广东省山洪灾害重点沿河村落雨量预警方法探析

柳 杨, 林 波

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

1 概述

山洪灾害防御是我国防洪减灾工作的难点和薄弱环节。山丘区是山洪灾害的高发区，而我国有约66.7%的面积处在山丘区。山丘区的强降雨经常导致山洪灾害的频繁发生，造成严重的人员伤亡和财产损失。党和国家高度重视我国的山洪灾害问题，党中央和国务院对此作出重要部署。据《全国山洪灾害防治项目实施方案(2013—2015)》[1]所提出的要求，广东省已纳入80个山洪灾害防治实施县，并于2013—2015年度完成和验收相关项目并投入运行，取得一定成效。

小流域是山洪灾害调查评价的基本单元，调查涉及灾害概况、流域特征、水文状况、社会经济状况等，并结合调查内容对沿河村落的防洪现状进行综合分析；通过综合分析划定重点防治区，确定预警指标并计算对应的阈值，以达到高时效性、高准确度的预警和灾害防御效果。而雨量预警指标分析主要以防治对象为单元，基于小流域暴雨洪水和防洪现状评价成果，重点分析流域不同前期土壤含水量情况下的临界雨量，即干旱(AMC I)、正常(ACM II)和湿润(ACM III)3个级别。

广东省基本覆盖安装和部署的自动雨量站所采集的数据，可传送至县级山洪灾害监测预警系统，相关防御工作人员可实时查看各自动雨量站的雨量情况。综合考虑流域地形地貌、洪水特征以及山洪灾害调查评价的前期成果数据，统计并分析山洪灾害重点沿河村落与自动雨量站之间的关联性，将重点沿河村落雨量预警关联到山洪灾害防治区内的自动雨量站，使雨量预警能够在实际中应用，并在雨量预警信息发布中准确地将预警信息通知到防汛责任人，再由防汛责任人通知有关村民，做好撤离预警准备。

结合现代遥测技术雷达云图预测，在重点沿河村落小流域上空进行气象预报[2]、空中进行雨量测站实时预警[3]、地上进行河道水位的现场预警[4]。通过前向反馈，逐步调整和改善水文气象预报和测报条件，提高暴雨洪水信息的时效性[5-7]。该法可以实现降雨产汇流整个过程的上、中、下3个阶段预警预报的全面覆盖，提高预警分布的可靠性和准确性。

目前，广东省山洪灾害监测预警平台中重点沿河村落雨量预警主要进行雨量测站实时预警，将重点沿河村落预警雨量关联到山洪灾害防治区内的自动雨量站，通过行政区划内多站均值方法进行雨量预报预警。鉴于行政区划内多站均值并未考虑小流域特征，往往将流域外无关联性自动雨量站纳入计算，易导致预警偏差。本次细化预警机制，引入小流域内多站均值方法，完善省山洪灾害的雨量预警，提供更准确、及时的现场信息，保障人民生命财产安全，为相关部门提供科学的预警预报决策依据，更好更快地指挥受山洪威胁地区的抗洪抢险。

2 预警雨量的确定

2.1 预警时段确定

预警时段是雨量预警指标的重要组成部分，对应预警指标的典型降雨历时。预警时段的影响因素众多，包括防灾对象上游集雨面积大小、流域形状、降雨强度，以及地形地貌、土壤含水量、植被等。一般情况下，预警时段长度与流域面积成正比，与河流比降成反比。

在山洪灾害分析评价中，预警时段的确定遵循以下的几条具体原则：

1)最长时段：沿河村落预警指标的最长时段取用对应小流域的流域汇流时间。

2)典型时段：对于小于最长时段典型时段，根据防灾对象所在地区气候、地形等特性，综合确定小于汇流时间的短历时预警时段，如60 min、180 min等，通常选取2～3个典型预警时段。广东省位于典型的南方湿润地区，最小预警时段选为30 min。

3)综合确定：充分参考流域单位线信息，结合暴雨和下垫面特性并将历史山洪情况纳入考量，同时考虑对象所处河段的河谷形态、洪水上涨速率、转移时间及其影响人口等，综合确定各各个典型预警时段，从最小预警时段直至流域汇流时间。

