中国山洪灾害防御关键技术

郭 良，丁留谦 ，孙东亚 ，刘昌军，何秉顺，刘荣华

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

1 研究背景

在全球气候温暖化背景下，随着山丘区局地强降雨频次的增加和山丘区人类活动的加剧，山洪灾害日渐成为防洪减灾的短板，因山洪死亡人口约占洪涝死亡人口的70%，山洪灾害监测预报预警和防御日渐受到国际社会的高度重视。针对山丘区暴雨洪水受地形影响大、过程短、时空变异大、精准监测预报难，以及地形起伏变化大、植被类型和下垫面条件复杂，普遍缺乏水文实测资料、山洪陡涨陡落、产汇流非线性特点显著、精准分析模拟和预警难度大等特点和科技难题，世界气象组织（WMO）、全球水伙伴关系（GWP）、国际水文科学协会（IAHS）、国际水利环境工程及研究协会（IAHR）、美国国家海洋和大气署（NOAA）等都在加大关注和研究的力度。IAHS早在2003年就开始了“缺资料流域水文预测预报”（PUB）十年计划［1］，并取得了积极的成果。2017年9月，WMO宣布启动为期4年的世界首个全球水文状态监测与预测系统（HydroSOS）建设计划，旨在为全球有效应对洪水与干旱灾害提供支持［2］。

在山洪灾害监测预警方面，西方发达国家起步较早。美国从1970年代开始研究建立山洪灾害预警指导系统（FFGS）［3］，目前基本实现了山洪灾害的实时监测预警，并在研制基于分布式水文模型的山洪预报系统［4-5］；欧洲部分国家建立了基于洪水预报的山洪灾害预报预警系统［6-7］。21世纪以来，日本基本形成了一套较为完善的山洪灾害防治体系和防御模式［8］。1990年代以来，我国台湾省在山洪泥石流早期预警和疏散避难等方面逐步形成了较为完善的监测预警体系［9］。我国山洪灾害防治起步较晚，2010—2016年才初步建成了山洪灾害防御体系［10］，全面开展了全国山洪灾害调查评价，在山洪灾害分布规律与风险区划、小流域暴雨洪水规律、山洪灾害预警指标、山洪灾害预报模型、监测预警体系和群测群防体系等方面取得了长足的进步，但研究和应用总体起步较晚，存在预警不够及时准确的问题。

我国近年山洪灾害防治项目建设分为三期实施（2009—2012/2013—2015/2016—2020），结合我国国情实际和建设思路的调整，技术不断更新，能力逐步增强。2006年国务院批复的《全国山洪灾害防治规划》，首次提出了工程措施和非工程措施相结合的治理思路，明确了山洪灾害防治区的范围。2011年国务院出台《关于切实加强中小河流治理和山洪地质灾害防治的若干意见》，提出力争用5年时间，使防洪减灾体系薄弱环节的突出问题得到基本解决，防御山洪地质灾害的能力有显著增强。2009—2012年，水利部实施了2058个县的山洪灾害县级非工程措施项目建设，提出自动监测体系和群测群防体系相结合的山洪灾害防治思路；并提出在自动监测体系方面，与国家防汛抗旱指挥系统相结合的理念。2013—2015年实施的全国山洪灾害防治项目，开展了全国山洪灾害调查评价工作，提出了自动雨量站按照水文遥测站密度标准建设，防治区建设密度达到50～100 km2/个，结合防汛抗旱指挥系统建设思路，提出了省市县级山洪灾害监测预警平台建设方案、架构、基本功能和技术实现方式；提出了山洪灾害监测预警软件标准和3级预警流程，归纳了小流域汇流时间内的预警指标确定方法。2017年，水利部印发了《全国山洪灾害防治项目实施方案（2017—2020年）》，确定了根据经济社会变化新形势和新要求，充分利用互联网+和大数据等新技术，巩固提升已建非工程措施，结合山丘区贫困县精准扶贫工作部署，有序推进重点山洪沟（山区河道）防洪治理试点的防治思路。

我国山洪灾害防治虽然起步晚，但已建山洪灾害防治体系发挥了显著成效，人员伤亡大幅减少。从已有研究成果的应用情况和经济社会快速发展的需求看，进一步提高山洪灾害监测预报预警的精准度是必然趋势。针对暴雨山洪灾害的特点和关键问题，在小流域暴雨山洪分析模拟和预报预警等关键环节，小流域下垫面特征及产汇流特性、缺资料地区小流域暴雨洪水规律、新一代缺资料小流域产汇流模型及分布式水文模型、预警指标体系和风险评价理论、小流域山洪灾害动态预报预警技术仍然是山洪灾害防御急需解决的关键技术问题。

