基于GIS的山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)研究與實踐

張憲明，張錦萍，余金鳳

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

我國山洪地質(zhì)災(zāi)害影響區(qū)點多面廣，在強降雨作用下容易造成局部的山洪地質(zhì)災(zāi)害，成災(zāi)時間短，破壞性強。作為人口最多的發(fā)展中國家，我國山區(qū)面積約占全國面積的69.1%，山洪災(zāi)害影響人口達5.7 億，如何避免由山洪災(zāi)害產(chǎn)生群死群傷事件，是我國防洪減災(zāi)工作中當(dāng)前最緊迫和重要的任務(wù)。水利工作者在長期山洪災(zāi)害治理的過程中發(fā)現(xiàn)，單純依靠工程措施來防治山洪災(zāi)害的效果并不佳，且成本太高。從20世紀(jì)80年代起，我國開始關(guān)注山洪治理非工程措施，并在21世紀(jì)初明確了以山洪預(yù)警等非工程措施為主的山洪災(zāi)害防御和綜合治理思路[1]。山洪預(yù)警根據(jù)預(yù)警時效分為長期和臨期預(yù)警，長期注重風(fēng)險評估，臨期注重示警信息發(fā)布。在臨期預(yù)警過程中，預(yù)警指標(biāo)是關(guān)鍵，預(yù)警指標(biāo)越精準(zhǔn)，洪水分析與預(yù)報越準(zhǔn)確，越能及時發(fā)布山洪災(zāi)害預(yù)警信息，為山洪應(yīng)急響應(yīng)提供充足的救災(zāi)時間[2]。為了正確獲得精準(zhǔn)的預(yù)警指標(biāo)來指導(dǎo)居民及時避開山洪災(zāi)害，本文基于足夠的雨量資料和歷史山洪調(diào)查資料基礎(chǔ)上，開展臨界雨量初值計算的研究，并利用GIS空間數(shù)據(jù)管理能力，為危險監(jiān)控點提供快速的預(yù)警指標(biāo)支持。

1 基于GIS的山洪預(yù)警體系基本理論

借助GIS 應(yīng)用平臺，可以輕松維護和使用地理數(shù)據(jù)庫，并可對地理數(shù)據(jù)庫進行空間分析，解決自然過程模擬和揭示現(xiàn)象分布等問題，尤其可把空間分析結(jié)果進行圖形視覺化。而山洪災(zāi)害預(yù)警又需要掌握全面的空間信息，兩者的結(jié)合可提高預(yù)警體系的有效性。

1.1 安全區(qū)和危險區(qū)的界定

在充分掌握山洪災(zāi)害普查成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣候和地形地質(zhì)條件、人員分布、可能發(fā)生的山洪災(zāi)害類型及其程度和影響范圍，合理界定山洪防治區(qū)的危險區(qū)和安全區(qū)。主要遵循以下方法和原則：

（1）對所有已經(jīng)發(fā)生過山洪災(zāi)害且具備山洪災(zāi)害發(fā)生條件的村莊一律劃分為危險區(qū)。

（2）目前仍未發(fā)生山洪災(zāi)害，但具有重要保護價值且具有山洪災(zāi)害發(fā)生條件的村莊也劃分為危險區(qū)。

（3）為便于統(tǒng)計，劃分邊界一律以自然村為界。

安全區(qū)作為危險區(qū)居民的避災(zāi)場所，通常設(shè)置在高程較高、地勢平坦和坡度平緩的地方，從危險區(qū)向安全區(qū)轉(zhuǎn)移時，盡量避開河道、溝口等地方。

1.2 預(yù)警指標(biāo)的分析方法

山洪災(zāi)害的形成原因是多方面的，主要包括有大氣降雨、地形地貌、土壤含水量和匯流時間等因素，其中大氣降雨是關(guān)鍵因素之一。目前在山洪災(zāi)害預(yù)警應(yīng)用中多采用臨界雨量或臨界雨強指標(biāo)，我國臨界雨量預(yù)警指標(biāo)目前多采用統(tǒng)計分析法，該方法在弱化山洪災(zāi)害發(fā)生的物理機制基礎(chǔ)上，只對歷史降雨數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，尋找降雨強度與山洪災(zāi)害的關(guān)聯(lián)規(guī)律。

