周 蔚

(杭州市水文水資源監(jiān)測總站,浙江 杭州 310016)

1 問題的提出

浙江省位于我國東南沿海,屬于洪澇災害頻繁發(fā)生的省份。全省陸域面積10.18萬km2,山區(qū)占70.4%,其中山地和丘陵地區(qū)控制面積在20～200 km2的小流域有2000余條[1],受特殊氣候條件和地形地質因素的影響,在雨季這些小流域極易發(fā)生山洪災害與泥石流、滑坡等次生地質災害。而且誘發(fā)山洪災害與泥石流、滑坡等次生地質災害的各種類型的降雨在浙江省都存在。據(jù)統(tǒng)計,自建國以來,全省發(fā)生較嚴重的小流域洪水災害共有100多次,平均2次/a,累計造成死亡1.5萬人左右,直接經(jīng)濟損失合計高達1150億多元;泥石流也是浙江省主要地質災害之一,建國以來全省共發(fā)生泥石流200多處;全省共發(fā)生大小滑坡近1000余處,其中重點滑坡共140多處[2]。這些災害給人民生命財產(chǎn)造成嚴重損失。浙江省小流域山洪災害的特點是:突發(fā)性、隨機性強,預報預測預警難度大;小流域眾多,潛在的山洪災害、次生地質災害分布范圍廣,時間跨度大;山洪災害與泥石流、滑坡等次生地質災害易發(fā)地區(qū)大多社會經(jīng)濟欠發(fā)達,交通通信不便;山洪災害破壞力大。

小流域的防洪預警已經(jīng)成為省內(nèi)當前防洪減災工作中的突出問題,引起廣泛的關注和重視,相關部門也逐步建立了小流域防洪預警體系。但是,目前省內(nèi)的小流域防洪預警體系還不夠完善,特別是現(xiàn)行的水文預警技術還不能滿足小流域防洪的現(xiàn)狀。本文針對小流域山洪災害的特點和防洪預警體系的現(xiàn)狀,為了進一步延長小流域山洪預警的預見期,增加預警的實際可操作性,將水文概念模型、山洪災害臨界雨量值概念和定點降雨數(shù)值預測模型等融入到小流域預警體系的研究當中,利用數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術,研究小流域日常山洪災害防御等級并進行實時發(fā)布。

2 防洪預警體系的構成

預警通常是指對可能出現(xiàn)或即將發(fā)生的危險或災害進行預測并發(fā)布警示信息。洪災預警從大的方面來講包括暴雨預警、水情預警、泥石流預警、風暴潮預警、災情預警等。洪災預警是防洪減災非工程措施的核心內(nèi)容之一。加強防洪減災預警系統(tǒng)建設的主要目標是對利用先進專業(yè)技術和現(xiàn)代高新信息化技術對洪水及可能造成的災害進行及時準確的預測,并發(fā)布必要警示信息,盡可能減少洪水造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失,保障防洪安全。利用現(xiàn)代化的科技手段,提高防洪預警和防汛指揮調(diào)度的水平是大型水庫和城市安全度汛的可靠保證。

小流域防洪預警體系包括降雨預測、水雨情監(jiān)測、水文分析及預警發(fā)布共3個部分。目前,降雨預測大多用于氣象預報和水文預報上面,還沒有融入到小流域預警體系中,小流域的防洪預警的預見期較短。水雨情監(jiān)測由于雨量站點布設的局限性,有些小流域還存在監(jiān)測盲點,但可以通過水文分析技術解決這個問題,而水文分析技術與小流域的防洪需要也存在一定的差距,預警發(fā)布系統(tǒng)的建設也相對比較滯后,預警信息和內(nèi)容比較單一。

2.1 定點降雨數(shù)值預測子系統(tǒng)

要延長小流域預警的預見期,增強預警的時效性,就必須要依靠氣象手段來實現(xiàn)。普通的氣象預報技術由于精細化程度不夠高,預報氣象的天氣尺度范圍較大,不適合小尺度的天氣預報,并且預報達不到定量的要求,無法將其接入到小流域預警防洪體系中。定點降雨數(shù)值預測子系統(tǒng)是在計算機網(wǎng)絡和地理信息系統(tǒng)支持下,以實時接收的靜態(tài)氣象衛(wèi)星、多普勒雷達、氣象預報等資料為核心信息的綜合分析系統(tǒng),主要包括實時衛(wèi)星云圖的接收、發(fā)布和云圖雨量定點定量預測等功能。系統(tǒng)提供了半球云圖、中國云圖、精細化云圖、雷達圖的瀏覽,并且可以實時分析云圖任意點的云圖剖面圖、單點降水量、降水潛在趨勢、云圖移動方向及水量估算等,如圖1所示。這些由實時云圖分析而得的預測信息還可以以地理方位點的方式將該點云圖的分析成果實時存入到系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫中,為整個小流域防洪預警體系提供了氣象預測雨量信息數(shù)據(jù)源。