2 山洪灾害调查评价

2.1 山洪灾害成因与特点 山洪灾害的致灾因素具有自然和社会的双重属性，其形成、发展与危害程度是降雨、地形地质等自然条件和人类经济活动等社会因素共同影响的结果。

（1）降雨因素。降雨是诱发山洪灾害的直接因素和激发条件。山洪的发生与降雨量、降雨强度和降雨时空分布关系密切。降雨量大，特别是短历时强降雨，在山丘区特定的下垫面条件下，容易引发溪河洪水灾害。

（2）地形地质因素。不利的地形地质条件是山洪灾害发生的重要因素。我国山丘区面积占国土面积的2/3以上，自西向东呈现出三级阶梯，各级阶梯过渡的斜坡地带和大山及其边缘地带，岭谷高差达2000 m以上，山地坡度30°到50°，河床比降陡，多跌水和瀑布，易形成山洪灾害。

（3）经济社会因素。受人多地少和水土资源的制约，为了发展经济，山丘区资源开发和建设活动频繁，人类活动对地表环境产生了剧烈扰动，导致或加剧了山洪灾害。山丘区居民房屋选址多在河滩地、岸边等地段，或削坡建房，一遇山洪极易造成人员和财产损失。山丘区城镇由于防洪标准普遍较低，经常进水受淹，往往损失严重。

山洪灾害在不同的区域由于降雨、地形地质和经济社会活动及其相互作用方式的不同而表现出空间、时间分布和危害程度等方面的差异。总体上看，我国山洪灾害有如下基本特点。

（1）分布广泛、发生频繁。我国位于东亚季风区和台风影响区，降雨高度集中于夏秋季节，且地形地质状况复杂多样，人口众多，容易发生溪河洪水灾害，从而形成山洪灾害分布范围广、发生频繁的特点。

（2）突发性强，预测预防难度大。我国山丘区坡高谷深，暴雨强度大，产汇流快，洪水暴涨暴落。从降雨到山洪灾害形成历时短，一般只有几个小时，甚至不到1 h，给山洪灾害的监测预警带来很大的困难。

（3）成灾快，破坏性强。山丘区因山高坡陡，溪沟河谷密集，洪水汇流快，加之人口和财产分布在有限的低平地上，往往在洪水过境的短时间内即可造成大的灾害。

（4）季节性强，区域性明显。山洪灾害的发生与暴雨的发生在时间上具有高度的一致性。我国的暴雨主要集中在5—9月，山洪灾害也主要集中在5—9月，尤其是6—8月主汛期更是山洪灾害的多发期。山洪灾害在地域分布上也呈现很强的区域性，我国西南地区、秦巴山区、江南丘陵地区和东南沿海地区的山丘区山洪灾害集中，暴发频次高，易发性强。

2.2 山洪灾害调查评价成果 2013—2016年，国家防汛抗旱总指挥部办公室组织全国29个省和新疆生产建设兵团、305个地市和2058个县，首次系统深入地开展了山洪灾害调查评价工作，涉及中央、省、地市、县、乡、行政村和自然村等7个层级。山洪灾害调查评价紧密围绕小流域水文气象（暴雨）、下垫面特征和人类活动等山洪灾害的影响因素开展。

根据山洪灾害调查评价成果各类汇总数据内容和特点，按照省、县、流域为单元对调查评价成果汇总和整理，从暴雨特征、下垫面特征、防治区的范围、人员分布、社会经济、历史山洪灾害、预警指标、风险和区划等角度，进行空间分布特征分析及空间统计分析。调查评价初步查清了我国山洪灾害防治区的范围、人员分布、社会经济和历史山洪灾害情况，见图1。基本查清了53万个小流域的基本特征和暴雨特性；全国共调查了2138个县区单位，756万km2国土面积，32 524个乡镇，467 339个行政村，1 562 602个自然村，涉及总人口9亿。初步划定防治区面积386万km2（其中重点防治区面积120万km2），确定防治区行政村197 706个、自然村570 553个、3亿人，企事业单位152 183个，划定危险区529 019处、6346万人、1673万座房屋，并对危险区内居民家庭财产和房屋进行了分类调查。调查历史山洪灾害53 235场次，历史洪水12 738场次；调查涉水工程250 516座；调查自动监测站87 522个，简易雨量站237 420个，简易水位站47 324个，无线预警广播站202 235个；调查需治理山洪沟29 760条。分析评价了163 996个重点沿河村落。建立了全国统一调查评价成果数据库，数据库总量102 TB，开发应用服务软件，取得了丰硕的成果。全面梳理各类数据，并将调查评价成果推广应用于国家、省、地市和县级山洪灾害监测预警系统、小流域暴雨洪水分析、中小流域预报预警系统及气象、水保、铁路、交通等多个领域。

