山洪灾害监测预警技术研究及发展趋势综述

2019-09-09垚

人民长江 2019年8期

垚

(1.长江科学院，湖北武汉 430010； 2.水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，湖北武汉 430010)

1 研究背景

我国位于东亚季风气候区，暴雨频发，地形地貌环境复杂，加之人类活动剧烈，导致我国山洪灾害频发。据统计[1-2]，1949～2015年，全国发生山洪灾害场次为53 000多次，累积死亡约6万人，占洪涝灾害死亡人数70%以上。随着全球气候变化和人类活动的影响，山区城市化进程加快、生态环境恶化、极端水文事件频发造成山洪灾害日益严重。针对我国山洪灾害问题日益突出的问题，以《全国山洪灾害防治规划》为依据，全国(2007～2015)累计投入289.4亿元，经历“规划批复，方案制定”—“试点建设”—“县级非工程措施项目” —“全国山洪灾害防治项目”—“监测预警体系升级改造”5个阶段，基本建成了适合中国国情的专群结合的山洪灾害防治体系[3-4]，实现了山洪灾害监测预警系统在全国2 138县(市、区)386万km2的全覆盖，自动雨量监测站和水位监测站的布设密度达到50 km2/个和100 km2/个。

国外以美国、欧盟各国、日本为代表的发达国家自20世纪70年代开始在国家战略层面进行了山洪灾害防治工作，在监测预警技术研发和系统建设方面取得了一定成就。美国国家水文研究中心[5]开发了山洪预警系统，在中美洲7个国家50万km2的山丘区应用，预报准确率达到65%。世界气象组织[6-7]提出的山洪预警系统，在中美州、黑海和中东等地区进行了应用。欧盟框架计划[8]开展山洪预警技术研发，成立了山洪灾害防御网络，并在法国、意大利、西班牙和德国，组织政府相关部门联合开展了流域山洪灾害防御技术研究与示范。日本国土交通省[9]针对局地短历时强降雨引发山洪和中小河流洪水灾害的特点，采用高频率、高分辨率的X波段MP雷达实现雨量高精度监测，结合激光雷达技术和京都大学KW分布式水文模型，实现山区洪水预报，并运用推送型(Push)与关注型(Pull)模式实现预警信息发布并建立了全国性的洪水预警发布网站(www.river.go.jp)。

国内关于山洪灾害防治理论和技术的研究伴随着全国山洪灾害防治项目建设，为项目的推广和应用提供技术支撑。中国知网结果(见图1)显示：2000～2006年期间，关于山洪灾害防治研究文献稳步增长，该阶段研究侧重山洪灾害的区域特征和成因机理，为监测预警技术发展和体系构建奠定了理论基础；2007年之后，关于山洪灾害防治研究成果稳定在每年500篇左右。相关研究从山洪过程模拟、山洪灾害预报预警技术、监测预警系统建设3个方面进行了理论探索、技术研发和推广应用，为山洪灾害防治非工程措施体系建设和新技术在山洪灾害防治中应用提供了支撑。

图1 2000～2017年国内山洪灾害主题文献发表量Fig.1 Published papers related to mountain torrents disaster during 2000 and 2017 in China

国外关于山洪灾害监测预警技术研究起步较早，取得了一定成果，但其在中国适应性有待验证；国内关于山洪灾害防治研究针对中国山洪灾害的特点，更贴近灾害防治实际需求。本文基于国内外山洪灾害防治现状，分析山洪灾害监测预警技术体系建设的科技需求，对国内外山洪灾害监测预警基础理论、实用技术和防治模式进行了综述，并提出了发展趋势，以期为山洪灾害防治体系升级改造提供科技支撑。

2 山洪灾害监测预警研究现状

2.1 山洪过程模拟

暴雨山洪是一种陡涨陡落的洪水，过程具有随机性和偶然性，因此，山区暴雨洪水过程模拟具有一定不确定性[10]，制约了山洪灾害精准预警报。山洪过程模拟技术主要分为统计学方法和水文水力学方法。

