复杂山区山洪监测站网布设方法研究

杨培生 雷声 许小华 王小笑 付佳伟

摘要：

监测站网是获取区域尤其是复杂山区小流域暴雨洪水特性最重要、最直接的方式。在分析站网布设相关研究现状和站網存在问题的基础上，提出采用锥体法分析满足小流域山洪灾害防治需求的站点总数，采用风险潜势关联法优化站网的空间分布。前者着眼于降雨过程的时空分布特征，后者侧重于历史山洪灾害情况及沿河村落的预警需求。以此理论为基础，综合分析了江西省铅山县监测站网布设合理性，结论表明需在关联性较弱且危险区人口较多处新增监测站点以满足监测预警需求。研究成果对监测站网的建设和调整优化具有指导意义。

关 键 词：

山洪灾害; 监测站网; 站网布设理论; 调整优化; 江西省

中图法分类号： TV21;TV87

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.006

0 引 言

山洪灾害是指在山丘区由强降雨引发的具有突发性强、破坏力大等特征的洪水灾害[1]，江西省以丘陵、山地为主，山洪灾害频发[2]。据统计，江西省1991～2006年，因山洪灾害死亡1 452人，平均每年达91人，占洪灾死亡人数的近80%。可见山洪灾害已严重影响了江西省经济社会发展，成为主要自然灾害之一[3]。

监测站网是获取区域尤其是复杂山区小流域暴雨洪水特性最重要、最直接的方式[4]。合理的站网布局有利于监测降雨强度变化和洪峰变化的时空差异性，降低流域水文计算的不确定度，大大提高山洪灾害监测预警的精度[5]。近年来国内外学者对监测站网布设方法做了大量研究。国外常用的方法有空间插值法[6]、统计分析法[7]、熵理论[8]等。20世纪七八十年代，中国学者提出了累积积差法、暴雨中心控制区法、锥体法、流域水文模型法和抽站法等雨量站布设方法[9]。前2种方法由于存在理论缺陷已较少应用;锥体法[10]因其简单、对资料要求低，已被广泛应用于稀疏区域站网规划与布设;流域水文模型法和抽站法常用于站网密度的合理性分析[11]。虽然上述监测站网布设方法已得到广泛应用，但对考虑山洪灾害危险区特性的布设方法研究相对较少，在CNKI中国知网数据库中以“站网布设”或“站网优化”作为关键词进行检索，共得到符合条件的期刊论文729篇，但考虑山洪特性的站网布设相关论文仅11篇[12]。

2007年江西省在全国率先开展山洪监测站网建设，至今已持续建设10多年，累计投入约1.9亿元，全省监测站网密度达到36.02 km2/站（含水库监测站点），但对山洪灾害频发的山区小流域仍不满足要求。在山区，不同海拔高度的降雨量差异很大，从山脚到山腰，降雨量随着地势的升高而逐渐增加，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2016年5月6日，宜春市明月山景区遭遇短时强降雨，造成山洪暴发，致使设施损毁，游客滞留，其中明月山站24 h降雨达68.5 mm，但军背站仅为8.5 mm，降雨变幅高达87%。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[13]。上述因素导致部分山区仍存在站网密度难以满足防治需求的问题。

本文以山洪灾害频发的江西省铅山县为例，通过锥体法和山洪灾害风险潜势关联法综合分析了该县监测站网布设现状，并提出了优化布设方案，以期为监测站网的建设和调整优化提供参考。

1 布设方法研究

监测站网布局涉及监测站总数及其空间分布的合理性。采用锥体法对满足山洪灾害防治需求的站点总数进行分析，采用风险潜势关联法对站点的空间分布进行优化。前者着眼于降雨过程的时空分布特征，后者侧重于历史山洪灾害形势和沿河村庄的预警需求。

1.1 锥体法

锥体法认为暴雨量从中心向边缘逐渐减少，以降雨等值线梯度变化最大的一侧作为圆锥体的一侧，以通过暴雨中心的垂直线为轴线[14]。假设降雨量从中心至边缘呈直线变化，则降雨量计算如下：

式中：P0为暴雨中心雨量，mm;Pn为对应于暴雨中心Ln处的雨量，mm;Ln为计算面雨量的面积半径。

若按正方形网格布设雨量站，暴雨中心处于4个雨量站的中心位置，〖JP4〗依据三角函数，可得暴雨中心的雨量为

则降雨相对误差为

式中：M为流域内雨量站数量，A为流域面积。

1.2 风险潜势关联法

山洪灾害风险潜势由致灾因子、孕灾环境和承灾体等3个方面致灾因素组成[15]。风险潜势关联法是基于山洪灾害调查评价获取的危险区分布、小流域属性、危险区人口、房屋类型、企事业单位分布、暴雨时空分布、坡度、土壤类型等信息，以保护危险区人口为核心，以小流域为单元，将处于同一个小流域的危险区与监测站点关联，根据各小流域风险潜势因子优化站点布设，达到“最少站点，最优监测”的目的[16]。

