小流域山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)應(yīng)用探析

趙智敏，廖文來

(1.韶關(guān)市曲江區(qū)小坑水庫管理處,廣東 韶關(guān) 512100；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635；3.廣東省山洪災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510635；4.廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510635)

1 概述

我國主要處于東亞季風(fēng)區(qū)，地貌類型復(fù)雜多樣，山丘區(qū)分布廣泛，暴雨及山洪災(zāi)害頻發(fā)，山洪災(zāi)害成為我國致人傷亡的主要災(zāi)種。2010年至今，國家投入大量資金開展山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)、非工程措施建設(shè)、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制和山洪溝防洪治理，提高沿河村落山洪災(zāi)害防御能力。其中，山洪災(zāi)害分析評價(jià)是基于山洪災(zāi)害調(diào)查成果、DOM工作底圖、小流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和以小流域?yàn)閱卧乃?、地形地貌等基礎(chǔ)信息，充分運(yùn)用GIS、衛(wèi)星遙感、水文分析計(jì)算等技術(shù)，分析山丘區(qū)小流域暴雨洪水特征，評價(jià)沿河村落的現(xiàn)狀防洪能力，科學(xué)劃分沿河村落危險(xiǎn)區(qū)，分析擬定分級預(yù)警指標(biāo)等。山洪災(zāi)害分析評價(jià)成果可為山洪災(zāi)害預(yù)警、預(yù)案編制、人口轉(zhuǎn)移、臨時(shí)安置、防災(zāi)意識普及和群測群防等工作提供科學(xué)、全面、詳細(xì)的信息支撐[1]。

在做好山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)，積累數(shù)據(jù)資料的同時(shí)，更應(yīng)重視山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)成果的應(yīng)用。下面以三亞市天涯區(qū)寧遠(yuǎn)河流域某沿河村落的山洪災(zāi)害分析評價(jià)成果，探析成果在山洪災(zāi)害預(yù)警和人員撤離等方面的應(yīng)用。該沿河村落集雨面積為16.03 km2，河流比降為17.3‰，成災(zāi)水位為181.08 m，總?cè)丝跒?13人。

2 暴雨洪水

該沿河村落為無實(shí)測雨量洪水資料地區(qū)，根據(jù)地區(qū)水文手冊和暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖等資料，分析計(jì)算沿河村落所在小流域的設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)、暴雨量及雨量時(shí)程分配，得到不同歷時(shí)條件下的5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇以及100年一遇等5種典型頻率的設(shè)計(jì)暴雨成果(見表1)[2-3]。

表1 沿河村落所在小流域設(shè)計(jì)暴雨成果 mm

假定暴雨與洪水同頻率，基于設(shè)計(jì)暴雨成果，根據(jù)流域集雨面積、河長、比降和河槽斷面形態(tài)等幾何特征和植被、土壤和水文地質(zhì)等下墊面特性，選擇推理公式法和瞬時(shí)單位線法等方法[4-5]計(jì)算分析沿河村落河道控制斷面的各頻率設(shè)計(jì)洪水。根據(jù)上下游氣候和地形等條件相似時(shí)，洪峰流量均值由上游向下游遞增，洪峰模數(shù)則遞減，綜合單位線法與推理公式法成果相差均在20%以內(nèi)等原則來進(jìn)行成果的合理性分析[6]，選擇最優(yōu)成果或者綜合處理后，得到該沿河村落河道控制斷面的洪峰流量和洪峰水位等洪水要素成果(見表2)。

表2 沿河村落河道控制斷面設(shè)計(jì)洪水成果

3 現(xiàn)狀防洪能力

該沿河村落無歷史洪痕或?qū)崪y水面線成果可利用，因此采用沿河村落實(shí)測河床比降確定水面線比降。根據(jù)沿河村落所在河流的溝道形態(tài)、河床底部情況、植被生長狀況、彎曲程度以及建筑物等因素確定河道糙率。結(jié)合山洪災(zāi)害調(diào)查成果，計(jì)算該沿河村落控制斷面處的水位—流量關(guān)系，確定成災(zāi)水位，并繪制人口高程水位流量關(guān)系圖(見圖1)。根據(jù)設(shè)計(jì)洪水成果，分析沿河村落成災(zāi)水位對應(yīng)的洪峰流量頻率，運(yùn)用特征水位比較法，統(tǒng)計(jì)確定成災(zāi)水位和各頻率設(shè)計(jì)洪水位下的人口和房屋高程分布，綜合評價(jià)沿河村落的現(xiàn)狀防洪能力。經(jīng)分析評價(jià)，該沿河村落的現(xiàn)狀防洪能力為2年一遇(見圖2)。采用頻率法進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)等級劃分，將沿河村落小于5年一遇的區(qū)域劃分為極高危險(xiǎn)區(qū)、5—20年一遇的區(qū)域劃分為高危險(xiǎn)區(qū)、20—100年一遇的區(qū)域劃分危險(xiǎn)區(qū)等3個(gè)等級區(qū)域。

