大石山區(qū)洪澇災(zāi)害水文測報(bào)技術(shù)研究與應(yīng)用

覃 毅，黃曉林

（1.河池水文中心南丹水文中心站，廣西 南丹 547200；2.河池水文中心，廣西 河池 547000）

突發(fā)性強(qiáng)降雨時(shí)導(dǎo)致洪澇災(zāi)害損失嚴(yán)重的主要因子之一，雨量閾值預(yù)警預(yù)報(bào)作為一項(xiàng)重要的防災(zāi)減災(zāi)非工程措施，是減少洪災(zāi)損失的重要手段和方法之一[1]。本研究以廣西南丹縣為研究對象，通過多源數(shù)據(jù)耦合，利用流域地形地貌特征信息，對大石山區(qū)致災(zāi)臨界水量、臨界雨量值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出以短臨降雨預(yù)報(bào)和前期雨量為先導(dǎo)，以雨量閾值為預(yù)警控制條件的洪澇災(zāi)害預(yù)警模式，以期延長大石山區(qū)洪澇災(zāi)害預(yù)見期，為防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南丹縣位于廣西西北部，云貴高原南麓，地形地貌復(fù)雜，是名副其實(shí)的大石山區(qū)，不少河流穿行于巖溶發(fā)育地帶的溶洞之中，忽出忽入，反復(fù)變換，遭受強(qiáng)降雨時(shí)，暗河水滿，溢出地面，無處流淌，滯塞于低洼谷地中，此時(shí)則出現(xiàn)不少短暫（4～6 d）的山間小湖。這種“十日無雨到處干，一場大雨到處淹”是南丹縣水文特點(diǎn)的生動寫照。洪澇災(zāi)害是南丹縣乃至廣西巖溶大石山區(qū)最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一且日趨頻繁，嚴(yán)重制約著本地區(qū)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，已成為該地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的障礙。因此，探索大石山區(qū)洪澇災(zāi)害預(yù)警雨量閾值，向當(dāng)?shù)靥崆鞍l(fā)出預(yù)警信息對促進(jìn)本地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 數(shù)據(jù)來源

2.1 水利部門

收集南丹縣易澇區(qū)調(diào)查資料，具體資料包含：易洪易澇區(qū)地名、澇區(qū)面積、澇區(qū)人口、耕地面積、災(zāi)情簡單描述、澇區(qū)涉及河流、成澇原因等，再利用衛(wèi)星地圖收集相應(yīng)易洪易澇區(qū)的經(jīng)度、緯度、高程等地理信息，共得到南丹縣34個(gè)澇片。

2.2 水文部門

作為防汛減災(zāi)工作的“尖兵”和“耳目”，南丹縣境內(nèi)布設(shè)有8個(gè)水文（位）站，與之配套有50個(gè)雨量站點(diǎn)，數(shù)據(jù)資料有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包含：水文、雨量站點(diǎn)5 min實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，以及應(yīng)急情況下人工監(jiān)測數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)包含：汛期降水量摘錄表、日月年降水量表、洪水摘錄表等；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含：站網(wǎng)分布圖、水系圖、流域圖等。

2.3 氣象部門

降雨作為最重要的因子之一，大石山區(qū)洪澇災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)對降雨預(yù)報(bào)的預(yù)見期和精準(zhǔn)程度依賴性較高?；谥醒霘庀笈_公共服務(wù)平臺和廣西氣象服務(wù)終端的降雨數(shù)值預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品，特別是可能致災(zāi)的準(zhǔn)確度較高的短臨氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品，如6、12 h降水預(yù)報(bào)（見圖1），以及廣西氣象平臺6 min河池市SWAN拼圖（見圖2）等基本滿足致災(zāi)雨量預(yù)警的需求。