在早期对山区暴雨洪水研究中，频率分析(Frequency analysis)是估算小流域设计洪水的常用方法[11-12]，但不同地区的特大洪水研究揭示了频率计算的局限性，促进了对可能最大洪水的研究。近年来国内外对洪水抽样方法、频率曲线选型、频率公式、参数估算、时间序列分析等进行了广泛的研究，上述方法和成果也被应用到无资料地区小流域洪水计算中。推理公式法(Rational method)和单位线法(Unit hydrography method)是早期利用暴雨资料间接推求小流域洪水最大流量的方法[11,13]。随着上述方法的推广，许多水文学家将地区暴雨洪水特性和推理公式法/单位线法相结合，对基本公式进行修正，提高方法的适用性，上述方法现在仍是各省市《水文手册》和《暴雨洪水查算手册》建议使用的方法。随着数学物理方法和计算机计算的发展，水文模型逐渐成为小流域洪水计算中的重要手段[14-16]，SCS模型是最早用于小流域洪水计算的模型之一，随后，以SWAT模型、IHACRES模型和TOPMODEL模型为代表的分布式水文模型也应用于小流域山洪过程模拟。

上述方法[11-16]侧重对小流域降雨-径流过程的描述，忽略了洪水波在山区沟道的传播过程解析。受山区下垫面和山洪沟道复杂异质性的影响，山区洪水沟道传播过程具有很强的非线性和不确定性[5]。山区小流域产流水文模型和洪水传播水动力学模型耦合研究是山洪过程模拟的重点[17-18]。

2.2 监测预警技术

目前，国内外山洪灾害监测预警通常是采用先进的监测和预报技术，实时监视暴雨山洪情况，预测山洪发生的时间和危害程度，做出准确的山洪预报，并发布预警信息[19-21]。建设山洪灾害监测预警系统是减少和避免山洪灾害导致人员伤亡和财产损失的重要举措。山洪灾害监测预警体系(见图2)主要包括水雨情监测系统和预警系统[19]。当前水雨情监测系统以山洪灾害易发区雨量监测为主，辅以必要的水位和流量监测。水雨情监测站主要分为简易监测站、人工监测站和自动监测站，按照优先满足预报和预警需求的原则布设[22-23]。预警系统通常以信息汇集与预警平台的形式工作，通过信息汇集、查询、预报、决策和预警等模块实现山洪灾害实时预警[22-23]。

鉴于山洪灾害监测以雨量监测为主，且雨量预警可以延长预见期，因此，山洪灾害临界雨量指标是山洪灾害预报预警的重要基础[24-26]。推求山洪灾害临界雨量的主要方法有两种[26]：① 统计归纳方法。通过统计分析时段雨量与山洪灾害对应关系，将时段雨量统计特征值作为临界雨量，主要包括滑动平均法、内插法和比拟法等。② 水文水力学方法。通过溪河水位(流量)判断山洪灾害的发生，根据河道水位反推临界雨量，主要包括FFG(flash flood guidance)方法、暴雨临界曲线法等。对小流域而言，基础资料的匮乏和下垫面的急剧变化影响了临界雨量的不确定性，通过山洪过程模拟研究提高灾害监测预警能力是今后研究的重点[26]。

2.3 防灾减灾模式

复杂多样地貌、特征多样季风气候、人口分布不均等导致山洪灾害发生存在明显地域差异，针对区域特征的防治对策是科学防治山洪灾害的重要举措[27]。张平仓等[28]统计分析了8个二级山洪灾害防治区灾害发育特征，针对性地提出了生物措施、工程措施和非工程措施相结合的灾害防治对策。随后，相关研究进一步系统总结了流域和区域(省、市、县)尺度山洪灾害成因、特征、现状和需求，提出了适应的分区防御对策[29-32]。

图2 山洪灾害监测预警体系架构示意Fig.2 Sketch of mountain torrents disaster monitoring and pre-warning system

