山洪灾害预警指标确定方法

李昌志，孙东亚

（中国水利水电科学研究院，100038，北京）

我国山区面积占国土面积的2/3，山区洪水源短流急，陡涨陡落，历时短，突发性强，预报和预防已成为目前防洪减灾工作中突出的难点。形成这种状况的原因，除山洪灾害自身特点外，山洪灾害监测预警基础工作薄弱也是重要原因之一。山洪灾害预警指标是监测预警重要的基础工作和关键环节。本文在文献研究和分析的基础上，力图较为系统地对山洪灾害预警指标确定方法进行探讨，抛砖引玉，与同仁商榷，以期更好地加强这一基础性研究工作，为我国山洪灾害防治工作提供技术支撑。

一、山洪灾害预警指标研究简述

根据目前的主要文献及应用情况，山洪灾害预警指标主要有临界雨量和临界水位/流量。前者主要指在一个流域或区域内，降雨量达到或超过某一量级和强度时，该流域或区域发生山溪洪水、泥石流、滑坡等山洪灾害，把这时的降雨量和降雨强度作为预警指标。后者可以理解为某种特征水位，如警戒水位、平滩水位、转移水位等。自2009年开始，我国开展了103个县的山洪灾害防治试点工作，目前正式开展了全国1 836个县的山洪灾害防治非工程措施建设工作。其间，水利部水文局、各流域机构、科研院所、高校等，都对山洪灾害预警指标开展了大量研究，积极推广山洪灾害防御试点建设经验，加快山洪灾害监测预警系统建设步伐。这些研究成果主要集中于临界雨量的研究，在地域方面覆盖了我国湿润地区、半湿润地区、半干旱地区、干旱地区，在资料方面覆盖了资料丰富地区和无（少）资料地区，在方法方面包括了理论分析法、数理统计法以及历史灾害分析法等。但总体而言，绝大部分成果集中于数理统计法和历史灾害分析法，以水文基础理论进行分析的研究成果较少；也有少数文献将临界雨量与临界水位联系起来，最近也有成果对动态临界雨量进行研究。

国外常用的山洪灾害预警指标主要分为临界雨量、临界水位和临界流量3种。目前，采用的山洪预报预警方法有分布式水文模型山洪预报预警和动态临界雨量指导两种。

二、山洪灾害预警指标确定常用方法

目前，国内山洪灾害预警指标确定方法有很多，大致可以划分为理论方法和经验方法两大类。

1.理论方法

理论方法具有较强的物理机理和理论推导过程，对资料的全面性、配套性等要求较高。全面性主要体现在包括降雨、地形、土地利用方式以及洪水等资料都有相应要求，配套性则体现为这些资料是与具体的流域和山洪场次相对应的。目前主要的理论方法包括经典水文理论法、土壤饱和度—降雨量关系法、水位/流量反推法以及暴雨临界曲线法。

（1）经典水文理论法

根据经典的水文学理论，为了计算临界雨量/临界水位，通常需要针对每个计算单元，经过雨量计算、产流分析、汇流分析、洪水演进等环节的计算。在雨量计算中，又有点雨量到面雨量的转换、雨量时段选择等问题；产流分析环节在我国明显地分为蓄满产流和超渗产流两大类型；在汇流环节，又包括了等流时线法、经验单位线法、瞬时单位线法等；洪水演进环节有动力波法、马斯京根法等。当然，每个环节还有更细的内容可以考虑。方法中的计算单元，可能是一个个小流域，也可能是一个个网格。此法基于水文学的基本理论，具有较强的物理背景和机理基础，所有资料较全，计算所得的临界雨量、临界水位/流量等指标具有较科学的依据；但也有其弱点，主要为：①山洪易发地水文资料短缺,建模和验证困难；②山丘区雨量站网布设密度太小，很难满足山洪预报要求；③为提高山洪预报预见期，需要结合未来降雨预报进行水文模拟计算，故准确程度还受降雨预报限制。这种方法目前在国外用得较多，国内因资料太少很难达到建模的要求，故除一些研究机构和高校外，相关业务部门采用这种方法计算山洪灾害监测预警指标的较少。