图1 山洪灾害调查评价成果分布

2.3 历史山洪灾害情况 根据全国山洪灾害调查评价成果，调查了全国1949—2015年的历史山洪灾害情况，中国水利水电科学研究院（以下简称中国水科院）还查阅历史文献资料，从史书、地方志、典籍等材料中挖掘整理了公元前586—1911年，近2500年的历史山洪灾害事件，共5312县次；挖掘整理了1911—1949年的历史山洪灾害事件，共1209县次；获得了到目前为止最为系统和完整的历史山洪灾害调查成果，3个时期的历史山洪灾害事件分布见图2。

图2 不同时期历史山洪灾害分布

全国共调查了新中国成立以来的历史山洪事件共53 235场次，平均每县25场，调查典型历史洪水12 738场次，平均每县6场，资料相对系统和完整。历史山洪灾害累计死亡人数约为3970万人，其中，数量最多的是四川和江西，死亡人数分别为1996万人和1962万人。历史山洪灾害共损毁房屋226万间，导致直接经济损失172 633.59亿元。发生山洪灾害较多的有广西和甘肃。其中，广西为最多，共发生过3401次山洪灾害，占历史山洪灾害总次数的9.53%；其次，为甘肃、河南和湖南，发生山洪灾害的次数分别为3399次、2771次和2737次，分别占山洪灾害总次数的9.52%、7.76%和7.67%；甘肃累计发生山洪灾害的次数仅次于广西，比例也仅比广西低0.01%；发生山洪灾害最少的是天津，共发生了47次，所占比例为0.13%；另外，北京、吉林和青海历史山洪灾害也较少，分别为107次、175次和270次，所占比例分别为0.30%、0.49%和0.76%。

2.4 山洪灾害风险评价 以全国范围调查评价成果大数据为基础，提出了以小流域和自然村为单元的山洪灾害三级风险等级划分方法。基于灾害链风险分析理论，运用主成分分析法，将全国54类调查评价数据降维至10类；提炼出3个关键风险因子：给出了短历时暴雨特征指标、单位洪峰模数及汇流时间指标和房屋危险性指标；提出了兼顾灾害时空结构和系统要素的概率分析方法和山洪风险精细化评估的概率矩阵，以全国山丘区小流域为评估对象，构建了全国山洪灾害风险评估模型，进行三级风险等级划分，形成全国山洪灾害风险评估图，有力推动了山洪灾害预警和风险管理理论技术发展。

2.4.1 风险评价基本原理

（1）各级风险因子权重确定。对于风险分析，一级指标危险性、承险体和易损性都是风险三角形的组成，三者权重均为1/3，权重加和为1。在确定二级指标权重时，危险性指标中短历时强降雨特征明显，降雨赋予权重较高；承险体指标由小流域人口数、房屋类型和居民家庭财产类型组成，人口数权重相对较高；易损性指标包括Ⅲ和IV类房屋比例、自动监测站和简易监测站的密度，考虑到监测站点对与应急避险转移的重要性，权重相对较高。

采用历史山洪灾害数据进行风险评估方法的验证。根据典型区域历史山洪灾害数据，推算各小流域山洪灾害事件发生可能程度，并与风险评估结果对照，对指标权重进行验证和调整，最终确定指标权重。

（2）风险要素计算和等级阈值分析。二级风险要素主要包括危险性要素（H）、承险体要素（E）和易损性要素（V），各要素又包含若干三级指标（Hi、Ej、Vk），各因子由其相应指标加权求和得到。危险性、承险体、易损性三要素按如下式计算：

式中：H、E、V为二级风险要素危险性、承险体和易损性；Hi、Ej、Vk为二级要素相应的三级指标；m、n、l为二级要素相应的三级指标数量；m′、n′、l′为各三级要素相应的数量；i、j、k、k′为累计求和中间变量；W为要素和指标的权重。

