小流域山洪灾害预警指标应用探析

赵智敏，廖文来

(1.韶关市曲江区小坑水库管理处,广东 韶关 512100；2.广东省水利水电科学研究院,广东 广州 510635；3.广东省山洪灾害防治工程技术研究中心,广东 广州 510635；4.广东省山洪灾害突发事件应急技术研究中心,广东 广州 510635)

1 概述

我国主要处于东亚季风区，地貌类型复杂多样，山丘区分布广泛，暴雨及山洪灾害频发，山洪灾害成为我国致人伤亡的主要灾种。2010年至今，国家投入大量资金开展山洪灾害调查评价、非工程措施建设、洪水风险图编制和山洪沟防洪治理，提高沿河村落山洪灾害防御能力。其中，山洪灾害分析评价是基于山洪灾害调查成果、DOM工作底图、小流域基础数据和以小流域为单元的水文、地形地貌等基础信息，充分运用GIS、卫星遥感、水文分析计算等技术，分析山丘区小流域暴雨洪水特征，评价沿河村落的现状防洪能力，科学划分沿河村落危险区，分析拟定分级预警指标等。山洪灾害分析评价成果可为山洪灾害预警、预案编制、人口转移、临时安置、防灾意识普及和群测群防等工作提供科学、全面、详细的信息支撑[1]。

在做好山洪灾害调查评价，积累数据资料的同时，更应重视山洪灾害调查评价成果的应用。下面以三亚市天涯区宁远河流域某沿河村落的山洪灾害分析评价成果，探析成果在山洪灾害预警和人员撤离等方面的应用。该沿河村落集雨面积为16.03 km2，河流比降为17.3‰，成灾水位为181.08 m，总人口为313人。

2 暴雨洪水

该沿河村落为无实测雨量洪水资料地区，根据地区水文手册和暴雨统计参数等值线图等资料，分析计算沿河村落所在小流域的设计暴雨参数、暴雨量及雨量时程分配，得到不同历时条件下的5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇以及100年一遇等5种典型频率的设计暴雨成果(见表1)[2-3]。

表1 沿河村落所在小流域设计暴雨成果 mm

假定暴雨与洪水同频率，基于设计暴雨成果，根据流域集雨面积、河长、比降和河槽断面形态等几何特征和植被、土壤和水文地质等下垫面特性，选择推理公式法和瞬时单位线法等方法[4-5]计算分析沿河村落河道控制断面的各频率设计洪水。根据上下游气候和地形等条件相似时，洪峰流量均值由上游向下游递增，洪峰模数则递减，综合单位线法与推理公式法成果相差均在20%以内等原则来进行成果的合理性分析[6]，选择最优成果或者综合处理后，得到该沿河村落河道控制断面的洪峰流量和洪峰水位等洪水要素成果(见表2)。

表2 沿河村落河道控制断面设计洪水成果

3 现状防洪能力

该沿河村落无历史洪痕或实测水面线成果可利用，因此采用沿河村落实测河床比降确定水面线比降。根据沿河村落所在河流的沟道形态、河床底部情况、植被生长状况、弯曲程度以及建筑物等因素确定河道糙率。结合山洪灾害调查成果，计算该沿河村落控制断面处的水位—流量关系，确定成灾水位，并绘制人口高程水位流量关系图(见图1)。根据设计洪水成果，分析沿河村落成灾水位对应的洪峰流量频率，运用特征水位比较法，统计确定成灾水位和各频率设计洪水位下的人口和房屋高程分布，综合评价沿河村落的现状防洪能力。经分析评价，该沿河村落的现状防洪能力为2年一遇(见图2)。采用频率法进行危险区等级划分，将沿河村落小于5年一遇的区域划分为极高危险区、5—20年一遇的区域划分为高危险区、20—100年一遇的区域划分危险区等3个等级区域。

图1 人口高程水位流量关系示意

图2 沿河村落现状防洪能力评价示意

4 预警指标

根据沿河村落所在地区暴雨特性、流域面积、平均比降、形状系数和下垫面等因素，结合控制断面处水位—流量关系，确定该沿河村落成灾水位对应的临界流量，并以推理公式法或瞬时单位线法构建反推临界雨量模型[7]，获得在土壤较干(0.3Wm)、一般情况(0.6Wm)以及较湿(0.9Wm)3种情况下各个典型预警时段的临界雨量。成灾水位对应的临界雨量为立即转移指标，准备转移指标是在临界雨量基础上根据准备转移时间(涨洪历时在5 h以上，准备转移时间Δt=1 h；反之，定为Δt=0.5 h)及洪水过程线综合进行“折减”处理来确定。该沿河村落较干、一般和较湿状态下的临界雨量(立即转移指标)成果见表3。