圖1 廣西0～24 h降水預(yù)報(bào)圖

3 洪澇區(qū)地理空間信息處理

3.1 繪制和推求洪澇區(qū)集水面積

利用GIS 應(yīng)用軟件點(diǎn)繪南丹縣34 個(gè)洪澇災(zāi)害隱患點(diǎn)地理空間分布，利用高分辨GIS 技術(shù)配準(zhǔn)南丹縣DEM數(shù)據(jù)，對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理、流向提取、流量計(jì)算、河網(wǎng)矢量化，再疊加洪澇災(zāi)害隱患點(diǎn)、河流、水文站、雨量站，在洪澇區(qū)最低點(diǎn)設(shè)置傾斜點(diǎn)（流域出口斷面），利用GIS 自動繪制傾斜點(diǎn)以上流域面積，即為該澇區(qū)的集水面積。南丹縣洪澇區(qū)分布見圖3。

圖3 南丹縣洪澇區(qū)地理空間分布圖

3.2 洪澇區(qū)水量推求

洪澇區(qū)水量推求有兩種方法，一是根據(jù)洪澇區(qū)調(diào)查成果表中對洪澇災(zāi)害面積、災(zāi)情、受災(zāi)范圍的描述等確定洪澇區(qū)水面等高線，再通過GIS 軟件利用DEM 數(shù)據(jù)繪制的洪澇區(qū)流域1 m 等高線計(jì)算水面面積、水體體積；二是利用發(fā)生洪澇災(zāi)害時(shí)的實(shí)測應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括實(shí)測水位、雨量、淹沒面積、水深、洪水調(diào)查測量記錄等，通過臺體方量計(jì)算公式（1）分層計(jì)算水量，累加得到總水體體積公式（2），水量計(jì)算公式如下：

式中：Hi是第i層的水層厚度，m；S上i為第i層的上層水面表面積，m2；S下i為第i層的下層水面表面積，m2；Q總為總水體體積，m3。

再將澇區(qū)水量換算為流域次徑流深，徑流深是指在某一時(shí)段內(nèi)徑流總量平鋪在流域面積上所得的水層深度，計(jì)算公式為：

式中：F為洪澇區(qū)面積，km2；R為徑流深，mm。

3.3 洪澇區(qū)雨量閾值的計(jì)算

洪澇災(zāi)害是短歷時(shí)暴雨和前期降雨共同作用的結(jié)果，南丹縣的34 個(gè)洪澇片區(qū)積水面積最小為8.7 km2，最大359.4 km2，平均面積81.6 km2，集水面積較小，本文以災(zāi)害發(fā)生當(dāng)天的前10 d的降雨總量作為特征值，集中反映下墊面和前期雨量對洪澇災(zāi)害的影響程度，得出致災(zāi)的前期雨量和災(zāi)害發(fā)生的次降雨量關(guān)系，為了延長預(yù)見期，根據(jù)次降雨強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)換成不同時(shí)段長（1 h、3 h、1 d）的特征雨量，從而得到不同時(shí)段長的雨量閾值。前期雨量、次降雨量、徑流深和雨量閾值關(guān)系如下：

式中：P閾值為雨量閾值，mm；P次為次降雨總量，mm；A為前期雨量影響系數(shù)；P前為前期雨量，mm。

前期雨量影響系數(shù)A的作用是將雨量閾值轉(zhuǎn)換為不同時(shí)段長的特征雨量，便于精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，由災(zāi)區(qū)多場次洪澇災(zāi)害統(tǒng)計(jì)分析而得，不同地區(qū)因地形、下墊面等因素差異常數(shù)不盡相同。南丹縣部分大石山區(qū)洪澇區(qū)雨量閾值成果見表1。

表1 南丹縣部分大石山區(qū)洪澇區(qū)雨量閾值成果

4 實(shí)例應(yīng)用

南丹縣城關(guān)鎮(zhèn)位于南丹縣中部，是南丹縣城所在地，縣城主要河流為銅江。根據(jù)洪澇災(zāi)害調(diào)查表，1983 年6 月和2019 年6 月，南丹縣城關(guān)鎮(zhèn)均出現(xiàn)強(qiáng)降雨，造成城區(qū)的銅江發(fā)生洪水漫堤，縣城至拉易村一帶出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇。1983 年6 月的洪澇災(zāi)害歷時(shí)3 d，0.998 萬畝澇區(qū)內(nèi)，受災(zāi)作物0.46 萬畝，受災(zāi)人口0.6 萬人，沖毀公路橋2 座、沖毀路面20 km、公路塌方20處。

