大石山区洪涝灾害水文测报技术研究与应用

覃 毅，黄晓林

（1.河池水文中心南丹水文中心站，广西 南丹 547200；2.河池水文中心，广西 河池 547000）

突发性强降雨时导致洪涝灾害损失严重的主要因子之一，雨量阈值预警预报作为一项重要的防灾减灾非工程措施，是减少洪灾损失的重要手段和方法之一[1]。本研究以广西南丹县为研究对象，通过多源数据耦合，利用流域地形地貌特征信息，对大石山区致灾临界水量、临界雨量值进行统计分析，得出以短临降雨预报和前期雨量为先导，以雨量阈值为预警控制条件的洪涝灾害预警模式，以期延长大石山区洪涝灾害预见期，为防灾减灾提供科学依据。

1 研究区概况

南丹县位于广西西北部，云贵高原南麓，地形地貌复杂，是名副其实的大石山区，不少河流穿行于岩溶发育地带的溶洞之中，忽出忽入，反复变换，遭受强降雨时，暗河水满，溢出地面，无处流淌，滞塞于低洼谷地中，此时则出现不少短暂（4～6 d）的山间小湖。这种“十日无雨到处干，一场大雨到处淹”是南丹县水文特点的生动写照。洪涝灾害是南丹县乃至广西岩溶大石山区最为严重的自然灾害之一且日趋频繁，严重制约着本地区的农业经济发展，已成为该地区社会经济发展的障碍。因此，探索大石山区洪涝灾害预警雨量阈值，向当地提前发出预警信息对促进本地区防灾减灾和农业的可持续发展具有现实意义。

2 数据来源

2.1 水利部门

收集南丹县易涝区调查资料，具体资料包含：易洪易涝区地名、涝区面积、涝区人口、耕地面积、灾情简单描述、涝区涉及河流、成涝原因等，再利用卫星地图收集相应易洪易涝区的经度、纬度、高程等地理信息，共得到南丹县34个涝片。

2.2 水文部门

作为防汛减灾工作的“尖兵”和“耳目”，南丹县境内布设有8个水文（位）站，与之配套有50个雨量站点，数据资料有实时数据、历史数据和基础数据，实时数据包含：水文、雨量站点5 min实时监测数据，实时视频监控，以及应急情况下人工监测数据；历史数据包含：汛期降水量摘录表、日月年降水量表、洪水摘录表等；基础数据包含：站网分布图、水系图、流域图等。

2.3 气象部门

降雨作为最重要的因子之一，大石山区洪涝灾害预警预报对降雨预报的预见期和精准程度依赖性较高。基于中央气象台公共服务平台和广西气象服务终端的降雨数值预报服务产品，特别是可能致灾的准确度较高的短临气象预报产品，如6、12 h降水预报（见图1），以及广西气象平台6 min河池市SWAN拼图（见图2）等基本满足致灾雨量预警的需求。

图1 广西0～24 h降水预报图

3 洪涝区地理空间信息处理

3.1 绘制和推求洪涝区集水面积

利用GIS 应用软件点绘南丹县34 个洪涝灾害隐患点地理空间分布，利用高分辨GIS 技术配准南丹县DEM数据，对DEM数据进行填洼处理、流向提取、流量计算、河网矢量化，再叠加洪涝灾害隐患点、河流、水文站、雨量站，在洪涝区最低点设置倾斜点（流域出口断面），利用GIS 自动绘制倾斜点以上流域面积，即为该涝区的集水面积。南丹县洪涝区分布见图3。

图3 南丹县洪涝区地理空间分布图

3.2 洪涝区水量推求

洪涝区水量推求有两种方法，一是根据洪涝区调查成果表中对洪涝灾害面积、灾情、受灾范围的描述等确定洪涝区水面等高线，再通过GIS 软件利用DEM 数据绘制的洪涝区流域1 m 等高线计算水面面积、水体体积；二是利用发生洪涝灾害时的实测应急监测数据，包括实测水位、雨量、淹没面积、水深、洪水调查测量记录等，通过台体方量计算公式（1）分层计算水量，累加得到总水体体积公式（2），水量计算公式如下：

