郭良 王雅莉 李青 翟曉燕 張曉蕾 劉榮華

摘要：預警指標是山洪災害預警的依據，準確、有效的預警指標是山洪災害預警的必然要求。在總結國內外預警指標確定方法的基礎上，綜合考慮前期影響雨量、場次累計雨量和雨強，提出了復合預警指標法，闡述了確定復合預警指標的原理及方法，并以山西省北張店小流域為例對復合預警指標進行分析計算。結果表明：考慮多個降雨特征值的復合預警指標能夠較為準確地反映引發(fā)山洪災害的降雨條件。復合預警指標是由雨強、前期影響雨量和場次累計雨量計算得到的，其計算方法簡便、所需資料少、預警過程簡單，適合在我國大部分地區(qū)山洪災害預警中推廣應用。

關鍵詞：山洪預警；復合預警指標；前期影響雨量；場次累計雨量

中圖分類號：TV877

文獻標志碼：A

doi： 10. 3969/j.issn.1000-1379.2018.07.009

山洪是指降雨、融雪、潰壩等在山丘區(qū)小流域引發(fā)的陡漲陡落的洪水。近年來，受自然地理條件、極端氣象要素以及人類經濟社會活動的影響，山洪災害頻發(fā)，造成的人員傷亡、財產損失、基礎設施損毀和生態(tài)環(huán)境破壞十分嚴重。2000-2010年山洪災害年均死亡人數1079人，約占全國洪澇災害死亡人數的75%，山洪災害已成為我國自然災害造成人員傷亡的主要災種。2013-2015年，全國開展了大規(guī)模山洪災害調查評價工作，形成了全國山洪災害調查評價成果數據庫，開發(fā)了山洪災害監(jiān)測預警平臺系統。預警平臺系統以調查評價數據為基礎，實時監(jiān)測地區(qū)暴雨洪水，根據預警指標臨界值，發(fā)布山洪災害預警信息。

本文在總結國內外山洪災害預警指標確定方法的基礎上，提出考慮多降雨特征值的復合預警指標確定方法，并以山西省北張店流域為例，運用流域實測降雨資料，對復合預警指標進行分析計算。

1國內外預警指標確定方法

確定山洪災害預警指標是山洪災害預警的前提條件。美國山洪預警指標的確定是基于山洪預警指導系統（FFGS），根據實時土壤含水量，運用水文模型計算臨界流量的時段雨量作為預警指標；歐洲的山洪預警指標為基于氣象的雨量預警指標（EPIC），即運用歐洲洪水預警系統（EFAS）統計分析近30a不同時段數值天氣預報的降雨數據，根據降雨的重現期設定預警指標，一般設定2a一遇降雨量為中級預警指標值，5a一遇降雨量為高級預警指標值，20 a一遇降雨量為最高級預警指標值；日本運用以降雨量為指標的地質災害警戒系統對山洪進行預警，把短期雨量指標（雨強）作為縱坐標，長期雨量指標（土壤雨量指數）作為橫坐標，以歷史山洪災害為基礎，繪制地質災害預警臨界線（蛇形曲線），并以此線作為判斷地質災害是否發(fā)生的依據 。我國臺灣的預警指標與日本預警指標的設定類似，分別以短期、長期雨量指標作為縱、橫軸，采用降雨驅動指標劃定山洪災害預警臨界值。我國大陸在2013年以前山洪災害預警指標的確定以經驗法為主。自2013年開始全國范圍的山洪災害調查以來，中國水利水電科學研究院編制《全國山洪災害分析評價指南》，在全國推行設計暴雨洪水反推法計算預警指標，運用成災水位反推成災流量，設定不同的土壤含水量條件（較干、一般、較濕三種情況），運用推理公式法或水文模型法反推時段雨量，作為預警指標。