二级因子等级阈值根据计算样本大小，按从小到大排序，以1/3、2/3样本量所在的因子计算值为阈值，将各因子计算值划分为低、中、高3个等级。

（3）风险计算和等级阈值分析。风险计算是将二级风险要素求叠积，方法如下式：

图3 风险等级阈值

风险等级阈值分析如图3所示。

2.4.2 全国山洪灾害风险评价成果 利用上述方法对全国山洪灾害防治区进行了风险评价，得到了全国山洪灾害风险评价成果如图4所示。评价结果表明：以小流域为单元采用山洪灾害风险评估模型获得的山洪灾害风险等级区域与山洪灾害防治区结果总体一致，不同等级风险区面积、总体分布特征与重点防治区、一般防治区和历史山洪灾害发生次数总体一致。与全国调查的53 235场历史山洪灾害数据对比，91%的历史山洪灾害落在风险区内，高风险区密度为190场/万km2，中风险区密度为119场/万km2，较低风险区密度为98场/万km2，高风险区山洪灾害发生场次是较低风险区的2倍，说明三维山洪灾害风险评估模型指标选取有代表性，评估方法合理。风险评估结果进一步揭示了一般防治区内的高风险区和重点防治区内的低风险区，进一步明晰了重点防灾对象，对于分区制定减灾措施、监测预警具有重大指导意义。

图4 全国山洪灾害风险区及典型流域风险图

3 小流域产汇流特征及计算模型

小流域暴雨洪水规律与计算方法研究一直是水文学研究热点和难点。1930年代，水文模型得到了较大发展［11］，提出了单位线概念［12］和下渗公式［13］，形成了概念性水文模型，1950年代后期出现了流域水文模型［14］，主要是针对流域尺度上发生的水文过程进行概化模拟计算，形成了概念性流域水文模型。1960年代，中国也开始了小流域暴雨洪水计算的研究，中国水利水电科学研究院（原水利水电科学研究院）陈家琦、张恭肃等［15］针对中小型水利工程建设需求，归纳总结了大量经验公式，提出了中国水科院推理公式法，广泛应用于小流域暴雨洪水分析和水利工程设计。随着计算机技术进步和数字化革命，1970年代以来，流域水文模型得到了快速发展，出现了一系列的集总概念性水文模型和分布式水文模型，如萨克拉门托模型［16］和分布式新安江模型［17］等。时至今日，一些水文专家逐渐认识到流域水文模型只是原型的近似，不可能反映原型的一切特征，能反映产汇流时空变化规律的产汇流理论和集成基本水文现象的模型方法突破时，才会有流域水文模型的实质性进步。另外，基于大数据理论的流域特征参数时空变异与产汇流响应的计算方法也取得了一定进展。山洪灾害监测预警的突出问题是解决缺资料山丘小流域暴雨洪水分析，但已有水文模型不能较好地解决短历时暴雨条件下小流域暴雨洪水非线性特征。在此基础上，中国水科院结合全国山洪灾害调查评价工作，开展了全国小流域划分及基础属性提取工作，全面系统分析了全国53万个小流域特征及下垫面参数特征，总结了不同地貌类型小流域产汇流参数空间分布特征，在此基础上建立了全国小流域暴雨洪水分布水文模型，推动了中国小流域水文模型的进步和山洪灾害监测预警技术的发展。

3.1 小流域基础属性数据集 收集整理了全国1∶5万DEM，DLG和分辨率2.5 m的DOM等基础地理信息数据，划分了全国山丘区53万个小流域并提取了75项小流域基础属性，建立了小流域单元及其空间拓扑关系，构建了流域水系统一编码体系，形成了全国小流域基础数据集。系统分析了全国小流域地貌特征、下垫面特征，产汇流特征和影响小流域暴雨洪水主控因子，为山洪灾害防御和构建新一代分布式小流域水文预报预警及风险评估模型提供了基础数据支撑。

3.2 时空变源混合产流模型

3.2.1 模型基本原理 针对山区小流域地形地貌多样、产流机制复杂带来的洪水预报精度较低问题，刘昌军、周剑等提出了适用于小流域短历时强降雨条件下的时空变源混合产流模型，基于一维入渗理论和Van-Genuchten（VG）模型［18］建立了包气带非饱和土壤下渗计算方法，构建山坡地貌水文响应单元的非饱和土壤下渗过程，解析不同土壤类型的主要参数特征，建立平面、垂向、时段混合的时空变源混合产流模型，揭示山区小流域产流机制和规律。具体内容如下：（1）提出山坡地貌水文响应单元的划分标准，得到山区中小流域山坡地貌响应单元的空间分布，并研究不同山坡地貌响应单元的下垫面参数的差异，确定各类山坡地貌水文响应单元所对应的产流机制；（2）建立并求解非饱和下渗曲线方程以快速获取湿润锋垂向位移，考虑不同含水量单元之间的互吸力，实现湿润锋横向位移再分配，得到包气带土壤水下渗过程；（3）基于包气带非饱和土壤下渗过程及不同土壤类型对暴雨的最大响应深度和产流时间，确定短历时暴雨洪水的土壤最大含水量参数，完成垂向和时段上超渗产流、浅层土壤蓄满产流、深层土壤蓄满产流的机制转换，建立产流机制时空变化的混合产流模型。

