我国山洪灾害监测现状与发展趋势*

熊 朕，田宏岭

(1. 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都610041；2. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都610041；3. 中国科学院大学，北京100049)

山洪是指发生在山区沟道中迅速、强烈的地表径流现象，具有暴发突然、历时较短、暴涨暴落、破坏力极强、预测难度大等特点。与大江大河的洪涝灾害不同，山洪灾害主要发生在面积小于50 km2的山区小流域，同时受特殊的地形和下垫面条件控制。在地质条件较差的山区中，山洪灾害常常诱发滑坡、泥石流等次生灾害[1-4]。我国水利部门将山洪及由山洪诱发的滑坡、泥石流统称为山洪灾害[5]。山洪灾害严重威胁山区群众生命财产安全，造成巨大损失。例如“8.8舟曲泥石流”灾害就是暴雨诱发山洪，洪水在向下游演进过程中侵蚀挟带大量松散物质，进而发展成为新中国成立以来最大的一次泥石流灾害[6-7]。又如2006年7月，受强烈热带风暴“碧利斯”影响，我国湖南、广东、福建等地遭受500年一遇暴雨，引发的山洪共导致618人死亡、114人失踪。

目前山洪灾害防治手段主要分为工程措施和非工程措施两大类。工程措施主要包括修建排洪道、谷坊、丁坝和水库等；非工程措施主要包括监测预警、植树造林以及灾害管理等措施[2,8]。

与欧美等国家相比，我国山洪灾害防治工作起步较晚，技术力量略显薄弱。2006年10月，国务院正式批复《全国山洪灾害防治规划》[9]，并确立了“以非工程措施为主，非工程措施与工程措施相结合”的山洪灾害防治原则。2011年水利部启动了全国山洪灾害调查评价、县级非工程措施项目建设[10-11]。其中，县级非工程措施主要包括山洪监测预警和群测群防。山洪监测是指通过利用相关设备搭建监测平台，对能够激发山洪灾害以及山洪灾害启动过程中的各个因素进行监测，达到在成灾前预警、降低山洪灾害损失的目的。

1 山洪灾害监测现状

1.1 山洪灾害监测效果

据国家防汛抗旱总指挥部发布的《中国水旱灾害公报》(2006-2017)[12]，如图1所示，2000-2017年共计18年间，山洪灾害平均死亡人数为870人/年，占洪涝灾害死亡人数72.62%，山洪灾害占主导地位。

图1 2000-2017年我国山洪灾害死亡人数统计分析注：图中数据不包括台湾省、香港特别行政区、澳门特别行政区

在山洪监测工程实施以前的2000-2010年期间，山洪灾害平均死亡人数为1 178人/年，占洪涝灾害死亡人数的73.51%；自监测工程实施后，2011-2017年间山洪灾害死亡人数平均值为386人/年，占洪涝灾害死亡人数的71.22%。与未开展监测预警之前相比，死亡人数降低率为67.23%，然而山洪灾害致死人数所占份额仍然较大。魏丽等[10]统计了近10年来，我国山洪灾害致灾平均死亡人数，分别为美国、日本的14倍和26倍，即使在开展监测工作后死亡人数有所下降，但仍分别为美国、日本的6.5倍和8倍。从整体上看，我国山洪灾害监测工作自开展以来已取得了一定的成果，但与发达国家相比，仍有相当的提升空间。

山洪监测不仅仅是建立监测系统平台的简单工作，一个成功的山洪监测预警系统应包括组织管理体系、监测要素、预警阈值(临界雨量)、监测设备与台站等多方面的内容(图2)。

图2 山洪灾害监测预警

1.2 山洪灾害监测要素

目前国内外预警模型均以山洪灾害激发要素来构建，山洪灾害的监测要素选取是否合理直接决定了监测系统的有效性以及预警的成功率。基于延长预见期的考虑，国内外对于山洪监测系统监测要素的选取大体相同，均将临界雨量作为山洪灾害监测的核心指标[8，13]。虽然核心指标选取相同，但国内外关于临界雨量的定义有所差别。

我国在《全国山洪灾害防治规划》中根据降雨量直接定义临界雨量，即当某一时段降雨量达到或超过某一雨量时，山洪灾害发生，该雨量即为临界雨量，通常采用统计归纳法进行判别[14]。而国外则以目标流域断面生成临界流量所需的累计降雨量作为临界雨量[15]，在此监测过程中，需要根据河道安全水位反推临界雨量，通常采用水文水力学方法。因此，基于前述定义的差别，不同国家在临界雨量研究的具体指标选取上各有侧重。

