小流域山洪灾害风险预警方法与应用

第1章绪论 　　1.1我国山洪灾害现状及防治进展 　　1.1.1我国山洪灾害现状 　　我国中东部地区大部分属于东亚季风性气候区，年内降雨十分不均匀，降雨大多集中于4～9月份，夏季降雨受季风活动影响明显，雨量充沛，暴雨多发，这种气候条件使得我国成为世界上受洪水影响较大的国家之一。另一方面，我国的地形地貌条件复杂，在我国辽阔的土地中，大约有三分之二的土地面积为山区，山地、丘陵、高原等地形广布；此外，我国山区人口众多，约占全国人口三分之一，且山区居民居住地多为沿河地带，这加剧了山区中小流域洪水灾害对我国经济财产和人民群众生命安全的威胁（陈国阶，2006）。 　　中国长期遭受洪水的威胁。随着社会经济的发展，人民对防洪的要求不断提高。中华人民共和国成立以来我国对主要河流展开了大规模的洪水防治建设工作，包括工程与非工程措施。工程措施方面，截至2012年，我国共建成水库98002座，总库容达9323.12亿m3。另有总长度413679km的堤防，424451座泵站’总容积达303亿m3的塘顼’总容积达2.5亿m3的窖池等。非工程措施方面，我国形成了系统的水文监测体系，包括雨量、水文站等共计113245处①，并在七大流域相继建立了近1000套水文预报方案（刘志雨，2009）。经过长期的洪水治理，我国的总体防洪水平有了极大提高。图1-1显示了中华人民共和国成立以来我国历年死于洪涝灾害的人口数。1950～1989年，我国每年死于洪涝灾害的总人口达5500人左右；这一数字逐年下降，1990～1998年平均每年死亡4200人左右；在经过1998年的长江、松花江、嫩江等大洪水后，我国进一步加强了对防洪的投入力度，1999～2004年，每年平均死于洪涝灾害人口下降至1683人；2011～2019年，该数字已经降低到800人左右。 　　然而，长久以来我国的防洪减灾工作主要侧重于大江大河，对中小河流洪水尤其是山区洪水的关注较少。实际上，我国拥有众多分布广泛的中小河流，流域面积50平方公里以上河流有45203条，流域面积100km2以上河流有22909条，流域面积1000km2以上河流有2221条①。由于缺乏合理的治理规划，这些中小河流的防洪标准一般不高。在2006年开展的全国山洪灾害防治规划项目中，共调查到发生洪水灾害的山洪沟数目超过18901条；山洪灾害防治区域涉及全国29个省（直辖市、自治区），总面积达463万km2，占全国土地面积的48%。 　　近年来，我国逐步展开了一系列中小河流洪水及山洪防治工作，例如2002年开始的《全国山洪防治灾害规划》、2011年开始的全国中小河流水文监测系统建设项目、2013年开始的全国山洪灾害防治项目等，并取得了一定进展。但针对山洪灾害以及中小河流洪水的预报预警技术尚处于初步阶段，我国山洪灾害的防治建设工作依然任重而道远。我国山区中小流域通常缺乏长期的降雨和径流等观测资料，站网密度低，且观测站容易在山洪中遭受破坏；此外，以流量观测或模型模拟为主要预报手段的传统预报方法，其时空尺度与中小河流洪水预报不匹配。因而山洪的预报预警能力仍然十分有限。 　　另外，山洪自身具有以下特点：①突发性强。山洪通常由短历时、高强度降雨所造成的，大多为局地的对流系统，加之山区中小流域面积小、流域坡度通常较大，产汇流迅速，从强降雨到出现洪峰仅需数小时甚至更少，因而预见期较短，留给灾民的响应时间不足（詹晓安，2006）。②破坏性强。山洪往往伴随着其他次生灾害，如山体滑坡和泥石流，可能造成桥梁倒塌、建筑物受损、对人造成心理伤害甚至造成死亡。③季节性明显。山洪一般重复发生于数个月的汛期中。④分布广泛但区域性明显。山洪分布虽然广泛但其多发区域的地形地貌具有明显特点，例如西南高原山地丘陵、秦巴山地以及江南、华南、东南沿海的山地丘陵区是我国遭受山洪灾害*为严重的地区①。 　　由于上述原因，在我国，山洪每年会造成巨大的人员伤亡和财产损失。历年死于中小河流洪水事件中的人口数如图1-2所示。