刍议山洪灾害分析评价

李昌志 ，郭 良 ，刘昌军 ，孙东亚

（1.中国水利水电科学研究院，100038，北京；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，100038，北京）

广义的山洪包括山丘区由于暴雨引发的陡涨陡落的洪水，水库坝体溃决、冰湖溃决等诱发的洪水。本文特指暴雨山洪。我国山丘区占国土面积2/3以上，暴雨频发，地形地质条件复杂，人类活动影响程度高，山洪灾害发生频繁，不仅对基础设施造成毁灭性破坏，而且对人民群众生命安全构成极大威胁，已成为造成人员伤亡的主要灾种，是当前我国防洪减灾工作中亟待解决的突出问题。随着我国经济社会的发展，山丘区人口、财产和资产密度还将进一步增长，山洪灾害的风险程度和损失也将显著增加，若不采取切实可行的防治措施，山洪灾害所造成的人员伤亡和经济损失必将同步增长，其影响会愈来愈深。全面建设小康社会，实现国家经济、社会和环境协调发展的宏观目标，都对山洪灾害防治提出了新的更高要求。目前，我国已经开始了新一轮全国性的山洪灾害防治建设，山洪灾害分析评价工作是其主要工作内容之一。根据《山洪灾害分析评价技术要求（试行）》，山洪灾害分析评价是针对山洪灾害重点防治区沿河村落、集镇、城镇等防灾对象开展的防洪现状评价、预警指标分析、危险区等级图绘制等工作，获得防灾对象现状防洪能力、各级危险区人口及房屋分布以及预警指标等重要信息，为山洪灾害防治提供更为深入和详细的信息支撑。本文旨在通过分析与探讨国内外山洪灾害分析评价工作和类似工作的开展情况和经验，探讨我国山洪灾害分析评价取得最大成效的方法和途径，切实为我国山洪灾害防治工作提供信息支撑。

一、国内外山洪分析评价概况

国内外过去虽然没有在名义上明确提出山洪分析评价这一概念，但事实上开展了大量类似工作，如山洪危险性评价和山洪预警等工作，就是现在所提分析评价工作的重要内容。

1.国外情况

对国外文献的分析表明，国外已取得了大量成果，并且主要目标集中于分析评价工作本身及其灾害保险、灾害预防和灾害求援等方面的应用。在山洪危险性等级划分与评价方面，奥地利H.奥里茨基提出分类及危险区制图指数法，细划到了每一条山沟，在沟道里或沟口冲积堆上，根据山洪危险性质与等级划分出红色区、黄色区及白色区，对全国山洪沟进行山洪危险性区划，从而实现山洪灾害预警预报的目的。1980年,瑞典EldeenM.T.用危险区图研究灾害的危险度,包括不同灾害的类型辨识和规模估计，根据危险等级将洪水易发区分为4个不同的危险区，每个区又分若干个亚区，从而确定洪水灾害的发生范围。1977年，美国对加利福尼亚Saratoga地区开展了山洪危险性编目工作；1983年对加利福尼亚北部的山林伐木规划区进行了山洪危险性编目工作；1988年利用遥感技术在加利福尼亚地区开展了山洪危险度评价工作。在日本，足立胜治等开展了山洪发生可能性的判定研究，以地貌条件、流域形态和降雨等3个因子判定山洪发生率，每个因子又分若干要素，每个要素又分若干等级，每个等级给出相应的判别得分，然后统计山洪发生的可能性；久保田哲也等开展了山洪的危险性预测研究，采用短历时降雨的有效降雨量和降雨强度等因子来研究山洪和泥石流发生的可能性。这些成果在大尺度和小尺度的山洪灾害空间预测方面起着重要的作用，并已广泛用于灾害保险、灾害预防和灾害救援等方面。

