柳 楊, 林 波

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 概述

山洪災害防御是我國防洪減災工作的難點和薄弱環(huán)節(jié)。山丘區(qū)是山洪災害的高發(fā)區(qū)，而我國有約66.7%的面積處在山丘區(qū)。山丘區(qū)的強降雨經(jīng)常導致山洪災害的頻繁發(fā)生，造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。黨和國家高度重視我國的山洪災害問題，黨中央和國務院對此作出重要部署。據(jù)《全國山洪災害防治項目實施方案(2013—2015)》[1]所提出的要求，廣東省已納入80個山洪災害防治實施縣，并于2013—2015年度完成和驗收相關(guān)項目并投入運行，取得一定成效。

小流域是山洪災害調(diào)查評價的基本單元，調(diào)查涉及災害概況、流域特征、水文狀況、社會經(jīng)濟狀況等，并結(jié)合調(diào)查內(nèi)容對沿河村落的防洪現(xiàn)狀進行綜合分析；通過綜合分析劃定重點防治區(qū)，確定預警指標并計算對應的閾值，以達到高時效性、高準確度的預警和災害防御效果。而雨量預警指標分析主要以防治對象為單元，基于小流域暴雨洪水和防洪現(xiàn)狀評價成果，重點分析流域不同前期土壤含水量情況下的臨界雨量，即干旱(AMC I)、正常(ACM II)和濕潤(ACM III)3個級別。

廣東省基本覆蓋安裝和部署的自動雨量站所采集的數(shù)據(jù)，可傳送至縣級山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)，相關(guān)防御工作人員可實時查看各自動雨量站的雨量情況。綜合考慮流域地形地貌、洪水特征以及山洪災害調(diào)查評價的前期成果數(shù)據(jù)，統(tǒng)計并分析山洪災害重點沿河村落與自動雨量站之間的關(guān)聯(lián)性，將重點沿河村落雨量預警關(guān)聯(lián)到山洪災害防治區(qū)內(nèi)的自動雨量站，使雨量預警能夠在實際中應用，并在雨量預警信息發(fā)布中準確地將預警信息通知到防汛責任人，再由防汛責任人通知有關(guān)村民，做好撤離預警準備。

結(jié)合現(xiàn)代遙測技術(shù)雷達云圖預測，在重點沿河村落小流域上空進行氣象預報[2]、空中進行雨量測站實時預警[3]、地上進行河道水位的現(xiàn)場預警[4]。通過前向反饋，逐步調(diào)整和改善水文氣象預報和測報條件，提高暴雨洪水信息的時效性[5-7]。該法可以實現(xiàn)降雨產(chǎn)匯流整個過程的上、中、下3個階段預警預報的全面覆蓋，提高預警分布的可靠性和準確性。

目前，廣東省山洪災害監(jiān)測預警平臺中重點沿河村落雨量預警主要進行雨量測站實時預警，將重點沿河村落預警雨量關(guān)聯(lián)到山洪災害防治區(qū)內(nèi)的自動雨量站，通過行政區(qū)劃內(nèi)多站均值方法進行雨量預報預警。鑒于行政區(qū)劃內(nèi)多站均值并未考慮小流域特征，往往將流域外無關(guān)聯(lián)性自動雨量站納入計算，易導致預警偏差。本次細化預警機制，引入小流域內(nèi)多站均值方法，完善省山洪災害的雨量預警，提供更準確、及時的現(xiàn)場信息，保障人民生命財產(chǎn)安全，為相關(guān)部門提供科學的預警預報決策依據(jù)，更好更快地指揮受山洪威脅地區(qū)的抗洪搶險。

2 預警雨量的確定

2.1 預警時段確定

預警時段是雨量預警指標的重要組成部分，對應預警指標的典型降雨歷時。預警時段的影響因素眾多，包括防災對象上游集雨面積大小、流域形狀、降雨強度，以及地形地貌、土壤含水量、植被等。一般情況下，預警時段長度與流域面積成正比，與河流比降成反比。

在山洪災害分析評價中，預警時段的確定遵循以下的幾條具體原則：

1)最長時段：沿河村落預警指標的最長時段取用對應小流域的流域匯流時間。

2)典型時段：對于小于最長時段典型時段，根據(jù)防災對象所在地區(qū)氣候、地形等特性，綜合確定小于匯流時間的短歷時預警時段，如60 min、180 min等，通常選取2～3個典型預警時段。廣東省位于典型的南方濕潤地區(qū)，最小預警時段選為30 min。

3)綜合確定：充分參考流域單位線信息，結(jié)合暴雨和下墊面特性并將歷史山洪情況納入考量，同時考慮對象所處河段的河谷形態(tài)、洪水上漲速率、轉(zhuǎn)移時間及其影響人口等，綜合確定各各個典型預警時段，從最小預警時段直至流域匯流時間。

2.2 流域土壤含水量確定

流域土壤含水量影響流域產(chǎn)流，是雨量預警的重要基礎(chǔ)信息，可用于分析臨界雨量閾值。當土壤含水量較小時，降雨入滲較大，地表徑流相應較小，山洪災害發(fā)生的概率也相對較低。當土壤含水量較大時，降雨入滲則較小，對應地表徑流增大，山洪災害發(fā)生率上升。

