山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息平臺(tái)研究現(xiàn)狀及展望

丁凡椏 黃超 李書

摘 要：歐美發(fā)達(dá)國(guó)家基于FFG（flash flood guidance）等方法開展了大量山洪預(yù)警實(shí)踐。我國(guó)也探索發(fā)展出適合我國(guó)國(guó)情的山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，并在信息化建設(shè)方面取得了很大成效。本文通過(guò)對(duì)比分析山洪預(yù)警信息平臺(tái)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)出我國(guó)信息平臺(tái)建設(shè)中的不足，并展望山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息平臺(tái)未來(lái)研究的方向。

關(guān)鍵詞：山洪災(zāi)害;監(jiān)測(cè)預(yù)警;信息平臺(tái)

中圖法分類號(hào)：X43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0313

山洪災(zāi)害主要發(fā)生于山區(qū)，指由降雨引起的河水暴漲及其誘發(fā)的嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全的崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害，其具有明顯的季節(jié)性，具備易突發(fā)、難預(yù)測(cè)、成災(zāi)快、水量集中，且具有巨大破壞力等特點(diǎn)[1]。近年來(lái)，鑒于山洪地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，且?guī)?lái)生命財(cái)產(chǎn)損失，各國(guó)政府均高度重視，山洪災(zāi)害預(yù)警防御體系建設(shè)不斷增強(qiáng)[2]。

美國(guó)水文研究中心基于FFG指標(biāo)開發(fā)了山洪預(yù)警指南系統(tǒng)，為山洪預(yù)警提供實(shí)時(shí)信息指導(dǎo)[3]。歐洲委員會(huì)聯(lián)合研究中心基于耦合空間上分布的水文模型，主導(dǎo)研發(fā)了歐洲洪水感知系統(tǒng)，并應(yīng)用于相關(guān)國(guó)家的中期洪水預(yù)報(bào)[4]。日本國(guó)土交通省河川局和氣象廳聯(lián)合完成基于X波段雷波獲取降雨數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)獲取河道地形測(cè)量數(shù)據(jù)的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)分布式水文模計(jì)算洪水演進(jìn)，并通過(guò)各自渠道公布預(yù)報(bào)成果[5]。

我國(guó)山洪災(zāi)害防治起步較晚，在水利、氣象等部門的共同努力下，山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)得到了極大的推動(dòng)。通過(guò)2010—2018年建設(shè)規(guī)劃的實(shí)施，基本完成山洪災(zāi)害防治區(qū)的所有調(diào)查評(píng)價(jià)工作，初步查清了山洪災(zāi)害基本情況和分布特征;通過(guò)建設(shè)數(shù)據(jù)共享功能自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)站，建成基本覆蓋我國(guó)國(guó)土的山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)預(yù)警體系;通過(guò)建設(shè)共完成了覆蓋1個(gè)國(guó)家級(jí)、7個(gè)流域機(jī)構(gòu)、30個(gè)省級(jí)、305個(gè)地級(jí)市、2 058個(gè)縣的山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)上下聯(lián)動(dòng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，有效提升了我國(guó)山洪災(zāi)害防治的信息化水平[6、7]。

國(guó)內(nèi)外的山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在設(shè)計(jì)思路、預(yù)警方式和預(yù)警表達(dá)上存著一些差異，本文以山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息平臺(tái)建設(shè)為出發(fā)點(diǎn)，梳理分析國(guó)內(nèi)外山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)現(xiàn)狀，分析展望我國(guó)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息平臺(tái)建設(shè)方向。

1? 國(guó)外研究現(xiàn)狀

1.1? 美國(guó)山洪指導(dǎo)系統(tǒng)

國(guó)外山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，最有代表性的是廣泛應(yīng)用于亞非、歐洲、中美洲等多國(guó)的美國(guó)山洪指導(dǎo)系統(tǒng)（FFGS），并取得了良好的應(yīng)用效果[7]。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是依據(jù)實(shí)時(shí)采集的土壤含水量數(shù)據(jù)反演臨界流量值時(shí)段作為預(yù)警指標(biāo)，被稱為“山洪早期預(yù)警臨界雨量指標(biāo)系統(tǒng)”或“基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的山洪早期預(yù)警系統(tǒng)” [3]。

