基于GIS的山洪災害預警指標研究與實踐

張憲明，張錦萍，余金鳳

（廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023）

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

1 基于GIS的山洪預警體系基本理論

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

1.1 安全區和危險區的界定

在充分掌握山洪災害普查成果的基礎上，結合氣候和地形地質條件、人員分布、可能發生的山洪災害類型及其程度和影響范圍，合理界定山洪防治區的危險區和安全區。主要遵循以下方法和原則：

（1）對所有已經發生過山洪災害且具備山洪災害發生條件的村莊一律劃分為危險區。

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

（3）為便于統計，劃分邊界一律以自然村為界。

安全區作為危險區居民的避災場所，通常設置在高程較高、地勢平坦和坡度平緩的地方，從危險區向安全區轉移時，盡量避開河道、溝口等地方。

1.2 預警指標的分析方法

山洪災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，其中大氣降雨是關鍵因素之一。目前在山洪災害預警應用中多采用臨界雨量或臨界雨強指標，我國臨界雨量預警指標目前多采用統計分析法，該方法在弱化山洪災害發生的物理機制基礎上，只對歷史降雨數據進行統計分析，尋找降雨強度與山洪災害的關聯規律。

1.2.1 雨量資料整理

首先根據歷史資料記載和現場調查，統計出歷史山洪發生時間和次數，在此基礎上，對典型區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個特征時段統計，分別統計山洪暴發對應的降雨過程中最大時段雨量以及發生的起始時間。當持續3 d每天降雨量低于1 mm 后，某天降雨量突然超過1 mm 時，開始統計為降雨過程的開始時間，按照對應的特征時段相應統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則標準，臨界雨量指標計算方法主要有單站、區域等7 種方法。當山洪歷史資料數據充足時，推薦采用單站及區域統計方法進行分析。

（1）單站臨界雨量法。根據統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為對應的特征時段；i為對應的雨量站；j為對應的山洪災害的次數。分析各站臨界雨量初值，分別統計計算同一時段的平均值、最小值和最大值[3]。根據統計成果，通常取最小值和平均值的區間幅度作為單站臨界雨量。

（2）區域臨界雨量法。根據統計好的特征時段的特征雨量，計算每次山洪發生時，對應時段雨量站的平均雨量值，統計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為對應的特征時段；j為對應的山洪災害的次數。根據統計成果，通常取最小值和平均值的區間幅度作為區域臨界雨量。區域臨界雨量法通常適用于雨量站密度相對較小的區域。

1.2.3 預警指標的確定

參考《全國山洪防治規劃雨強等級預警信號及防御措施》等防治技術資料，結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警標準，預警指標可分為：

（1）立即轉移預警指標。立即轉移預警指標直接采用臨界雨量分析成果。

（2）準備轉移預警指標。準備轉移預警指標上限以區域內臨界雨量的下限為上限；準備轉移預警指標下限以降雨量達到臨界雨量之前0.5 h 的降雨為下限，或通過對本區域長系列雨量站各個時間段多年暴雨特征值數據的統計分析（統計平均值偏差系數為0.7～0.8），在臨界雨量成果的基礎上乘以統計平均值偏差系數確定。并根據區域的實際情況對分析確定的值做適當上浮或下浮。

2 實際工程應用

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及預警應用。

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。流域屬中亞熱帶季風氣候，暴雨頻發，地質地貌復雜，導致山洪災害發生頻繁，已記錄山洪災害13 次，造成經濟損失達4 億元。目前，流域內分布有長系列雨量站9個。

2.2 危險區劃定

在廣西山洪災害防治規劃的基礎上，根據全縣小流域地質地貌、降雨及流域分界等實際情況進行防治分區細化。按照《廣西壯族自治區山洪災害防治規劃報告》，劃分為重點和一般防治區兩級，劃分以自然流域為界，在同一個災害類型內的相鄰流域劃分為同一防治區；在同一個流域內不同災害類型之間以高一級的防治類型劃分；劃分防治分區以降雨、地形及災害成因為分界線。在防治區劃分的基礎上，依據歷年山洪災害暴發的情況，結合當地基本社會情況及地形情況、科學開展危險區界定工作。全縣共劃分那供、扶山、歸德等88個自然村、屯為危險區，88個安全區，主要分布在24條小流域沿河兩岸。危險區劃定及監測站點分布見圖1。

圖1 危險區劃定及監測站點分布圖

2.3 預警指標的計算

2.3.1 單站法

據歷史資料記載和現場調查，平果縣境內自1949年新中國成立以來，發生重大山洪災害10次，對平果縣雨量資料逐日逐時雨量分析整理，統計每個站點1、3、6、12、24 h 合理的暴雨特征值，取各時間段統計圖的下限為臨界雨量初值（見圖2），取各時間段統計圖中的下限和平均線的區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 區域法

根據歷史資料記載和現場調查，統計10次山洪9 個雨量站的最大面平均雨量，計算得到區域臨界雨量初值和平均值上限參考值，結果見圖3。1、3、6、12、24 h區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 典型時段區域平均山洪臨界雨量

2.3.3 計算成果分析

單站法和區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 預警指標的應用

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

由圖5～9 可知平果縣同老鄉區域臨界雨量值最高。根據圖5～9 查出區域內各時段各流域的臨界雨量，結果見表1（部分成果），為平果縣山洪災害預警提供科學依據。

表1 危險區預警雨量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

實際應用中，當監控點的雨量值超過該時段的雨量預警閾值時，就可考慮是否發布山洪預警信息。發布過程中，1 h預警閾值對應準備轉移，3 h和6 h 預警閾值對應立即轉移，并且結合當地歷史降雨適當修正。

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 結語

本文基于GIS軟件建立防災對象和雨量站的預警關系，可通過空間分布圖快速獲取預警指標，為發布山洪預警信息提供決策支持。通過歷史資料記載和現場調查，結合歷史雨量數據，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考慮到的影響因素只有降雨量指標，因此具有局限性。隨著廣西山洪災害防治工作的逐步推進，不斷完善雨量站點建設，獲得更豐富的水文資料，臨界雨量指標會更精準，產生更大的社會效益。預警設備要符合群眾的認知和使用習慣，需要定期對預警設備進行維護，保證預警信息及時傳達到危險區居民。