根据山洪灾害调查评价成果及山洪灾害监测站网布设需求，从致灾因子、孕灾环境和承灾体3个方面出发，选取暴雨均值、暴雨空间分布、坡度、土壤类型等9个指标项目综合评价山洪灾害风险潜势对监测站网布设的影响，各指标项及其对风险潜势影响分析如表1所列。应指出，利用表1中的影响因子分析时需结合小流域实际情况决定各项指标的优先性，确定小流域各位置的风险潜势程度。一般，承灾体指标优于孕灾环境指标优于致灾因子，即首要考虑对人口密集、财产分布多、房屋建筑抗灾能力弱的区域监测，其次要对汇流时间短、下垫面蓄水能力弱等区域进行监测，最后结合暴雨时空分布调整优化站点位置，尤其要对降雨突变明显、现有站点覆盖不足且有人员活动而又易被忽视的局地山丘加大监测力度。

利用风险潜势程度进一步优化监测站网布局，本方法采用“风险潜势控制总数、单站就近原则法”分析监测站点和小流域危险区关联情况，确保各个小流域范围内所有重点沿河村落与流域内或附近自动监测站关联[17]，具体方法为：① 极高、较高、中等、较低、极低5个等级的危险区平均站网密度至少需达到20，25，30，40，50 km2/站;② 若危险区与附近的雨量站处于同一小流域且不超过5 km，则雨量站应尽量布设在危险区上游;③ 若危险区与附近的雨量站处于不同小流域，距离不超过3 km且不跨山脊线，雨量站可布设于附近小流域;④ 若危险区与附近雨量站距3 km以内但降雨存在突变，应适当加密站点。

2 研究实例

2.1 研究区概况

铅山县位于江西省东北部，信江上游，武夷山北麓，地势南高北低，铅山县概况图如图1所示。县域多年平均降雨量1 958 mm，降雨量在时间上分配极为不均，4～7月份降雨量占全年降雨量的60%左右，境内小流域众多，短历时、强暴雨极易导致山洪暴发[18]。县域内历史上曾多次发生山洪灾害，以2010年6月16日的山洪灾害事件损失最严重，过程降雨以铅山县徐家厂站775 mm为最大，县直接经济损失约7.28亿元[19]。根据铅山县山洪灾害调查评价成果，该县约42%的人口受到山洪灾害威胁，其中受山洪严重威胁的沿河村落数104个[20]。目前铅山县已建自动雨量站32个、自动水位站30个（其中水库水位站23个），雨量监测站网密度达到31.58 km2/站，但部分山洪灾害重点防治区仍无法有效关联监测站点，因此，优化铅山县山洪监测站网布局，对加强局地暴雨捕捉能力、提升山洪监测预警水平具有重大意义。

2.2 锥体法计算结果

铅山县流域主要由铅山河、陈坊河和西坂河组成，3条河流的流域面积占到全县国土面积的94.2%。针对3条流域分别采用锥体法进行站网密度分析，其中铅山河选取铁路坪站（P0=76 mm，2019年6月21日）和石垅站（P0=66 mm，2019年6月6日）进行试算分析并相互验证;陈坊河选取陈坊站（P0=40 mm，2019年7月16日）和汪二站（P0=62 mm，2019年7月9日）进行试算分析并相互验证;西坂河选取河源水库站（P0=47 mm，2019年6月6日）为暴雨中心进行试算分析。按照山洪灾害预警分析要求，本次相对误差取5%进行计算，计算结果如表2所示。计算结果表明，铅山河需增设1处雨量站。分析其原因，铅山河上游的武夷山山脉和葛仙山山脉峰高坡陡，导致不同高程降雨量分布差异较大，对照铅山县概况图中的监测站点分布，建议在葛仙山乡项源村马鞍山自然村上游增设1处站点;陈坊河需增设1处站点，目前陈坊河主河中游只有1处站点，建议在中下游新增1处站点;西坂河流域已建站点数量大于应设站点数量，但该流域已建的5处站点有3处为水库水位站，水库水位站主要为测量水库水位站而设，故建议维持现状。

2.3 风险潜势关联法计算结果

利用表1中的9个因子，结合铅山县山洪灾害调查评价成果，利用层次分析法综合分析风险潜势因子指标，得出铅山县山洪灾害风险潜势如图2所示;再结合铅山县现有监测站点分布（见图3），按照风险潜势关联法中设定的原则，结合GIS中的“近邻分析”工具，得出无法有效关联监测站点的重点防治区统计结果，如表3所列。

2.4 综合布设及优化

锥体法结果表明需在铅山河和陈坊河各新增1处监测站点，风险潜势关联法表明需在湖坊镇安兰村和葛仙山乡项源村各新增1处监测站点，由于湖坊镇位于陈坊河流域内，葛仙山乡位于铅山河流域内，两种方法计算结果吻合。综合上述2种方法计算结果，铅山县需新增2处雨量监测站：一处在陈坊河中游湖坊镇桥北村附近，一处在葛仙山乡项源村马鞍山自然村附近，新增建议如表4所列。

