楊培生 雷聲 許小華 王小笑 付佳偉

摘要：

監(jiān)測站網(wǎng)是獲取區(qū)域尤其是復雜山區(qū)小流域暴雨洪水特性最重要、最直接的方式。在分析站網(wǎng)布設(shè)相關(guān)研究現(xiàn)狀和站網(wǎng)存在問題的基礎(chǔ)上，提出采用錐體法分析滿足小流域山洪災害防治需求的站點總數(shù)，采用風險潛勢關(guān)聯(lián)法優(yōu)化站網(wǎng)的空間分布。前者著眼于降雨過程的時空分布特征，后者側(cè)重于歷史山洪災害情況及沿河村落的預警需求。以此理論為基礎(chǔ)，綜合分析了江西省鉛山縣監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)合理性，結(jié)論表明需在關(guān)聯(lián)性較弱且危險區(qū)人口較多處新增監(jiān)測站點以滿足監(jiān)測預警需求。研究成果對監(jiān)測站網(wǎng)的建設(shè)和調(diào)整優(yōu)化具有指導意義。

關(guān) 鍵 詞：

山洪災害; 監(jiān)測站網(wǎng); 站網(wǎng)布設(shè)理論; 調(diào)整優(yōu)化; 江西省

中圖法分類號： TV21;TV87

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.006

0 引 言

山洪災害是指在山丘區(qū)由強降雨引發(fā)的具有突發(fā)性強、破壞力大等特征的洪水災害[1]，江西省以丘陵、山地為主，山洪災害頻發(fā)[2]。據(jù)統(tǒng)計，江西省1991～2006年，因山洪災害死亡1 452人，平均每年達91人，占洪災死亡人數(shù)的近80%?？梢娚胶闉暮σ褔乐赜绊懥私魇〗?jīng)濟社會發(fā)展，成為主要自然災害之一[3]。

監(jiān)測站網(wǎng)是獲取區(qū)域尤其是復雜山區(qū)小流域暴雨洪水特性最重要、最直接的方式[4]。合理的站網(wǎng)布局有利于監(jiān)測降雨強度變化和洪峰變化的時空差異性，降低流域水文計算的不確定度，大大提高山洪災害監(jiān)測預警的精度[5]。近年來國內(nèi)外學者對監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)方法做了大量研究。國外常用的方法有空間插值法[6]、統(tǒng)計分析法[7]、熵理論[8]等。20世紀七八十年代，中國學者提出了累積積差法、暴雨中心控制區(qū)法、錐體法、流域水文模型法和抽站法等雨量站布設(shè)方法[9]。前2種方法由于存在理論缺陷已較少應用;錐體法[10]因其簡單、對資料要求低，已被廣泛應用于稀疏區(qū)域站網(wǎng)規(guī)劃與布設(shè);流域水文模型法和抽站法常用于站網(wǎng)密度的合理性分析[11]。雖然上述監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)方法已得到廣泛應用，但對考慮山洪災害危險區(qū)特性的布設(shè)方法研究相對較少，在CNKI中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中以“站網(wǎng)布設(shè)”或“站網(wǎng)優(yōu)化”作為關(guān)鍵詞進行檢索，共得到符合條件的期刊論文729篇，但考慮山洪特性的站網(wǎng)布設(shè)相關(guān)論文僅11篇[12]。

2007年江西省在全國率先開展山洪監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)，至今已持續(xù)建設(shè)10多年，累計投入約1.9億元，全省監(jiān)測站網(wǎng)密度達到36.02 km2/站（含水庫監(jiān)測站點），但對山洪災害頻發(fā)的山區(qū)小流域仍不滿足要求。在山區(qū)，不同海拔高度的降雨量差異很大，從山腳到山腰，降雨量隨著地勢的升高而逐漸增加，但是到山頂附近之后，由于海拔上升，空氣中水汽減少，導致降雨量明顯減少。如2016年5月6日，宜春市明月山景區(qū)遭遇短時強降雨，造成山洪暴發(fā)，致使設(shè)施損毀，游客滯留，其中明月山站24 h降雨達68.5 mm，但軍背站僅為8.5 mm，降雨變幅高達87%。此外，不同坡向降雨量也不同，同時期陽坡降雨量要高于陰坡[13]。上述因素導致部分山區(qū)仍存在站網(wǎng)密度難以滿足防治需求的問題。