采用GIS軟件配準(zhǔn)南丹縣DEM數(shù)據(jù)，在進(jìn)行繪制等高線、填洼、流向提取、流量計(jì)算和河網(wǎng)矢量化后，在河網(wǎng)最低處及流域出口斷面設(shè)置傾斜點(diǎn)，然后經(jīng)過空間和水文分析得到該洪澇區(qū)的集水區(qū)（見圖4）。最后將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)面投影得到洪澇區(qū)集水面積38.66 km2。

圖4 城關(guān)鎮(zhèn)-拉易和車河洪澇區(qū)

災(zāi)情調(diào)查報(bào)告顯示，1983 年6 月，城關(guān)鎮(zhèn)至拉易一帶的災(zāi)害以澇災(zāi)為主，澇區(qū)平均水深為0.3 m，換算水量為199.70萬m3，換算成流域徑流深為51.7 mm。澇區(qū)內(nèi)主要有南丹和小場兩個(gè)雨量站點(diǎn)，采用算術(shù)平均法計(jì)算面平均雨量，得到致災(zāi)前10 d降雨總量為97.3 mm，次降水總量為129.5 mm，對時(shí)段雨量進(jìn)行分析，得到該澇片不同時(shí)段的雨量閾值（見表1）。

2022 年6 月10～19 日，南丹縣城關(guān)鎮(zhèn)持續(xù)降雨，累計(jì)雨量達(dá)97.3 mm，接近觸發(fā)前期雨量閾值，20日0時(shí)，河池市發(fā)布暴雨紅色預(yù)警，05時(shí)，值班員利用GIS應(yīng)用軟件把氣象雷達(dá)圖配準(zhǔn)到南丹水文站網(wǎng)分布圖，發(fā)現(xiàn)城關(guān)鎮(zhèn)銅江、車河鎮(zhèn)刁江流域?qū)⒊霈F(xiàn)大暴雨，觸發(fā)洪澇災(zāi)害雨量閾值預(yù)警信號，06時(shí)，南丹水文中心站發(fā)布洪水藍(lán)色預(yù)警，預(yù)計(jì)未來1～5 h，銅江城關(guān)鎮(zhèn)河段、刁江車河鎮(zhèn)河段將出現(xiàn)超警戒水位洪水。此次降雨峰值出現(xiàn)在06時(shí)，刁江車河水文站于08 時(shí)20 分出現(xiàn)超警3.17 m 的洪峰水位，銅江小場水文站于11時(shí)出現(xiàn)超警1.14 m的洪峰水位。根據(jù)復(fù)盤分析，與以往等待主雨峰出現(xiàn)后再分析的預(yù)警發(fā)布不同，此次預(yù)警發(fā)布預(yù)見期延長了4 h，對集水面積小、匯流時(shí)間短的中小河流水文站而言，以短臨降雨預(yù)報(bào)和前期雨量為先導(dǎo)，以雨量閾值為預(yù)警控制條件的洪澇災(zāi)害預(yù)警模式，延長大石山區(qū)洪澇災(zāi)害預(yù)見期，為低洼地帶、內(nèi)澇區(qū)、沿江危險(xiǎn)區(qū)群眾轉(zhuǎn)移贏得更多時(shí)間。

5 結(jié)語

大石山區(qū)下墊面復(fù)雜，各洪澇區(qū)的下墊面情況不一，為了提高預(yù)警預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度，一是要繼續(xù)收集洪澇災(zāi)害信息，不斷補(bǔ)充完善資料庫中前期影響雨量和不同時(shí)段雨量閾值；二是加強(qiáng)與氣象部門溝通協(xié)作，提高短臨氣象預(yù)警服務(wù)精準(zhǔn)度和氣象SWAN拼圖配準(zhǔn)精度，熟練運(yùn)用GIS等軟件，提高工作效率，及時(shí)發(fā)布洪澇預(yù)警預(yù)報(bào)信息。