廣東省山洪災害重點沿河村落雨量預警方法探析

柳 楊, 林 波

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，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節。山丘區是山洪災害的高發區，而我國有約66.7%的面積處在山丘區。山丘區的強降雨經常導致山洪災害的頻繁發生，造成嚴重的人員傷亡和財產損失。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《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項目并投入運行，取得一定成效。

小流域是山洪災害調查評價的基本單元，調查涉及災害概況、流域特征、水文狀況、社會經濟狀況等，并結合調查內容對沿河村落的防洪現狀進行綜合分析；通過綜合分析劃定重點防治區，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據，可傳送至縣級山洪災害監測預警系統，相關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查評價的前期成果數據，統計并分析山洪災害重點沿河村落與自動雨量站之間的關聯性，將重點沿河村落雨量預警關聯到山洪災害防治區內的自動雨量站，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村民，做好撤離預警準備。

結合現代遙測技術雷達云圖預測，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場預警[4]。通過前向反饋，逐步調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]。該法可以實現降雨產匯流整個過程的上、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聯到山洪災害防治區內的自動雨量站，通過行政區劃內多站均值方法進行雨量預報預警。鑒于行政區劃內多站均值并未考慮小流域特征，往往將流域外無關聯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、及時的現場信息，保障人民生命財產安全，為相關部門提供科學的預警預報決策依據，更好更快地指揮受山洪威脅地區的抗洪搶險。

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，根據防災對象所在地區氣候、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，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、洪水上漲速率、轉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流，是雨量預警的重要基礎信息，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。扣損主要分為初損和穩定下滲兩個部分，初損指從暴雨起始時間開始發生的逐時段扣損，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。在初損結算完畢，轉為采用穩定下滲率進行逐時扣損。

根據有關研究[8]，在山洪凈雨分析中通常可以忽略0.25～1.25 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計洪水計算時，其變量只是設計頻率[9-10]，因此，可以建立洪峰流量與設計頻率的單一函數關系，由此可根據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、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移和立即轉移的預警指標，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，在數值上通常可以認為臨界雨量是立即轉移的指標；而準備轉移指標，則需要確定某個控制斷面的準備轉移流量，再反推對應雨量，對臨界雨量進行折減[11-12]。

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

3 雨量預警的方法分析

3.1 行政區劃內多站均值法

2010年以來，全國陸續開展了山洪災害的防治工作，山洪災害防御體系已經初步形成。大數據系統建設也為山洪災害防治提供技術支持，如山洪災害監測預警系統(主要建設于山洪災害防治縣)，山洪災害監測預警信息管理系統(主要建設于國家和省、市級)，近年還以省級為單位先后開展山洪災害數據同步共享系統的試點建設。現有山洪災害監測預警系統的建設經驗，能夠結合信息技術發展新趨勢集成應用山洪災害調查評價成果，解決基層技術力量薄弱、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測預報預警平臺。省級平臺建設將強化現有監測預警系統的各項功能，對可靠性和綜合性能進行全方位優化，實現集約化建設和管理；規范預警模式、升級技術方法，如采用分布式水文等模型，與傳統模型相比，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山洪災害更為精細化、動態化的預警，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、地市級山洪災害監測預警信息管理系統技術要求》[11]《山洪災害防治非工程措施補充完善技術要求》[12]《廣東省2013年度山洪災害防治項目實施方案》[13]，結合《省級山洪災害監測預報預警平臺技術要求(試行)》[14]的任務要求，進一步完善縣級山洪災害監測預警平臺。

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

目前，廣東省山洪災害監測預警平臺的雨量預警主要對鄉鎮行政區界內實時降雨量大于0的自動雨量站進行不同時段的平均值計算，再通過平均值與鄉鎮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，預警平臺就產生山洪災害預警。廣東省山洪災害監測預警平臺具體預警觸發流程見圖2所示。山洪災害監測預警平臺的預警流程如下：新產生→內部預警→會商研判→外部預警→跟蹤督導→取消預警→處置記錄。

圖2 廣東省山洪災害監測預警平臺具體預警觸發流程示意

3.2 小流域內多站均值法

各個鄉鎮的行政區界內存在較多自動雨量站，尤其個別行政區界較大的區域，當出現局部暴雨時，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，行政區界內大多數自動雨量站不屬于同一個小流域，不同流域又往往導致產匯流不一致，不同流域內自動雨量站的實測雨量之間不存在有一定的相關性。因此，通過行政區內多站均值法進行平均值計算，并給該鄉鎮所屬重點沿河村落發布預警，可能會造成漏報現象。

為了更好地給重點沿河村落發布預警，減少漏報現象，對鄉鎮界內雨量測站分布范圍進行縮小，將該鄉鎮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雨量測站按流域分塊統計[15]，當該流域內雨量測站少于3 h，則從附近流域查找關聯，至少保證每個流域有3～5個雨量測站，保證有一定數量自動雨量站可使用。

小流域內多站均值法對雨量預警判斷規則進行細化改善，主要對流域或附近小流域內實時降雨量大于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，則產生山洪災害預警。

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

4 結語

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

2)采用小流域內多站均值法進行雨量預警，對鄉鎮界內雨量測站分布范圍進行縮小，將該鄉鎮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雨量測站按流域分塊統計，一定程度上提高了雨量預警的精確性。

3)通過產匯流原理的對比分析，相較于行政區劃內多站均值法，小流域內多站均值法綜合考慮了局部暴雨、不同流域產匯流差異等情況，更好地反映了流域產匯流過程中降雨量與水位的相關關系，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移的準備和措施。