本文以山洪災害頻發(fā)的江西省鉛山縣為例，通過錐體法和山洪災害風險潛勢關(guān)聯(lián)法綜合分析了該縣監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)現(xiàn)狀，并提出了優(yōu)化布設(shè)方案，以期為監(jiān)測站網(wǎng)的建設(shè)和調(diào)整優(yōu)化提供參考。

1 布設(shè)方法研究

監(jiān)測站網(wǎng)布局涉及監(jiān)測站總數(shù)及其空間分布的合理性。采用錐體法對滿足山洪災害防治需求的站點總數(shù)進行分析，采用風險潛勢關(guān)聯(lián)法對站點的空間分布進行優(yōu)化。前者著眼于降雨過程的時空分布特征，后者側(cè)重于歷史山洪災害形勢和沿河村莊的預警需求。

1.1 錐體法

錐體法認為暴雨量從中心向邊緣逐漸減少，以降雨等值線梯度變化最大的一側(cè)作為圓錐體的一側(cè)，以通過暴雨中心的垂直線為軸線[14]。假設(shè)降雨量從中心至邊緣呈直線變化，則降雨量計算如下：

式中：P0為暴雨中心雨量，mm;Pn為對應于暴雨中心Ln處的雨量，mm;Ln為計算面雨量的面積半徑。

若按正方形網(wǎng)格布設(shè)雨量站，暴雨中心處于4個雨量站的中心位置，〖JP4〗依據(jù)三角函數(shù)，可得暴雨中心的雨量為

則降雨相對誤差為

式中：M為流域內(nèi)雨量站數(shù)量，A為流域面積。

1.2 風險潛勢關(guān)聯(lián)法

山洪災害風險潛勢由致災因子、孕災環(huán)境和承災體等3個方面致災因素組成[15]。風險潛勢關(guān)聯(lián)法是基于山洪災害調(diào)查評價獲取的危險區(qū)分布、小流域?qū)傩浴⑽ｋU區(qū)人口、房屋類型、企事業(yè)單位分布、暴雨時空分布、坡度、土壤類型等信息，以保護危險區(qū)人口為核心，以小流域為單元，將處于同一個小流域的危險區(qū)與監(jiān)測站點關(guān)聯(lián)，根據(jù)各小流域風險潛勢因子優(yōu)化站點布設(shè)，達到“最少站點，最優(yōu)監(jiān)測”的目的[16]。

根據(jù)山洪災害調(diào)查評價成果及山洪災害監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)需求，從致災因子、孕災環(huán)境和承災體3個方面出發(fā)，選取暴雨均值、暴雨空間分布、坡度、土壤類型等9個指標項目綜合評價山洪災害風險潛勢對監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)的影響，各指標項及其對風險潛勢影響分析如表1所列。應指出，利用表1中的影響因子分析時需結(jié)合小流域?qū)嶋H情況決定各項指標的優(yōu)先性，確定小流域各位置的風險潛勢程度。一般，承災體指標優(yōu)于孕災環(huán)境指標優(yōu)于致災因子，即首要考慮對人口密集、財產(chǎn)分布多、房屋建筑抗災能力弱的區(qū)域監(jiān)測，其次要對匯流時間短、下墊面蓄水能力弱等區(qū)域進行監(jiān)測，最后結(jié)合暴雨時空分布調(diào)整優(yōu)化站點位置，尤其要對降雨突變明顯、現(xiàn)有站點覆蓋不足且有人員活動而又易被忽視的局地山丘加大監(jiān)測力度。

利用風險潛勢程度進一步優(yōu)化監(jiān)測站網(wǎng)布局，本方法采用“風險潛勢控制總數(shù)、單站就近原則法”分析監(jiān)測站點和小流域危險區(qū)關(guān)聯(lián)情況，確保各個小流域范圍內(nèi)所有重點沿河村落與流域內(nèi)或附近自動監(jiān)測站關(guān)聯(lián)[17]，具體方法為：① 極高、較高、中等、較低、極低5個等級的危險區(qū)平均站網(wǎng)密度至少需達到20，25，30，40，50 km2/站;② 若危險區(qū)與附近的雨量站處于同一小流域且不超過5 km，則雨量站應盡量布設(shè)在危險區(qū)上游;③ 若危險區(qū)與附近的雨量站處于不同小流域，距離不超過3 km且不跨山脊線，雨量站可布設(shè)于附近小流域;④ 若危險區(qū)與附近雨量站距3 km以內(nèi)但降雨存在突變，應適當加密站點。

