复合预警指标在山洪灾害预警中的应用分析

郭良 王雅莉 李青 翟晓燕 张晓蕾 刘荣华

摘要：预警指标是山洪灾害预警的依据，准确、有效的预警指标是山洪灾害预警的必然要求。在总结国内外预警指标确定方法的基础上，综合考虑前期影响雨量、场次累计雨量和雨强，提出了复合预警指标法，阐述了确定复合预警指标的原理及方法，并以山西省北张店小流域为例对复合预警指标进行分析计算。结果表明：考虑多个降雨特征值的复合预警指标能够较为准确地反映引发山洪灾害的降雨条件。复合预警指标是由雨强、前期影响雨量和场次累计雨量计算得到的，其计算方法简便、所需资料少、预警过程简单，适合在我国大部分地区山洪灾害预警中推广应用。

关键词：山洪预警；复合预警指标；前期影响雨量；场次累计雨量

中图分类号：TV877

文献标志码：A

doi： 10. 3969/j.issn.1000-1379.2018.07.009

山洪是指降雨、融雪、溃坝等在山丘区小流域引发的陡涨陡落的洪水。近年来，受自然地理条件、极端气象要素以及人类经济社会活动的影响，山洪灾害频发，造成的人员伤亡、财产损失、基础设施损毁和生态环境破坏十分严重。2000-2010年山洪灾害年均死亡人数1079人，约占全国洪涝灾害死亡人数的75%，山洪灾害已成为我国自然灾害造成人员伤亡的主要灾种。2013-2015年，全国开展了大规模山洪灾害调查评价工作，形成了全国山洪灾害调查评价成果数据库，开发了山洪灾害监测预警平台系统。预警平台系统以调查评价数据为基础，实时监测地区暴雨洪水，根据预警指标临界值，发布山洪灾害预警信息。

本文在总结国内外山洪灾害预警指标确定方法的基础上，提出考虑多降雨特征值的复合预警指标确定方法，并以山西省北张店流域为例，运用流域实测降雨资料，对复合预警指标进行分析计算。

1国内外预警指标确定方法

确定山洪灾害预警指标是山洪灾害预警的前提条件。美国山洪预警指标的确定是基于山洪预警指导系统（FFGS），根据实时土壤含水量，运用水文模型计算临界流量的时段雨量作为预警指标；欧洲的山洪预警指标为基于气象的雨量预警指标（EPIC），即运用欧洲洪水预警系统（EFAS）统计分析近30a不同时段数值天气预报的降雨数据，根据降雨的重现期设定预警指标，一般设定2a一遇降雨量为中级预警指标值，5a一遇降雨量为高级预警指标值，20 a一遇降雨量为最高级预警指标值；日本运用以降雨量为指标的地质灾害警戒系统对山洪进行预警，把短期雨量指标（雨强）作为纵坐标，长期雨量指标（土壤雨量指数）作为横坐标，以历史山洪灾害为基础，绘制地质灾害预警临界线（蛇形曲线），并以此线作为判断地质灾害是否发生的依据 。我国台湾的预警指标与日本预警指标的设定类似，分别以短期、长期雨量指标作为纵、横轴，采用降雨驱动指标划定山洪灾害预警临界值。我国大陆在2013年以前山洪灾害预警指标的确定以经验法为主。自2013年开始全国范围的山洪灾害调查以来，中国水利水电科学研究院编制《全国山洪灾害分析评价指南》，在全国推行设计暴雨洪水反推法计算预警指标，运用成灾水位反推成灾流量，设定不同的土壤含水量条件（较干、一般、较湿三种情况），运用推理公式法或水文模型法反推时段雨量，作为预警指标。

对比国内外几种预警指标（见表1）发现，我国与美国预警指标确定方法都是基于流域的产汇流机制，设定时段雨量为预警指标，在一定程度上反映了流域的物理特性。欧洲的预警指标确定方法都是基于历史灾害资料的统计分析，只根据数值天气预报降雨信息确定预警指标，下垫面条件及土壤含水量状况等均未考虑。美国、日本、我国台湾及我国现行水位流量反推法都考虑或部分考虑了土壤含水量对预警指标的影响，美国考虑随时间变化的土壤含水量对预警指标的影响，称为动态预警指标：我国台湾把前期土壤含水量与场次累计雨量并称为有效累计雨量，用来确定预警指标。研究发现考虑前期雨量、雨强、有效累计雨量等降雨要素，能够较为准确地反映引发山洪的降雨条件，提高预警指标的精准度。

2复合预警指标理论

运用经验法确定的预警指标，未定量考虑雨强和前期影响雨量。引发山洪的暴雨产流具有非线性特点，往往在降雨初期形成超渗产流，造成地面径流迅速增长，形成山洪灾害。研究发现，雨强是山洪灾害形成的主导因素，场次累计雨量和前期影H向雨量对山洪灾害的形成有一定的影响。复合预警指标法是以我国台湾的降雨驱动指标法为基础，考虑了雨强、前期影响雨量、场次累计雨量等降雨要素的一种山洪灾害预警指标计算方法。复合预警指标确定过程中，把场次累计雨量与前期影响雨量之和定义为有效累计雨量。