（2）土壤饱和度—降雨量关系法

山洪大小除了与降雨总量、降雨强度有关外，还和流域土壤饱和程度（或前期影响雨量）密切相关。当土壤较干时，降水下渗大，产生地表径流则小；反之，如果土壤较湿，降水入渗少，易形成地表径流。因此，在进行山洪灾害预警指标计算时，应该考虑流域的土壤饱和情况。基于这一理念，这种方法根据土壤饱和度和降雨量的关系，动态确定临界雨量。具体做法是，将流域的土壤饱和度和降雨量绘制为土壤饱和度—降雨量关系散点图，两轴分别为土壤饱和度和降雨量。 确定时段尺度，如 1h，3h，6h等，针对历史资料系列中流域所发生过的所有洪水，分别在其前24 h的降雨量中求出该时段的最大雨量，以及该时段最大雨量发生之前的土壤饱和度。将土壤饱和度和该时段最大雨量值绘制为土壤饱和度—降雨量关系散点图，并根据其对应的洪水是否超过警戒流量分为两类。在图中可以设法画出一条临界雨量线（直线）将土壤饱和度和该时段最大雨量组成的状态空间分为两部分。这样，将山洪临界雨量指标确定问题转化为模式识别的数学问题，如最小方差准则算法，可以很快画出直线。

（3）水位/流量反推法

水位/流量反推法也是一种理论方法。该法主要思路和算法如下：①选取控制断面，确定断面历史最高水位和预警水位等指标，计算水位流量关系；②绘出各频率不同时段下（1 h、3 h、6 h）降雨的暴雨频率曲线图；③确定各暴雨频率下 1 h、3 h、6 h降雨形成的断面洪水过程线；④绘制各频率洪水洪峰流量与暴雨频率关系的曲线；⑤根据特征流量，从各频率洪水洪峰流量与暴雨频率关系图中查出该值对应的频率值；⑥根据该频率值，从暴雨频率曲线上确定降雨量，该降雨量即可作为临界雨量值。这种方法对资料的要求较高，并且假定洪水与暴雨同频率。

（4）暴雨临界曲线法

暴雨临界曲线法也是一种理论的方法，仅涉及水量平衡方程，主要思路和算法如下：①确定分析地点所在断面的安全流量；②计算最小临界雨量；③确定年最大24 h相应频率设计暴雨；④计算临界雨量；⑤确定暴雨临界曲线参数；⑥整理山洪时段雨量与累计雨量；⑦绘制暴雨临界曲线；⑧在暴雨临界曲线图中点绘实际时段雨量与累计雨量，判断山洪是否发生。这种方法综合考虑了累计降雨量与降雨强度双指标，克服了以往方法仅考虑降雨强度单指标的缺陷，最终成果为一条暴雨临界曲线，能较好地反映由暴雨引发的山洪灾害是降雨强度与累计降雨量共同作用的结果。

2.经验方法

经验方法无明显的物理机理和推导过程，主要根据事件相关性、地理条件相似性等原则，确定山洪灾害预警指标，目前最为主要的经验方法有统计归纳法、比拟法和内插法等。

（1）统计归纳法

本方法是全国山洪灾害防治规划领导小组2003年12月下发的《全国山洪灾害防治规划—山洪灾害临界雨量分析计算细则（试行）》中提供的指导性方法，也有专门的文献对此进行阐述。这种方法要求参照历史山洪灾害发生时的降雨情况，根据各地的暴雨特性、地形地质条件、前期降雨等，分析确定本地区可能发生山洪灾害的临界雨量值，是针对实测降雨资料较为丰富和详细的情况制定的，分为以下四步进行：①按照要求，统计降雨量，针对各次山洪、每个雨量站、相应时段（1 h、3 h、6 h、12 h、24 h）进行统计，包括计算区域的雨量平均值、最小值和最大值；②临界雨量初值计算，要求进行单站和区域的临界雨量初值；③临界雨量分析，结合实际资料情况，对单站和区域的临界雨量进行分析；④临界雨量确定，根据第③步分析结果，对阈值进行一定范围内的浮动，确定各个时段的临界雨量。此方法可操作性强，全国很多省份的山洪防治试点工作中，都采用了这一方法确定临界雨量，取得了大量有价值的成果。