對比國內外幾種預警指標（見表1）發(fā)現，我國與美國預警指標確定方法都是基于流域的產匯流機制，設定時段雨量為預警指標，在一定程度上反映了流域的物理特性。歐洲的預警指標確定方法都是基于歷史災害資料的統計分析，只根據數值天氣預報降雨信息確定預警指標，下墊面條件及土壤含水量狀況等均未考慮。美國、日本、我國臺灣及我國現行水位流量反推法都考慮或部分考慮了土壤含水量對預警指標的影響，美國考慮隨時間變化的土壤含水量對預警指標的影響，稱為動態(tài)預警指標：我國臺灣把前期土壤含水量與場次累計雨量并稱為有效累計雨量，用來確定預警指標。研究發(fā)現考慮前期雨量、雨強、有效累計雨量等降雨要素，能夠較為準確地反映引發(fā)山洪的降雨條件，提高預警指標的精準度。

2復合預警指標理論

運用經驗法確定的預警指標，未定量考慮雨強和前期影響雨量。引發(fā)山洪的暴雨產流具有非線性特點，往往在降雨初期形成超滲產流，造成地面徑流迅速增長，形成山洪災害。研究發(fā)現，雨強是山洪災害形成的主導因素，場次累計雨量和前期影H向雨量對山洪災害的形成有一定的影響。復合預警指標法是以我國臺灣的降雨驅動指標法為基礎，考慮了雨強、前期影響雨量、場次累計雨量等降雨要素的一種山洪災害預警指標計算方法。復合預警指標確定過程中，把場次累計雨量與前期影響雨量之和定義為有效累計雨量。

復合預警指標計算的基本理論與降雨驅動指標法類似，其基本公式為

CWI=PI·R

（1）式中：CWI為復合預警指標，mm^2/h；PI為山洪發(fā)生時刻的降雨強度，mm/h；R為有效累計雨量，mm。

有效累計雨量R定義為該場次累計雨量（R0）與前期影響雨量（Pa）之和：

R =Ro+Pa

（2）

前期影響雨量為該次降雨開始時刻前幾天的加權降雨量之和：式中：Pa≤Wm.（飽和土壤含水量）；Ri為第i天日雨量；αi為第i天日雨量加權系數；n為計算天數。

對于濕潤、半濕潤地區(qū)，蒸發(fā)量較小，n≥10，α為0.8～0.9；對于干旱、半干旱地區(qū)，蒸發(fā)量較大，n≥5，α為0.6～0.8。

計算復合預警指標時，首先要分析每次山洪發(fā)生時的降雨強度（ PI）及山洪發(fā)生之前的有效累計雨量（R），然后計算該次山洪事件的復合預警指標值（CWI）。在我國大部分地區(qū)，發(fā)生山洪的時刻不能準確確定，因此通常以該場降雨的最大降雨強度作為發(fā)生山洪時的雨強。

3復合預警指標的應用

3.1研究區(qū)概況

北張店小流域位于山西省長治市屯留縣張店鎮(zhèn)，絳河上游，集水面積270km^2。流域形狀為扇形，屬砂頁巖石山區(qū)，黃土覆蓋不厚，多屬于第三紀紅土，植被較差，水土流失嚴重。流域地勢西高東低，由西北向東南傾斜，平均高程1182m。流域屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明，年平均氣溫為9.2℃。多年平均降水量為574.9mm，年際變化較大，年內分配不均勻，冬季干旱少雨，夏季降雨充沛。多年平均汛期（6-9月）降雨量占全年降水量的70%以上，多年平均蒸發(fā)能力為l755mm。流域內有1個水文站（北張店站）、10個雨量站。北張店小流域山洪災害頻發(fā)，20世紀以來文獻記載的較大山洪災害共7次。下面根據成災和未成災的20場實測暴雨洪水資料，分析計算其復合預警指標。

3.2復合預警指標計算

在進行復合預警指標計算前，需根據實測降雨數據進行雨場分割，對引發(fā)洪水的降雨，找出洪水發(fā)生時的雨強以及災害發(fā)生前的有效累計降雨量。對未發(fā)生洪水的降雨場次或發(fā)生洪水但不確定成災時刻的降雨場次，將場次的最大雨強作為激發(fā)雨強，并計算相應的有效累計雨量。

