新疆阿克蘇地區小流域山洪災害與預警技術研究

陳 雷，陳 波

（阿克蘇水文勘測局,新疆 阿克蘇 843000）

由于地形地貌和山區氣象條件的復雜性,山洪災害往往以洪水疊加泥石流和山體滑坡的形式出現,雖然作用時間短但后果相對嚴重。據統計數據顯示,在因洪災死亡的人口中,山洪造成的死亡人數占比超過70%。這一方面是由于山區氣象和水文監測網點相對較少,加之局地短時強降雨發生頻率較高、預測預報難度大。另一方面則是因為山區小流域溝道縱橫交錯、比降較大,降水匯流時間短則幾分鐘、長則幾小時,留給人們的預警和應急響應時間十分有限。因此,在衛星遙感、物聯網、人工智能等技術日益成熟的背景下,在山洪災害防控體系建設中,預警技術的研究和應用成為了重要課題。

1 小流域山洪災害預警技術概述

1.1 山洪災害預警技術原理

根據小流域山洪形成過程及其作用機理,預警技術應用主要是通過實時獲取監測對象上游的降水量和流域水文數據,通過構建風險分析模型,實現對災害風險的動態評估。目前,國內的小流域山洪災害監測主要指標是降雨量和流量、流速等水文數據,通常以臨界雨量和水位做為預警閾值[1]。而預警系統的構建需要依靠物聯網、人工智能等信息技術,通過在流域范圍內科學布置監測網點,利用傳感裝置動態監測、采集和傳輸各項數據,并且基于數據庫和分布式水文分析或降雨量預測模型的構建,對數據進行多目標的實時分析和處理,當預警指標達到臨界閾值時,系統會自動發出預警信息并啟動防災減災應急響應機制。

1.2 山洪災害預警核心技術及應用現狀

精準預測局地強降雨的發生時間、影響范圍是保證預警時效性的前提,而小流域往往地處偏僻地區,已有的氣象和水文監測網點相對較少,使用的技術手段相對落后,且布局不夠合理[2]。在新疆阿克蘇地區,目前有相當一部分降雨量監測網點采用的是人工測量和記錄數據的形式,無法保證山洪災害監測數據的時效性。此外,要想精準預測災害發生概率及其影響,必須動態測量、感應和匯總各方面信息,模擬推演洪災的發生發展過程,以便優化臨界雨量、水位、應急響應時間等預警指標。

2 小流域山洪災害預警技術的應用

拜城縣位于新疆阿克蘇地區,整體地形地貌為狹長的盆地,四面被群山環繞,總面積約19100 km2,年均降水量大約95 mm,最長的連續降水時間為8天,日最高降水量約55 mm。境內山洪主要溝道四十多條,支溝則多達數百條。因此,拜城縣是阿克蘇地區小流域山洪災害發生頻率高的地區。加之縣內河道也存在洪澇災害,二者疊加作用下的損失往往非常嚴重,因此,探索災害預警技術的應用,實現對拜城縣小流域山洪災害的動態監測、精準預測和有效預防,是一項意義重大的工作。

2.1 拜城縣小流域山洪災害特點

拜城縣地處天山山脈中部的阿克蘇地區,山洪災害類型多樣且發生頻率較高。小流域溝道走向復雜,分布范圍廣。首先,按照起因分類,拜城縣小流域存在強降雨山洪、融雪山洪以及二者共同作用下的山洪災害。尤其是暴雨引發的山洪災害突發性極強,從起漲到回落時間最短的僅約30 min,多數都不超過24 h,而且洪水量懸殊；其次,由于阿克蘇地區特殊的地形地貌和氣象條件,導致拜城縣小流域山洪溝道眾多,在局地發生短時強降雨的情況下,匯流形成時間多在6 h以內。而其影響范圍內的村莊和人口較為分散,應急疏散所需時間相對較長。所以,山洪災害對當地民眾的生產生活危害較大。

2.2 拜城縣小流域山洪災害現有監測和防控體系

根據現場調查和數據分析結果,在所有沿河防災對象中,山洪災害防控能力大于100 年一遇的14 個,大于5 年但小于20 年一遇的9 個,大于20 年但小于100 年一遇的13 個。目前,拜城縣境內小流域共計有8 個自動化和4 個人工雨量監測點、4 個流域水位自動化監測點。從搭建山洪災害動態風險評估和預警系統的角度來看,現有監測網點所采集的數據類型、時效性均無法滿足要求,不能精準預測局地短時強降雨發生時間、降雨量和各監測點洪峰流量。

2.3 基于GIS系統構建智能化小流域山洪災害預警系統

為提高拜城縣小流域山洪災害防控的時效性,在移動通信和衛星遙感網絡基本實現全覆蓋的背景下,探索構建智能化的小流域山洪災害預警系統。基于對新疆阿克蘇地區以及拜城縣當地氣象、水文歷史資料和監測數據的分析,優化現有山區局地雨量和流域水文監測網點,搭建智能化山洪災害風險分析和預警系統,結合已有應急機制,有效提升拜城縣小流域山洪災害防控能力。

2.3.1 系統基本架構

結合拜城縣小流域山洪災害特點和作用機理,借鑒國內其它地區小流域山洪災害預警技術的研究成果和應用案例,基于物聯網技術搭建實時監測和動態風險分析、預警系統。在硬件設施方面,系統由分布于監測網點的信息感應裝置、基于無線通信的信息傳輸網絡、監控中心服務器和客戶端構成。

