孫東亞

（中國水利水電科學研究院，北京 100038）

1 研究背景

山洪災害是一種典型的洪水災害類型，其防治的理論技術(shù)基礎源于傳統(tǒng)的防洪減災理論技術(shù)，但又有所區(qū)別，主要取決于山洪災害的自然屬性和社會屬性［1］。山洪的發(fā)生是一種自然現(xiàn)象，受山丘區(qū)水文氣象和地形地貌等孕災環(huán)境影響，山洪災害致災因子（暴雨洪水）具有高度的時間、空間、強度變異性，降雨范圍小、歷時短、強度大；洪水過程短、洪峰高、破壞力強，但發(fā)生頻率非常低，這是山洪災害的自然屬性。另一方面，山洪災害的承災體或影響對象主要為山丘區(qū)的居民、流動人員、家庭財產(chǎn)及公共基礎設施，具有點多、面廣、社會管理單元小而分散等特征，防御標準低，易損性高，相比江河洪水，一次山洪災害事件的影響范圍小，這是山洪災害的社會屬性。山洪災害防治是一個復雜的自然-社會系統(tǒng)工程，需要從系統(tǒng)整體論思想出發(fā)，研究建立山洪災害防治措施和理論技術(shù)體系。我國山洪災害防治理論技術(shù)體系的形成過程就是基于對山洪災害基本屬性的認識，在不斷實踐經(jīng)驗總結(jié)中將其基本概念內(nèi)涵和外延不斷延伸的過程，探討山洪災害孕災環(huán)境、致災因子、承災體和防災措施等要素的相互作用、相互影響和相互聯(lián)系，其核心是應用水利科學、經(jīng)濟學、社會學、災害學、信息科學等理論技術(shù)，形成適應自然規(guī)律和社會管理體系的山洪災害防治方略。本文提出了山洪災害防治連續(xù)統(tǒng)概念模型，對山洪災變過程、防治措施、理論技術(shù)進行高度概括，形成了適合我國當代技術(shù)經(jīng)濟發(fā)展水平的山洪災害防治理論技術(shù)框架。

2 山洪災害防治連續(xù)統(tǒng)概念模型

連續(xù)統(tǒng)原本是一個數(shù)學范疇的概念，指連續(xù)不斷的實數(shù)集，原意是為了強調(diào)實數(shù)的連續(xù)性而給實數(shù)系的另一名稱。連續(xù)統(tǒng)又是一個哲學范疇的思維概念，指某種事物在時間或空間中，持續(xù)不斷的、緊密聯(lián)系的、甚至是相對的，但本質(zhì)上是中和與交融的綜合整體。山洪災害防治連續(xù)統(tǒng)概念模型基于山洪災害形成的物理機制（見圖1）［2-3］，按照系統(tǒng)論思維闡述山洪災變系統(tǒng)和防災減災系統(tǒng)要素及其互饋影響，揭示系統(tǒng)鏈條關(guān)鍵環(huán)節(jié)要解決的自然科學和社會科學問題及途徑，促進多種技術(shù)和措施的綜合應用，實現(xiàn)山洪災害防治目標［4］。應用自然科學理論解決暴雨洪水分析、監(jiān)測預警、工程措施等技術(shù)問題，而應用社會科學則注重解決組織、機制、經(jīng)濟、市場、監(jiān)管等社會管理問題。

圖1 山洪災害防治連續(xù)統(tǒng)概念模型

首先需按照常態(tài)化減災要求，加強災前預防和保護，針對孕災環(huán)境，實施防災減災工程，包括小流域綜合治理，山洪溝防洪治理等；應用各類減災技術(shù)建設完善監(jiān)測預警體系，包括維護升級衛(wèi)星、雷達、地面監(jiān)測站，調(diào)試運行監(jiān)測預警平臺，完善暴雨洪水分析系統(tǒng)，進行暴雨洪水實時分析，動態(tài)確定預警時機和危險區(qū)。其次，在發(fā)生山洪災害汛期，針對承災體，加強防災準備，強化社會組織動員，動態(tài)更新危險區(qū)清單，夯實群測群防各項工作，特別是具體落實基層責任制；按照實際需要配置調(diào)試運行監(jiān)測預警設施設備，加強監(jiān)測預報預警。而在應急狀態(tài)下，從減低山洪災害損失目標出發(fā)，實施應急響應和災后恢復措施，及時轉(zhuǎn)移安置危險區(qū)人員，對受災人員及時給予醫(yī)療和生活救助，恢復生產(chǎn)生活，防止災后出現(xiàn)疫情等；基于災害發(fā)生情況，按照洪水風險管理要求，規(guī)劃災后重建計劃。