3.2.2 垂向混合产流模型结构 时空变源混合产流模型的垂向结构是采用不同的概念水库来模拟土壤包气带和饱和带，从上至下依次是毛细水库、重力水库和变动面积饱和产流水库以及地下水库。为了更好的模拟水流在土壤中的实际运动及分配情况，将毛细水库所模拟的土壤区域又细分为浅层土壤区和深层土壤区，浅层土壤以超渗产流机制计算，采用包气带土壤非饱和下渗模型模拟，深层土壤区以蓄满产流机制计算。变动面积饱和产流水库以蓄满产流机制计算，反映水文响应单元内蓄满与超渗区域的面积比例分配。地下水库反映实际土壤中所存在的地下含水层，主要用来计算基流，时空变源混合产流模型垂向结构如图5，模型主要变量及参数见表1。时空变源混合产流模型采用模块化的建模搭建方式构建。

3.2.3 非饱和土壤下渗 高效稳定的计算包气带土壤下渗过程，是实现山区中小流域垂向、时段混合产流机制转换的基础。Talbot和Ogden［19］提出了一种新的一维入渗和水分再分配的计算方法，该方法将土壤水分含量离散成多个假想的有水力联系的区间（bins），以毛细作用和重力为驱动，每个bin内土壤水分的进入和传播由显式渗透和排水近似法来模拟，并通过模拟毛细力为驱动力的区间内流动过程，补充湿润锋在区间内推进造成的水分缺失。基于Talbot和Ogden下渗计算方法，利用Green-Ampt模型下渗速率f（t），结合Brooks-Corey模型［20］非饱和导水率曲线K（θ），Van-Genuchten模型土壤水分特征曲线Ψ（θ）计算方法，得到离散区间的含水量及湿润锋的计算公式，具体公式推导过程见图6。

图5 时空变源混合产流模型垂向结构

图6 GAR70非饱和下渗模型计算理论与流程

3.3 基于分布式时变单位线的汇流模型 单位线是流域地形、地貌、植被等下垫面及流域大小、形状等特性的综合表现，是流域汇流计算的主要工具之一，在流域水文预报、工程设计计算等方面得到了广泛的应用（图7）。分布式单位线（Dis⁃tributed Unit Hydrograph，DUH）［21］是英国Maidment在1993年提出的能够反映地形坡度和汇流路径汇流空间分布的单位线计算方法。DUH在分析流域（子流域或计算单元）单位线时，充分考虑流域内地形、植被等的空间分布特性。其理论依据与地貌单位线类似，即流域各点到达流域出口汇流时间的概率分布等价于瞬时单位线，基本原理是利用流域的时间-面积关系分析单位线。

美国农业部水土保持局（Soil Conservation Service，SCS）提出的坡面流流速的计算公式［22］，没有考虑到水力条件，即降雨对汇流速度的影响。前苏联杜德金［23］在1937年对有植被的坡面流速观测得流速公式（5）。

图7 不同雨强不同时段小流域单位线

表1 时空变源混合产流模型主要变量参数

式中：μ为流速计算参数；q为单宽流量，m2/s。这与宽浅河流情况下通过曼宁公式计算的坡面流速和单宽流量的关系形式相同。结合曼宁公式及流速公式（5），考虑雨强对流域汇流非线性的影响，取流域各点的汇流速度为时段雨强的函数，采用下式（6）计算流域各栅格点的流速：

式中：K为流速系数；S为坡度；i为单宽流量，m2/s，可用时段雨强替换。

将汇流时间进行统一计算，得到小流域汇流时间的概率密度分布（横坐标为汇流时间，纵坐标为计算时段内的出流面积与流域面积的比值）—瞬时单位线。利用瞬时单位线向时段单位线的转换方法，将瞬时单位线转换成所需时段的时段单位线。转换公式（7）为

式中：Δt为单位线时段，h；q(Δ t，t)为时段单位线，m3/s；F为流域面积，km2；S(t)为由瞬时单位线得到的S型曲线。

3.4 小流域分布式水文模型 山丘区小流域具有比降大、汇流历时短、水文响应快等产汇流特点，传统水文模型模拟精度难以满足无资料地区山洪灾害预警预报的需求。针对山丘区小流域的产汇流特点，中国水科院于2014年开发了中国山洪水文模型（CNFF-HM）［24］，用于无资料山丘区小流域洪水模拟和预报。