2.2 流域土壤含水量确定

流域土壤含水量影响流域产流，是雨量预警的重要基础信息，可用于分析临界雨量阈值。当土壤含水量较小时，降雨入渗较大，地表径流相应较小，山洪灾害发生的概率也相对较低。当土壤含水量较大时，降雨入渗则较小，对应地表径流增大，山洪灾害发生率上升。

本文预警指标分析的3种初始土壤含水量情况分别是干旱(Pa≤0.5Wm)、正常(0.5Wm≤Pa≤0.75Wm)以及湿润(Pa≥0.9Wm)3种。本次计算流域平均最大需水量取100 mm，初始含水量值设定为90 mm、75 mm、50 mm 3种情况，分别代表土壤含水量湿润、正常和干旱3种情况。

采用现有成果或前期降雨对流域初始土壤含水量进行估算。土壤含水量的大小与临界雨量计算时对应的雨量扣损密切相关。扣损主要分为初损和稳定下渗两个部分，初损指从暴雨起始时间开始发生的逐时段扣损，当扣除的累积雨量值达到初损值时停止。在完成扣损后的净雨时程分配成果，不会改变主雨峰和雨型的分配状况。在初损结算完毕，转为采用稳定下渗率进行逐时扣损。

根据有关研究[8]，在山洪净雨分析中通常可以忽略0.25～1.25 mm之间的植被截流量；而部分小流域具有较高的森林覆盖率，此时林冠层截留降雨作用受到植被郁闭度、林型、树种和枯枝落叶层等因素影响，当降雨量较低时，截流作用产生较大波动；当降雨量较大时，截留作用达到定值，可达13～17 mm。

2.3 雨量预警指标综合确定

雨量预警指标计算采用降雨分析法，计算方法总体而言相当于设计洪水的反过程。采用推理公式法针对一个确定的流域进行设计洪水计算时，其变量只是设计频率[9-10]，因此，可以建立洪峰流量与设计频率的单一函数关系，由此可根据成灾流量反推出相应的频率，进而确定出相应降雨值(计算流程如图1所示)。

图1 推理公式法推求预警指标流程示意

预警指标的确定，应当考虑多个因素，涵盖对象所处河段河谷形态、洪水上涨速率、预警响应时间和站点位置等因素，完成临界雨量的计算后以此为参考加以确定准备转移和立即转移的预警指标，利用洪水信息向预警指标进行反馈校正，防止成灾水位和其对应的暴雨洪水的频率产生较大差异。

从计算原理而言，临界雨量基于洪水对降雨的信息反算，在数值上通常可以认为临界雨量是立即转移的指标；而准备转移指标，则需要确定某个控制断面的准备转移流量，再反推对应雨量，对临界雨量进行折减[11-12]。

通过设计洪水推算立即转移流量过程线，并将过程线前推30 min作为准备转移过程，此过程对应准备转移流量，进一步推算准备转移雨量。

3 雨量预警的方法分析

3.1 行政区划内多站均值法

2010年以来，全国陆续开展了山洪灾害的防治工作，山洪灾害防御体系已经初步形成。大数据系统建设也为山洪灾害防治提供技术支持，如山洪灾害监测预警系统(主要建设于山洪灾害防治县)，山洪灾害监测预警信息管理系统(主要建设于国家和省、市级)，近年还以省级为单位先后开展山洪灾害数据同步共享系统的试点建设。现有山洪灾害监测预警系统的建设经验，能够结合信息技术发展新趋势集成应用山洪灾害调查评价成果，解决基层技术力量薄弱、运行维护困难问题，并将预警精度再上升一个台阶。下一步将在不改变现有山洪灾害防御管理体制和责任体制条件下，采用省级部署、多级应用的模式，在省级重点建设面向水旱灾害防御部门和公众可参与的新一代山洪灾害监测预报预警平台。省级平台建设将强化现有监测预警系统的各项功能，对可靠性和综合性能进行全方位优化，实现集约化建设和管理；规范预警模式、升级技术方法，如采用分布式水文等模型，与传统模型相比，基于物理过程的分布式水文模型可以更加准确详细地描述流域内的水文物理过程，获取流域的信息更贴近实际。通过分布式水文模型实现山洪灾害更为精细化、动态化的预警，更具有时效性，能够更为合理地为防汛部门的指挥调度提供指导，强化我国山洪灾害防御能力。

