周毅 雷雪蓮

摘 要： 由于對臨界雨量分析不足，目前的山洪預警方法可能導致預警不準確。基于動態(tài)臨界雨量的山洪預警方式，綜合考慮降雨量、降雨強度、前期影響雨量對山洪暴發(fā)的影響，能有效提高降雨預報的準確性，并利用短歷時降雨預報延長山洪預見期，利用水文、水動力學模型分析預警后山洪可能造成的影響，為決策提供指導。

關(guān)鍵詞： 山洪；動態(tài)臨界雨量；預警；影響分析；云平臺

1引言

山洪是山區(qū)中小流域由強降雨引起的突發(fā)性洪水，具有突發(fā)性和極強的破壞性，威脅著人類的生命和財產(chǎn)安全。我國河流眾多，流域面積覆蓋面廣，中小河流大多分布在城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村周圍，由于缺少系統(tǒng)性的管理，加上近年來極端天氣事件增多，突發(fā)性暴雨頻率增加，我國城鄉(xiāng)尤其是重要城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)受山洪災害損失十分嚴重。在此背景下，山洪災害的防治尤為重要。

山洪預警是山洪災害防治的重要手段，能有效預報災害并以此作出應急響應，以減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。我國針對中小河流山洪災害的技術(shù)研究開展較晚，目前山洪預警所用的雨量站閾值一般是通過統(tǒng)計、回歸等方法確定的臨界雨量值，是一個“靜態(tài)”值。而山洪災害發(fā)生不僅與降雨量有關(guān)，還與土壤含水量、降雨強度等諸多因素有關(guān)，臨界雨量會隨著土壤干濕程度、降雨過程變化而變化，因此固定的閾值會導致預警不準確。加之山洪災害一般具有突發(fā)性，從降雨到山洪發(fā)生往往僅幾十分鐘，長的不超過數(shù)小時，目前基于實測降雨的預警方式預見期短，可能會導致預警不及時，當?shù)鼐用裢鶡o法及時轉(zhuǎn)移。為此，本文提出基于動態(tài)臨界雨量對山洪進行預警預報，能有效提高降雨預報的準確性，并利用短歷時降雨預報延長山洪預見期。以此為基礎搭建的預警云平臺能夠有效預報山洪，并分析山洪災害影響，為決策提供指導。

2預警平臺架構(gòu)

山洪預測預警云平臺總體框架如下圖所示，包括感知層、信息處理層和應用層三部分，各個層次均有標準規(guī)范和安全體系作為保障。

2.1感知層

云平臺采集各類傳感器實時感知的水情、雨情、工情及氣象等各類數(shù)據(jù)，這是山洪預測預警云平臺的數(shù)據(jù)來源。

2.2信息處理層

信息處理層是信息匯集、存儲、分析、管理的中心，是山洪預測預警云平臺的核心層。

多源數(shù)據(jù)通過信息通信網(wǎng)絡傳輸至云數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等方式對數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式進行整編，按照國家標準和行業(yè)標準將數(shù)據(jù)規(guī)則存儲在云計算數(shù)據(jù)中心。

信息處理層依靠行業(yè)機理模型作為數(shù)據(jù)分析引擎。通過將降雨預報模型、水文模型、水動力模型、損失評估模型按照編排的工作流和模型之間的信息交互，并借助云平臺強大的計算能力，讓數(shù)據(jù)驅(qū)動各個模型協(xié)同完成山洪災害的模擬推演，對海量數(shù)據(jù)進行處理分析。

云平臺還為用戶提供模型管理工具，主要包括模型審核、模型注冊、模型評價和任務管理等，為模型的準確性、適用性等方面做出合理評價和管理。

2.3應用層

應用服務層主要為終端用戶提供各種定制化的服務。通過動態(tài)臨界雨量法預測預警和影響分析的方式，將用戶關(guān)注的計算結(jié)果指標，通過服務器、短信、微信等方式以KPI的形式反饋給水行業(yè)管理單位或者社會公眾，采取相應的措施和行動。這樣，過去山洪中憑經(jīng)驗解決的問題，現(xiàn)在可以通過登錄山洪預測預警云平臺，讓水行業(yè)大數(shù)據(jù)指導決策。