1950～1990年，每年死于山洪灾害的平均人数高达3707人，占据了洪涝灾害造成死亡总人数的67%；1991～1998年，年均死亡人数下降至2800人，同样占总死亡人口的67%；1999-2004年年均死亡人数大幅下降至1250人，但占比上升至74%；2011～2019年以来死于山洪灾害的人数逐渐降低，平均为646人，占比上升至79%。可见，随着科技发展，山洪造成的死亡人数总体上有所降低，但占总死亡人数的比例居高不下，甚至有潜在上升的趋势；同时在极端气候事件发生时，山洪灾害导致的死亡人口可能会急剧上升，例如2010年的死亡人口突增至2824人。 　　随着经济社会发展，土地利用也在急剧变化，城市化面积不断增加，城镇中不透水的道路等区域面积增加，森林湖泊面积的减小，导致山洪灾害发生的频率增加，中小河流洪水所造成的人员伤亡和财产损失急剧增加。此外，在地球变暖和水文循环加剧的大背景下，极端气候事件的频率有可能增加，山洪发生的频率可能进一步升高（Huntington，2006）。 　　1.1.2我国山洪灾害防治进展 　　进入21世纪以来，随着中小河流洪水灾害造成人员死亡比例的不断攀升，中小河流的洪水灾害防治工作越来越多地得到社会各界的重视，我国逐步加强了中小河流洪水及山洪灾害防治建设工作。 　　2006年国务院批复了《全国山洪灾害防治规划》，对29个省（直辖市、自治区）的1836个县级行政区展开工作，此次防治工作以监测、通信、预报、预警等非工程措施为主，与工程措施相结合（邱瑞田等，2012）。非工程措施的主要实施步骤包括山洪灾害现场调查，进而确定灾害危险区；确定雨量、流量和水位的预警指标，并加强雨情水情监测并集合为监测预警平台；配备一定的设施以在灾害到来时能够及时进行预警；建立群策群防体系，加强宣传，明确责任。依据灾害类型和成灾要素相关分析法、主导标志分析法及基于GIS的数字制图等方法，我国根据山洪灾害分布差异、降雨分布差异、社会经济人口差异、以及灾害防治对策差异等特征，将山洪防治规划区划分为一级重点防治区、二级重点防治区和三级一般防治区，全国共划分96.93万km2山洪灾害重点防治区，占防治区总面积的20.94%，其中一级重点防治区、二级重点防治区及三级一般防治区分别占8.72%、12.22%和79.06%（张平仓等，2006）。2005年国家防汛抗旱总指挥部办公室首次选取12个受山洪威胁严重的县域初步展开试点工作；2009年水利部和财政部等在全国103个县展开了试点工作（沈盛或等，2014）。2011年国务院又通过了《全国中小河流治理和病险水库除险加固、山洪地质灾害防御和综合治理总体规划》’山洪防治工作在试点基础上逐步推广至全国30省2058个县，涉及山丘区157万个村庄，面积超过487万km2。此次项目除山洪灾害调查及完善非工程措施外，着重加强了对重点山洪沟的治理。2010～2016年，项目实际安排非工程措施投资达231.5亿元，重点山洪沟投资达47.8亿元，并建立了1个国家机构，7个流域机构，30个省级、305个地市级山洪灾害监测预警信息管理系统①。通过大规模的灾害防治建设工作，中小河流雨水情站网密度大大加强，对中小河流暴雨洪水的监测预警能力明显提高，有效减少了山洪灾害损失。2017～2020年，我国进一步展开了山洪灾害防治工作，旨在进一步加强原有工作、扩大防治范围，同时利用大数据、云计算、GIS、移动端APP应用等新技术、新手段进一步加强防治能力①。 　　1.2国内外山洪灾害风险预警硏究进展 　　洪水预警方法一般有基于临界雨量的预警方法、基于降雨-径流的定量预报预警方法、基于上游河道水位监测的预报方法。这三种方法的预见期是逐渐减少的。基于上游河道水位监测的预报方法的预见期为河水从上游到下游的流动时间，因而这种方法通常只能在较大的河流中使用。如果不使用定量降雨预报技术，用模型模拟降雨径流过程，其预见期即为流域的降雨径流响应时间。