3 结论与展望

（1） 本文结合山洪灾害影响程度、保护范围重要程度及山洪灾害监测预警需求等实际情况，利用锥体法和风险潜势关联法对铅山县现有监测站网进行合理性分析和优化布局研究。结论表明，需在关联性较弱且危险区人口较多的2處重点防治区新增2处雨量监测站，以满足监测预警需求。该成果对监测站网的建设和调整优化具有参考和指导意义。

（2） 在风险潜势关联法中，利用层次分析法综合分析风险潜势因子指标，得出山洪灾害风险潜势图时，由于不同学者选择指标侧重点不同，得到的区域山洪灾害风险潜势存在一定的差异，后续研究可采用其他方法率定风险潜势准确性，以进一步提高监测站网的合理度。

参考文献：

[1] 杨培生，许小华.山洪灾害监测预警系统运行维护对策[J].江西水利科技，2016，42（5）：359-361.

[2] 雷声.江西省山洪灾害防治项目概述[J].江西水利科技，2015，41（3）：179-181，185.

[3] 江西省水利厅.江西省2020年度山洪灾害防治项目实施方案[R].南昌：江西省水利厅，2020.

[4] 董林垚，张平仓，任洪玉，等.山洪灾害监测预警技术研究及发展趋势综述[J].人民长江，2019，50（8）：35-39，73.

[5] 吴小君，方秀琴，任立良，等.基于随机森林的山洪灾害风险评估：以江西省为例[J].水土保持研究，2018，25（3）：142-149.

[6] 何英，李丽，吴巩胜.气候要素空间插值技术的研究进展[J].科协论坛（下半月），2010（3）：59-61.

[7] 魏丽，胡凯衡，黄远红.我国与美国、日本山洪灾害现状及防治对比[J].人民长江，2018，49（4）：29-33，39.

[8] 陈颖.基于信息熵理论的水文站网评价优化研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[9] 方绍东，胡学祥，徐学飞.云南省水文监测方式改革思路探讨[J].人民长江，2019，50（增1）：71-74.

[10] 王巧平，刘克岩.锥体梯度法在雨量站网布设中的应用[J].水科学与工程技术，2008（6）：10-11.

[11] 王叶琴.实时洪水预报系统雨量站网论证分析[D].南京：河海大学，2006.

[12] 王宏伟，郑爽，曹永强.基于文献计量分析的国内山洪灾害现状研究[J].中国水利水电科学研究院学报，2017，15（1）：29-36.

[13] 熊朕，田宏岭.我国山洪灾害监测现状与发展趋势[J].灾害学，2019，34（3）：140-145.

[14] 基本雨量站網布設密度的分析方法：锥体法[J].水利水电技术（水文副刊），1965（5）：36-38.

[15] 江雨田，王新龙，孙如飞，等.山洪灾害风险分区划分模型构建与应用[J].人民长江，2020，51（4）：7-13.

[16] 习丽丽.山洪灾害重点防治区遥测雨量站点优化布设研究[J].水利技术监督，2020（1）：81-84.

[17] 刘业伟，李斯颖，许小华，等.江西省铅山河流域山洪灾害风险区划[J].水电能源科学，2018，36（12）：55-58.

[18] 杨培生.铅山县山洪灾害成因分析与防治对策研究[D].南昌：南昌大学，2015.

[19] 付佳伟，王小笑，李伊林.铅山县小流域山洪灾害特征与防治对策研究[J].江西水利科技，2015，41（4）：251-255.

[20] 江西省水利科学研究院.铅山县山洪灾害调查评价报告[R].南昌：江西省水利科学研究院，2015.

（编辑：刘 媛）

Study on layout method of mountain flood monitoring station network in complex

mountainous area：case of Yanshan County， Jiangxi Province

YANG Peisheng，LEI Sheng，XU Xiaohua，WANG Xiaoxiao，FU Jiawei

（Jiangxi Academy of Water Science and Engineering，Nanchang 330029，China）

Abstract：

Monitoring station network is the most important and direct way to obtain the characteristics of rainstorm and flood in a region，especially in a small watershed in a complex mountainous area.Based on the research status and existing problems of the hydrological station network，we propose to use the cone method to analyze the total number of stations to meet the needs of small watershed flash flood disaster prevention，and use the risk potential correlation method to optimize the spatial distribution of the station network.The former method focuses on the temporal and spatial distribution characteristics of rainfall process，while the latter one focuses on the historical flash flood disaster and the early warning needs of villages along the river.Based on this theory，the rationality of monitoring station network layout in Yanshan County，Jiangxi Province is comprehensively analyzed.The conclusion shows that it is necessary to deploy new monitoring stations in locations of weak correlation and large population in risk areas to meet the needs of monitoring and early warning.The research results have guiding significance for the construction，adjustment and optimization of monitoring station network.

Key words：

mountain flood disaster;hydrological monitoring network;layout theory;adjustment and optimization;Jiangxi Province