图8 CNFF-HM结构与计算流程图

CNFF-HM模型采用模块化建模技术，实现模拟对象与水文过程算法的耦合，模型把流域概化为子流域、节点、河段、水源、分水、洼地、水库等7类不同的要素，把水文过程分解为降水计算、蒸散发计算、产流计算、汇流计算、演进计算和水库调蓄计算等6个过程，其中子流域为产汇流基本计算单元，模型的结构和水文过程算法如图8所示。子流域及其基本属性参数默认采用全国小流域基础数据集。产流模型采用三水源新安江模型和统一混合产流模型，汇流计算主要采用分布式时变单位线模型，演进计算采用适用于山区河（沟）道演进计算的动态马斯京根法和运动波模型，降雨、蒸散发等其他模型方法见文献［25-26］，本文不详细介绍。

CNFF-HM模型是具有物理机理的日模拟和暴雨山洪连续模拟耦合模型［17］。其中日模式主要提供日均土壤含水量连续计算，暴雨山洪模式计算时段可为10 min、30 min或1 h等时段，模型自适应不同时段长的降雨输入，输入数据的时间序列可以是日步长和小时步长，也可以是两种数据的混合格式。模型已在福建、吉林、河南等地山洪灾害预警预报系统中实现了业务化运行［24］。

3.5 模型参数率定与检验 选取了全国范围361个流域实测场次降雨洪水资料，利用CNFF-HM模型（其中产流模型为新安江三水源模型）进行了模型参数率定和检验，率定结果为：（1）233个流域的纳什系数平均值在0.7～0.8，其中70%以上场次纳什系数大于0.7，径流深和洪峰误差均值小于20%，率定结果较好。（2）109个流域的60%以上场次纳什系数大于0.7，径流深和洪峰误差均值大于20%，率定结果一般；（3）19个小流域的纳什系数均值在0.6以下。

图9 率定结果分布

从图9中率定结果分布来看，64%的流域模型率定结果较好，且基本分布在年降雨量大于800 mm的地区，主要原因是产流模块采用的新安江模型，目前正在采用时空变源混合产流模型对年降雨量小于800 mm的地区进行模型检验和参数率定工作。

4 山洪灾害预警指标确定方法

山洪预警指标一般包括雨量预警指标和水位预警指标。水位预警指标一般应用于流域面积较大的中小流域河道洪水预警，考虑到山丘区河道小流域汇流时间较短，预见期短等特点，自动水位监测站点较少等原因，水位预警指标不适用于我国汇流时间较小的山丘区小流域。本文着重介绍适用于山丘区小流域洪水预警的雨量预警指标确定方法。在总结分析国内外已有山洪灾害预警指标确定方法及预警指标体系基础上，给出了我国现有的预警指标确定方法及预警指标。结合未来新技术和我国山洪灾害防治特点及监测预警新需求，提出了适用于不同级别的山洪灾害预警指标体系及其确定方法，为“十三五”山洪灾害建设提供理论指导。

图10 第一和第二阶段得到的全国山丘区临界雨量分布

国内现有山洪预警指标确定方法主要分3个阶段［27］，2009—2012年为第一阶段，各地主要采用经验法确定预警指标，该阶段的预警指标未考虑物理机制，精度较低，属于探索阶段；2013—2015年为第二现阶段，主要采用水位流量反推法计算雨量预警指标，但假定暴雨与洪峰流量具有相同的频率，没有考虑前期降雨条件对临界雨量值的影响，图10给出了第一阶段和第二阶段1h全国雨量预警指标分布图。

同时随着调查评价工作的完成，推动了多种预警指标计算方法的发展；根据我国山洪灾害防治前两个阶段的工作经验和存在问题，结合目前国内外技术发展，提出了我国下一阶段（2017—2020年）山洪灾害防治工作预警指标方法和构想：以自动监测系统、监测预警平台和水文模型为基础的实时动态预警指标分析方法（见图11）；适合简易雨量站，考虑累积降雨量、前期影响雨量、雨强等因素的复合预警指标分析方法；及应用于气象预警的预警理论方法，进而建立平台预警、现地预警及气象预警三种模式。以提高我国山洪灾害监测预警信息发布的精准度，实现预警指标的科学化。