在山洪预警方面，国外主要可以划分为欧美、日本两大派别。欧美最有代表性的成果是美国的预警指标系列成果。在美国，预警指标称为Flash Flood Guidance(FFG)。该方法较为全面地考虑了降雨、土层含水以及下垫面特性三大因素。根据下垫面断面地形和地貌确定各个地方的临界流量，并考虑土层含水量的动态变化，根据设计雨量、实测雨量或者降雨预报等信息，基于降雨、产流、汇流、演进、预警指标反推等环节，计算雨量预警指标，并且提供动态变化结果，并由不同等级的平台进行分析和发布。FFG方法由于考虑因素较全，覆盖地区类型和气候类型均较广，算法具有物理机理，方法较为成熟且提供预警指标的动态信息，故在欧洲、非洲以及东南亚的国家和地区得到广泛参考和运用，现在仍在不断改进和完善之中。较之欧美，日本的气候条件、地质地貌、植被土壤条件非常单一，故其临界雨量确定方法考虑的因素更集中于降雨和土层含水方面。根据日本交通省国土技术政策综合研究所报告 《土砂灾害警戒避难基准雨量设定方法》，其方法可以划分为土壤雨量指数法、实效雨量法、汇流时间与降雨强度法、多重判别分析统计法等4种类型，并指导确定全国的土砂灾害临界雨量。在统计确定临界雨量时，这些方法都假设降雨强度与有效累积雨量之间呈线性关系。通过统计资料，建立降雨强度与有效累积雨量之间的线性关系，采用临界雨量线法确定预警指标。

2.国内情况

国内以往虽然没有明确的山洪灾害分析评价提法，但也从方法、技术、内容等方面进行了大量有益的探索，对山洪危险性等级划分与评价、山洪预警等也开展了大量工作。大部分研究主要集中于采用可靠的技术获取所选评估因子资料的研究，并附带少量实例进行介绍。早期研究中选择常规且易于获取资料的因子，采用GIS、RS技术提取相应信息进行分析。如赵士鹏等提出了泥石流危险性评价的系统集成策略，将泥石流危险度评价集GIS与专家系统为一体，对孙胡沟流域泥石流危险度进行评价，取得了较好效果；汤家法等利用ARC/INFO地理信息系统作为工具,对岷江上游泥石流发生地各因子叠加形成综合层,且包含属性数据，对其进行分析,进行泥石流危险度的划分；唐川等提取了地形坡度、暴雨天数、河网缓冲区、标准面积洪峰流量、泥石流分布密度和洪灾历史等6项对山洪形成与泛滥的影响因子进行分析和叠合评价，完成了红河流域山洪灾害危险性评价图，以人口密度、房屋资产、耕地百分比、单位面积工农业产值作为指标进行了易损性分析，将危险性评价图与易损性评价图进行叠加分析，完成了红河流域山洪灾害风险区划图。后来的研究中，有水利背景的研究人员将GIS、RS等技术的空间分析功能与水文水力学模拟相结合，研究基础信息的提取与计算，其中非常突出的研究内容是从空间数据中提取水文、水力学分析计算中所需要的基础参数信息。大量的研究采用DEM提取小流域、河网水系、高程信息，根据土地利用情况提取糙率，分析洪水洪量影响、风向对水流方向的影响、人工建筑对洪水淹没的影响等因素。李娜等针对山区小流域洪水风险图制作中面临的资料缺乏和精度不高的问题，提出了编制山洪灾害风险的方法。此外，也有对单个承险体开展山洪风险研究的。由于山洪流速较大、过程相对短暂、携带大量石块和泥沙，突然暴发，破坏力很大，且单个承险体所能承受的荷载是有限的，因而，山洪冲击力计算成为这种风险分析的重点。

在山洪预警方面，我国大陆地区气候条件、地质地貌、植被土壤种类丰富，降雨、水文等基础性资料丰富程度不一，有的地方甚至严重匮乏，故现有山洪灾害临界雨量确定方法种类繁多，考虑因素各有差异。简单归结而言，主要有实测雨量统计法、水位—流量反推法、暴雨临界曲线法、比拟法、水动力学计算方法等。台湾早期的泥石流发生临界降雨线是参考日本的方法。目前，台湾较为主流的临界雨量确定方法，是抓住降雨这一关键因素进行分析，主要采用降雨驱动指标值（RTI-Rain Trigger Index）建立泥石流发生可能性的降雨警戒模式。

3.国内外比较

通过以上文献分析可知，国内外山洪灾害分析评价，无论危险区等级划分还是山洪预警，主要受到工作目标、基础资料、技术条件、人员等因素的影响。由于资料基础和技术条件较好，国外在10～20年前的主要工作就已经向着宏观与微观等空间尺度，以及灾害保险、灾害预防和灾害救援等不同层次的山洪应用目标开展，并取得批量成果。虽然大部分国家只是把山洪沟划分开，或者把具有山洪的大范围区划分开，但一些国家，如奥地利、日本等，已经将山洪危险性划分具体到每一条河溪。我国由于基础资料较为贫乏、分析计算方法与技术有限、研究人员专业背景差异等原因，国内目前的绝大多数研究还主要集中于基础资料的快速获取、分析计算方法与技术可靠性和易操作性等层面，离当前正在开展的山洪灾害分析工作的减灾目标尚有一定距离。