2 研究實例

2.1 研究區(qū)概況

鉛山縣位于江西省東北部，信江上游，武夷山北麓，地勢南高北低，鉛山縣概況圖如圖1所示?？h域多年平均降雨量1 958 mm，降雨量在時間上分配極為不均，4～7月份降雨量占全年降雨量的60%左右，境內(nèi)小流域眾多，短歷時、強暴雨極易導致山洪暴發(fā)[18]?？h域內(nèi)歷史上曾多次發(fā)生山洪災害，以2010年6月16日的山洪災害事件損失最嚴重，過程降雨以鉛山縣徐家廠站775 mm為最大，縣直接經(jīng)濟損失約7.28億元[19]。根據(jù)鉛山縣山洪災害調(diào)查評價成果，該縣約42%的人口受到山洪災害威脅，其中受山洪嚴重威脅的沿河村落數(shù)104個[20]。目前鉛山縣已建自動雨量站32個、自動水位站30個（其中水庫水位站23個），雨量監(jiān)測站網(wǎng)密度達到31.58 km2/站，但部分山洪災害重點防治區(qū)仍無法有效關(guān)聯(lián)監(jiān)測站點，因此，優(yōu)化鉛山縣山洪監(jiān)測站網(wǎng)布局，對加強局地暴雨捕捉能力、提升山洪監(jiān)測預警水平具有重大意義。

2.2 錐體法計算結(jié)果

鉛山縣流域主要由鉛山河、陳坊河和西坂河組成，3條河流的流域面積占到全縣國土面積的94.2%。針對3條流域分別采用錐體法進行站網(wǎng)密度分析，其中鉛山河選取鐵路坪站（P0=76 mm，2019年6月21日）和石垅站（P0=66 mm，2019年6月6日）進行試算分析并相互驗證;陳坊河選取陳坊站（P0=40 mm，2019年7月16日）和汪二站（P0=62 mm，2019年7月9日）進行試算分析并相互驗證;西坂河選取河源水庫站（P0=47 mm，2019年6月6日）為暴雨中心進行試算分析。按照山洪災害預警分析要求，本次相對誤差取5%進行計算，計算結(jié)果如表2所示。計算結(jié)果表明，鉛山河需增設(shè)1處雨量站。分析其原因，鉛山河上游的武夷山山脈和葛仙山山脈峰高坡陡，導致不同高程降雨量分布差異較大，對照鉛山縣概況圖中的監(jiān)測站點分布，建議在葛仙山鄉(xiāng)項源村馬鞍山自然村上游增設(shè)1處站點;陳坊河需增設(shè)1處站點，目前陳坊河主河中游只有1處站點，建議在中下游新增1處站點;西坂河流域已建站點數(shù)量大于應設(shè)站點數(shù)量，但該流域已建的5處站點有3處為水庫水位站，水庫水位站主要為測量水庫水位站而設(shè)，故建議維持現(xiàn)狀。

2.3 風險潛勢關(guān)聯(lián)法計算結(jié)果

利用表1中的9個因子，結(jié)合鉛山縣山洪災害調(diào)查評價成果，利用層次分析法綜合分析風險潛勢因子指標，得出鉛山縣山洪災害風險潛勢如圖2所示;再結(jié)合鉛山縣現(xiàn)有監(jiān)測站點分布（見圖3），按照風險潛勢關(guān)聯(lián)法中設(shè)定的原則，結(jié)合GIS中的“近鄰分析”工具，得出無法有效關(guān)聯(lián)監(jiān)測站點的重點防治區(qū)統(tǒng)計結(jié)果，如表3所列。

2.4 綜合布設(shè)及優(yōu)化

錐體法結(jié)果表明需在鉛山河和陳坊河各新增1處監(jiān)測站點，風險潛勢關(guān)聯(lián)法表明需在湖坊鎮(zhèn)安蘭村和葛仙山鄉(xiāng)項源村各新增1處監(jiān)測站點，由于湖坊鎮(zhèn)位于陳坊河流域內(nèi)，葛仙山鄉(xiāng)位于鉛山河流域內(nèi)，兩種方法計算結(jié)果吻合。綜合上述2種方法計算結(jié)果，鉛山縣需新增2處雨量監(jiān)測站：一處在陳坊河中游湖坊鎮(zhèn)橋北村附近，一處在葛仙山鄉(xiāng)項源村馬鞍山自然村附近，新增建議如表4所列。