1.2? 山洪預(yù)警體系

美國(guó)山洪預(yù)警是由多家機(jī)構(gòu)協(xié)助完成，由美國(guó)內(nèi)務(wù)部下屬的美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）代表聯(lián)邦政府負(fù)責(zé)建設(shè)和管理全美水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)及雨水情信息的采集和傳輸。測(cè)站自動(dòng)監(jiān)測(cè)信息通過(guò)衛(wèi)星通信手段傳輸?shù)轿挥谌A盛頓的中央級(jí)數(shù)據(jù)中心，繼而分發(fā)至美國(guó)國(guó)家天氣局（NWS）所屬的13個(gè)河流預(yù)報(bào)中心（RFC），供其使用。由河流預(yù)報(bào)中心（RFC）制作所轄區(qū)域山洪早期預(yù)警臨界雨量指標(biāo)圖（FFG），報(bào)送到相應(yīng)的天氣服務(wù)機(jī)構(gòu)（WFO），由天氣服務(wù)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)公眾發(fā)布山洪預(yù)警信息[3]。

1.3? 預(yù)警指標(biāo)

基于FFG方法的山洪災(zāi)害預(yù)警是基于水文模型以小流域內(nèi)已發(fā)生的降雨量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算流域內(nèi)土壤濕度數(shù)據(jù)，進(jìn)而反推流域出口斷面的洪峰流量值，并最終對(duì)比預(yù)設(shè)定的預(yù)警流量值時(shí)所需達(dá)到的降雨量，從而確定預(yù)警等級(jí)。該降雨量稱為“山洪指南值”（FFG）或動(dòng)態(tài)“臨界雨量值”。每6小時(shí)，通過(guò)土壤模型計(jì)算一次土壤濕度，再通過(guò)山洪指南計(jì)算模型生成1-3-6-24小時(shí)FFG產(chǎn)品[11]。水文分析過(guò)程復(fù)雜，需要豐富的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)完成，該項(xiàng)工作主要依托于河流預(yù)報(bào)部門，F(xiàn)FG預(yù)警信息發(fā)布主要依托氣象預(yù)報(bào)部門，該部門掌握了豐富的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，結(jié)合上述數(shù)據(jù)可完成山洪威脅指標(biāo)（FFT）等產(chǎn)品數(shù)據(jù)的發(fā)布。

1.4? 信息平臺(tái)預(yù)警發(fā)布

FFGS不是一個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，只是它提供的輸出產(chǎn)品可以用于山洪預(yù)報(bào)。FFGS信息平臺(tái)最終以網(wǎng)頁(yè)形式為決策者和社會(huì)公眾發(fā)布預(yù)警信息。平臺(tái)上提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)品格式主要為數(shù)字地圖[9、10]，類型主要有：

1-3-6-24小時(shí)MCIDAS衛(wèi)星云圖影像（MAI：MCIDAS AREA IMAGE）產(chǎn)品;

1-3-6-24小時(shí)流域面平均雨量圖（MAP：BASIN MEAN AREAL PRECIPITATION）產(chǎn)品;

6小時(shí)流域土壤含水量分布圖（ASM：BASIN AVERAGE SOIL MOISTURE）產(chǎn)品;

1-3-6小時(shí)流域當(dāng)前山洪指導(dǎo)值（山洪早期預(yù)警臨界雨量指標(biāo)FFG：FLASH FLOOD GUIDANCE）產(chǎn)品;

1-3-6小時(shí)流域前期山洪指導(dǎo)值（Prev FFG：PREVIOUS FLASH FLOOD GUIDANCE）產(chǎn)品。

2? 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1? 我國(guó)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系

山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要依托于各地設(shè)置的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站獲取的實(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)。省或市、縣級(jí)預(yù)警平臺(tái)同時(shí)接收自動(dòng)監(jiān)測(cè)站所發(fā)送的實(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)。山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警決策主要依托縣級(jí)防汛部門完成，預(yù)警過(guò)程主要由縣級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

預(yù)警主要包括兩個(gè)階段：內(nèi)部預(yù)警和外部預(yù)警。其中內(nèi)部預(yù)警主要是面向防汛人員及相關(guān)責(zé)任人，主要特點(diǎn)是當(dāng)降雨量達(dá)到臨界雨量值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)防汛人員及相關(guān)責(zé)任人發(fā)布預(yù)警信息，提示相關(guān)人員做好防汛準(zhǔn)備，預(yù)警方式為在信息平臺(tái)的地圖上對(duì)應(yīng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)圖標(biāo)閃爍以及彈窗提示。外部預(yù)警主要是對(duì)社會(huì)公眾發(fā)布，主要包括防汛指揮和人員調(diào)度，在接收信息平臺(tái)發(fā)布的預(yù)警信息后，進(jìn)行查詢核對(duì)，確定預(yù)警級(jí)別和范圍，向選定的范圍內(nèi)行政鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）責(zé)任人員發(fā)送通知，可通過(guò)電信通訊、信息平臺(tái)自動(dòng)發(fā)送相關(guān)的預(yù)警短信等方式，再由相關(guān)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）啟動(dòng)預(yù)警響應(yīng)預(yù)案、組織群眾撤離 [12]。

