山洪灾害监测预警信息平台研究现状及展望

丁凡桠 黄超 李书

摘 要：欧美发达国家基于FFG（flash flood guidance）等方法开展了大量山洪预警实践。我国也探索发展出适合我国国情的山洪灾害监测预警系统，并在信息化建设方面取得了很大成效。本文通过对比分析山洪预警信息平台国内外研究现状，总结出我国信息平台建设中的不足，并展望山洪灾害监测预警信息平台未来研究的方向。

关键词：山洪灾害;监测预警;信息平台

中图法分类号：X43                    文献标志码：A               DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0313

山洪灾害主要发生于山区，指由降雨引起的河水暴涨及其诱发的严重威胁人民生命财产安全的崩塌、滑坡、泥石流等灾害，其具有明显的季节性，具备易突发、难预测、成灾快、水量集中，且具有巨大破坏力等特点[1]。近年来，鉴于山洪地质灾害频发，且带来生命财产损失，各国政府均高度重视，山洪灾害预警防御体系建设不断增强[2]。

美国水文研究中心基于FFG指标开发了山洪预警指南系统，为山洪预警提供实时信息指导[3]。欧洲委员会联合研究中心基于耦合空间上分布的水文模型，主导研发了欧洲洪水感知系统，并应用于相關国家的中期洪水预报[4]。日本国土交通省河川局和气象厅联合完成基于X波段雷波获取降雨数据和激光雷达获取河道地形测量数据的洪水预报系统，该系统通过分布式水文模计算洪水演进，并通过各自渠道公布预报成果[5]。

我国山洪灾害防治起步较晚，在水利、气象等部门的共同努力下，山洪灾害监测预警系统建设得到了极大的推动。通过2010—2018年建设规划的实施，基本完成山洪灾害防治区的所有调查评价工作，初步查清了山洪灾害基本情况和分布特征;通过建设数据共享功能自动雨量监测站，建成基本覆盖我国国土的山洪灾害监测网络和监测预警体系;通过建设共完成了覆盖1个国家级、7个流域机构、30个省级、305个地级市、2 058个县的山洪灾害监测预警平台，实现上下联动的监测预警体系，有效提升了我国山洪灾害防治的信息化水平[6、7]。

国内外的山洪灾害监测预警系统在设计思路、预警方式和预警表达上存着一些差异，本文以山洪灾害监测预警信息平台建设为出发点，梳理分析国内外山洪灾害监测预警系统平台现状，分析展望我国山洪灾害监测预警信息平台建设方向。

1  国外研究现状

1.1  美国山洪指导系统

国外山洪监测预警系统中，最有代表性的是广泛应用于亚非、欧洲、中美洲等多国的美国山洪指导系统（FFGS），并取得了良好的应用效果[7]。该系统的主要特点是依据实时采集的土壤含水量数据反演临界流量值时段作为预警指标，被称为“山洪早期预警临界雨量指标系统”或“基于动态临界雨量的山洪早期预警系统” [3]。

1.2  山洪预警体系

美国山洪预警是由多家机构协助完成，由美国内务部下属的美国地质调查局（USGS）代表联邦政府负责建设和管理全美水文监测站网及雨水情信息的采集和传输。测站自动监测信息通过卫星通信手段传输到位于华盛顿的中央级数据中心，继而分发至美国国家天气局（NWS）所属的13个河流预报中心（RFC），供其使用。由河流预报中心（RFC）制作所辖区域山洪早期预警临界雨量指标图（FFG），报送到相应的天气服务机构（WFO），由天气服务机构负责对公众发布山洪预警信息[3]。

1.3  预警指标

基于FFG方法的山洪灾害预警是基于水文模型以小流域内已发生的降雨量为基础数据，实时计算流域内土壤湿度数据，进而反推流域出口断面的洪峰流量值，并最终对比预设定的预警流量值时所需达到的降雨量，从而确定预警等级。该降雨量称为“山洪指南值”（FFG）或动态“临界雨量值”。每6小时，通过土壤模型计算一次土壤湿度，再通过山洪指南计算模型生成1-3-6-24小时FFG产品[11]。水文分析过程复杂，需要丰富的预报经验和基础数据来完成，该项工作主要依托于河流预报部门，FFG预警信息发布主要依托气象预报部门，该部门掌握了丰富的气象监测数据和降雨预报数据，结合上述数据可完成山洪威胁指标（FFT）等产品数据的发布。