3.基于動態(tài)臨界雨量的山洪預警方法

3.1山洪暴發(fā)影響因素

一般情況下，山洪成災的原因是局部地區(qū)暴雨形成的洪水，而暴雨產(chǎn)生徑流又與降雨總量、降雨強度、前期影響雨量等諸多因素有關(guān)。前期影響雨量表示一場降雨前，流域土壤的干濕狀況對此次降雨產(chǎn)生徑流的影響。前期影響雨量大，則降雨損失較小，產(chǎn)生徑流越大；反之，產(chǎn)生徑流越小。

影響因素的選取如圖所示，累計雨量P，表示從降雨開始到面臨時刻的降雨總量，如圖中Ⅰ區(qū)域所示；面臨時刻前一時段降雨量PⅡ，表示降雨強度對臨界雨量的影響，如圖中Ⅱ區(qū)域所示；臨界雨量P臨，表示面臨時刻未來一個時段的降雨量，如圖中Ⅲ區(qū)所示；前期影響雨量Pa如圖中Ⅳ區(qū)所示；預警時刻如圖中Ⅴ區(qū)所示。

山洪暴發(fā)影響因素中，累計雨量P和代表降雨強度的降雨量PⅡ可以根據(jù)雨量站實測數(shù)據(jù)直接統(tǒng)計出。前期影響雨量Pa需要如下公式求得：

Pat=KPt-1+ K2Pt-2+ K3Pt-3+……+KnPt-n

上式中，Pat為第t日的土壤含水量指標（mm）；Pt-n為第t日前n天的日雨量（mm）；K為日折減系數(shù)，與土壤蒸發(fā)能力有關(guān)；n為計算天數(shù)。

3.2臨界雨量的計算方法

山洪災害主要由強降雨產(chǎn)生，匯流歷時短，洪水陡漲睹落，因此臨界雨量指標的時段長主要采用1h、3h和6h三個時間尺度。山洪暴發(fā)的各個影響因素會隨著降雨的變化而變化，因此警戒臨界雨量也呈動態(tài)變化。因此，尋求各個影響因素與臨界雨量的關(guān)系是本方法的關(guān)鍵。

截取任意歷時T的降雨過程，利用水文模型推求其產(chǎn)生洪水的過程。判別山洪是否發(fā)生，若洪峰流量大于預警流量，則山洪已發(fā)生，需重新截??；若未發(fā)生，給第T+1時段的降雨量由小到大賦值PT+1，并判斷山洪是否發(fā)生，使山洪發(fā)生的最小值PT+1即為該條件下的P臨。得到點（Pa+ P+PⅡ，P臨）。按照上述方法計算數(shù)十次洪水，得到一個點集，擬合得到P臨～Pa+ P+PⅡ的關(guān)系曲線。

3.3山洪預測預警

山洪預測預警流程如下：

圖3山洪預測預警流程示意圖

臨界雨量作為是否發(fā)布預警的判別指標，當降雨發(fā)生時， 通過雨量站實測數(shù)據(jù)計算前期影響雨量Pa、累計雨量P和PⅡ，得到Pa+ P+PⅡ，通過P臨～Pa+ P+PⅡ的關(guān)系曲線圖中查找對應的臨界雨量P臨。將下一個時刻的預報降雨P(guān)Ⅲ與之比較，如果P臨PⅢ，則不需要發(fā)布預警。

本次短歷時臨近降雨數(shù)據(jù)采用彩云天氣分鐘級降雨預報數(shù)據(jù)。彩云天氣依托卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法，對中國氣象局雷達圖進行分類、識別處理，降雨時間的預測存在約 5 分鐘誤差。通過提供雨量站經(jīng)緯度信息，彩云天氣就可以將預報降雨數(shù)據(jù)以API的形式發(fā)送給山洪預測預警云平臺。

4.預警影響分析

4.1預警影響分析流程

圖4預警影響分析流程示意圖

由上述方法確認需要發(fā)布預警之后，根據(jù)實測和預報降雨數(shù)據(jù)，通過水文模型計算可以得出流域河流的出口斷面流量過程，再結(jié)合基礎地理信息數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等，通過水動力學模型和損失評估模型，可以模擬出流域范圍內(nèi)洪水淹沒和損失情況。