1.2.1 雨量資料整理

首先根據(jù)歷史資料記載和現(xiàn)場調(diào)查，統(tǒng)計出歷史山洪發(fā)生時間和次數(shù)，在此基礎(chǔ)上，對典型區(qū)資料逐日逐時雨量分析整理，每次山洪過程分1、3、6、12、24 h 共5個特征時段統(tǒng)計，分別統(tǒng)計山洪暴發(fā)對應(yīng)的降雨過程中最大時段雨量以及發(fā)生的起始時間。當(dāng)持續(xù)3 d每天降雨量低于1 mm 后，某天降雨量突然超過1 mm 時，開始統(tǒng)計為降雨過程的開始時間，按照對應(yīng)的特征時段相應(yīng)統(tǒng)計過程雨量和過程歷時。

1.2.2 臨界雨量計算

遵循臨界雨量計算細(xì)則標(biāo)準(zhǔn)，臨界雨量指標(biāo)計算方法主要有單站、區(qū)域等7 種方法。當(dāng)山洪歷史資料數(shù)據(jù)充足時，推薦采用單站及區(qū)域統(tǒng)計方法進行分析。

（1）單站臨界雨量法。根據(jù)統(tǒng)計好的特征時段的特征雨量，取每個特征時段最小的特征雨量，記為臨界雨量初值，公式為：Rti臨界=Min（Rtij）。式中：t為對應(yīng)的特征時段；i為對應(yīng)的雨量站；j為對應(yīng)的山洪災(zāi)害的次數(shù)。分析各站臨界雨量初值，分別統(tǒng)計計算同一時段的平均值、最小值和最大值[3]。根據(jù)統(tǒng)計成果，通常取最小值和平均值的區(qū)間幅度作為單站臨界雨量。

（2）區(qū)域臨界雨量法。根據(jù)統(tǒng)計好的特征時段的特征雨量，計算每次山洪發(fā)生時，對應(yīng)時段雨量站的平均雨量值，統(tǒng)計5個時段雨量的最小值，即為臨界雨量初值，公式為：-Rt臨界=Min（Rtj）。式中：t為對應(yīng)的特征時段；j為對應(yīng)的山洪災(zāi)害的次數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計成果，通常取最小值和平均值的區(qū)間幅度作為區(qū)域臨界雨量。區(qū)域臨界雨量法通常適用于雨量站密度相對較小的區(qū)域。

1.2.3 預(yù)警指標(biāo)的確定

參考《全國山洪防治規(guī)劃雨強等級預(yù)警信號及防御措施》等防治技術(shù)資料，結(jié)合雨情和下墊面條件等資料，以降雨量為參考值，選定特征時段降雨量作為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)警指標(biāo)可分為：

（1）立即轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)。立即轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)直接采用臨界雨量分析成果。

（2）準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)。準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)上限以區(qū)域內(nèi)臨界雨量的下限為上限；準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移預(yù)警指標(biāo)下限以降雨量達到臨界雨量之前0.5 h 的降雨為下限，或通過對本區(qū)域長系列雨量站各個時間段多年暴雨特征值數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析（統(tǒng)計平均值偏差系數(shù)為0.7～0.8），在臨界雨量成果的基礎(chǔ)上乘以統(tǒng)計平均值偏差系數(shù)確定。并根據(jù)區(qū)域的實際情況對分析確定的值做適當(dāng)上浮或下浮。

2 實際工程應(yīng)用

選擇廣西百色市平果縣小流域為實例分析計算臨界雨量指標(biāo)及預(yù)警應(yīng)用。

2.1 基本概況

平果縣位于廣西西南部，總面積2485 km2。流域境內(nèi)大部分水源均屬雨源型，受氣候條件及地形、植被的影響，洪水期與枯水期流量懸殊，洪汛期河水上漲，沿河兩岸易澇，枯水期水位下降，加上河床深，利用率低。流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，暴雨頻發(fā)，地質(zhì)地貌復(fù)雜，導(dǎo)致山洪災(zāi)害發(fā)生頻繁，已記錄山洪災(zāi)害13 次，造成經(jīng)濟損失達4 億元。目前，流域內(nèi)分布有長系列雨量站9個。

2.2 危險區(qū)劃定

在廣西山洪災(zāi)害防治規(guī)劃的基礎(chǔ)上，根據(jù)全縣小流域地質(zhì)地貌、降雨及流域分界等實際情況進行防治分區(qū)細(xì)化。按照《廣西壯族自治區(qū)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃報告》，劃分為重點和一般防治區(qū)兩級，劃分以自然流域為界，在同一個災(zāi)害類型內(nèi)的相鄰流域劃分為同一防治區(qū)；在同一個流域內(nèi)不同災(zāi)害類型之間以高一級的防治類型劃分；劃分防治分區(qū)以降雨、地形及災(zāi)害成因為分界線。在防治區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，依據(jù)歷年山洪災(zāi)害暴發(fā)的情況，結(jié)合當(dāng)?shù)鼗旧鐣闆r及地形情況、科學(xué)開展危險區(qū)界定工作。全縣共劃分那供、扶山、歸德等88個自然村、屯為危險區(qū)，88個安全區(qū)，主要分布在24條小流域沿河兩岸。危險區(qū)劃定及監(jiān)測站點分布見圖1。