3 山洪災變過程和機理

山洪災變是山洪自然屬性與社會屬性相互作用的結(jié)果。自然屬性是指圍繞山洪災變的動力過程表現(xiàn)出的各種自然特征，如山洪形成條件和變化規(guī)律，山洪沖擊淹沒范圍、強度、頻次等，主要應用水利科學的水文氣象和水動力學理論加以概念性描述或應用專業(yè)模型進行定性和定量分析。社會屬性主要指與成災活動密切相關(guān)的人類社會、經(jīng)濟活動，包括人員、建筑（房屋、道路、橋梁、管線及其它公共基礎設施）、經(jīng)濟活動、防災能力等，主要應用經(jīng)濟學、社會學等理論加以闡述或應用災害損失評估模型進行半定性半定量分析。

從物質(zhì)和能量流的角度分析，山洪致災過程是物質(zhì)和能量從天空到地面、從坡面到山溪、支溝、干溝的不斷演繹、匯集并在超過溝道承載能力極限時集中釋放而形成災害的過程。降雨是一個明顯的從勢能向動能的轉(zhuǎn)化過程，是徑流形成的首要環(huán)節(jié)。降雨的形成需要兩個基本的物理條件，即大氣中必須含有足夠的水汽和必須具有使水汽凝結(jié)成液態(tài)水的動力條件。根據(jù)動力條件的不同，降雨又分為氣旋雨、對流雨、地形雨和臺風雨等。影響降雨及其時空分布的因素主要有地理位置、氣旋、臺風路徑等氣象因子，以及地貌、植被、水體等下墊面條件。

產(chǎn)匯流過程為徑流的產(chǎn)生和匯集過程。降雨到達地面后，先被植被截流，之后落到地面并不斷滲入土壤。一方面，當降雨強度超過土壤下滲能力時產(chǎn)生地表積水，并填蓄于大小坑洼中，蓄于坑洼中的水滲入土壤，或被蒸發(fā)?？油萏顫M后即形成從高處向低處流動的坡面徑流；另一方面，當土壤含水量飽和時，截流滲透的水分通過土壤孔隙，由高處向低處流動，形成壤中流，部分壤中流也會從坡面滲出。坡面徑流通過坡地地表匯流和坡地地下匯流，逐級匯集流入山溪、支溝和干溝等，水流流量不斷增大，在溝道中演進，形成山洪。在此過程中，因坡面徑流和壤中流作用，可能誘發(fā)水土流失、滑坡和泥石流。

山洪從高地勢地區(qū)流向低地勢地區(qū)，仍是勢能向動能的轉(zhuǎn)化過程。隨著溝道水流流量和流速的不斷增加，水位將快速升高，水流能量不斷積聚，可對山洪溝道和兩岸形成沖刷作用。在溝道行洪能力有限情況下，山洪也可能宣泄不暢，流速降低，部分洪水動能轉(zhuǎn)化為勢能，水位迅速上漲，水流挾帶的泥沙可能沉積下來。隨著洪水水位的快速升高，可能突破溝道兩岸約束而成為漫溢洪流，山洪的勢能又轉(zhuǎn)化為動能。山洪在洪泛區(qū)急速運動過程中，受地形作用和建筑物阻擋，部分動能被損耗；還有一部分動能轉(zhuǎn)化為勢能，具體表現(xiàn)為洪泛區(qū)淹沒深度的增加。

在山洪形成及沿溝道演進和向兩岸漫溢的過程中，因山洪動能和勢能共同作用，可能導致人員受淹被埋或被沖走，造成人員傷亡；也可能沖毀或淹沒建筑物（包括房屋、道路、橋梁、石油天然氣管道、電力或通信設施等），造成財產(chǎn)損失，形成山洪災害。山洪災害形成過程中，不僅包括單純洪水作用，也包括水流挾沙或泥石流的作用，也存在坡面流沖刷或滑坡影響。山洪災害造成的損失是多方面的，不僅包括人員傷亡、財產(chǎn)損失、環(huán)境破壞等，還包括因交通、通信和電力中斷或其它影響而伴生的社會經(jīng)濟活動被干擾而造成的間接經(jīng)濟損失，具有災害放大效應和災害鏈特征。