（2）比拟法

这种方法适用于目标区无资料，但与典型区相似的情况。相似条件包括降水条件、地质条件（地质构造、地形、植被情况等）、气象条件（地理位置、气候特征、年均雨量等）、水文条件（流域面积、年均流量、河道长度、河道比降等）。如果目标区与典型区有少量差异，应根据实际情况适当调整。

（3）内插法

本法适用于在已分析单站临界雨量区域，有少数雨量站的空白区。运用时应当注意，降雨量分布从气候角度看空间是连续的，因为临界雨量与地质条件及气象条件有关；已限定区域内地质条件及气象条件相差不大，认为临界雨量在典型区内也是连续的。此方法将各单站各时间段临界雨量填在对应的雨量站点位置，通过勾绘等值线，求出空白处山洪沟临界雨量。常用的方法包括GIS软件提供的克里金插值法、反距离加权插值法、径向基函数法等。

另外，还有实际灾害调查法、灾害与降雨频率分析法以及综合方法等多种方法，综合确定山洪灾害预警的临界雨量、临界水位等指标。

前面所述的理论方法、经验方法和历史洪水法等山洪灾害预警指标确定方法，都有一定的适用条件，对资料有不同程度的需求。根据资料可用程度，对这些方法进行划分。对于资料较丰富的地区，主要有实测雨量统计法、水位/流量倒推法、暴雨临界曲线法以及综合分析法等；对于资料较少或无资料地区，主要有内插法、比拟法、灾害与降雨频率分析法等。

三、加强山洪灾害预警指标研究主要内容

从全国山洪灾害防治试点的情况看，试点县基本上都建立了自己的山洪灾害监测预警系统，从硬件上为山洪灾害监测预警准备了条件。由于没有良好的算法建模和缺乏基础资料，这些监测预警系统的实用性尚难达到较为满意的程度。在今后的工作中，需要加强山洪灾害监测预警指标的研究，主要包括以下4个方面：

1.山洪灾害监测预警指标确定方法分析

充分调研国内外山洪灾害监测预警指标确定方法，选择具有物理机理、操作方便、实用性强的计算方法，深入分析各种方法的适用条件，明确各种方法所需参数信息，制定相应的技术规范指导数据监测。经典水文理论法要求的资料全面系统，满足了这一方法的资料，在其他方法中基本都能使用，故这一方法的资料需求可考虑为整个数据监测的基本框架；进一步深入分析和研究水位/流量倒推法，探讨实现临界雨量和临界水位的相互转换，更方便地计算和分析山洪灾害监测预警指标。

2.资料积累与使用

在山洪灾害预警指标确定方法深入分析的基础上，有针对性地、全面地、规范地进行资料的积累与使用，主要包括历史洪水、监测数据两种。历史洪水数据的收集，重点在于收集整理较为配套的历史洪水水位、流量、洪量、峰现时间以及典型地点的降雨量等资料；监测资料的积累与使用，主要针对资料需求，不断完善和改进监测项目，在山洪实际观测中加强气象、地形、水文等基础性配套资料的观测和积累，并充分挖掘和运用以往观测积累的资料，不断检验和修正计算模型及其参数，逐渐形成各类地区较为实用的预警指标计算模型。

3.预警指标修订

现有不少资料已经反映出，预警指标应当是针对集中居住地、水电气通信等基础设施、厂矿企业等保护对象而言的，在流域中所处的位置不同，其值应当是有所区别的。在资料积累和确定方法深入分析的基础上，结合山洪灾害管理的工作要求，精心设计，将较为成熟的模型有机嵌入山洪灾害监测预警系统中，成为山洪灾害管理工作内容和业务流程的有机组成部分，根据当地的自然地理环境和人类活动情况，因地制宜地进行预警指标的修订，适时快速计算出成果，为山洪预警提供更多的主动避险时间。

4.加强技术培训

将制定的技术规范、数据监测项目与程序、较成熟算法的检验与应用等，撰写成详细的技术培训材料，加强基层技术人员的培训工作。

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