基于声光电预警设备的山洪联动预警应用

蒋 迅,裘洪斌,黄贤平,李 杰

(1.浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司,浙江 杭州 310002; 2.新昌县水利水电局, 浙江 新昌 312500)

山洪是指山区溪沟中发生的暴涨性洪水,具有突发、水量集中、流速大、冲刷破坏力强等特点,常造成局部性洪灾。我国城镇化进程的加速推进,很大程度加剧了山洪灾害发生的不确定性[1-2]。目前,我国山丘区中小河流局地突发性强降雨的预测预报能力不强,短历时洪水预报预警整体水平不高,防洪工程调度困难,应急处置技术体系薄弱,难以完全满足洪水防控和应急管理需求[3],急需加强山洪灾害防御工程建设及采取非工程措施。山洪灾害防御非工程措施以水文监测为前提条件,而当前针对山丘区小流域的水文监测以雨量站为主,辅以少量水位站、流量站和土壤墒情站等监测站点,监测手段单一,对浙江省万余个山洪防御重要村落而言,远不能满足山洪灾害水位预警的要求,因此大多数情况下,仅能以雨量作为预警的唯一指标[4]。雨量预警多采用传统水文方法确定临界雨量阈值,受山丘区环境复杂、水文监测历史资料积累不足、算法局限、降雨不确定性等条件制约,设定的预警阈值精度不高[5]。

浙江省自2021年起,大力推进以声光电监测预警设备为主的新型预警设施建设,通过近两年的山洪灾害防御能力提升项目建设,该设备在山洪灾害防御重要村落得以大量投入使用。该设备可实时监测小流域内的降雨量与溪沟水位,当雨量或水位指标超出预警阈值时,自动触发闪光、警笛等报警信号,提醒周边群众转移避险,弥补了靠单一雨量指标进行预警的不足,同时也满足了防洪重要村落现地预警的需求。

然而,山洪灾害防御仍然存在预见期偏短的问题,遭遇降雨或洪水时,完全可能出现报时已灾的情况[6]。而将传统的洪水预报模型应用于山区小流域或山洪重要村落上的难度颇大,一方面是因为模型计算的精度难以保证[7];另一方面,对山洪防御非工程措施而言,该方法投资成本偏高。

基于以上现状与问题,笔者充分利用声光电设备现地预警的能力,探究山洪防御重要村落上下游联动预警的方法并建立自动化系统,旨在根据上游设备监测到的实时水情,分析下游村落未来水位,并判断水位超警情况。通过系统自动远程操控,提前在下游村落发布山洪预警,为转移、避险提供更多宝贵时间,进一步保障山区民众的生命财产安全。

1 研究区域

上下游联动预警村落的选择应满足以下要求:1) 联动预警村落应处于同一流域。2) 上下游村落间距尽可能远,为下游村落提供足够长的预见期。3) 流域内水系相对简单,尽可能减少影响洪水传播的因素。根据以上条件,笔者选择浙江省新昌县莒根溪流域为研究对象,探索莒根溪上下游联动预警方法并开发相应系统,以达到在山洪暴发时,声光电设备可提前在下游村落触发警报,提醒周边群众转移避险的目标。

莒根溪属曹娥江水系,是黄泽江的一级支流,发源于海拔519 m的宁海县马岙村,在新昌县小将镇流经巧英水库,再向西北前行约20 km后注入钦寸水库,最终汇合黄泽江[8]。河道全长35 km,流域面积98.2 km2,平均比降7.7‰,平均年径流深990.2 mm。

本次选取莒根溪巧英水库至钦寸水库段开展研究,涉及旧坞村、里家溪村、丹坑村三个山洪防御重要村落,区域示意如图1所示。

图1 研究区域示意图

图1中,旧坞村以上集雨面积约23.4 km2(扣除巧英水库以上面积,下同),里家溪村以上集雨面积约28.8 km2,丹坑村以上集雨面积约40 km2。

2 模型计算

2.1 计算方法

考虑山区小流域往往缺乏实测水文资料,不具备常规建模条件,而山区性河道的水位流量关系相对稳定,本研究通过断面水位流量关系结合面积比拟法,推求上下游断面水位的对应关系。

通过断面水位流量关系,推求上游旧坞村断面实时水位H1下的相应流量Q1[9-10],旧坞村断面水位流量关系见图2(a),再根据旧坞村断面流量Q1,采用流域面积比拟法[11-12],推求出下游里家溪村、丹坑村断面未来相应流量Q2,即

图2 各控制断面水位流量关系

(1)

式(1)中:Q1为上游断面流量,m3/s;Q2为下游断面流量,m3/s;F1为上游断面集雨面积,km2;F2为下游断面集雨面积,km2;n为面积比指数。

根据水位流量关系,以下游村落未来流量Q2推求相应水位H2,若H2大于预警水位,系统即可自动启动下游设备预警。下游里家溪村水位流量关系见图2(b),丹坑村断面水位流量关系见图2(c)。

2.2 率定与验证

运用本模型进行计算的关键在于确定面积比指数n,由于莒根溪及相近流域上并无充足的水文监测站点与实测历史资料可用于分析率定,因此,此处采用声光电预警设备建设后监测到的3场相对较大的洪水数据进行参数率定。洪水数据及参数率定结果见表1。本次n值取3场洪水率定结果的平均值0.67。因资料限制,参数率定采用的洪水场次明显偏少,后续应随着数据资料的延长,进一步调整参数取值。当前参数取值下,三断面流量比值为1.00∶1.15∶1.43。

