料限制,參數(shù)率定采用的洪水場(chǎng)次明顯偏少,后續(xù)應(yīng)隨著數(shù)據(jù)資料的延長(zhǎng),進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)取值。當(dāng)前參數(shù)取值下,三斷面流量比值為1.00∶1.15∶1.43。

表1 洪水資料及參數(shù)率定結(jié)果

采用2022年第12號(hào)臺(tái)風(fēng)“梅花”洪水水位對(duì)本方法計(jì)算精度進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量成果,在臺(tái)風(fēng)“梅花”期間,舊塢村、里家溪村和丹坑村斷面洪峰水位分別為185.62,172.96,114.89 m,通過(guò)水位流量關(guān)系推求出對(duì)應(yīng)流量分別為145,170,209 m3/s,流量比值為1.00∶1.17∶1.44,與面積比擬法下的流量比值1.00∶1.15∶1.43接近,因此,應(yīng)用此方法以舊塢斷面實(shí)測(cè)值推算里家溪與丹坑斷面流量、水位成果。流量計(jì)算成果及誤差情況見(jiàn)表2,水位計(jì)算成果及誤差情況見(jiàn)表3。

表2 流量計(jì)算成果

表3 水位計(jì)算成果 單位:m

通過(guò)本場(chǎng)次洪水對(duì)比,初步判定此方法及參數(shù)取值合理,可將此模型運(yùn)用于山洪災(zāi)害上下游聯(lián)動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)中。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)路線

山洪災(zāi)害上下游聯(lián)動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)基于聲光電設(shè)備、聯(lián)動(dòng)預(yù)警模型、即時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害防御重要村落的上下游聯(lián)動(dòng)預(yù)警功能,同時(shí)整合區(qū)域水雨情信息、山洪防御重要村落信息、空間數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、評(píng)價(jià)等功能,為區(qū)域山洪災(zāi)害防御提供有效服務(wù)?？傮w技術(shù)路線見(jiàn)圖3。

系統(tǒng)主體由三套聲光電預(yù)警設(shè)備和一個(gè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)成。聲光電預(yù)警設(shè)備集實(shí)時(shí)水雨情信息采集、聲光報(bào)警和數(shù)據(jù)傳輸于一體,為系統(tǒng)的信息感知和遠(yuǎn)程操控提供基礎(chǔ);設(shè)備觸發(fā)預(yù)警時(shí),即可發(fā)出閃光并鳴笛示警,有效傳播距離為100 m以上,在山洪風(fēng)險(xiǎn)區(qū)安裝后可為區(qū)內(nèi)村民提供有力警示;預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)置前文所述的預(yù)警計(jì)算模型,通過(guò)上游設(shè)備傳輸?shù)乃粩?shù)據(jù),分析預(yù)測(cè)下游未來(lái)水位,若超閾值即可通過(guò)控制下游設(shè)備進(jìn)行提前預(yù)警。系統(tǒng)運(yùn)行流程見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量,下游里家溪村斷面與丹坑村斷面警戒水位分別為172.96 m與114.89 m,當(dāng)預(yù)測(cè)里家溪村斷面水位超過(guò)172.96 m時(shí),即可提前觸發(fā)里家溪村的聲光電設(shè)備預(yù)警;當(dāng)預(yù)測(cè)丹坑村斷面水位超過(guò)114.89 m時(shí),即可提前觸發(fā)丹坑村的聲光電設(shè)備預(yù)警。預(yù)警水位及提前預(yù)警觸發(fā)條件見(jiàn)表4。

表4 斷面預(yù)警水位及提前預(yù)警條件表

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要功能模塊包括5個(gè)方面:地圖操作模塊、信息與數(shù)據(jù)查詢模塊、實(shí)時(shí)預(yù)警模塊、上下游聯(lián)動(dòng)預(yù)警模塊、預(yù)警及洪水管理模塊,系統(tǒng)頁(yè)面見(jiàn)圖5。

圖5 系統(tǒng)頁(yè)面示意圖

1) 地圖操作模塊

該模塊基于電子地圖,按照點(diǎn)、線、面等矢量數(shù)據(jù)格式形成村落、水系、山地等各個(gè)圖層,并對(duì)不同圖層進(jìn)行疊加顯示,實(shí)現(xiàn)圖形的縮放、量測(cè)等操作功能。