表3 沿河村落较干、一般和较湿状态下的临界雨量 mm

根据乡镇区域内各分析评价对象的计算成果为样本，概化统计出不同土壤含水量情形下1 h、3 h和6 h临界雨量的最大值、最小值、平均值等特征值。根据区域内样本数量情况，参考该乡镇所有沿河村落预警指标的小值均值推荐乡镇级预警指标，如乡镇区域内没有样本或样本量小，则参考附近乡镇的成果。该沿河村落所在区域乡镇级预警指标成果见表4。

表4 沿河村落所在乡镇级预警指标推荐成果 mm

5 预警应用探析

根据国家气象局颁布的降水强度等级划分标准，确定并划分不同时段降雨量的降水强度等级(见表5)。充分关注气象部门发出的天气预报信息，根据预报的降雨强度、前期降雨和土壤含水量信息，结合沿河村落的现状防洪能力、临界雨量、成灾水位等山洪灾害分析评价成果，判断该沿河村落发生山洪灾害的可能性，从而重点关注该区域雨量站和水位站的监测。实时监测区域雨量和相关河道水位，若时段雨量达到该沿河村落或该乡镇相应时段的预警阈值，则结合雨量监测、水位监测和预警指标成果，确定是否给该沿河村落或相应乡镇发出预警和撤离人员。

表5 降水强度等级划分标准

根据调查成果，该沿河村落所在区域1986年发生了一场暴雨，降雨持续30 h，总降雨量为365.5 mm，最大雨强为51.6 mm/h。以该场暴雨为例，探析山洪灾害预警指标的应用。沿河村落前期有断断续续的降雨，区域土壤含水量高，处于较湿状态(0.9Wm)。根据天气预报信息和山洪灾害分析评价成果，判断该沿河村落发生山洪灾害的可能性很大，因此重点开展区域内的雨量监测和河道水位监测。

根据区域内雨量站的降雨监测成果，结合山洪灾害分析评价时已确定土壤含水量较湿状态下不同时段的预警值，绘制1～6 h时段累积雨量过程及相应时段预警值图(见图3～8)，以判断是否发出预警，并统计不同时段雨量及预警启动情况(见表6)。

表6 不同时段雨量预警情况 mm

图3 1 h时段雨量过程及相应时段预警值示意

成果显示：

① 按1 h时段雨量，雨量达不到预警值；

② 按2 h时段累积雨量，则在第19 h发出预警；

③ 按3 h时段累积雨量，则在第4 h和第20～21 h时段发出预警；

④ 按4 h时段累积雨量，则在第19～22 h时段发出预警；

⑤ 按5 h时段累积雨量，则在第19～23 h时段发出预警；

⑥ 按6 h时段累积雨量，则在第19～24 h时段发出预警。

综合分析该沿河村落应在降雨至第4小时发出预警，预警时段为第4～5 h降雨期间，降雨至第19 h发出第2次预警，预警时段第19～24 h期间。

根据雨量监测成果，对比表1沿河村落所在小流域设计暴雨成果，该场暴雨1 h降雨强度重现期小于5年一遇，3 h和6 h降雨强度间于5年一遇～10年一遇之间，24 h降雨强度稍大于20年一遇。暴雨等级已超过该村落2年一遇的现状防洪能力，则应发出预警，按极高危险区、高危险区和危险区分批撤离人员。首先在第4小时第一次发出预警时撤离极高危险区(居住高程低于181.36 m)人员，第二次发出预警时撤离高危险区(居住高程在181.36～181.75 m之间)的人员。

图4 2 h时段累积雨量过程及相应时段预警值示意

图5 3 h时段累积雨量过程及相应时段预警值示意

图6 4 h时段累积雨量过程及相应时段预警值示意

图7 5 h时段累积雨量过程及相应时段预警值示意

图8 6 h时段累积雨量过程及相应时段预警值示意

6 结语

在小流域暴雨洪水特性研究、沿河村落现状防洪能力分析、不同等级危险区划定和预警指标分析确定等山洪灾害分析评价成果基础上，通过重点监控小流域暴雨量和水位信息，绘制时段累积雨量过程及相应时段预警值图，综合判断是否发出预警，进而启动分区分批精准转移人员的方案。

1)在雨量和水位等监测资料充分，或沿河村落河道发生较大改变时，应适时检验、复核和率定山洪灾害分析评价成果，以符合实际，准确地进行山洪灾害预警和转移人员。

2)在区域短时和短期天气预报的辅助下，关注天气预报发出的暴雨预警，重点监控可能发生山洪灾害的区域，做好该区域的雨量和水位监测。

3)根据区域雨量监测和预警指标成果，绘制时段累积雨量过程及相应时段预警值图，分析确定相应沿河村落或乡镇是否预警，并明确预警发出时间和解除预警时间。

4)预警时，综合雨量和水位实测值、设计暴雨、设计洪水和现状防洪能力等山洪灾害分析评价成果，根据实际按极高危险区、高危险区和危险区分批撤离人员。

5)山洪灾害分析评价成果在实际应用时，需根据当地山洪灾害事件实际资料进行滚动分析和修正。山洪预警、人员转移、临时安置等预案在实际工作中不断完善。