美国根据山洪预警指南系统(Flash Flood Guidance, FFG)来计算临界雨量[16-19]，该方法较为全面的考虑了影响临界雨量的降雨、土壤含水量及下垫面特性三大因素，物理过程明确，选取因素具有实时、动态化的特点，因此采用该方法监测到的临界雨量进行预报的准确率较高。这种临界雨量的计算方法即为前文提到的水文水力学方法。欧洲国家则多采用基于气候模拟的欧洲降水指数(European Precipitation Index based on simulated Climatology, EPIC)作为判别极端暴雨的指标[20]，该方法更类似于风险区划。

1.3 临界雨量

我国幅员辽阔，各地的降雨、土壤、地质环境等基础因子情况不一，水文基础资料完善程度差异较大，预警难度较大。目前我国主要采用雨量监测，辅以水位监测的方案。对于水文资料完整的地区，选取历史成灾水位为预警阈值；如果该地缺乏历史成灾水位资料，则以可能造成灾害的最低水位为预警阈值[8]。相对于水位，目前我国关于降雨量的研究更多，但主要还是使用前文提及的基于数据驱动的统计归纳法。由于统计归纳法较为简单，实际应用方便，加之不涉及山洪物理过程机制，因此在我国使用较为广泛[21]。

《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)》将临界雨量推求方法分为有资料地区和无资料地区。对于山洪灾害和降雨量资料记录较为充足的地方，可以用区域临界雨量法和单站临界雨量法计算。前者是通过统计区域内山洪发生过时段内最大面平均雨量值的最小值，并为其赋予一个变幅，只要面雨量在该变幅内，该区域就有可能发生山洪灾害[22]。这种方法简单可行，实用性强，在全国大部分地区得到了推广应用，但无法定量评估山洪灾害的规模和次数。单站临界雨量法则是统计单个站点与历次山洪灾害对应的各时段最大雨量中的最小值，作为临界雨量初值，并增加变幅，一旦降雨量在该区间内，则区域内发生山洪概率增加。单站临界雨量法相对区域临界雨量法精度有所提高，在满足雨量计密度足够大的前提下，可以确定每个小流域的临界雨量，但监测数据仍不能直接用于预警预报，需要与其它方法相结合[23-24]。如江锦红等人[25]构建了最小临界雨量和临界雨力的概念，作出暴雨临界曲线，并通过三次暴雨山洪资料进行验证，结果较为可靠。

对于无资料地区的临界雨量计算主要采用内插法、比拟法、山洪灾害实例调查法和灾害与降雨频率分析法[26-30]。如刘媛媛等人[31]通过临界水位比拟反推出临界雨量，并用北京门头沟区山洪灾害防治案例进行验证，结果表明该方法有一定可靠性。张玉龙等人[32]用内插法推求无资料地区的临界雨量并绘制了临界雨量等值线图，并在云南典型山洪流域建议验证。

上述方法由于简单易行，且对降雨资料依赖性不强，用于无资料地区能起到一定作用，但精度较低，加之目前实践较少，通过这些方法推求得到的临界雨量值用于预警时应谨慎。目前，国际上正通过无资料地区预报(Prediction in Ungauged Basins, PUB)计划对无资料地区山洪计算方法进行不确定性研究[33]。

1.4 山洪灾害监测设备及台站

基于我国山洪灾害预警所需要素，山洪灾害监测的设备主要为简易雨量站、自动雨量站和自动水位站。简易雨量站能进行雨水情信息自动监测并具有自动报警功能，主要用于群测群防；自动雨量站和自动水位站可以实现雨量、水位等监测要素的自动采集、存储和传输，可用于预警平台发布信息。

监测设备的布局和密度是监测工作的关键。《全国山洪灾害防治项目实施方案编制大纲》要求，在山洪灾害严重的区域原则上按照20～100km2/站的密度布设自动或人工雨量站；特别严重的区域应按照20～30km2/站的密度布设自动或人工雨量站。在面积超过100km2的山洪灾害严重流域，应布设自动水位站。

根据上述要求，我国目前已建成自动雨量、水位站共计6.3万个，简易监测站40万个，共建监测预警平台2 058个，部分市县山洪灾害监测站点最大密度已达10～20km2/站,覆盖了全国30个省(自治区、直辖市)、305个地市及2 058个县，控制山洪流域53万个[34-36]。重点防治区内监测台站稀疏的区域设备布设密度得到了补充和加强。