二、分析评价工作技术要求简介

我国新一轮全国性山洪灾害防治建设工作中，对调查评价等工作在安徽、河南等省开展了一定尝试，并编制完成了《全国山洪灾害防治项目实施方案（2013—2015 年）》，山洪灾害调查评价是其中的重要工作，按照10～50 km2划分小流域，以小流域为单元，开展山洪灾害基本情况、小流域基本特征、水文、社会经济等情况调查，进行山洪小流域信息收集与整理、水文基本资料收集整理、小流域基础信息核查与地形量测等。可以预见，基础资料积累将有飞跃性的提升。基于这样的背景，国内现在已编制了 《山洪灾害分析评价技术要求（试行）》，核心内容包括分析评价基本内容、基本方法、预期成果三方面，简要介绍如下。

1.分析评价基本内容

山洪灾害分析评价是指在山洪灾害调查的基础上，综合分析沿河村落、集镇和城镇等防灾对象的防洪现状，以防灾对象为单元划分山洪危险区，科学确定预警指标和阈值，为及时准确预警和灾害防御提供基础支撑。主要包括防洪现状评价、危险区等级划分以及预警指标分析三大项内容。

①防洪现状评价指基于设计洪水计算分析成果，针对沿河村落、集镇和城镇等防灾对象现状开展的分析和评估，主要包括现状防洪能力分析、山洪危险区等级划分以及统计分析各级危险区的人口及房屋。

②危险区等级划分即根据洪水发生频率，并参照防治对象的设施及其控制断面水位流量关系类型等信息，将分析计算获得的危险区划分为极高危险、高危险、危险等3个等级的区域，并统计各级危险区内的人口和房屋数量。

③山洪灾害预警指标分析针对各个沿河村落、集镇和城镇等防灾对象进行；对于地理位置非常接近且所在河段河流地貌形态相似的数个防灾对象，可以使用相同的预警指标。预警指标包括雨量预警指标与水位预警指标两类，分为准备转移和立即转移两级；各地可以根据自身情况，基于气象预报或水文预报信息，增加一级警戒预警指标。雨量预警指标通过分析临界雨量得出。临界雨量是指导致一个流域或区域发生山溪洪水可能致灾时，降雨达到或超过的量级和强度，可以通过经验估计法、降雨分析法以及模型分析法等3类方法分析得到。水位预警指标通过分析临界水位得出。临界水位可通过洪水演进方法和历史洪水分析方法分析得到。

2.分析评价基本方法

水文水力学分析是计算山洪灾害分析评价的前提和基础。基于山洪灾害调查的成果，山洪灾害分析评价工作针对沿河村落、集镇和城镇等具体防灾对象开展，按工作准备、暴雨洪水计算、分析评价、成果整理等4个阶段进行。

（1）工作准备阶段

根据山洪灾害调查结果，确定需要进行山洪灾害分析评价的沿河村落、集镇、城镇等防灾对象，提供防灾对象的基本信息，编制防灾对象名录。从调查成果中提取整理工作底图、小流域属性、控制断面、水文气象资料，以及现场调查的危险区分布、转移路线和临时安置地点等其他成果资料，为暴雨洪水计算和分析评价做好准备。

（2）暴雨洪水计算阶段

假定暴雨洪水同频率，根据指定频率，选择适合当地实际情况的小流域设计暴雨洪水计算方法，对各个防灾对象所在的小流域进行设计暴雨分析计算，对相应的控制断面进行设计洪水分析计算，得到控制断面各频率的洪峰流量、洪量、上涨历时、洪水过程以及洪峰水位，采用概化法与目测法等确定河谷形态，分析水位流量关系曲线类型和计算成果的合理性。

（3）分析评价阶段

基于设计暴雨洪水计算的成果，进行防洪现状评价、危险性等级划分、预警指标分析以及危险区图绘制等工作。①防洪现状评价采用频率分析或插值等方法，分析成灾水位对应的洪峰流量的频率，运用特征水位比较法，以及高程人口分布关系，分析评价防灾对象的现状防洪能力，并采用频率法确定危险区等级，统计危险区内的人口、房屋数量等基本信息。②危险性等级划分主要考虑暴雨洪水频率，并结合防灾对象的基本特性，对沿河村落、城镇、集镇等对象进行山洪危险性等级划分。③预警指标分析分为雨量预警分析和水位预警分析两种。雨量预警指标可采用经验估计、降雨分析以及模型分析等方法进行分析确定，模型分析法重点通过分析预警水位、预警时段、土壤含水量等，反推得到防灾对象的雨量预警指标。水位预警指标采用洪水演进方法和历史洪水分析方法进行分析确定。④危险区图在统一提供的工作底图上进行绘制，包括不同等级的危险区范围，人口、房屋信息，预警指标，甚至防洪现状评价成果图等信息。