本文預警指標分析的3種初始土壤含水量情況分別是干旱(Pa≤0.5Wm)、正常(0.5Wm≤Pa≤0.75Wm)以及濕潤(Pa≥0.9Wm)3種。本次計算流域平均最大需水量取100 mm，初始含水量值設(shè)定為90 mm、75 mm、50 mm 3種情況，分別代表土壤含水量濕潤、正常和干旱3種情況。

采用現(xiàn)有成果或前期降雨對流域初始土壤含水量進行估算。土壤含水量的大小與臨界雨量計算時對應的雨量扣損密切相關(guān)?？蹞p主要分為初損和穩(wěn)定下滲兩個部分，初損指從暴雨起始時間開始發(fā)生的逐時段扣損，當扣除的累積雨量值達到初損值時停止。在完成扣損后的凈雨時程分配成果，不會改變主雨峰和雨型的分配狀況。在初損結(jié)算完畢，轉(zhuǎn)為采用穩(wěn)定下滲率進行逐時扣損。

根據(jù)有關(guān)研究[8]，在山洪凈雨分析中通?？梢院雎?.25～1.25 mm之間的植被截流量；而部分小流域具有較高的森林覆蓋率，此時林冠層截留降雨作用受到植被郁閉度、林型、樹種和枯枝落葉層等因素影響，當降雨量較低時，截流作用產(chǎn)生較大波動；當降雨量較大時，截留作用達到定值，可達13～17 mm。

2.3 雨量預警指標綜合確定

雨量預警指標計算采用降雨分析法，計算方法總體而言相當于設(shè)計洪水的反過程。采用推理公式法針對一個確定的流域進行設(shè)計洪水計算時，其變量只是設(shè)計頻率[9-10]，因此，可以建立洪峰流量與設(shè)計頻率的單一函數(shù)關(guān)系，由此可根據(jù)成災流量反推出相應的頻率，進而確定出相應降雨值(計算流程如圖1所示)。

圖1 推理公式法推求預警指標流程示意

預警指標的確定，應當考慮多個因素，涵蓋對象所處河段河谷形態(tài)、洪水上漲速率、預警響應時間和站點位置等因素，完成臨界雨量的計算后以此為參考加以確定準備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移的預警指標，利用洪水信息向預警指標進行反饋校正，防止成災水位和其對應的暴雨洪水的頻率產(chǎn)生較大差異。

從計算原理而言，臨界雨量基于洪水對降雨的信息反算，在數(shù)值上通?？梢哉J為臨界雨量是立即轉(zhuǎn)移的指標；而準備轉(zhuǎn)移指標，則需要確定某個控制斷面的準備轉(zhuǎn)移流量，再反推對應雨量，對臨界雨量進行折減[11-12]。

通過設(shè)計洪水推算立即轉(zhuǎn)移流量過程線，并將過程線前推30 min作為準備轉(zhuǎn)移過程，此過程對應準備轉(zhuǎn)移流量，進一步推算準備轉(zhuǎn)移雨量。

3 雨量預警的方法分析

3.1 行政區(qū)劃內(nèi)多站均值法

2010年以來，全國陸續(xù)開展了山洪災害的防治工作，山洪災害防御體系已經(jīng)初步形成。大數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)也為山洪災害防治提供技術(shù)支持，如山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)(主要建設(shè)于山洪災害防治縣)，山洪災害監(jiān)測預警信息管理系統(tǒng)(主要建設(shè)于國家和省、市級)，近年還以省級為單位先后開展山洪災害數(shù)據(jù)同步共享系統(tǒng)的試點建設(shè)?，F(xiàn)有山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗，能夠結(jié)合信息技術(shù)發(fā)展新趨勢集成應用山洪災害調(diào)查評價成果，解決基層技術(shù)力量薄弱、運行維護困難問題，并將預警精度再上升一個臺階。下一步將在不改變現(xiàn)有山洪災害防御管理體制和責任體制條件下，采用省級部署、多級應用的模式，在省級重點建設(shè)面向水旱災害防御部門和公眾可參與的新一代山洪災害監(jiān)測預報預警平臺。省級平臺建設(shè)將強化現(xiàn)有監(jiān)測預警系統(tǒng)的各項功能，對可靠性和綜合性能進行全方位優(yōu)化，實現(xiàn)集約化建設(shè)和管理；規(guī)范預警模式、升級技術(shù)方法，如采用分布式水文等模型，與傳統(tǒng)模型相比，基于物理過程的分布式水文模型可以更加準確詳細地描述流域內(nèi)的水文物理過程，獲取流域的信息更貼近實際。通過分布式水文模型實現(xiàn)山洪災害更為精細化、動態(tài)化的預警，更具有時效性，能夠更為合理地為防汛部門的指揮調(diào)度提供指導，強化我國山洪災害防御能力。