1.5 相关法律规范

法律法规作为山洪灾害监测的重要管理手段和依据，是山洪灾害监测的重要组成部分。法律法规作为一种行为规范，对山洪灾害监测的组织形式、监测内容方法、效果评价等给出了标准和方向，是监测工作得以顺利实施的保障。

笔者查阅了我国与山洪灾害有关的法律法规，系统性的山洪灾害监测法律条文及规范目前尚未发现，只零星散见于防洪法、水法、水土保持法等条文之中。目前我国修订完成的《中华人民共和国水法》[37]是基于水资源开发利用，从防汛的角度对山洪的进行防治和管理进行了立法约束。我国最新的《中华人民共和国水土保持法》[38]于2010年修订通过，该法主要从水土流失的角度出发，旨在减轻山洪灾害对地表的剥蚀。与山洪灾害最相关的《中华人民共和国防洪法》[39]和《中华人民共和国防汛条例》[40]是对洪水灾害进行风险管理的法律条文，旨在依法防御洪水、减轻洪涝灾害。以上法律条文均以安全设防为主[41-43]，涉及到山洪监测的内容极为有限。

目前现行的山洪监测有关规范主要为由国家防汛抗旱总指挥部和长江水利委员会主编的《山洪灾害监测预警系统设计导则》(SL 675-2014)[44]以及由中国水利水电科学研究院主编的《山洪灾害预警设备技术条件》(SL 762-2018)[45]。前者主要针对县级行政区山洪灾害监测，从监测站网布设、监测方式、信息传输以及监测设备设施四个方面对山洪灾害的监测进行了说明和规定，是我国目前最全面的山洪灾害监测规范，对山洪灾害监测工作的开展具有重要的指导意义。后者则主要从山洪灾害预警角度出发，对山洪灾害监测设备进行了说明。

2 山洪监测存在的技术问题

2.1 监测系统寿命与灾害频率不匹配

我国灾害性的山洪发生频率通常较低，基本为50～100年一遇，现行的监测系统很难达到这个运行时长要求[46]。一般监测预警设备的报废年限为10年左右，如南京水利科学研究院生产的翻斗式雨量计的设计使用年限为10年，因此设备的寿命仅为灾害性山洪暴发周期的1/10～1/5。2008年汶川地震后，四川省在39个重灾县实施了县级流域的山洪灾害监测预警工程，平均每县投资额度为600万元；震后6年内由于仪器损毁导致部分地区监测预警功能丧失，2014年四川省又启动升级建设，平均每县投资额度为100万～300万元。因此，山洪监测系统的实际寿命仅为山洪灾害周期的1/20～1/10。同样，监测人员作为监测系统中必不可少的一环，责任期一般为5～10年，远低于灾害的平均周期。监测仪器的使用寿命以及人员的更替使得山洪灾害监测缺少持续性。

2.2 降雨监测临界值选取困难

同一流域内，不同断面发生山洪灾害的临界流量相差极大。乔建平等[47]研究认为在山区流域内，不同高程降雨量分布差异较大(图3)，从山脚到山坡中部，随着地势抬高降雨量也逐渐增加，但是到山顶附近之后，由于海拔上升，空气中水汽减少，导致降雨量明显减少。如甘肃舟曲“8.8特大山洪泥石流”暴发前夕的气象监测资料显示，沟源附近海拔为2 880 m，8月7日记录降雨量为96.3 mm；沟口县城海拔1 300 mm，当天降雨量仅为12.8 mm，二者差异为7.5倍[48-49]。云南省东川蒋家沟在1981年期间内发生多次降雨导致山洪并诱发泥石流，流域内不同高程的临界雨量变幅达到71.4%[50]。西班牙SENET流域内暴雨诱发泥石流的临界雨量在5 min时段内变幅达66.7%，1 h内的降雨变幅达71.0%[51]。此外，不同坡向降雨量也不同，同时期阳坡降雨量要高于阴坡。因此，选择哪一个高程、哪一种坡向的降雨量进行监测并作为预警的临界雨量，是山洪监测预警研究的难点之一。

图3 山区降雨量随高程变化示意

2.3 监测要素单一、监测设备有限

目前国内山洪灾害监测以降雨量为主，但山洪灾害的暴发是多因素控制，不仅与降雨量有关，也与流域的下垫面条件、植被环境等因素息息相关。单纯地依靠降雨量来对山洪灾害进行监测，其预警成功率距公众期望还有一定距离。即使降雨量的监测也多依靠传统的雨量计，加之降雨监测站网密度低，雷达等现代监测设备覆盖范围小，对强降雨事件监测力度尚显不够[52]。