4 山洪災害防治系統(tǒng)方法

從山洪災害防治連續(xù)統(tǒng)概念模型可以看出，需要基于山洪災害自然和社會屬性認知，統(tǒng)籌應用自然科學和社會科學方法構(gòu)建防災減災救災措施體系?，F(xiàn)代自然科學和社會科學發(fā)展的一個顯著特點是相互滲透、相互補充、相互結(jié)合，形成新的邊緣學科、交叉學科，逐步向系統(tǒng)科學方向發(fā)展。本世紀40年代由美藉奧地利科學家貝塔朗非提出的系統(tǒng)論，現(xiàn)在已普遍用于自然科學和社會科學，并取得了顯著的成效。系統(tǒng)論的特點是強調(diào)事物的整體性、聯(lián)系性、層次性和最優(yōu)化。從山洪災變過程和機理分析可以看出，在災變過程的不同階段，針對孕災環(huán)境和承災體采用不同的過程干擾或防治措施，可以實現(xiàn)不同的山洪災害防治目標。這些目標既是某一方面的，如減少人員傷亡為首要目標，也可能是綜合性的，例如在減少人員傷亡的同時，還要最大限度減低對經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的不利影響。顯然，連續(xù)統(tǒng)概念模型中所闡述的這些過程干擾措施是相互關(guān)聯(lián)和相互影響的，是一個系統(tǒng)工程。例如，流域土地和水資源開發(fā)保護措施，既可以增強社會防御山洪災害的韌性（或降低脆弱性），也有利于減低山洪危險性，提高環(huán)境質(zhì)量。既然山洪災害防治是一項系統(tǒng)工程，就可根據(jù)其自然、社會和災害屬性，將其劃分為三個子系統(tǒng)，對應災前預防和保護、防災準備、應急響應和災后恢復等階段，采用監(jiān)測預警、工程保護、流域綜合治理和風險管理、群測群防、應急搶險救援和災后恢復等措施，以實現(xiàn)防治目標的局部和整體優(yōu)化。

我國不同地區(qū)自然地理特征和經(jīng)濟社會發(fā)展水平差異很大，各類山洪災害防治措施和技術(shù)手段在時效性、可靠性、成本等方面也存在顯著差別，各地既有共性問題，也有特殊要求，因此需要在按照系統(tǒng)方法統(tǒng)籌規(guī)劃常態(tài)減災與非常態(tài)救災措施的同時，針對各地區(qū)本發(fā)展階段所重點關(guān)注和有能力解決的問題，因時因地因人選擇適宜措施；在典型技術(shù)手段帶動下，有序推進綜合措施的應用。按照當前我國經(jīng)濟社會和技術(shù)發(fā)展水平，需要重點構(gòu)建以監(jiān)測預警、群測群防和應急響應為核心的非工程措施體系建設。其它工程和非工程措施可結(jié)合我國鄉(xiāng)村振興、扶貧脫貧戰(zhàn)略的實施逐步推進，在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)先行實施，包括小流域綜合治理工程、山洪溝防洪治理工程、農(nóng)村住房遷建或提高設防水平和抗沖能力，提高重大基礎設施防洪標準和工程等級等。

5 山洪災害監(jiān)測預警措施的不確定性

山洪災害監(jiān)測預警是山洪災害防治理論技術(shù)框架的核心內(nèi)容，是目前防御山洪災害的主要技術(shù)手段。但在具體實施中監(jiān)測預警諸環(huán)節(jié)存在諸多不確定性，在防災減災決策中對此必須給予充分重視，分析判斷不確定性程度，做出更加合理的決策。在山洪災變過程中，山洪災害監(jiān)測預警不確定性主要來源于四個方面，并且分屬于不同的自然科學和社會科學內(nèi)容。

一是降雨分布和過程。這類不確定性既是客觀存在不可避免，反映降雨場和降雨過程的自然變異性，也存在監(jiān)測資料整編分析、降雨預報等方面的主觀不確定性。降雨形成條件，降雨時空分布，樣本可靠性、一致性和代表性，降雨預報模型，降雨過程分析模擬方法等方面，均存在不確定性。降雨模式會受到當?shù)鼗蛘呷驓夂蜃兓挠绊懙龋_風等極端事件也會增加降雨過程的變異性。降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量將因采用新的監(jiān)測設備而得到改善，或因監(jiān)測站密度增加或采用測雨雷達等先進裝備，導致對應同一頻率洪水分析所得的降雨數(shù)值發(fā)生變化。因降雨形成機制與預報問題的復雜性，定時定點定量降雨預報一直是水文氣象領(lǐng)域的重點和難點，精準度低，如依賴降雨預報進行預警轉(zhuǎn)移決策，不確定性程度很高，只能起到提醒大眾關(guān)注的作用［5］。