基于《省、地市級山洪災害監(jiān)測預警信息管理系統(tǒng)技術(shù)要求》[11]《山洪災害防治非工程措施補充完善技術(shù)要求》[12]《廣東省2013年度山洪災害防治項目實施方案》[13]，結(jié)合《省級山洪災害監(jiān)測預報預警平臺技術(shù)要求(試行)》[14]的任務要求，進一步完善縣級山洪災害監(jiān)測預警平臺。

在實際應用中，考慮自動雨量站在使用上的權(quán)限性和管理上的地區(qū)性，為了便于行政管理流程直接性和預警發(fā)布的快捷性，為保障行政區(qū)域內(nèi)居民安全度汛，更好地提供準確、及時的現(xiàn)場信息，保障人民生命財產(chǎn)安全，廣東省主要通過行政區(qū)劃內(nèi)多站均值法進行雨量預警。

目前，廣東省山洪災害監(jiān)測預警平臺的雨量預警主要對鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)界內(nèi)實時降雨量大于0的自動雨量站進行不同時段的平均值計算，再通過平均值與鄉(xiāng)鎮(zhèn)所屬重點沿河村落的預警指標對比，預警指標按照1 h、2 h、3 h、5 h、6 h等時段依次比對，任何一個重點沿河村落預警指標低于自動雨量站實時降雨量平均值，預警平臺就產(chǎn)生山洪災害預警。廣東省山洪災害監(jiān)測預警平臺具體預警觸發(fā)流程見圖2所示。山洪災害監(jiān)測預警平臺的預警流程如下：新產(chǎn)生→內(nèi)部預警→會商研判→外部預警→跟蹤督導→取消預警→處置記錄。

圖2 廣東省山洪災害監(jiān)測預警平臺具體預警觸發(fā)流程示意

3.2 小流域內(nèi)多站均值法

各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的行政區(qū)界內(nèi)存在較多自動雨量站，尤其個別行政區(qū)界較大的區(qū)域，當出現(xiàn)局部暴雨時，各自動雨量站的實測降雨值差異很大，平均值計算時雨量值會遠低于暴雨中心雨量值。另外，行政區(qū)界內(nèi)大多數(shù)自動雨量站不屬于同一個小流域，不同流域又往往導致產(chǎn)匯流不一致，不同流域內(nèi)自動雨量站的實測雨量之間不存在有一定的相關(guān)性。因此，通過行政區(qū)內(nèi)多站均值法進行平均值計算，并給該鄉(xiāng)鎮(zhèn)所屬重點沿河村落發(fā)布預警，可能會造成漏報現(xiàn)象。

為了更好地給重點沿河村落發(fā)布預警，減少漏報現(xiàn)象，對鄉(xiāng)鎮(zhèn)界內(nèi)雨量測站分布范圍進行縮小，將該鄉(xiāng)鎮(zhèn)重點沿河村落所屬流域外的雨量測站剔除，對重點沿河村落所屬流域內(nèi)雨量測站按流域分塊統(tǒng)計[15]，當該流域內(nèi)雨量測站少于3 h，則從附近流域查找關(guān)聯(lián)，至少保證每個流域有3～5個雨量測站，保證有一定數(shù)量自動雨量站可使用。

小流域內(nèi)多站均值法對雨量預警判斷規(guī)則進行細化改善，主要對流域或附近小流域內(nèi)實時降雨量大于0的自動雨量站進行不同時段的平均值計算，再通過平均值與該流域所屬重點沿河村落的預警指標對比，預警指標按照1 h、2 h、3 h、5 h、6 h等時段依次比對，任何一個重點沿河村落預警指標低于自動雨量站實時降雨量平均值，則產(chǎn)生山洪災害預警。

通過小流域內(nèi)多站均值法的雨量預警，考慮了局部暴雨、不同流域產(chǎn)匯流等情況，一定程度上提高了雨量預警的精確性。

4 結(jié)語

1)采用行政區(qū)劃內(nèi)多站均值法進行雨量預警，具有水利相關(guān)部門行政管理流程直接性和預警發(fā)布的快捷性，但忽略了小流域特征，將流域外無關(guān)聯(lián)性雨量站一并納入計算，易導致雨量預警偏差。

2)采用小流域內(nèi)多站均值法進行雨量預警，對鄉(xiāng)鎮(zhèn)界內(nèi)雨量測站分布范圍進行縮小，將該鄉(xiāng)鎮(zhèn)重點沿河村落所屬流域外的雨量測站剔除，對重點沿河村落所屬流域內(nèi)雨量測站按流域分塊統(tǒng)計，一定程度上提高了雨量預警的精確性。

3)通過產(chǎn)匯流原理的對比分析，相較于行政區(qū)劃內(nèi)多站均值法，小流域內(nèi)多站均值法綜合考慮了局部暴雨、不同流域產(chǎn)匯流差異等情況，更好地反映了流域產(chǎn)匯流過程中降雨量與水位的相關(guān)關(guān)系，雨量預警更加合理、精確。

4)山洪災害預報預警措施落實到位，離不開地方居民的理解和配合，應加大對山洪災害防治的宣傳力度，增強地方防災減災意識，提高地方汛期警惕性，督促地方時刻做好避險轉(zhuǎn)移的準備和措施。