王宏传等[53]通过文献计量的方法，分析山洪灾害相关文献发现，我国关于山洪研究中，“监测预警”、“非工程措施”等词汇高居热词排行榜榜首，但“监测设备”、“监测站网”等词汇却未列入榜中，说明我国目前对于山洪灾害研究倾向于预警理论，对于山洪监测实践工程中具有重要意义的监测要素、传感设备、站网组织、管理体系等的相关研究极少。

3 山洪灾害监测研究趋势

随着全球气候变暖，极端天气导致暴雨逐渐增多。目前山洪灾害监测预警工作已经成为研究热点。由于精细化山洪灾害预警所需监测要素较多，在灾害监测具体实践工作中还存在许多短板。结合国内外研究的具体情况，当前研究趋势主要体现在以下3个方面。

3.1 多要素立体化监测及新技术的融合运用

单一的监测要素和传统的地面传感器与降雨预报结合的手段覆盖面有限，难以适应复杂的山区环境，预警难度较大。多个学者建议开展多要素立体化的监测，如空基的卫星监测降雨网络已取得较好的应用效果[54-57]。

目前，以土壤含水量为代表的下垫面特征值作为山洪灾害另一重要监测要素得到了科研人员的重视：或在小尺度流域通过原位观测[58]，或在大尺度流域通过遥感技术[59-60]。未来可在在已覆盖的天基雷达观测网基础上，与水文监测技术融合，进行流域下垫面情况实时监测。

进一步，可基于多源遥感、雷达、微纳传感等监测新技术，与传统监测手段相融合，实现监测要素全天时、全天候、空-天-地立体化监测，获取山洪多要素实时数据，摆脱对单一降雨数据的依赖[61]。

3.2 布设适应流域水文特点的站点

根据防汛抗旱总指挥部办公室发布的《全国山洪灾害防治项目实施方案(2017-2020)》[62]，山洪灾害自动监测站网进行站点优化和站点更新升级是该方案的重点之一，要求在升级原有雨量站、水位站的基础上，拟新建自动雨量站3 927个，自动水位站1 390个，并新建图像监测站点和视频监测站点各8 809个、4 398个(图4)。

在大量新增设备后，其设备与站点布局需要调整优化，以此改变和完善原有布局的不足。通过分析小流域暴雨洪水规律、山区复杂环境的空间异质性、降雨-土壤水分-产汇流的梯度效应和时空变异性、局部地形变化对山洪过程及水位的影响[63]，进行典型小流域监测站点合理布局的研究，强化小流域监测站点。

图4 2017-2020年监测站点优化任务

3.3 山洪灾害监测预警体系标准化

如前文所述，目前我国缺少明确的山洪灾害监测法律法规，导致灾害监测预警实施的效果并不理想。通过制定、发布和实施标准，以最小的投入获得山洪灾害监测预警的最佳秩序和社会效益。今后应在现行水文监测规范基础上制订专门的山洪监测法规政策，建立山洪灾害监测预警标准化体系。马建明等[64]提出了山洪灾害监测预警系统的7个标准化需求(图5)，对未来的监测预警体系规范化建设具有一定的参考意义。同时，在未来的监测工作中，进一步规范非工程措施的设计、实施、验收、维护和管理等技术行为，规范监测设备技术、站点建设以及自动监测站点通讯[65]，不断推动我国山洪灾害监测预警体系向前发展。

图5 标准化需求序列[64]

4 结语

我国山洪灾害防治工作，得到了相关政府部门的重视，制订了相关法规和政策，并实施了多批相关项目提升防治效率。山洪灾害监测预警研究同样取得了可观的成果，但在监测设备、监测要素、降雨阈值和监测站点布局等方面与实际需求相比还存在差距。随着我国经济的发展，山洪灾害防治任务艰巨，需要解决当前研究与实施中存在的问题，才能适应形势的需要。在未来研究中，建议过程实施与理论研究结合，建立多源多要素立体化监测体系、进行适应流域水文特点的监测站点布局、制定专门的政策法规并建立山洪灾害监测预警标准化体系，从而提高山洪灾害监测系统可靠性与预警效率，提升我国山洪灾害防治能力，减少灾害损失，更好地为我国社会的经济发展服务。