圖1 危險區(qū)劃定及監(jiān)測站點分布圖

2.3 預(yù)警指標(biāo)的計算

2.3.1 單站法

據(jù)歷史資料記載和現(xiàn)場調(diào)查，平果縣境內(nèi)自1949年新中國成立以來，發(fā)生重大山洪災(zāi)害10次，對平果縣雨量資料逐日逐時雨量分析整理，統(tǒng)計每個站點1、3、6、12、24 h 合理的暴雨特征值，取各時間段統(tǒng)計圖的下限為臨界雨量初值（見圖2），取各時間段統(tǒng)計圖中的下限和平均線的區(qū)間幅度為單站法臨界雨量，1、3、6、12、24 h 單站法臨界雨量分別為25～35 mm、40～60 mm、65～80 mm、80～100 mm、90～115 mm。

圖2 典型時段各站山洪臨界雨量

2.3.2 區(qū)域法

根據(jù)歷史資料記載和現(xiàn)場調(diào)查，統(tǒng)計10次山洪9 個雨量站的最大面平均雨量，計算得到區(qū)域臨界雨量初值和平均值上限參考值，結(jié)果見圖3。1、3、6、12、24 h區(qū)域法山洪臨界雨量分別為25～35 mm、40～60 mm、55～85 mm、75～105 mm、85～120 mm。

圖3 典型時段區(qū)域平均山洪臨界雨量

2.3.3 計算成果分析

單站法和區(qū)域法臨界雨量值計算成果對比見圖4。由圖4 可知，單站法和區(qū)域法兩種方法計算得出的臨界雨量值接近，說明計算成果是可信的。

圖4 計算成果對比圖

2.4 預(yù)警指標(biāo)的應(yīng)用

根據(jù)臨界雨量計算成果，選用臨界雨量的下限，結(jié)合GIS 空間管理能力對臨界雨量成果按流域面積權(quán)重進行分析，繪制出區(qū)域1、3、6、12、24 h 臨界雨量空間分布圖（見圖5～9）。

由圖5～9 可知平果縣同老鄉(xiāng)區(qū)域臨界雨量值最高。根據(jù)圖5～9 查出區(qū)域內(nèi)各時段各流域的臨界雨量，結(jié)果見表1（部分成果），為平果縣山洪災(zāi)害預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

表1 危險區(qū)預(yù)警雨量mm

圖5 1 h臨界雨量空間分布圖

圖6 3 h臨界雨量空間分布圖

圖7 6 h臨界雨量空間分布圖

實際應(yīng)用中，當(dāng)監(jiān)控點的雨量值超過該時段的雨量預(yù)警閾值時，就可考慮是否發(fā)布山洪預(yù)警信息。發(fā)布過程中，1 h預(yù)警閾值對應(yīng)準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移，3 h和6 h 預(yù)警閾值對應(yīng)立即轉(zhuǎn)移，并且結(jié)合當(dāng)?shù)貧v史降雨適當(dāng)修正。

圖8 12 h臨界雨量空間分布圖

圖9 24 h臨界雨量空間分布圖

3 結(jié)語

本文基于GIS軟件建立防災(zāi)對象和雨量站的預(yù)警關(guān)系，可通過空間分布圖快速獲取預(yù)警指標(biāo)，為發(fā)布山洪預(yù)警信息提供決策支持。通過歷史資料記載和現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合歷史雨量數(shù)據(jù)，采用多方法計算比較，確保臨界雨量的合理性。本文的臨界雨量指標(biāo)考慮到的影響因素只有降雨量指標(biāo)，因此具有局限性。隨著廣西山洪災(zāi)害防治工作的逐步推進，不斷完善雨量站點建設(shè)，獲得更豐富的水文資料，臨界雨量指標(biāo)會更精準(zhǔn)，產(chǎn)生更大的社會效益。預(yù)警設(shè)備要符合群眾的認(rèn)知和使用習(xí)慣，需要定期對預(yù)警設(shè)備進行維護，保證預(yù)警信息及時傳達到危險區(qū)居民。