二是暴雨洪水過程。這類不確定性既是客觀存也有主觀因素，反映暴雨洪水過程的自然變異性，也存在暴雨洪水過程模擬的主觀不確定性，主要包括降雨時空變異性、小流域匯流非線性、水文水力學模型與參數(shù)的不確定性等，是因?qū)Ρ┯旰樗?guī)律的認知程度低或缺乏足夠的數(shù)據(jù)進行演繹推理而產(chǎn)生的。例如，因監(jiān)測站點密度不足，導致捕捉不到局地強降雨，面雨量估算存在誤差；用于暴雨洪水計算的水文模型和用于溝道洪水演進計算的水力學模型也存在不確定性，主要模型參數(shù)的變異性也很強，包括小流域坡度、土壤濕度、溝道幾何形狀、糙率、河床坡度、泥沙淤積、塘堰壩等［6］。上述這些因素的不確定性最終影響到預警指標的科學性和合理性。隨著知識進步和信息量增加，這類不確定性可被減弱或消除，依據(jù)實時降雨場和降雨過程監(jiān)測數(shù)據(jù)和暴雨洪水過程動態(tài)分析進行預警將是一套更加科學實用的技術(shù)方法。

三是監(jiān)測預警系統(tǒng)及信息鏈。這類不確定性屬于客觀不確定性，反映監(jiān)測預警系統(tǒng)硬件設備及其之間的聯(lián)接、系統(tǒng)軟件、信息傳輸模塊及其所依賴的通信網(wǎng)絡等運行過程的不確定性。如因這些環(huán)節(jié)中的任何一環(huán)出現(xiàn)故障，將導致降雨監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)接收和分析處理、暴雨洪水計算、預警決策或預警信息發(fā)送和接收、末端預警等功能喪失，這類不確定性可以通過增強硬件及軟件系統(tǒng)的可靠性、加強運行維護和日常試運行予以減弱。

四是防災組織和個體行為。這類不確定性屬于主觀不確定性，存在于社會組織體系、社區(qū)等管理單元和個體行為等多方面，屬于社會科學內(nèi)容。長期以來，我國形成了政府主導、多方參與、協(xié)調(diào)聯(lián)動、共同應對的防災減災救災工作格局，建立了相對完善的責任制體系。但是以責任人為主體的防災組織是脆弱的，責任鏈條極易因人員變動、責任心不足、從事其它社會活動、不能正常使用報警設備等而中斷。另外，個體防災意識淡薄和能力不足、降雨期間在山洪溝內(nèi)生產(chǎn)或旅游、不服從避險轉(zhuǎn)移指揮或遇山洪反應不當?shù)?，都將增加監(jiān)測預警行動或應急響應的不確定性。

6 結(jié)論與建議

以山洪災害防治連續(xù)統(tǒng)概念模型為核心構(gòu)建了山洪災害防治理論技術(shù)框架，鑒于山洪災變過程的復雜性和防治措施的系統(tǒng)性影響特征，這一概念模型中各要素及其相互關(guān)系的描述并不完全一一對應，但從中可反映孕災環(huán)境（危險性）-承災體（脆弱性）-山洪災害（損失）-防災措施之間的有機聯(lián)系和相互影響，有助于從全局出發(fā)厘清山洪災害防治所面對的問題與挑戰(zhàn)、制定防治方略和落實防治措施。從國內(nèi)外山洪災害防治實踐來看，以監(jiān)測預警與群測群防為核心的非工程措施體系建設仍是當前最行之有效的災害防御手段，但這一非工程措施體系的構(gòu)建需要解決暴雨洪水監(jiān)測預報預警等方面存在的突出短板問題，減弱不確定因素影響，增強監(jiān)測預警和響應時效。為有效提高山洪災害防治成效，需系統(tǒng)應用各類山洪災害防治措施以實現(xiàn)保障山丘區(qū)經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的防災減災目標。