圖1 人口高程水位流量關(guān)系示意

圖2 沿河村落現(xiàn)狀防洪能力評價(jià)示意

4 預(yù)警指標(biāo)

根據(jù)沿河村落所在地區(qū)暴雨特性、流域面積、平均比降、形狀系數(shù)和下墊面等因素，結(jié)合控制斷面處水位—流量關(guān)系，確定該沿河村落成災(zāi)水位對應(yīng)的臨界流量，并以推理公式法或瞬時(shí)單位線法構(gòu)建反推臨界雨量模型[7]，獲得在土壤較干(0.3Wm)、一般情況(0.6Wm)以及較濕(0.9Wm)3種情況下各個(gè)典型預(yù)警時(shí)段的臨界雨量。成災(zāi)水位對應(yīng)的臨界雨量為立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)是在臨界雨量基礎(chǔ)上根據(jù)準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移時(shí)間(漲洪歷時(shí)在5 h以上，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移時(shí)間Δt=1 h；反之，定為Δt=0.5 h)及洪水過程線綜合進(jìn)行“折減”處理來確定。該沿河村落較干、一般和較濕狀態(tài)下的臨界雨量(立即轉(zhuǎn)移指標(biāo))成果見表3。

表3 沿河村落較干、一般和較濕狀態(tài)下的臨界雨量 mm

根據(jù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)各分析評價(jià)對象的計(jì)算成果為樣本，概化統(tǒng)計(jì)出不同土壤含水量情形下1 h、3 h和6 h臨界雨量的最大值、最小值、平均值等特征值。根據(jù)區(qū)域內(nèi)樣本數(shù)量情況，參考該鄉(xiāng)鎮(zhèn)所有沿河村落預(yù)警指標(biāo)的小值均值推薦鄉(xiāng)鎮(zhèn)級預(yù)警指標(biāo)，如鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)沒有樣本或樣本量小，則參考附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)的成果。該沿河村落所在區(qū)域鄉(xiāng)鎮(zhèn)級預(yù)警指標(biāo)成果見表4。

表4 沿河村落所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)級預(yù)警指標(biāo)推薦成果 mm

5 預(yù)警應(yīng)用探析

根據(jù)國家氣象局頒布的降水強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定并劃分不同時(shí)段降雨量的降水強(qiáng)度等級(見表5)。充分關(guān)注氣象部門發(fā)出的天氣預(yù)報(bào)信息，根據(jù)預(yù)報(bào)的降雨強(qiáng)度、前期降雨和土壤含水量信息，結(jié)合沿河村落的現(xiàn)狀防洪能力、臨界雨量、成災(zāi)水位等山洪災(zāi)害分析評價(jià)成果，判斷該沿河村落發(fā)生山洪災(zāi)害的可能性，從而重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域雨量站和水位站的監(jiān)測。實(shí)時(shí)監(jiān)測區(qū)域雨量和相關(guān)河道水位，若時(shí)段雨量達(dá)到該沿河村落或該鄉(xiāng)鎮(zhèn)相應(yīng)時(shí)段的預(yù)警閾值，則結(jié)合雨量監(jiān)測、水位監(jiān)測和預(yù)警指標(biāo)成果，確定是否給該沿河村落或相應(yīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)出預(yù)警和撤離人員。

表5 降水強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)調(diào)查成果，該沿河村落所在區(qū)域1986年發(fā)生了一場暴雨，降雨持續(xù)30 h，總降雨量為365.5 mm，最大雨強(qiáng)為51.6 mm/h。以該場暴雨為例，探析山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)的應(yīng)用。沿河村落前期有斷斷續(xù)續(xù)的降雨，區(qū)域土壤含水量高，處于較濕狀態(tài)(0.9Wm)。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)信息和山洪災(zāi)害分析評價(jià)成果，判斷該沿河村落發(fā)生山洪災(zāi)害的可能性很大，因此重點(diǎn)開展區(qū)域內(nèi)的雨量監(jiān)測和河道水位監(jiān)測。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)雨量站的降雨監(jiān)測成果，結(jié)合山洪災(zāi)害分析評價(jià)時(shí)已確定土壤含水量較濕狀態(tài)下不同時(shí)段的預(yù)警值，繪制1～6 h時(shí)段累積雨量過程及相應(yīng)時(shí)段預(yù)警值圖(見圖3～8)，以判斷是否發(fā)出預(yù)警，并統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段雨量及預(yù)警啟動(dòng)情況(見表6)。