概括來(lái)說(shuō)，當(dāng)某個(gè)監(jiān)測(cè)站的雨量值超過(guò)預(yù)警指標(biāo)，則通過(guò)信息平臺(tái)對(duì)防汛人員產(chǎn)生新的預(yù)警信息，經(jīng)防汛人員審核后，通過(guò)短信或電話方式通知相關(guān)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）防汛責(zé)任人員，啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)。

2.2? 預(yù)警指標(biāo)

預(yù)警指標(biāo)主要依據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站雨量數(shù)據(jù)，預(yù)警等級(jí)劃分需要綜合預(yù)警指標(biāo)和等級(jí)劃分方法最終確定。預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)主要依據(jù)實(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)，而實(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)主要來(lái)源于自動(dòng)監(jiān)測(cè)站雨量數(shù)據(jù)。預(yù)警指標(biāo)包括警戒雨量和危險(xiǎn)雨量?jī)煞N，對(duì)應(yīng)的預(yù)警等級(jí)是準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移兩種。當(dāng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站水雨情數(shù)據(jù)到達(dá)臨界雨量值時(shí)，即發(fā)出預(yù)警。鑒于各縣自然地理?xiàng)l件迥異，存在較大的實(shí)際差異，因此每個(gè)縣的臨界雨量值必須基于《山洪災(zāi)害臨界雨量分析計(jì)算細(xì)則》中明確的基于歷史數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)法和《山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)方法指南》中推薦的反推法來(lái)具體確定相應(yīng)的臨界雨量值，從而確保每個(gè)縣的臨界雨量值都能反映當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)。

2.3? 信息平臺(tái)預(yù)警發(fā)布

各地縣級(jí)山洪災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)由不同的技術(shù)單位進(jìn)行開發(fā)，國(guó)家防辦統(tǒng)一要求，各縣級(jí)平臺(tái)均基于B/S模式開發(fā)，必須包含如下功能：基礎(chǔ)信息查詢功能、水情預(yù)報(bào)服務(wù)功能、水雨情監(jiān)測(cè)查詢功能、氣象國(guó)土信息服務(wù)功能、預(yù)警發(fā)布服務(wù)功能、應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)功能、系統(tǒng)管理功能等。

縣級(jí)平臺(tái)是一個(gè)面向縣級(jí)決策人員的GIS系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)地圖交互查詢，通過(guò)列表等形式展示水雨情信息，并通過(guò)地圖圖標(biāo)閃爍等方式實(shí)現(xiàn)預(yù)警。決策人員綜合分析預(yù)警和水雨情信息后，基于平臺(tái)短信發(fā)送功能，實(shí)現(xiàn)向下一級(jí)防汛責(zé)任人自動(dòng)發(fā)送預(yù)警信息的目標(biāo)。

3? 國(guó)內(nèi)外信息平臺(tái)對(duì)比分析

通過(guò)上述研究現(xiàn)狀分析可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外信息平臺(tái)在預(yù)警方式、預(yù)警指標(biāo)等方面存在諸多差異，見表1。兩者都是采用BS軟件架構(gòu)，但美國(guó)的FFGS更偏向是一個(gè)可供瀏覽的網(wǎng)頁(yè)，我國(guó)的縣級(jí)預(yù)警平臺(tái)則偏向一個(gè)可交互查詢的地理信息系統(tǒng);FFGS平臺(tái)面向的是決策者和社會(huì)公眾，提供的預(yù)警成果是可供瀏覽的電子地圖，它并非一個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，而是被動(dòng)等待查詢流域山洪指導(dǎo)值圖、流域山洪風(fēng)險(xiǎn)圖等信息，并且以小流域?yàn)樽钚☆A(yù)警單位。而我國(guó)縣級(jí)預(yù)警信息平臺(tái)面向的縣級(jí)防汛管理人員，是一個(gè)以行政鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為最小預(yù)警單位的預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，會(huì)在平臺(tái)中主動(dòng)提示預(yù)警信息，并且可由系統(tǒng)操作員利用信息平臺(tái)直接發(fā)送預(yù)警信息給行政鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的相關(guān)負(fù)責(zé)人員。