3 結(jié)論與展望

（1） 本文結(jié)合山洪災害影響程度、保護范圍重要程度及山洪災害監(jiān)測預警需求等實際情況，利用錐體法和風險潛勢關(guān)聯(lián)法對鉛山縣現(xiàn)有監(jiān)測站網(wǎng)進行合理性分析和優(yōu)化布局研究。結(jié)論表明，需在關(guān)聯(lián)性較弱且危險區(qū)人口較多的2處重點防治區(qū)新增2處雨量監(jiān)測站，以滿足監(jiān)測預警需求。該成果對監(jiān)測站網(wǎng)的建設(shè)和調(diào)整優(yōu)化具有參考和指導意義。

（2） 在風險潛勢關(guān)聯(lián)法中，利用層次分析法綜合分析風險潛勢因子指標，得出山洪災害風險潛勢圖時，由于不同學者選擇指標側(cè)重點不同，得到的區(qū)域山洪災害風險潛勢存在一定的差異，后續(xù)研究可采用其他方法率定風險潛勢準確性，以進一步提高監(jiān)測站網(wǎng)的合理度。

參考文獻：

[1] 楊培生，許小華.山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)運行維護對策[J].江西水利科技，2016，42（5）：359-361.

[2] 雷聲.江西省山洪災害防治項目概述[J].江西水利科技，2015，41（3）：179-181，185.

[3] 江西省水利廳.江西省2020年度山洪災害防治項目實施方案[R].南昌：江西省水利廳，2020.

[4] 董林垚，張平倉，任洪玉，等.山洪災害監(jiān)測預警技術(shù)研究及發(fā)展趨勢綜述[J].人民長江，2019，50（8）：35-39，73.

[5] 吳小君，方秀琴，任立良，等.基于隨機森林的山洪災害風險評估：以江西省為例[J].水土保持研究，2018，25（3）：142-149.

[6] 何英，李麗，吳鞏勝.氣候要素空間插值技術(shù)的研究進展[J].科協(xié)論壇（下半月），2010（3）：59-61.

[7] 魏麗，胡凱衡，黃遠紅.我國與美國、日本山洪災害現(xiàn)狀及防治對比[J].人民長江，2018，49（4）：29-33，39.

[8] 陳穎.基于信息熵理論的水文站網(wǎng)評價優(yōu)化研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[9] 方紹東，胡學祥，徐學飛.云南省水文監(jiān)測方式改革思路探討[J].人民長江，2019，50（增1）：71-74.

[10] 王巧平，劉克巖.錐體梯度法在雨量站網(wǎng)布設(shè)中的應用[J].水科學與工程技術(shù)，2008（6）：10-11.

[11] 王葉琴.實時洪水預報系統(tǒng)雨量站網(wǎng)論證分析[D].南京：河海大學，2006.

[12] 王宏偉，鄭爽，曹永強.基于文獻計量分析的國內(nèi)山洪災害現(xiàn)狀研究[J].中國水利水電科學研究院學報，2017，15（1）：29-36.

[13] 熊朕，田宏嶺.我國山洪災害監(jiān)測現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].災害學，2019，34（3）：140-145.

[14] 基本雨量站網(wǎng)布設(shè)密度的分析方法：錐體法[J].水利水電技術(shù)（水文副刊），1965（5）：36-38.

[15] 江雨田，王新龍，孫如飛，等.山洪災害風險分區(qū)劃分模型構(gòu)建與應用[J].人民長江，2020，51（4）：7-13.

[16] 習麗麗.山洪災害重點防治區(qū)遙測雨量站點優(yōu)化布設(shè)研究[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2020（1）：81-84.

[17] 劉業(yè)偉，李斯穎，許小華，等.江西省鉛山河流域山洪災害風險區(qū)劃[J].水電能源科學，2018，36（12）：55-58.

[18] 楊培生.鉛山縣山洪災害成因分析與防治對策研究[D].南昌：南昌大學，2015.

[19] 付佳偉，王小笑，李伊林.鉛山縣小流域山洪災害特征與防治對策研究[J].江西水利科技，2015，41（4）：251-255.

[20] 江西省水利科學研究院.鉛山縣山洪災害調(diào)查評價報告[R].南昌：江西省水利科學研究院，2015.

（編輯：劉 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，F(xiàn)U 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