局域雷達雨量計在流域泥石流預警預報系統中的應用

王東云

(云南省水利廳,云南 昆明 650021)

近年來,長江流域強降雨過程頻繁,暴雨洪水災害嚴重,受前期多次降雨影響,流域部分山體泥土松軟,一旦再次遭遇強降雨,極易發生突發性山體滑坡、泥石流等地質災害。為避免造成重大人員傷亡及財產損失,必須采取有效的水土流失監測及泥石流預警預報措施。

1 建立現代化的流域泥石流預警預報系統的必要性

以云南省東北部的小江流域為例,小江流域包括昆明市的東川區、尋甸縣以及曲靖市的會澤縣,流域總面積 3 058 km2,總人口 40萬人。流域內地形險峻、地質脆弱,因長期毀林開荒,植被覆蓋率低,現有植被保持水土能力差,泥石流和滑坡等地質災害頻繁,是我國典型的暴雨泥石流活動區。小江流域的泥石流具有突發性以及流速快、流量大、物質容量大和破壞力強等特點,嚴重時會沖毀公路、鐵路等交通設施甚至危及村鎮等,造成人員傷亡和財產損失。目前,小江流域應對泥石流災害的預警預報系統除了依靠群測群防外,只有東川區、尋甸縣、會澤縣氣象局的氣象預報信息。其中:群測群防對于提高居民的防災意識和預防運動緩慢的泥石流具有一定的效果,但完全依靠人力觀測,眾多不確定因素無法避免,根本無法應對突發性大型泥石流災害;氣象預報主要依靠氣象雷達提供的信息,3個氣象局擁有的雨量觀測站不足 10個,預報水平達不到令人滿意的準確度,并且只是單獨觀測,沒有網絡信息互動,不能作為預警預報系統的主體。

為了防止災害的發生、保護群眾生命財產安全,國家立項對小江流域泥石流災害進行監測和治理。基本規劃中將大部分投資傾向于工程治理措施的充實和完善,但因短時間內不可能覆蓋所有的危險區域,而且建設期較長,即使建設完成也有可能發生設計規模以上的泥石流。為了保障流域內居民生命財產安全,迫切需要加強流域泥石流預警預報系統建設。針對目前小江流域泥石流預警預報系統薄弱的狀況,對其進行改進和完善、實行現代化監測是當務之急。

2 局域雷達雨量計的特征

流域泥石流預警預報系統的完善和現代化,首先要考慮的就是針對泥石流災害的局域性和突發性特點提高預測預報的準確度,而降雨是誘發泥石流災害的重要因素,因此對于降雨情況的準確掌握和預測是預警預報系統成功的關鍵所在。小江流域的單點暴雨多,同一場降雨在相距不足 5 km的東川區氣象局新村觀測站和東川泥石流防治研究所漠北徑流試驗場同時觀測到的雨量和降雨強度完全不同。對于降雨強度空間分布差異大的降雨過程,利用普通的雨量計根本不可能掌握全流域的詳細降雨情況。針對這個問題,可以考慮引進日本近幾年為泥石流等地質災害監測研制的局域雷達雨量計。

局域(小型)雷達雨量計與現有的氣象雷達等大型雷達的基本原理一樣(圖1),都是從旋轉天線發出具有指向性的脈沖電波,當脈沖電波遇到雨滴后發生散亂,反射回來的電波再由同一天線接收,這樣就可測量出降雨強度和分布。但是,與大型雷達相比,局域(小型)雷達雨量計的最大特點在于可以進行局部范圍的觀測,兩者的對比見表1。與只能接收經加工處理過信息的氣象雷達不同,局域雷達雨量計的雷達數據可以根據需要進行各種加工處理,比如計算某小流域或泥石流溝的平均降雨量及個別地點降雨量、判斷雨量的危險程度、進行降雨預測等。

對小江流域來說,東川城區流域(深溝、石羊溝)基本在半徑 15 km、分辨率 250 m的范圍內,而除了最南端尋甸縣的一小部分,整個流域幾乎全部處在局部雷達雨量計半徑 60 km、分辨率 1 000 m的范圍內,因此局域雷達雨量計適用于該流域的泥石流預警預報。

圖1 局域雷達雨量計的工作原理

表1 局域雷達雨量計與大型雷達的對比

3 基于雷達雨量計的流域泥石流預警預報系統

將以雷達雨量計為中心的高科技產品與現有的群測群防、防汛體制等人工系統有機結合,建立小江流域泥石流預警預報系統,該系統應包括信息收集、信息處理、信息傳輸 3個子系統。基于局域雷達雨量計的流域泥石流預警預報系統的數據、信息流程及觀測網絡見圖2。

(1)信息收集子系統。首先,通過局域雷達雨量計收集小江流域整體降雨信息,在 6個地區設置自動雨量觀測站,與局域雷達雨量計的觀測數據進行對比,以提高局域雷達雨量計預測結果的精確度。其次,在東川城區附近(深溝、石羊溝流域)選擇危險度較高的 5條泥石流溝設置泥石流傳感器,預測泥石流的發生時間。最后,將上述信息數據用G S M、V HF或者多重無線網絡傳輸到小江工程管理局防災信息中心(以下簡稱防災信息中心)。

(2)信息處理子系統。根據收集到的信息,防災信息中心主要進行數據加工處理、流域雨量計算、降雨預測和危險程度判斷,并將這些信息以淺顯易懂的形式(文字或圖片)發送給有關單位。

圖2 基于局域雷達雨量計的流域泥石流預警預報系統

(3)信息傳輸子系統。信息傳輸子系統是利用現有的防汛以及群測群防體制,將泥石流警報迅速傳達給危險地區的群眾。防災信息中心通過高速網絡或電話、傳真等將泥石流活動信息提供給各有關單位,有關單位主管部門再通過電話逐級傳達到危險區域的村民小組。在緊急情況下,防災信息中心也可以直接通知到村民小組。為防止人員傷亡,計劃在可能發生特大泥石流災害的東川城區流域(深溝、石羊溝等)設置 8個警報局,并配置警報器,防災信息中心可以通過無線電直接進行警戒呼吁。

4 構建流域泥石流預警預報系統的建議

在我國,自記雨量計、泥石流傳感器有一些實際運用,但局域雷達雨量計仍是一項全新的技術。建議根據實際情況,建立由自動雨量觀測站、泥石流傳感器、警報局等組成的傳統型流域泥石流預警預報系統,在實踐過程中對系統的整體運用有一定的掌握后,再分期、分地區、分步驟地引進和推廣局域雷達雨量計。