5 山洪灾害防御思路及理论体系

山洪灾害防治的整体技术路线是“立足于以防为主，防治结合，以非工程措施为主，非工程措施与工程措施相结合，形成综合防治体系”。同时坚持“突出重点，兼顾一般”的原则，按照轻重缓急，积极稳妥地推进。在山洪灾害重点防治区全面建成非工程措施与工程措施相结合的综合防灾减灾体系。在一般防治区，初步建立以非工程措施为主的防灾减灾体系。

图11 山洪灾害动态预警流程方法

经过多年摸索，项目在非工程措施方面逐步形成了“一个总目标，两个监测预警体系，三个支撑体系”的基本技术思路，即以有效减少人员伤亡为总目标；以数据支撑体系、预警指标体系和技术标准体系为手段；以监测预警平台与预报预警模型为核心的自动监测预警体系，以县乡村组户五级责任制体系为核心、预案为基础、简易监测预警设备为辅助手段、通过宣传培训演练，以提高群众主动防灾避险意识和避灾常识为目的群测群防体系。自动监测预警体系和群测群防体系互相结合、互为补充。

5.1 自动监测预警系统 自动监测预警系统以气象预报为前导，以自动监测系统为基础，以监测预警平台与预报预警模型为核心，实现雨水情自动监测与预警决策。构建了山洪灾害防御信息采集传输、存储分析、共享应用全信息链的技术标准体系，建设了自动雨量站、水位站、视频（图像）站等为核心的山洪灾害自动监测预警设施设备，收集和监测水文特征及雨量时空分布数据，掌握实时降雨和水位变化，为决策指挥提供数据支撑；制定了适用于山洪灾害预警方法和多种预警方式相结合的山洪灾害预警发布流程；运用组网VPN技术构建覆盖中央、省、市（州）、县、乡（镇）的多级网络传输平台，为各级政府和防汛指挥部的信息传输、信息交换、灾情会商、山洪警报传输提供信息传输平台；运用地理信息系统技术和模型分析技术建立山洪灾害监测预警平台软件，具备汛情、灾情信息的监测、数据接收、处理，提供汛情查询、统计、分析、预报、预警功能。将决策指挥平台分析、判研后发出的预警信息，发送到相关责任人的支持系统。

5.2 群测群防体系 群测群防体系以县乡村组户五级责任制体系为核心，预案为基础，以简易监测预警设备为辅助手段，通过宣传培训演练，给群众提供简易监测设备和报警手段，以提高群众主动防灾避险意识和避灾常识为目的。群测群防已成为山洪灾害防御非工程措施的主要手段和工具之一，它适应了山洪灾害点多面广、突发性、局部性、成灾快的特点。群测群防体系建设作为形成山洪灾害防御主动防御体系的重要内容：建立和落实了五级防御责任，编制了县、乡、村及相关企事业单位（景区、学校等）的三级预案，配备预警设施设备，广泛开展宣传、培训和演练。基层村组（社区、学校等）形成了被动接收信息和主动监测预警相结合的防御方式：一方面接收县级、乡镇防汛指挥部门发送的预警信息，并传达到组、到户；另一方面开展群测群防、自测自防，实现以村组（社区、学校等）为单元的自我防御、主动防御。

通过山洪灾害群测群防体系建设实践，山洪灾害防御和所在地山洪风险正逐步为公众所了解、基层村组社区面对山洪灾害的主动防御能力不断增强，群众主动避险意识和自救互救能力显著提高。与此同时，我们逐步探索山洪灾害群测群防组织动员模式，概括为：以人为本、以避为上、政府主导、专业赋能、结合地治、注入职责、双线防御、村自为战、普及宣教、全位提能。

6 国家山洪灾害预警平台

为做好全国山洪灾害调查评价成果数据的管理应用、协助国家防办进行各地山洪灾害监测预警监视管理和灾害应急响应决策支持服务、做好国家层面的监测预警信息社会化服务等工作，建设了国家山洪灾害监测预警平台，包括以高性能计算集群为核心的大数据支撑运行环境、以全国调查评价海量数据为核心的山洪灾害防御时空大数据和“一张图”、以山洪灾害监测及洪水实时模拟为核心的全国山洪灾害监测预警预报及信息服务系统［28］。平台以7级行政区划和13级流域水系两条主线进行数据组织，实现了全国山洪灾害防御海量时空大数据的管理、多源异构复杂数据的高效组织和信息服务，近年来多次为国家防总的山洪灾害应急响应和辅助决策中提供快速的信息支撑服务。