1.4  信息平台预警发布

FFGS不是一个预报系统，只是它提供的输出产品可以用于山洪预报。FFGS信息平台最终以网页形式为决策者和社会公众发布预警信息。平台上提供的数据产品格式主要为数字地图[9、10]，类型主要有：

1-3-6-24小时MCIDAS卫星云图影像（MAI：MCIDAS AREA IMAGE）产品;

1-3-6-24小时流域面平均雨量图（MAP：BASIN MEAN AREAL PRECIPITATION）产品;

6小时流域土壤含水量分布图（ASM：BASIN AVERAGE SOIL MOISTURE）产品;

1-3-6小时流域当前山洪指导值（山洪早期预警临界雨量指标FFG：FLASH FLOOD GUIDANCE）产品;

1-3-6小时流域前期山洪指导值（Prev FFG：PREVIOUS FLASH FLOOD GUIDANCE）产品。

2  国内研究现状

2.1  我国山洪灾害监测预警体系

山洪灾害监测预警系统主要依托于各地设置的自动监测站获取的实时雨量数据。省或市、县级预警平台同时接收自动监测站所发送的实时雨量数据。山洪灾害监测预警决策主要依托县级防汛部门完成，预警过程主要由县级山洪灾害监测预警信息平台实现。

预警主要包括两个阶段：内部预警和外部预警。其中内部预警主要是面向防汛人员及相关责任人，主要特点是当降雨量达到临界雨量值时，系统自动防汛人员及相关责任人发布预警信息，提示相关人员做好防汛准备，预警方式为在信息平台的地图上对应的乡镇或自动监测站点图标闪烁以及弹窗提示。外部预警主要是对社会公众发布，主要包括防汛指挥和人员调度，在接收信息平台发布的预警信息后，进行查询核对，确定预警级别和范围，向选定的范围内行政乡（镇）责任人员发送通知，可通过电信通讯、信息平台自动发送相关的预警短信等方式，再由相关乡（镇）启动预警响应预案、组织群众撤离 [12]。

概括来说，当某个监测站的雨量值超过预警指标，则通过信息平台对防汛人员产生新的预警信息，经防汛人员审核后，通过短信或电话方式通知相关乡（镇）防汛责任人员，启动应急响应。

2.2  预警指标

预警指标主要依据自动监测站雨量数据，预警等级划分需要综合预警指标和等级划分方法最终确定。预警指标数据主要依据实时雨量数据，而实时雨量数据主要来源于自动监测站雨量数据。预警指标包括警戒雨量和危险雨量两种，对应的预警等级是准备转移和立即转移两种。当自动监测站水雨情数据到达临界雨量值时，即发出预警。鉴于各县自然地理条件迥异，存在较大的实际差异，因此每个县的临界雨量值必须基于《山洪灾害临界雨量分析计算细则》中明确的基于历史数据的经验法和《山洪灾害分析评价方法指南》中推荐的反推法来具体确定相应的临界雨量值，从而确保每个县的临界雨量值都能反映当地特点。

2.3  信息平台预警发布

各地县级山洪灾害预警平台由不同的技术单位进行开发，国家防办统一要求，各县级平台均基于B/S模式开发，必须包含如下功能：基础信息查询功能、水情预报服务功能、水雨情监测查询功能、气象国土信息服务功能、预警发布服务功能、应急响应服务功能、系统管理功能等。

县级平台是一个面向县级决策人员的GIS系统，可以实现地图交互查询，通过列表等形式展示水雨情信息，并通过地图图标闪烁等方式实现预警。决策人员综合分析预警和水雨情信息后，基于平台短信发送功能，实现向下一级防汛责任人自动发送预警信息的目标。

3  国内外信息平台对比分析

通过上述研究现状分析可以发现，国内外信息平台在预警方式、预警指标等方面存在诸多差异，见表1。两者都是采用BS软件架构，但美国的FFGS更偏向是一个可供浏览的网页，我国的县级预警平台则偏向一个可交互查询的地理信息系统;FFGS平台面向的是决策者和社会公众，提供的预警成果是可供浏览的电子地图，它并非一个预报系统，而是被动等待查询流域山洪指导值图、流域山洪风险图等信息，并且以小流域为最小预警单位。而我国县级预警信息平台面向的县级防汛管理人员，是一个以行政乡（镇）为最小预警单位的预警预报系统，会在平台中主动提示预警信息，并且可由系统操作员利用信息平台直接发送预警信息给行政乡（镇）的相关负责人员。