圖1 定點降雨數(shù)值預測系統(tǒng)圖

2.2 水雨情監(jiān)測子系統(tǒng)

水雨情監(jiān)測子系統(tǒng)主要是指水情自動采集系統(tǒng)。目前,浙江省已經(jīng)建成了2500多個水情自動采集站點,覆蓋面達到了平均40～50 km2有1個站[3],遙測站點覆蓋率高,基本上可以監(jiān)測到全省所有的暴雨信息,但有些小流域地處深山,水情采集、通信設備安裝困難,以及采集站點分布不均,從而導致有些小流域的水情信息缺失,影響到防洪預警系統(tǒng)的應用。隨著水情信息采集站點的迅速擴展和站網(wǎng)布局、密度的合理增加,實時水雨情信息的監(jiān)測采集,將有效地提高對暴雨洪水實時掌握的能力,為及時開展暴雨預警特別是小流域防洪預警體系建設打下良好的基礎,也為小流域防洪預警體系研究提供實測水雨情信息數(shù)據(jù)源。

2.3 水文分析及預警發(fā)布子系統(tǒng)

作為小流域防洪預警體系中最為關鍵的一個部分,即水文分析及預警發(fā)布部分,還沒有與前2個部分進行有機的整合,目前還不能滿足社會發(fā)展的需要,網(wǎng)格預警僅僅解決了實測暴雨的預警和行政區(qū)劃的預警問題,對于預警的實效性和體系化還有待完善和發(fā)展。如何提高預警的預見期和體系化、科學化程度,是研究的重點和難點。

小流域洪水災害的特點決定了防御系統(tǒng)的復雜性和綜合性,因此,預警體系的研究應充分考慮小流域洪水的各種成因,并充分利用現(xiàn)有的成熟技術和經(jīng)驗,最終形成小流域防洪的科學預警體系。

2.3.1 暴雨預警網(wǎng)格化管理系統(tǒng)

水文分析及預警發(fā)布子系統(tǒng)主要就是指暴雨預警網(wǎng)格化管理系統(tǒng),它是以實時水雨情信息采集系統(tǒng)為基礎,基于各站的地理特性,對暴雨信息實行網(wǎng)格化管理,根據(jù)分布區(qū)域的自然地理特點和防護對象的特性,確定預警區(qū)域對象以及暴雨預警標準,將遙測雨量站控制面積區(qū)域與預警區(qū)域面積疊加,以此確定預警區(qū)域的遙測雨量參照站。當遙測雨量參照站達到暴雨預警標準時,預警區(qū)域將以顏色渲染、圖表、聲音和手機短信等方式在監(jiān)視屏幕實現(xiàn)預警。但由于雨量站點布設的關系,有的地方不能覆蓋,因此,預警存在不全面性。暴雨預警網(wǎng)格化管理系統(tǒng)建設就很好地解決了這個問題。它通過水情站與預警區(qū)域的關聯(lián),實現(xiàn)了行政區(qū)域的預警全覆蓋。系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 水文分析及預警發(fā)布子系統(tǒng)總體架構圖

系統(tǒng)的建成能大大提高暴雨預警信息的實時掌控能力,實現(xiàn)水情信息的小流域預警,可以更方便地為社會提供各項預警信息,進一步發(fā)揮防汛實時信息對防汛指揮的決策支持作用,為防汛減災工作服務。

2.3.2 水文預報模型技術的引入

充分利用實時水文預報概念模型技術,通過對實測水雨情信息數(shù)據(jù)進行定時的土壤含水率計算,分析小流域下墊面的土壤含水飽和程度,并將其保存到數(shù)據(jù)庫中,作為預警體系的含水率計算成果。本研究已經(jīng)將模型的核心算法集成到數(shù)據(jù)庫中,實現(xiàn)了任何時段任何時間間隔土壤含水率的數(shù)據(jù)庫自動計算,保障了土壤含水率作為派生數(shù)據(jù)參與預警體系運算的實效性和可靠性。