2.3.2 基礎數據采集網點設置

為保證局地短時強降雨和山洪災害發生概率、時間的預測精度,通過搜集新疆阿克蘇地區的氣象和水文歷史資料,參照相關科研成果和指導性文件,對拜城縣小流域山洪災害風險區域進行深入調研和分析論證。繪制多個防災對象的水位-流量關系曲線,并且在假設洪水與暴雨同頻率的前提下,將防災對象的危險區劃分為極高、高、一般3 個等級,統計相應范圍內的人口和房屋分布。最后,結合不同區域降雨匯流時間,優化布置降水量、流域水文數據實時監測和采集網點,為評估山洪災害風險和實現智能化預警提供全面、可靠的基礎數據。

2.3.3 數據庫和分析模型構建

針對拜城縣小流域山洪災害特點,以實現動態風險評估、精準預測局地短時強降雨、保證應急疏散時間、有效減少災害損失為目標,構建基礎數據庫和風險分析、降雨量和山洪災害預測模型[3]。首先,數據庫建設要以新疆阿克蘇地區小流域山洪災害防控歷史數據為基礎,基于拜城縣小流域實時監測網點的設置,分別構建用于降水量預測、山洪災害風險評估的數據庫,動態更新各項氣象、水文指標；其次,基于GIS系統和人工智能技術的應用,構建多目標數據分析模型,對實時匯總的氣象、水文數據進行計算和分析。

2.3.4 預警指標及其閾值設置

根據現有預警技術和軟硬件設施條件,選擇以臨界降雨量和流量做為預警指標[4]。結合拜城縣小流域不同風險等級區域的短時強降雨雨量、溝道匯流時間等歷史數據,為預警指標計算提供依據。首先,根據既定預警時段,按照選定時段給定相應的雨量值,運用雨力公式分析計算各個時間的雨量；其次,參照《山洪災害分析評價技術要求》,確定預警流量和計算流量的閾值；再次,根據《評價技術要求》,臨界雨量預警值按照山洪災害防控技術要求,分別設置準備轉移和立即轉移兩項指標。

2.3.5 山洪災害動態監控和應急處置體系建設

在搭建山洪災害動態風險分析和預警系統的基礎上,對拜城縣已有監控和應急處置體系進行必要的完善,使之契合防御小流域山洪災害的需要。首先,在科學劃分風險區域、優化布置降水量和水文數據監測網點的情況下,完善原有山洪災害應急管理組織機構和相應的工作流程。明確智能化監測和預警系統的運維和管理職責,確保其風險評估結果的可靠性以及預警信息的時效性。并且圍繞新的小流域山洪災害防控策略。

3 設計洪水

設計洪水主要采用地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法,是規范允許的資料短缺地區使用的方法,能夠反映地區洪峰流量模比系數的綜合規律。該方法能充分利用水庫壩址處的歷史洪水調查結果,計算成果相對合理。

3.1 洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法

計算各站洪峰流量系列模比系數,將各站洪峰流量模比系數經驗分布點繪在同一張概率格紙上,對經驗分布點進行適線求得該區域的頻率曲線,理論頻率曲線采用P-Ⅲ型曲線,分別得到不同頻率的設計洪峰流量模比系數。

采用地區洪峰流量頻率曲線法推求計算斷面設計洪峰流量,計算公式如下：

式中： Qp為設計洪峰流量,m3/s；Kp為頻率為P的洪峰流量模比系數；Qd為調查歷史洪水洪峰流量；Kd為調查洪水洪峰流量模比系數。

3.2 地區綜合經驗公式

利用新疆水文局選用南疆巴州至克州八處有實測洪水的中小河流水文站建立的小流域暴雨洪峰流量經驗公式進行分析計算,其公式為：

式中：Qm為多年平均年最大洪峰流量,m3/s；A為流域面積,km2；L為主河溝長度,km；J為主河溝坡降,‰；f為流域形狀系數,Pm為流域多年平均最大一日降水量,mm。

針對拜城縣在新疆省降雨分區、小流域特性等,選擇適合各個計算單元的設計暴雨、設計洪水以及山洪模擬的計算方法。

3.3 設計洪水計算成果整理

在以上基礎上,整理成果,表格填寫情況,按分析評價的防災對象逐個繪制防災對象水位-流量-人口對照關系圖。

圖1 牧場水位-流量-人口對照關系

圖2 尤勒袞亞村1~4組水位-流量-人口對照關系

圖3 托普魯克6村2小隊水位-流量-人口對照關系

3.4 成果整理及現狀防洪能力圖繪制

根據現場調查并結合分析評價得到的沿河村落、集鎮和城鎮的人口-水位關系,以及上面確定的不同危險區內的人口,統計確定成災水位（其他特征水位）、各頻率設計洪水位下的累計人口和房屋數,繪制防洪現狀評價圖。

圖4、圖5給出了亞吐爾鄉牧場以及老虎臺鄉托普魯克6 村2 小隊的現狀防洪能力圖。用同樣的方法繪制了拜城縣其他分析評價對象對象的現狀防洪能力圖。

圖4 牧場現狀防洪能力分布信息

圖5 托普魯克6村2小隊現狀防洪能力分布信息

4 結語

新疆阿克蘇地區小流域坡面和溝道眾多且比降較大、匯流時間短,山洪災害發生頻率較高。在重點防洪區域的拜城縣探索山洪災害預警技術的應用,通過優化監測網點布置,搭建智能化的預警系統,提高了局地短時強降雨預報精度,實現了對拜城縣山洪災害的動態監測和有效預防。