（4）成果整理阶段

汇总整理分析计算成果，编制成果表，绘制成果图，撰写并提交分析评价成果报告。

3.分析评价预期成果

山洪灾害分析评价预期成果分为成果报告、附表及附图等3类。根据《山洪灾害分析评价技术要求（试行）》，各省提供全省的分析评价总报告，还应提供以县为单位的分析评价报告。附表和附图作为分析评价成果报告的附件。这些成果的成功获取，将切实为山洪灾害防治工作提供信息支撑。

附表内容包括山洪灾害防治区小流域暴雨洪水计算，山洪灾害重点防治区内沿河村落、集镇、城镇等防灾对象防洪现状评价、危险区划分以及预警指标四方面成果，具体包括“附表1防灾对象名录表”“附表 2设计暴雨成果表”“附表3控制断面设计洪水成果表”“附表4防洪现状评价成果表”“附表5雨量预警经验估计法成果表”“附表6雨量预警降雨分析法成果表”“附表7雨量预警模型分析法成果表”。附表1以县级行政单元填写，附表2以小流域为单元填写，附表3～附表7以防灾对象提供沿河村落、集镇、城镇等单元填写，附表5～附表7根据所采用的方法选择填写。

附图包括山洪灾害重点防治区内沿河村落、集镇、城镇等防灾对象防洪现状评价、危险区划分以及预警指标三方面成果，具体包括“附图1防洪现状评价图”“附图2危险区划分示意图”“附图3预警雨量临界线图”。

由于我国地质地貌和气候条件复杂，各地经济发展水平、基础资料积累、技术条件、人员力量等都存在着很大差异，虽然山洪灾害调查工作完成以后，在某些方面会有一定程度的改进，但分析评价工作必须认真考虑这些基本情况。因而，分析评价工作技术要求编写时遵循 “确保一般、兼顾特殊”的原则，即在技术方法方面基本上按照设计暴雨、设计洪水的基本思路进行，或者采用符合当地条件的方法，以保证各地都能顺利开展工作；同时，也提供了一些较为先进的技术和方法，供各方面基础条件均较好的地区选用，切实为山洪灾害防治提供信息，如对于可能最大降雨、可能最大洪水、特殊工况的处理和采用模型法进行预警指标分析等。

三、结语与展望

通过简要分析国内外山洪灾害分析评价的有关研究情况，介绍我国山洪灾害分析评价技术要求编制及其预期成果，得到了几点认识：①山洪灾害分析评价工作将针对沿河村落、集镇、城镇等山丘区具体防灾对象展开，根据现状防洪能力、危险性等级划分、预警指标分析等关键内容进行，分析评价成果将与山洪灾害调查所获得资料一起，极大地丰富和充实我国山洪灾害科研的资料基础；②山洪灾害分析评价成果将在山丘区山洪灾害防治工作中的预案编制、预警预报、应急响应、土地利用规划等方面都具有很强的目标性和针对性，将把我国山洪灾害防治提高到一个新水平；③分析评价技术要求遵循确保一般、兼顾特殊的原则，以支撑不同条件山丘区开展山洪灾害分析评价工作，所有成果将可能在区域和全国山丘区尺度为我国山洪灾害防治提供信息支撑，提高和改进我国不同区域山洪灾害防治的对策。

根据国内外文献研究情况，与国外相比，我国还有大量工作需要加紧进行。例如，山洪灾害分析评价工作应当充分运用山洪灾害调查所获取的资料和数据，同时也产生很多新的分析资料和数据，并且数据来源、存储格式、资料精度等都存在一定差异，数据规模将是海量的，因而研究多源数据快速规范化集成方法与技术是非常迫切的任务之一；此外，现行分析评价要求提供的洪水分析方法以传统设计暴雨洪水方法为主，雨量预警也仅是提供了3种思路，分析模型缺乏验证，参数缺少率定，如何快速研发出操作性强且符合各地特点的分析评价方法与相应的支撑技术平台，以便广大工作人员尽快尽早把研究重心和工作重点移向山洪灾害防治的目标，服务于山洪灾害防治的本质，也是当前重要而迫切的任务。

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