复合预警指标计算的基本理论与降雨驱动指标法类似，其基本公式为

CWI=PI·R

（1）式中：CWI为复合预警指标，mm^2/h；PI为山洪发生时刻的降雨强度，mm/h；R为有效累计雨量，mm。

有效累计雨量R定义为该场次累计雨量（R0）与前期影响雨量（Pa）之和：

R =Ro+Pa

（2）

前期影响雨量为该次降雨开始时刻前几天的加权降雨量之和：式中：Pa≤Wm.（饱和土壤含水量）；Ri为第i天日雨量；αi为第i天日雨量加权系数；n为计算天数。

对于湿润、半湿润地区，蒸发量较小，n≥10，α为0.8～0.9；对于干旱、半干旱地区，蒸发量较大，n≥5，α为0.6～0.8。

计算复合预警指标时，首先要分析每次山洪发生时的降雨强度（ PI）及山洪发生之前的有效累计雨量（R），然后计算该次山洪事件的復合预警指标值（CWI）。在我国大部分地区，发生山洪的时刻不能准确确定，因此通常以该场降雨的最大降雨强度作为发生山洪时的雨强。

3复合预警指标的应用

3.1研究区概况

北张店小流域位于山西省长治市屯留县张店镇，绛河上游，集水面积270km^2。流域形状为扇形，属砂页岩石山区，黄土覆盖不厚，多属于第三纪红土，植被较差，水土流失严重。流域地势西高东低，由西北向东南倾斜，平均高程1182m。流域属暖温带大陆性季风气候区，四季分明，年平均气温为9.2℃。多年平均降水量为574.9mm，年际变化较大，年内分配不均匀，冬季干旱少雨，夏季降雨充沛。多年平均汛期（6-9月）降雨量占全年降水量的70%以上，多年平均蒸发能力为l755mm。流域内有1个水文站（北张店站）、10个雨量站。北张店小流域山洪灾害频发，20世纪以来文献记载的较大山洪灾害共7次。下面根据成灾和未成灾的20场实测暴雨洪水资料，分析计算其复合预警指标。

3.2复合预警指标计算

在进行复合预警指标计算前，需根据实测降雨数据进行雨场分割，对引发洪水的降雨，找出洪水发生时的雨强以及灾害发生前的有效累计降雨量。对未发生洪水的降雨场次或发生洪水但不确定成灾时刻的降雨场次，将场次的最大雨强作为激发雨强，并计算相应的有效累计雨量。

在一次连续降雨过程中，采用小时雨量大于4mm的时刻作为场次降雨开始时刻，小时雨量连续3h小于4mm的开始点作为降雨结束时刻，来划分降雨场次。

对北张店小流域的降雨资料进行场次划分后，统计其成灾时刻雨强（或最大雨强）、场次累计雨量和前期影响雨量。统计的20场降雨中，有7场发生了山洪灾害。按照发生山洪灾害的降雨场次和未发生山洪灾害的降雨场次，绘制有效累计雨量和雨强散点图（见图1）。从图1可以看出，当有效累计降雨量较小时（图中红线左侧），即使雨强相对较大也未能引发山洪灾害；在雨强和有效累计雨量都较大时（图中红线右侧），发生山洪灾害的可能性更大。这种现象是山丘区小流域的产汇流特性决定的，较大的雨强是山洪发生的激发因素，较大的有效累计雨量为山洪灾害的发生创造了必要条件。在山洪灾害预警指标确定过程中，需综合考虑二者的影响，缺一不可。

运用统计的雨强和有效累计雨量按照上述理论方法计算复合预警指标值，并把这些值按照从大到小的顺序排列，运用经验频率法计算其频率（见图2），大的预警指标值对应小的频率值。图2中可以看出复合预警指标有明显的分群现象，发生山洪灾害的复合预警指标值普遍较大，而未发生山洪灾害的指标值较小。复合预警指标值最大约为2300mm^2/h，均值为1122mm^2/h。有效累计雨量和雨强决定了复合预警指标的大小。北张店小流域位于我国北方地区，属半湿润区与半干旱区的交界地带，年降水量较小，夏季短历时大暴雨居多，年降雨日数少，暴雨场次的前期影响雨量小，场次累计雨量不大，导致有效累计雨量偏小，计算的大部分场次降雨的复合预警指标值不大。夏季也会出现连绵降雨的情况，计算的复合预警指标值会比较大，但这种情况较少。

综合分析北站店小流域的降雨特征，分别设定频率0.5和0.7为高预警临界值和低预警临界值，对应的复合预警指标值分别为915mm^2/h和686mm^2/h，把这两个值作为山洪灾害预警指标，绘制预警临界曲线（见图3）。

在山洪灾害预警过程中，实时观测降雨，找出降雨的最大雨强，计算场次降雨的有效累计雨量，得到复合预警指标值，并将其与预警临界值对比。若实时计算的复合预警指标值大于橙色预警临界值，发布橙色预警信息；若实时复合预警指标值大于紅色预警指标临界值，发布红色预警信息。运用复合预警指标预警的流程见图4。

4结语

在分析国内外山洪预警指标确定方法的基础上，提出了考虑多要素的复合预警指标，在阐述复合预警指标计算理论的基础上，以山西省北张店小流域为例，将复合预警指标应用在山洪灾害预警中。

（1）美国、欧洲、日本、我国台湾等都形成了一套比较完整的预警指标确定方法，这些地区的气候条件和下垫面条件不同，考虑的降雨要素也不尽相同。综合考虑雨强、前期影响雨量和场次累计雨量的复合预警指标确定方法能够较为准确地反映引发山洪灾害的降雨条件。

（2）根据实测降雨资料计算出复合预警指标值后，运用经验频率分析法得到橙色预警和红色预警临界值，绘制预警临界线，并以此为依据进行山洪灾害预警。

考虑多要素的预警指标确定方法是山洪灾害预警指标发展的必然趋势。复合预警指标因其考虑降雨特征值多、计算简单、所需资料少，适合在我国大部分地区应用，尤其是在山丘区采用简易雨量报警器进行预警的村庄，可在简易雨量报警器中嵌入复合预警指标计算程序和阈值。在以后的研究中，需关注其应用效果及与其他预警指标的应用对比。