表1 洪水资料及参数率定结果

采用2022年第12号台风“梅花”洪水水位对本方法计算精度进行验证。根据现场调查测量成果,在台风“梅花”期间,旧坞村、里家溪村和丹坑村断面洪峰水位分别为185.62,172.96,114.89 m,通过水位流量关系推求出对应流量分别为145,170,209 m3/s,流量比值为1.00∶1.17∶1.44,与面积比拟法下的流量比值1.00∶1.15∶1.43接近,因此,应用此方法以旧坞断面实测值推算里家溪与丹坑断面流量、水位成果。流量计算成果及误差情况见表2,水位计算成果及误差情况见表3。

表2 流量计算成果

表3 水位计算成果 单位:m

通过本场次洪水对比,初步判定此方法及参数取值合理,可将此模型运用于山洪灾害上下游联动预警系统中。

3 系统设计

3.1 技术路线

山洪灾害上下游联动预警系统基于声光电设备、联动预警模型、即时通信网络实现山洪灾害防御重要村落的上下游联动预警功能,同时整合区域水雨情信息、山洪防御重要村落信息、空间数据信息,实现数据的查询、统计、评价等功能,为区域山洪灾害防御提供有效服务。总体技术路线见图3。

系统主体由三套声光电预警设备和一个预警系统平台构成。声光电预警设备集实时水雨情信息采集、声光报警和数据传输于一体,为系统的信息感知和远程操控提供基础;设备触发预警时,即可发出闪光并鸣笛示警,有效传播距离为100 m以上,在山洪风险区安装后可为区内村民提供有力警示;预警系统平台内置前文所述的预警计算模型,通过上游设备传输的水位数据,分析预测下游未来水位,若超阈值即可通过控制下游设备进行提前预警。系统运行流程见图4。

图4 系统运行流程图

通过现场调查测量,下游里家溪村断面与丹坑村断面警戒水位分别为172.96 m与114.89 m,当预测里家溪村断面水位超过172.96 m时,即可提前触发里家溪村的声光电设备预警;当预测丹坑村断面水位超过114.89 m时,即可提前触发丹坑村的声光电设备预警。预警水位及提前预警触发条件见表4。

表4 断面预警水位及提前预警条件表

3.2 系统功能设计

系统主要功能模块包括5个方面:地图操作模块、信息与数据查询模块、实时预警模块、上下游联动预警模块、预警及洪水管理模块,系统页面见图5。

图5 系统页面示意图

1) 地图操作模块

该模块基于电子地图,按照点、线、面等矢量数据格式形成村落、水系、山地等各个图层,并对不同图层进行叠加显示,实现图形的缩放、量测等操作功能。

2) 信息与数据查询模块

该模块结合GIS底图,实现对数据的实时查询、可视化展示。本系统同步新昌县小流域山洪数智防御应用(山洪系统)数据,在线展示区域内重要村落位置、危险区范围、站点点位,同时实现区域内雨量、水位、流量等数据的实时读取、更新。

3) 实时预警模块

该模块通过读取的声光电设备或测站水位,研判洪水风险,并展示当前水位与警戒水位差值,直观体现风险情况。水位一旦触发警戒线,即通过山洪系统发送预警信息至相关责任人,同时声光电设备发出声光警报,提示村民转移避险。

4) 上下游联动预警模块

该模块为本系统核心模块,根据莒根溪上游旧坞村声光电设备监测的实时水情,通过模型计算,分析预测下游里家溪村、丹坑村未来水位并判断水位超警情况。若计算值超阈值,超警系统将自动开启下游村落声光电设备警报,通过提前发布山洪预警,为民众的转移、避险提供更多宝贵时间。

5) 预警及洪水管理模块

该模块用于管理历史场次洪水与预警记录,包括历史典型场次洪水管理、触发预警的洪水场次管理、人工模拟的洪水场次管理,提供洪水水位、流量等信息的对比分析,可以为防洪决策、提高模型计算准确度提供数据支持。

3.3 系统成效

本系统基于声光电预警设备,实现了新昌县莒根溪流域山洪防御重要村落的上下游联动预警。一方面,能够通过水位预警,在一定程度上避免当前雨量预警因计算模型误差及上游水利工程调度影响等因素导致的准确度不高的情况;另一方面,也能延长山洪灾害预警的预见期,在本研究中,丹坑村即可提前约1 h触发预警。

通过系统提前预警,可为丹坑村与里家溪村山洪风险区内村民(共有常住人口约30人)的转移、避险争取更多时间,有效降低人员伤亡和财产损失风险,显著提高了区域山洪灾害防御能力,进一步完善了洪涝灾害防御体系。

本系统围绕水利部智慧水利建设的要求,完善了山洪灾害的防治体系,推进了多元化监测的预报预警,迭代优化了山洪防御数字化应用,在浙江省新昌县取得了较好的实践效果。

4 结 论

笔者采用流量面积比拟法与水位流量关系,在山丘区小流域运用以上游实时水位预测下游未来水位的方法,并通过了实际洪水的初步验证。基于声光电预警设备构建了山洪灾害上下游联动预警系统,实现了山洪防御重要村落的上下游联动预警。该研究所采用的原理、方法简单易行,在大量配置了现地监测预警设备、水系与工况复杂度不高的地区均有较好的适用性,可复制性强,系统建设也相对便捷,具有较强的推广运用价值,可以为其他地区的山洪灾害防御提供参考。