式中：Hi是第i层的水层厚度，m；S上i为第i层的上层水面表面积，m2；S下i为第i层的下层水面表面积，m2；Q总为总水体体积，m3。

再将涝区水量换算为流域次径流深，径流深是指在某一时段内径流总量平铺在流域面积上所得的水层深度，计算公式为：

式中：F为洪涝区面积，km2；R为径流深，mm。

3.3 洪涝区雨量阈值的计算

洪涝灾害是短历时暴雨和前期降雨共同作用的结果，南丹县的34 个洪涝片区积水面积最小为8.7 km2，最大359.4 km2，平均面积81.6 km2，集水面积较小，本文以灾害发生当天的前10 d的降雨总量作为特征值，集中反映下垫面和前期雨量对洪涝灾害的影响程度，得出致灾的前期雨量和灾害发生的次降雨量关系，为了延长预见期，根据次降雨强度分布转换成不同时段长（1 h、3 h、1 d）的特征雨量，从而得到不同时段长的雨量阈值。前期雨量、次降雨量、径流深和雨量阈值关系如下：

式中：P阈值为雨量阈值，mm；P次为次降雨总量，mm；A为前期雨量影响系数；P前为前期雨量，mm。

前期雨量影响系数A的作用是将雨量阈值转换为不同时段长的特征雨量，便于精准预报，由灾区多场次洪涝灾害统计分析而得，不同地区因地形、下垫面等因素差异常数不尽相同。南丹县部分大石山区洪涝区雨量阈值成果见表1。

表1 南丹县部分大石山区洪涝区雨量阈值成果

4 实例应用

南丹县城关镇位于南丹县中部，是南丹县城所在地，县城主要河流为铜江。根据洪涝灾害调查表，1983 年6 月和2019 年6 月，南丹县城关镇均出现强降雨，造成城区的铜江发生洪水漫堤，县城至拉易村一带出现严重内涝。1983 年6 月的洪涝灾害历时3 d，0.998 万亩涝区内，受灾作物0.46 万亩，受灾人口0.6 万人，冲毁公路桥2 座、冲毁路面20 km、公路塌方20处。

采用GIS软件配准南丹县DEM数据，在进行绘制等高线、填洼、流向提取、流量计算和河网矢量化后，在河网最低处及流域出口断面设置倾斜点，然后经过空间和水文分析得到该洪涝区的集水区（见图4）。最后将栅格数据转面投影得到洪涝区集水面积38.66 km2。

图4 城关镇-拉易和车河洪涝区

灾情调查报告显示，1983 年6 月，城关镇至拉易一带的灾害以涝灾为主，涝区平均水深为0.3 m，换算水量为199.70万m3，换算成流域径流深为51.7 mm。涝区内主要有南丹和小场两个雨量站点，采用算术平均法计算面平均雨量，得到致灾前10 d降雨总量为97.3 mm，次降水总量为129.5 mm，对时段雨量进行分析，得到该涝片不同时段的雨量阈值（见表1）。

2022 年6 月10～19 日，南丹县城关镇持续降雨，累计雨量达97.3 mm，接近触发前期雨量阈值，20日0时，河池市发布暴雨红色预警，05时，值班员利用GIS应用软件把气象雷达图配准到南丹水文站网分布图，发现城关镇铜江、车河镇刁江流域将出现大暴雨，触发洪涝灾害雨量阈值预警信号，06时，南丹水文中心站发布洪水蓝色预警，预计未来1～5 h，铜江城关镇河段、刁江车河镇河段将出现超警戒水位洪水。此次降雨峰值出现在06时，刁江车河水文站于08 时20 分出现超警3.17 m 的洪峰水位，铜江小场水文站于11时出现超警1.14 m的洪峰水位。根据复盘分析，与以往等待主雨峰出现后再分析的预警发布不同，此次预警发布预见期延长了4 h，对集水面积小、汇流时间短的中小河流水文站而言，以短临降雨预报和前期雨量为先导，以雨量阈值为预警控制条件的洪涝灾害预警模式，延长大石山区洪涝灾害预见期，为低洼地带、内涝区、沿江危险区群众转移赢得更多时间。

5 结语

大石山区下垫面复杂，各洪涝区的下垫面情况不一，为了提高预警预报的精准度，一是要继续收集洪涝灾害信息，不断补充完善资料库中前期影响雨量和不同时段雨量阈值；二是加强与气象部门沟通协作，提高短临气象预警服务精准度和气象SWAN拼图配准精度，熟练运用GIS等软件，提高工作效率，及时发布洪涝预警预报信息。