另外，两者最大的差异体现在预警指标上，美国的FFGS采用的是动态临界雨量，该指标耦合了前期降雨对土壤含水量的影响，是由国家气象局所属的河流预报中心运行土壤湿度模型、FFG模型等计算出的成果;而我国采用的是静态临界雨量，该指标的确定主要采用反推法和经验法。经验法临界雨量是由历史资料统计分析得出，未考虑物理机制，精度较低;反推法的主要思路是依据暴雨洪水设计数据来计算预警指标，结合多年的历史成灾水位数据反推对应的成灾流量数据，同时将土壤含水量条件设定在不同的条件下（较干、一般、较湿），基于推理公式法或水文模型计算法推导时段雨量数据，该方法的主要缺点是没有假定暴雨与洪峰流量具有相同的频率，并将前期降雨条件对临界雨量值的影响纳入计算[13]。

4  山洪灾害监测预警信息平台展望

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[13]。结合国内外监测系统对比，从我国的山洪灾害监测预警信息平台实际应用来看，丰富的交互界面和主动预警的发布方式，为县级防汛管理人员提供了极好的决策支持，全面提升了山洪灾害监测预警能力，但监测预警精确度的提高仍是未来研究中的关键问题。

（1）建立水文模型，提升预警精度

预警预报指标的准确度直接影响到山洪灾害预警系统的实施效果。我国实际应用中采用的静态临界雨量是一个多采用经验法来确定的定值，未考虑前期降雨影响以及流域下垫面空间分布异质性。以此作为预警判断依据导致空报、漏报现象时有发生，长此以往，可能降低人民群众对预警预案执行的配合度。借鉴国外成果经验，充分考虑前期降雨对下垫面的影响，建立流域水文模型，生成动态临界雨量等实时预警指标，提高预警精确度，是山洪灾害监测预警信息平台发展的必然选择。

（2）基于小流域单元的预警预报

2010年～2018年，我国政府部门不断投入建设完善山洪灾害监测预警系统，山洪灾害监测防御体系已初步实现。县级平台中，预警发布一般以行政乡（镇）为预警单元，这种设置充分利用了行政资源，确保预警预案的有效实施。但在建立水文模型、提升预警精度的趋势下，打通行政区划壁垒，基于小流域单元发布合理预警信息，是信息平台发展的重要方向。

（3）面向专业人员和社会公众的差异化信息平臺

美国FFGS系统的整体优势在于监测站点统一布设、监测数据统一接收，并由专业机构实时运算水文模型，再将预警成果统一发布在公共网站。借鉴这种思路，信息平台的发展可以进行差异性分化，一类面向专业决策人员，一类面向社会公众。专业的计算交由专业机构和专业信息平台来完成，依托公众信息平台实现实时预警信息对外发布，提高公众防洪减灾预警意识和政府应对灾害应急管理水平。

参考文献：

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[3]水利部山洪预警预报技术及应用软件高级培训团.山洪预警预报技术及应用软件培训团赴美培训报告[R/OL].（2008-02-01）[2010-09-02]. https：//wenku.baidu.com/view/16be76768e9951e79b8927c8.html？pn=1&qq-pf-to=pcqq.c2c.

[4]刘志雨.欧洲洪水感知系统及其应用启示[J].中国水利，2013（17）：66-70.

[5]何秉顺，常凊睿，凌永玉.日本中小河流山洪预报研究[J].中国防汛抗旱，2016，26（6）：51-56.

[6]国家防汛抗旱总指挥部办公室，全国山洪灾害防治项目组.全国山洪灾害防治项目实施方案（2017-2020年）[R/OL].（2017-11-01）[2018-01-03]. http：//www.qgshzh.com/show/3467cea2-6931-4941-b16a-1b3aed106b68.

[7]刘志雨，杨达文，胡健伟. 基于动态临界雨量的山洪预警预报技术及其应用[J]. 北京师范大学学报：自然科学版，2010，46（3）：317-322.

[8]Carpentera T M，Sperfslage J A. Georgakakos K P，et al. National threshold runoff estimation utilizing GIS in support of operational flash flood warning systems[J].Journal of Hydrology，1999，224：21-44.

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[11]林荡.岳阳市山洪灾害预警信息系统设计与实现[D].湖南：湖南大學，2014.

[12]国家防汛抗旱总指挥部办公室.山洪灾害防治县级监测预警系统建设[R].2010.

[13]郭良，丁留谦，孙东亚等.中国山洪灾害防御关键技术[J].水利学报，2018，49（9）：1123-1136.