4.2洪水淹沒分析

山洪成災河流多為山區(qū)性中小河流，河道比降大，河水流向相對單一，可以采用二維水動力學模型概化河道和二維淹沒區(qū)地形，通過概化地形、阻水構(gòu)筑物、導水構(gòu)筑物等方式模擬，描述洪水在二維區(qū)域的演進、淹沒情況，包括淹沒水深、洪峰達到時間、淹沒歷時等要素。

4.3山洪影響分析

根據(jù)洪水淹沒分析得到的淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等要素，結(jié)合淹沒區(qū)社會經(jīng)濟情況，綜合分析評估洪水影響程度。洪水影響分析指標包括受淹耕地面積、受淹房屋面積、受災人口、受影響GDP、淹沒區(qū)經(jīng)濟損失等，在一定程度上反映出洪水的危害程度。

具體步驟如下：將洪水水情特征分布圖層和與社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)的土地利用分布圖層通過空間地理關(guān)系進行疊加分析，以實現(xiàn)各類社會經(jīng)濟財產(chǎn)的淹沒情況統(tǒng)計；隨后，建立淹沒水深與各類財產(chǎn)損失關(guān)系，綜合評估各洪水影響指標。具體分析步驟如下：

（1）地圖數(shù)據(jù)準備

將洪水影響分析與洪災經(jīng)濟損失評估所需要的基礎信息繪制成GIS圖層，將圖層設定為行政區(qū)劃面圖層、居民地面圖層、農(nóng)田植被面圖層、鐵路線圖層、公路線圖層、重點單位點圖層等。

（2）社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)準備

統(tǒng)計研究區(qū)域的社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，主要包括行政區(qū)面積、人口、耕地面積、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、地區(qū)生產(chǎn)總值、人均住房情況、人均收入情況、重要工業(yè)企業(yè)單位等與國民經(jīng)濟和社會發(fā)展相關(guān)的數(shù)據(jù)類型，對數(shù)據(jù)類型和統(tǒng)計資料進行分析和分類整理，形成社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)表。

（3）損失評估分析

將基礎圖層、淹沒圖層、以及經(jīng)濟數(shù)據(jù)依次導入系統(tǒng)，進行空間疊加分析，確定損失關(guān)系并進行分析計算，便可得到各洪水影響指標。

5.結(jié)論

本研究主要探討了基于動態(tài)臨界雨量的山洪預警方法，提出了山洪影響的分析方法，并以此為基礎構(gòu)建山洪預測預警云平臺。

基于動態(tài)臨界雨量的預警方式，綜合考慮降雨強度、前期土壤含水量等影響因素，結(jié)合降雨預報，對山洪災害預報預警。該方法與傳統(tǒng)山洪預警方法相比，有以下優(yōu)勢：

（1）預報預警更加準確。動態(tài)臨界雨量法能夠?qū)⒏饔绊懸蛩貙嶋H情況相結(jié)合，通過分析降雨量、壤含水量、降雨強度、降雨分布等諸多因素對山洪暴發(fā)的影響，合理動態(tài)設置預警閾值，并且每一次預警和影響分析，模型都會將計算數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)進行比對，不斷優(yōu)化模型參數(shù)，使得預報預警更加準確。

（2）提高山洪預見期。動態(tài)臨界雨量結(jié)合預報降雨數(shù)據(jù)，能提前預知山洪災害的發(fā)生，增加轉(zhuǎn)移救援的應對時間。

（3）提升決策支撐能力。平臺根據(jù)實測和預報降雨數(shù)據(jù)，結(jié)合基礎地理信息數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等，通過水文模型、水動力學模型和損失評估模型分析，能夠在短時間內(nèi)模擬出流域范圍內(nèi)洪水淹沒情況和影響情況，并以KPI的形式展示，更好的輔助管理者決策。

目前全國山洪災害防治體系已初步建立，但大多還是以監(jiān)測預警為主，預警能力也有待提升。山洪預測預警云平臺旨在提供山洪災害防治應用領(lǐng)域中數(shù)據(jù)接入、預測預警、影響分析、動態(tài)展示的一站式服務，能夠?qū)崿F(xiàn)山洪災害自動化預測預警，提升山洪災害防治能力，為山洪災害頻發(fā)的中小流域提供服務。

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