马建华和胡维忠[33]深入分析了我国山洪灾害防治形势，首次系统论述了以非工程措施为主，工程措施为辅的灾害防治综合对策措施，成为山洪灾害防灾减灾模式的雏形。随后，相关研究[32，34]进一步细化了山洪灾害防御责任制度、防御预案编制、监测预警平台建设、宣传、培训和演练的具体内容，形成了系统的山洪灾害群治群防体系。

3 山洪灾害监测预警发展趋势

3.1 监测预警关键技术需求

纵观国内外研究现状，尽管目前山洪灾害监测预警关键技术的研发取得了一定进展，但由于山区暴雨洪水形成、致灾方式机理还不甚清楚，导致监测预报预警技术体系建设上存在一定问题，主要表现为：监测预警设施适应性实用性差，预报不准，数据传输漏报、迟缓，预警不及时，应急抢险处置时效不高等。因此，研发构建适应山区环境、实用、先进的山洪立体监测和动态预警技术体系，构建区域稳定、适用的山洪灾害防灾减灾救灾模式，是十分必要和迫切的。

长江水利委员会长江科学院承担的十三五重点研发计划“山洪灾害监测预警关键技术与集成示范”，拟通过多学科交叉融合、宏观和微观结合、野外定位观测、室内实验及数值模拟等技术(见图3)，从过程机理研究-技术研发-模式构建-应用示范4个层面开展山洪灾害监测预警关键技术科研攻关与应用示范，为提升国家防灾减灾救灾能力、保障山丘区人民生命财产安全提供了科技支撑。

3.2 物联网技术在监测预警中的应用

物联网是集合无线传感器和射频识别技术(Radio Frequency Identification)发展起来的新型网络技术，其体系主要由感知层、传输层、处理层和应用层组成[35-36]。在山洪灾害监测预警过程中，感知层利用无线传感器和射频识别技术对雨量、地表变化信息进行实时采集；传输层通过多渠道将采集的信息传输到数据处理层；处理层对数据进行全面分析处理，为决策提供支撑；应用层与用户交互，发布预警信息[35]。

当前物联网技术在山洪灾害监测预警中的应用研究主要集中在传统雨量、水位、土壤水监测仪器改造，自组网通信技术在信息传输的应用以及监测预警云平台设计中。由于物联网技术具有泛在感知、可靠传送和智能处理等优点，其在山洪灾害防治关键技术的创新与实施，能有效实现山洪多要素实时动态监测、信息多链路应急传输以及多指标动态预警。目前物联网技术在山洪灾害监测预警领域中的应用尚处于起步阶段，还存在与传统系统接口不匹配、传感器电池续航不足、仪器设备开发费用高和缺乏统一建设标准等问题，在山洪灾害防治发挥的效益亟待进一步研究。

3.3 “自然-社会”二元灾害防治范式

气候变化和人类活动是影响流域水文循环过程的两大驱动因素，气候变化通过影响降雨、温度等水循环要素来影响小流域暴雨-洪水过程，人类活动则通过改变下垫面条件影响小流域产汇流机制[37-38]。小流域暴雨径流过程是山洪灾害发生的直接原因，其时空变化特征决定了山洪灾害的时空分布情况。近年来，全球气温升高引起高纬度地区降雨增加，短时暴雨和雨强增大，导致我国水文极端事件频发；同时人类活动引起流域下垫面改变，增加小流域不透水性，造成面雨量汇集能力加大，使山洪洪峰量增加。上述因素造成山洪灾害突发性增强，使山洪灾害防治难度增加。

受自然和人为要素的影响，山洪灾害过程呈现越来越强的“自然-社会”二元特性。以“自然-社会”演变为基础的二元山洪灾害防治范式(见图4)应充分考虑气候变化和人类活动影响[39]。防治范式的驱动力体现为自然和人工驱动力的耦合，灾害形成不仅受自然降水过程影响，还受制于人类活动。因此，灾害防治措施也具有二元化特征，既应从灾害本身出发，采取工程和非工程措施减缓其发生，也应从防灾对象出发，采用金融和保险等手段，降低防灾对象风险。