基于《省、地市级山洪灾害监测预警信息管理系统技术要求》[11]《山洪灾害防治非工程措施补充完善技术要求》[12]《广东省2013年度山洪灾害防治项目实施方案》[13]，结合《省级山洪灾害监测预报预警平台技术要求(试行)》[14]的任务要求，进一步完善县级山洪灾害监测预警平台。

在实际应用中，考虑自动雨量站在使用上的权限性和管理上的地区性，为了便于行政管理流程直接性和预警发布的快捷性，为保障行政区域内居民安全度汛，更好地提供准确、及时的现场信息，保障人民生命财产安全，广东省主要通过行政区划内多站均值法进行雨量预警。

目前，广东省山洪灾害监测预警平台的雨量预警主要对乡镇行政区界内实时降雨量大于0的自动雨量站进行不同时段的平均值计算，再通过平均值与乡镇所属重点沿河村落的预警指标对比，预警指标按照1 h、2 h、3 h、5 h、6 h等时段依次比对，任何一个重点沿河村落预警指标低于自动雨量站实时降雨量平均值，预警平台就产生山洪灾害预警。广东省山洪灾害监测预警平台具体预警触发流程见图2所示。山洪灾害监测预警平台的预警流程如下：新产生→内部预警→会商研判→外部预警→跟踪督导→取消预警→处置记录。

图2 广东省山洪灾害监测预警平台具体预警触发流程示意

3.2 小流域内多站均值法

各个乡镇的行政区界内存在较多自动雨量站，尤其个别行政区界较大的区域，当出现局部暴雨时，各自动雨量站的实测降雨值差异很大，平均值计算时雨量值会远低于暴雨中心雨量值。另外，行政区界内大多数自动雨量站不属于同一个小流域，不同流域又往往导致产汇流不一致，不同流域内自动雨量站的实测雨量之间不存在有一定的相关性。因此，通过行政区内多站均值法进行平均值计算，并给该乡镇所属重点沿河村落发布预警，可能会造成漏报现象。

为了更好地给重点沿河村落发布预警，减少漏报现象，对乡镇界内雨量测站分布范围进行缩小，将该乡镇重点沿河村落所属流域外的雨量测站剔除，对重点沿河村落所属流域内雨量测站按流域分块统计[15]，当该流域内雨量测站少于3 h，则从附近流域查找关联，至少保证每个流域有3～5个雨量测站，保证有一定数量自动雨量站可使用。

小流域内多站均值法对雨量预警判断规则进行细化改善，主要对流域或附近小流域内实时降雨量大于0的自动雨量站进行不同时段的平均值计算，再通过平均值与该流域所属重点沿河村落的预警指标对比，预警指标按照1 h、2 h、3 h、5 h、6 h等时段依次比对，任何一个重点沿河村落预警指标低于自动雨量站实时降雨量平均值，则产生山洪灾害预警。

通过小流域内多站均值法的雨量预警，考虑了局部暴雨、不同流域产汇流等情况，一定程度上提高了雨量预警的精确性。

4 结语

1)采用行政区划内多站均值法进行雨量预警，具有水利相关部门行政管理流程直接性和预警发布的快捷性，但忽略了小流域特征，将流域外无关联性雨量站一并纳入计算，易导致雨量预警偏差。

2)采用小流域内多站均值法进行雨量预警，对乡镇界内雨量测站分布范围进行缩小，将该乡镇重点沿河村落所属流域外的雨量测站剔除，对重点沿河村落所属流域内雨量测站按流域分块统计，一定程度上提高了雨量预警的精确性。

3)通过产汇流原理的对比分析，相较于行政区划内多站均值法，小流域内多站均值法综合考虑了局部暴雨、不同流域产汇流差异等情况，更好地反映了流域产汇流过程中降雨量与水位的相关关系，雨量预警更加合理、精确。

4)山洪灾害预报预警措施落实到位，离不开地方居民的理解和配合，应加大对山洪灾害防治的宣传力度，增强地方防灾减灾意识，提高地方汛期警惕性，督促地方时刻做好避险转移的准备和措施。