在一次連續(xù)降雨過程中，采用小時雨量大于4mm的時刻作為場次降雨開始時刻，小時雨量連續(xù)3h小于4mm的開始點作為降雨結束時刻，來劃分降雨場次。

對北張店小流域的降雨資料進行場次劃分后，統計其成災時刻雨強（或最大雨強）、場次累計雨量和前期影響雨量。統計的20場降雨中，有7場發(fā)生了山洪災害。按照發(fā)生山洪災害的降雨場次和未發(fā)生山洪災害的降雨場次，繪制有效累計雨量和雨強散點圖（見圖1）。從圖1可以看出，當有效累計降雨量較小時（圖中紅線左側），即使雨強相對較大也未能引發(fā)山洪災害；在雨強和有效累計雨量都較大時（圖中紅線右側），發(fā)生山洪災害的可能性更大。這種現象是山丘區(qū)小流域的產匯流特性決定的，較大的雨強是山洪發(fā)生的激發(fā)因素，較大的有效累計雨量為山洪災害的發(fā)生創(chuàng)造了必要條件。在山洪災害預警指標確定過程中，需綜合考慮二者的影響，缺一不可。

運用統計的雨強和有效累計雨量按照上述理論方法計算復合預警指標值，并把這些值按照從大到小的順序排列，運用經驗頻率法計算其頻率（見圖2），大的預警指標值對應小的頻率值。圖2中可以看出復合預警指標有明顯的分群現象，發(fā)生山洪災害的復合預警指標值普遍較大，而未發(fā)生山洪災害的指標值較小。復合預警指標值最大約為2300mm^2/h，均值為1122mm^2/h。有效累計雨量和雨強決定了復合預警指標的大小。北張店小流域位于我國北方地區(qū)，屬半濕潤區(qū)與半干旱區(qū)的交界地帶，年降水量較小，夏季短歷時大暴雨居多，年降雨日數少，暴雨場次的前期影響雨量小，場次累計雨量不大，導致有效累計雨量偏小，計算的大部分場次降雨的復合預警指標值不大。夏季也會出現連綿降雨的情況，計算的復合預警指標值會比較大，但這種情況較少。

綜合分析北站店小流域的降雨特征，分別設定頻率0.5和0.7為高預警臨界值和低預警臨界值，對應的復合預警指標值分別為915mm^2/h和686mm^2/h，把這兩個值作為山洪災害預警指標，繪制預警臨界曲線（見圖3）。

在山洪災害預警過程中，實時觀測降雨，找出降雨的最大雨強，計算場次降雨的有效累計雨量，得到復合預警指標值，并將其與預警臨界值對比。若實時計算的復合預警指標值大于橙色預警臨界值，發(fā)布橙色預警信息；若實時復合預警指標值大于紅色預警指標臨界值，發(fā)布紅色預警信息。運用復合預警指標預警的流程見圖4。

4結語

在分析國內外山洪預警指標確定方法的基礎上，提出了考慮多要素的復合預警指標，在闡述復合預警指標計算理論的基礎上，以山西省北張店小流域為例，將復合預警指標應用在山洪災害預警中。

（1）美國、歐洲、日本、我國臺灣等都形成了一套比較完整的預警指標確定方法，這些地區(qū)的氣候條件和下墊面條件不同，考慮的降雨要素也不盡相同。綜合考慮雨強、前期影響雨量和場次累計雨量的復合預警指標確定方法能夠較為準確地反映引發(fā)山洪災害的降雨條件。

（2）根據實測降雨資料計算出復合預警指標值后，運用經驗頻率分析法得到橙色預警和紅色預警臨界值，繪制預警臨界線，并以此為依據進行山洪災害預警。

考慮多要素的預警指標確定方法是山洪災害預警指標發(fā)展的必然趨勢。復合預警指標因其考慮降雨特征值多、計算簡單、所需資料少，適合在我國大部分地區(qū)應用，尤其是在山丘區(qū)采用簡易雨量報警器進行預警的村莊，可在簡易雨量報警器中嵌入復合預警指標計算程序和閾值。在以后的研究中，需關注其應用效果及與其他預警指標的應用對比。