另外，兩者最大的差異體現(xiàn)在預(yù)警指標(biāo)上，美國(guó)的FFGS采用的是動(dòng)態(tài)臨界雨量，該指標(biāo)耦合了前期降雨對(duì)土壤含水量的影響，是由國(guó)家氣象局所屬的河流預(yù)報(bào)中心運(yùn)行土壤濕度模型、FFG模型等計(jì)算出的成果;而我國(guó)采用的是靜態(tài)臨界雨量，該指標(biāo)的確定主要采用反推法和經(jīng)驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)法臨界雨量是由歷史資料統(tǒng)計(jì)分析得出，未考慮物理機(jī)制，精度較低;反推法的主要思路是依據(jù)暴雨洪水設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算預(yù)警指標(biāo)，結(jié)合多年的歷史成災(zāi)水位數(shù)據(jù)反推對(duì)應(yīng)的成災(zāi)流量數(shù)據(jù)，同時(shí)將土壤含水量條件設(shè)定在不同的條件下（較干、一般、較濕），基于推理公式法或水文模型計(jì)算法推導(dǎo)時(shí)段雨量數(shù)據(jù)，該方法的主要缺點(diǎn)是沒(méi)有假定暴雨與洪峰流量具有相同的頻率，并將前期降雨條件對(duì)臨界雨量值的影響納入計(jì)算[13]。

4? 山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息平臺(tái)展望

我國(guó)山洪災(zāi)害防治雖然起步晚，但已建山洪災(zāi)害防治體系發(fā)揮了顯著成效，人員傷亡大幅減少[13]。結(jié)合國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)比，從我國(guó)的山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，豐富的交互界面和主動(dòng)預(yù)警的發(fā)布方式，為縣級(jí)防汛管理人員提供了極好的決策支持，全面提升了山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，但監(jiān)測(cè)預(yù)警精確度的提高仍是未來(lái)研究中的關(guān)鍵問(wèn)題。

（1）建立水文模型，提升預(yù)警精度

預(yù)警預(yù)報(bào)指標(biāo)的準(zhǔn)確度直接影響到山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)施效果。我國(guó)實(shí)際應(yīng)用中采用的靜態(tài)臨界雨量是一個(gè)多采用經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定的定值，未考慮前期降雨影響以及流域下墊面空間分布異質(zhì)性。以此作為預(yù)警判斷依據(jù)導(dǎo)致空?qǐng)?bào)、漏報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，長(zhǎng)此以往，可能降低人民群眾對(duì)預(yù)警預(yù)案執(zhí)行的配合度。借鑒國(guó)外成果經(jīng)驗(yàn)，充分考慮前期降雨對(duì)下墊面的影響，建立流域水文模型，生成動(dòng)態(tài)臨界雨量等實(shí)時(shí)預(yù)警指標(biāo)，提高預(yù)警精確度，是山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息平臺(tái)發(fā)展的必然選擇。

（2）基于小流域單元的預(yù)警預(yù)報(bào)

2010年～2018年，我國(guó)政府部門不斷投入建設(shè)完善山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)防御體系已初步實(shí)現(xiàn)。縣級(jí)平臺(tái)中，預(yù)警發(fā)布一般以行政鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為預(yù)警單元，這種設(shè)置充分利用了行政資源，確保預(yù)警預(yù)案的有效實(shí)施。但在建立水文模型、提升預(yù)警精度的趨勢(shì)下，打通行政區(qū)劃壁壘，基于小流域單元發(fā)布合理預(yù)警信息，是信息平臺(tái)發(fā)展的重要方向。

（3）面向?qū)I(yè)人員和社會(huì)公眾的差異化信息平臺(tái)

美國(guó)FFGS系統(tǒng)的整體優(yōu)勢(shì)在于監(jiān)測(cè)站點(diǎn)統(tǒng)一布設(shè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收，并由專業(yè)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)運(yùn)算水文模型，再將預(yù)警成果統(tǒng)一發(fā)布在公共網(wǎng)站。借鑒這種思路，信息平臺(tái)的發(fā)展可以進(jìn)行差異性分化，一類面向?qū)I(yè)決策人員，一類面向社會(huì)公眾。專業(yè)的計(jì)算交由專業(yè)機(jī)構(gòu)和專業(yè)信息平臺(tái)來(lái)完成，依托公眾信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警信息對(duì)外發(fā)布，提高公眾防洪減災(zāi)預(yù)警意識(shí)和政府應(yīng)對(duì)災(zāi)害應(yīng)急管理水平。

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