2.3.3 定點降雨成果的利用

利用該成果與定點降雨預測成果及實測水情數(shù)據(jù)進行定性或定量的分析,充分考慮流域目前的蓄水能力和現(xiàn)狀,分析目前流域的防洪形勢,確定小流域防洪預警體系的防御等級,對于有條件的小流域還可以采用洪水估報的方式進行洪峰水位與流量的過程估報,以提高小流域防洪預警體系的精細化程度和科學性。

2.3.4 山洪預警臨界雨量值的引入

受暴雨影響,浙江小流域極易發(fā)生小流域山洪災害與泥石流、滑坡等次生地質災害。對于這部分災害,完全依靠水文模型分析計算進行預警是不太現(xiàn)實的。本研究通過對小流域地質災害的臨界雨量進行分析,確定雨量的強度和量級標準,并根據(jù)標準進行山洪地質災害預警。

2.3.5 預警體系的防御等級劃分

要實現(xiàn)小流域防洪預警提交的防御等級確定,就必需先針對流域自身的特點,將流域的防御等級進行細化,并配套有相應的防御預案,以備緊急情況下使用,科學調(diào)度防御山洪工作。

3 防洪預警體系的應用

臨安市隸屬杭州市, 位于東經(jīng) 118°51′～ 119°52′, 北緯29°56′～30°23′,是一個山多田少的山區(qū)市,也是山洪災害的易發(fā)區(qū)、多發(fā)區(qū),幾乎每年都有不同程度的山洪災害發(fā)生。近年災害損失統(tǒng)計表明,山洪災害造成的危害愈來愈重,損失愈來愈大,給人民帶來了沉重的創(chuàng)傷,也給全市社會、經(jīng)濟發(fā)展及建設全面小康帶來重要影響,山洪災害已經(jīng)成為當前防洪減災中的突出問題。從2009年開始,臨安市開展了以監(jiān)測、通訊、預警及信息服務等非工程措施為主并與工程措施相結合的防汛預警系統(tǒng)的建設。

臨安市防汛預警系統(tǒng)主要包括水雨情監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)測預警平臺、預警系統(tǒng)。水雨情監(jiān)測系統(tǒng)主要包括水雨情監(jiān)測站網(wǎng)布設、信息采集、信息傳輸通信組網(wǎng)、設備設施配置等。預警系統(tǒng)包括預警方式、警報傳輸和警報器設置等。

監(jiān)測預警平臺是整個預警系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息處理和服務的核心,主要由信息匯集平臺、計算機網(wǎng)絡、基礎數(shù)據(jù)庫、山洪預警業(yè)務系統(tǒng)、應用支撐平臺及安全體系組成。其中山洪預警業(yè)務系統(tǒng)主要包括了水雨情監(jiān)測查詢、氣象國土信息查詢、降雨預測子系統(tǒng)、水情預報服務、臨界雨量分析、預警發(fā)布服務、響應反饋、災情上報及查詢、山洪預警專題圖管理子系統(tǒng)、山洪災害新聞發(fā)布平臺、系統(tǒng)維護管理等。其中,降雨預測子系統(tǒng)通過連接氣象、國土部門信息系統(tǒng),獲得氣象衛(wèi)星、多普勒雷達、氣象預報等資料,并進行系統(tǒng)綜合分析,提供半球云圖、中國云圖、精細化云圖、雷達圖的瀏覽,并且可以實時分析云圖任意點的云圖剖面圖、單點降水量、降水潛在趨勢、云圖移動方向及水量估算等。水情預報子系統(tǒng)采用水文概念模型模擬降雨徑流過程,本研究選用適用于濕潤地區(qū)的新安江模型,利用降雨預測得到的降雨資料和水雨情監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測采集的水雨情資料,推算實時土壤含水量,并可以進行山洪洪水過程模擬,進行洪峰水位流量過程模擬,模擬結果精度較高。

防汛預警系統(tǒng)的使用有效地提高了臨安市防汛部門防洪預警和防汛指揮調(diào)度的水平,對全市的社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全起到了至關重要的保障作用。

4 結 語

小流域防洪標準目前普遍較低,短期內(nèi)難以大幅度全面提高,近年來,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,小流域洪水災害在全流域洪澇災害損失中所占的比重日益增大,且其誘發(fā)的山體滑坡、泥石流等山洪災害危害程度愈發(fā)嚴重,有著突發(fā)性強、隨機性高、破壞力大的特點,因此需要進一步加強對其的防洪預警體系化研究,從根本上避免或減小小流域山洪災害給人民生命財產(chǎn)帶來的損失。

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