全国山洪灾害监测预警平台运行支撑环境包括64个节点、运算能力达12.9FLOPS的高性能计算集群、660TB裸容量的高可靠存储集群、高可用虚拟化服务器池和高速光纤通信网络，为国家山洪灾害监测预警平台运行提供计算、存储、服务和数据交换能力；全国山洪灾害防御时空大数据集成了全国基础地理信息数据集、全国下垫面条件基础数据集、全国小流域基础属性数据集与全国山洪灾害调查评价成果数据库等静态数据，实时接收了水文气象、山洪预警、遥感影像数据及全国山洪模拟与信息发布等动态数据，涉及全国53万个小流域、157万个自然村的山洪灾害防御相关数据、全国高分辨率遥感影像数据、全国近10万个站点实时雨水情数据、全国5 km网格10 min降雨数据、全国多普勒雷达6 min数据和数值天气预报数据等。截止2017年底，数据总量达到102TB，预计每年增量100TB。全国山洪灾害监测预警预报及信息服务系统基于气象、水文、流域和行政边界，构建了132个山洪灾害预警预报一级分区和5013个二级分区，开发了基于HPC高性能集群的并行分布式水文模型（见图12）与山洪风险分析业务化系统（见图13），满足超大规模、高精细度、多过程并行和模块化的洪水模拟及预警分析要求，实现了多源降水数据融合、基于彭曼公式和Richard方程的土壤湿度实时模拟和全国53万个小流域30 min时段（或10 min/1h自适应）的实时连续模拟、全国近30万个断面洪水过程实时模拟大数据的管理，将为国家防总及各级防汛机构，以及铁路、石油、电力等部门提供山丘区洪水风险及预警信息服务。

平台综合应用了大数据、云计算和移动互联网理念，基于面向服务及信息共享体系架构，采用流域和水系两条主线对山洪灾害防御大数据进行有序组织和快速定位，以暴雨事件和预警事件两个抓手全方位展示事件关联的多维数据，以国家、省、县、村四个典型层级快速定位山洪灾害发生位置，提取决策支持的复合信息。系统已于2015年起陆续实现了业务化运行，为国家防总掌握全国山洪灾害防御态势和灾害应急处置综合决策提供快捷、可靠、全面和精细的信息服务。

图12 全国分布式水文模型集群

图13 全国山洪模拟及信息服务系统

7 结论及展望

（1）山洪灾害防治项目解决了山洪灾害防御“从无到有”的问题，填补了该领域的空白，适应了我国山洪灾害防治的迫切需求，在一定程度上缓解了山洪灾害防御水平低、防灾任务重与经济社会发展不相适应的矛盾。我国山洪灾害防治项目的投入和防治水平随着经济发展水平的提高而不断提高。山洪灾害防治工作的“探索”、“起步”、“建设”和“发展”四个时期与经济发展的低收入、中等偏下、中等偏上和全面小康四个发展阶段相适应。由此可见，山洪灾害防治项目的总体建设思路和技术路线立足于我国山洪灾害特点、防治现状和现阶段国情，与国家防灾减灾的宏观方向和要求是一致的。整体技术路线既符合我国山洪灾害的特点和规律，科学合理，也符合我国现阶段减灾的需求和发展目标。中国山洪灾害防治思路和技术路线在中国山洪灾害防治中取得了较好效果，形成了符合中国国情的具有中国特色的山洪灾害防御理论体系。

（2）基于现有山洪灾害防御理论技术基础，结合未来大数据、人工智能等现代信息技术成熟应用，提出了下一步我国山洪灾害防御的战略方向，研发国家级山洪灾害动态预报预警技术，即在监测方面，综合应用卫星、气象、监测站点等多源融合数据，进一步提高降雨监测预报精准度；在预报预警方面，结合现代信息技术提出以高精度数据为基础，以分布式模型为核心的中小流域监测预报预警体系；在平台方面，提出建立国家级山洪灾害预报预警系统，发挥国家级平台的技术引领作用，进行中小流域暴雨洪水预报预警服务。改进和完善国家级山洪灾害气象预警方法，积极推动开展省级、地市级山洪灾害气象预警工作。

（3）拓展提升省级山洪灾害监测预警系统。充分利用互联网+、大数据和云计算等现代信息技术手段，在省级平台开发部署小流域暴雨洪水分析系统，进行山洪灾害动态预报预警，提高预警可靠性，拓展升级省级山洪灾害监测预警系统，实现各级监测预警系统集约集中管理，供地市、县、乡镇和社会公众共同使用，解决地方技术力量薄弱和社会化服务问题。通过拓展移动端应用（APP、微信公众号）等技术手段，进行面向社会公众的监测预警信息推送服务，提升公共预警能力，扩大山洪灾害防御信息覆盖范围。