2) 信息與數(shù)據(jù)查詢模塊

該模塊結(jié)合GIS底圖,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢、可視化展示。本系統(tǒng)同步新昌縣小流域山洪數(shù)智防御應(yīng)用(山洪系統(tǒng))數(shù)據(jù),在線展示區(qū)域內(nèi)重要村落位置、危險(xiǎn)區(qū)范圍、站點(diǎn)點(diǎn)位,同時(shí)實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)雨量、水位、流量等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取、更新。

3) 實(shí)時(shí)預(yù)警模塊

該模塊通過(guò)讀取的聲光電設(shè)備或測(cè)站水位,研判洪水風(fēng)險(xiǎn),并展示當(dāng)前水位與警戒水位差值,直觀體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)情況。水位一旦觸發(fā)警戒線,即通過(guò)山洪系統(tǒng)發(fā)送預(yù)警信息至相關(guān)責(zé)任人,同時(shí)聲光電設(shè)備發(fā)出聲光警報(bào),提示村民轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)。

4) 上下游聯(lián)動(dòng)預(yù)警模塊

該模塊為本系統(tǒng)核心模塊,根據(jù)莒根溪上游舊塢村聲光電設(shè)備監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)水情,通過(guò)模型計(jì)算,分析預(yù)測(cè)下游里家溪村、丹坑村未來(lái)水位并判斷水位超警情況。若計(jì)算值超閾值,超警系統(tǒng)將自動(dòng)開啟下游村落聲光電設(shè)備警報(bào),通過(guò)提前發(fā)布山洪預(yù)警,為民眾的轉(zhuǎn)移、避險(xiǎn)提供更多寶貴時(shí)間。

5) 預(yù)警及洪水管理模塊

該模塊用于管理歷史場(chǎng)次洪水與預(yù)警記錄,包括歷史典型場(chǎng)次洪水管理、觸發(fā)預(yù)警的洪水場(chǎng)次管理、人工模擬的洪水場(chǎng)次管理,提供洪水水位、流量等信息的對(duì)比分析,可以為防洪決策、提高模型計(jì)算準(zhǔn)確度提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 系統(tǒng)成效

本系統(tǒng)基于聲光電預(yù)警設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了新昌縣莒根溪流域山洪防御重要村落的上下游聯(lián)動(dòng)預(yù)警。一方面,能夠通過(guò)水位預(yù)警,在一定程度上避免當(dāng)前雨量預(yù)警因計(jì)算模型誤差及上游水利工程調(diào)度影響等因素導(dǎo)致的準(zhǔn)確度不高的情況;另一方面,也能延長(zhǎng)山洪災(zāi)害預(yù)警的預(yù)見(jiàn)期,在本研究中,丹坑村即可提前約1 h觸發(fā)預(yù)警。

通過(guò)系統(tǒng)提前預(yù)警,可為丹坑村與里家溪村山洪風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)村民(共有常住人口約30人)的轉(zhuǎn)移、避險(xiǎn)爭(zhēng)取更多時(shí)間,有效降低人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn),顯著提高了區(qū)域山洪災(zāi)害防御能力,進(jìn)一步完善了洪澇災(zāi)害防御體系。

本系統(tǒng)圍繞水利部智慧水利建設(shè)的要求,完善了山洪災(zāi)害的防治體系,推進(jìn)了多元化監(jiān)測(cè)的預(yù)報(bào)預(yù)警,迭代優(yōu)化了山洪防御數(shù)字化應(yīng)用,在浙江省新昌縣取得了較好的實(shí)踐效果。

4 結(jié) 論

筆者采用流量面積比擬法與水位流量關(guān)系,在山丘區(qū)小流域運(yùn)用以上游實(shí)時(shí)水位預(yù)測(cè)下游未來(lái)水位的方法,并通過(guò)了實(shí)際洪水的初步驗(yàn)證?；诼暪怆婎A(yù)警設(shè)備構(gòu)建了山洪災(zāi)害上下游聯(lián)動(dòng)預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了山洪防御重要村落的上下游聯(lián)動(dòng)預(yù)警。該研究所采用的原理、方法簡(jiǎn)單易行,在大量配置了現(xiàn)地監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備、水系與工況復(fù)雜度不高的地區(qū)均有較好的適用性,可復(fù)制性強(qiáng),系統(tǒng)建設(shè)也相對(duì)便捷,具有較強(qiáng)的推廣運(yùn)用價(jià)值,可以為其他地區(qū)的山洪災(zāi)害防御提供參考。