然而，在我国的一些面积较小的山区流域，流域的降雨径流响应时间非常短，用模型模拟径流过程仅能获得较为有限的预见期，因而这种方法在很多中小型流域中的适用性也较低（Liuetal.，2018）。耦合气象预报能够提高预警的预见期，但很多研究表明，小流域的定量洪水预报面临严峻挑战（AlfieriandThielen，2012）。本节将从水文模型在洪水预报中的应用、基于临界雨量的预报预警方法、多源降水观测及其在洪水预报中的应用、数值天气预报产品及其在洪水预报中的应用四个方面对国内外研究进展展开调研。 　　1.2.1水文模型在洪水预报中的应用 　　应用水文模型模拟降雨径流过程是进行洪水预报的主要方法之一。大多数实时洪水预报系统，例如美国国家气象局的河流预报系统National Weather Service’sRiver Forecast System（Morris，1975），欧洲的洪水预警系统The European Flood Alert System（AlfieriandThielen，2012），以及中国的国家洪水预报系统（刘志雨，2009），都是基于水文或水力学模型来计算河道断面的流量从而进行预警。水文模型一般需要水文数据（流量）来率定模型参数，然而大多数山洪发生的流域都是无站点流域，因而没有流量数据进行模型参数的率定。同时，基于水文模型的实时预报系统，由于模型不稳定性、误差传递或不正确的更新步骤等，可能导致系统崩溃（Martina et al.，2006）。这些都使得水文模型在山洪或中小河流洪水预报中面临重大挑战。 　　用于洪水预报的水文模型主要可分为分布式水文模型和集总式水文模型两类。集总式水文模型主要包括日本的水箱模型（tank model）（Sugawara，1979）、我国早期的新安江模型（赵人俊，1984）等。它们将整个流域当作一个整体来看待，其水文输入、输出及参数在整个流域内都是统一的。这一类水文模型通常用概念性或经验性方程来描述水文过程，因而模型的参数通常是根据实测资料率定得到的。这一类模型在早期发挥了巨大的作用，但由于在无资料地区往往缺乏实测流量数据进行模型的参数率定，集总式概念性水文模型在山区中小河流洪水预报中的应用受到较大限制。 　　分布式水文模型的特征在于它能够考虑各种水文参数的空间变异性。在具有物理机制的水文模型中，用于描述水文过程的方程通常是局限于小尺度的，必须考虑参数的空间变异性，因此通常属于分布式水文模型；当然也有一些概念性水文模型也属于分布式水文模型，例如分布式的新安江模型（姚成，2007）等。由于分布式水文模型要考虑不同参数的空间变异性，往往需要大量的数据信息，因此，它通常与地理信息系统、DEM数字高程数据、遥感数据等相结合。国外的分布式水文模型发展较早，英法丹三国科学家开发的MIKE-SHE模型（Abbott et al.，1986；Refsgaard et al.，1995），基于地形指数的TOPMODEL模型（Beven and Kirkby，1979）等。我国的分布式水文模型发展相对较晚，但近年来应用较多，如刘志雨（2004）的研究表明，改进后的分辨率为1km的TOPKAPI模型在淮河上游息县以上流域（约10000km2）具有较好的应用效果；许继军（2007）改进了整个长江流域上游10km分辨率的分布式水文模型GBHM，探讨了分布式水文模型在大尺度流域中水资源管理及洪水预报中的应用；吴志勇等（2007）将VIC模型应用在全国30km空间分辨率，并采用24h的时间步长，模拟网格的土壤水、蒸发及径流；雷晓辉等（2010）开发了一种面向业务化运用的easyDHM模型，扩展了模型的通用性。 　　以往的研究表明，基于物理机制的分布式水文模型相较于集总式、概念型水文模型具有以下几个优点：①在无需模型参数率定时，分布式模型的表现略优于集总式水文模型（Refsgaard and Knudse，1996；Mendoza，2012），这可能是由于集总式概念性水文模型的参数无法直接与流域特征建立联系所造成的；②分布式