表6 不同時(shí)段雨量預(yù)警情況 mm

圖3 1 h時(shí)段雨量過程及相應(yīng)時(shí)段預(yù)警值示意

成果顯示：

① 按1 h時(shí)段雨量，雨量達(dá)不到預(yù)警值；

② 按2 h時(shí)段累積雨量，則在第19 h發(fā)出預(yù)警；

③ 按3 h時(shí)段累積雨量，則在第4 h和第20～21 h時(shí)段發(fā)出預(yù)警；

④ 按4 h時(shí)段累積雨量，則在第19～22 h時(shí)段發(fā)出預(yù)警；

⑤ 按5 h時(shí)段累積雨量，則在第19～23 h時(shí)段發(fā)出預(yù)警；

⑥ 按6 h時(shí)段累積雨量，則在第19～24 h時(shí)段發(fā)出預(yù)警。

綜合分析該沿河村落應(yīng)在降雨至第4小時(shí)發(fā)出預(yù)警，預(yù)警時(shí)段為第4～5 h降雨期間，降雨至第19 h發(fā)出第2次預(yù)警，預(yù)警時(shí)段第19～24 h期間。

根據(jù)雨量監(jiān)測成果，對比表1沿河村落所在小流域設(shè)計(jì)暴雨成果，該場暴雨1 h降雨強(qiáng)度重現(xiàn)期小于5年一遇，3 h和6 h降雨強(qiáng)度間于5年一遇～10年一遇之間，24 h降雨強(qiáng)度稍大于20年一遇。暴雨等級已超過該村落2年一遇的現(xiàn)狀防洪能力，則應(yīng)發(fā)出預(yù)警，按極高危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)分批撤離人員。首先在第4小時(shí)第一次發(fā)出預(yù)警時(shí)撤離極高危險(xiǎn)區(qū)(居住高程低于181.36 m)人員，第二次發(fā)出預(yù)警時(shí)撤離高危險(xiǎn)區(qū)(居住高程在181.36～181.75 m之間)的人員。

圖4 2 h時(shí)段累積雨量過程及相應(yīng)時(shí)段預(yù)警值示意

圖5 3 h時(shí)段累積雨量過程及相應(yīng)時(shí)段預(yù)警值示意

圖6 4 h時(shí)段累積雨量過程及相應(yīng)時(shí)段預(yù)警值示意

圖7 5 h時(shí)段累積雨量過程及相應(yīng)時(shí)段預(yù)警值示意

圖8 6 h時(shí)段累積雨量過程及相應(yīng)時(shí)段預(yù)警值示意

6 結(jié)語

在小流域暴雨洪水特性研究、沿河村落現(xiàn)狀防洪能力分析、不同等級危險(xiǎn)區(qū)劃定和預(yù)警指標(biāo)分析確定等山洪災(zāi)害分析評價(jià)成果基礎(chǔ)上，通過重點(diǎn)監(jiān)控小流域暴雨量和水位信息，繪制時(shí)段累積雨量過程及相應(yīng)時(shí)段預(yù)警值圖，綜合判斷是否發(fā)出預(yù)警，進(jìn)而啟動(dòng)分區(qū)分批精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移人員的方案。

1)在雨量和水位等監(jiān)測資料充分，或沿河村落河道發(fā)生較大改變時(shí)，應(yīng)適時(shí)檢驗(yàn)、復(fù)核和率定山洪災(zāi)害分析評價(jià)成果，以符合實(shí)際，準(zhǔn)確地進(jìn)行山洪災(zāi)害預(yù)警和轉(zhuǎn)移人員。

2)在區(qū)域短時(shí)和短期天氣預(yù)報(bào)的輔助下，關(guān)注天氣預(yù)報(bào)發(fā)出的暴雨預(yù)警，重點(diǎn)監(jiān)控可能發(fā)生山洪災(zāi)害的區(qū)域，做好該區(qū)域的雨量和水位監(jiān)測。

3)根據(jù)區(qū)域雨量監(jiān)測和預(yù)警指標(biāo)成果，繪制時(shí)段累積雨量過程及相應(yīng)時(shí)段預(yù)警值圖，分析確定相應(yīng)沿河村落或鄉(xiāng)鎮(zhèn)是否預(yù)警，并明確預(yù)警發(fā)出時(shí)間和解除預(yù)警時(shí)間。

4)預(yù)警時(shí)，綜合雨量和水位實(shí)測值、設(shè)計(jì)暴雨、設(shè)計(jì)洪水和現(xiàn)狀防洪能力等山洪災(zāi)害分析評價(jià)成果，根據(jù)實(shí)際按極高危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)分批撤離人員。

5)山洪災(zāi)害分析評價(jià)成果在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需根據(jù)當(dāng)?shù)厣胶闉?zāi)害事件實(shí)際資料進(jìn)行滾動(dòng)分析和修正。山洪預(yù)警、人員轉(zhuǎn)移、臨時(shí)安置等預(yù)案在實(shí)際工作中不斷完善。