山洪灾害短历时风险预报预警平台研究及应用

江雨田，范仲丽，孙如飞，赵思远，朱从飞

（宁波市水利水电规划设计研究院有限公司，浙江 宁波 315192）

0 引言

山洪灾害具有突发性强、成灾速度快、破坏性大的特点，对国民经济和人民生命财产造成巨大损失。自 2006 年国务院批复《全国山洪灾害防治规划》以来，全国共有 2 076 个县开展了山洪灾害非工程措施项目建设，建设了县级山洪灾害监测预警系统（以下简称预警系统）[1]，基于实时监测雨量进行山洪灾害监测预警，解决了基层山洪灾害防御手段缺乏的问题。然而，受限于预警系统建设时（多数在 2015 年以前建设）的技术和设备条件，建设完成的预警系统普遍存在预警预见期、精确性及系统稳定性等不足的短板[2]。

宁波市地处我国海岸线中段，长江三角洲南翼，经济发达，人口密集[3]。辖区内山丘区面积占全市总面积的 58.7%，山区小流域由于雨量丰沛，河流源短流急，水位暴涨暴落，台风暴雨形成的突发性山洪，极易造成人员伤亡和财产损失。为最大限度地提升山洪灾害灾前预防能力，减轻山洪灾害风险，宁波市水利局在 2018 年启动宁波市山洪灾害短历时风险预报预警平台（以下简称平台）项目建设，利用短临降雨预报、气象雷达、动态预警等技术[4–5]，搭建新一代山洪预报预警平台，支撑防汛防台期间的山洪灾害防御工作。

1 平台建设

1.1 平台总体框架

平台的开发与集成采用 B/S 方式[6]，各子系统的开发均围绕网络数据库进行，平台框架如图 1 所示。

图 1 平台总体框架图

1.2 平台预报预警模型

为克服监测预警模式预见期、精确性不足的弊端，构建了基于精细化短临降雨预报数据驱动的山洪风险预报预警模型[7]。预报预警模型由以下 2 个模块构成：

1）数据驱动模块。降雨是山洪灾害预警分析的核心驱动数据。通过与宁波市水文站、气象局技术对接，平台接入了宁波市雨量站点实测和短临降雨预报数据。其中，短临降雨预报是基于多普勒雷达、卫星、自动气象站、中尺度数值模式制作的，每 10 min 更新 1 次，预见期为未来 1，3 h[8]。

实测和预报降雨由于数据来源、格式、更新频次均不相同，因此需要进行时间和空间尺度上的标准化解译。时间尺度上，需要将降雨数据时间步长统一转化为 10 min，与短临降雨预报的数据更新频次保持一致；空间尺度上，需要利用空间插值方法将离散站点实测雨量、GRIB2 码格式预报降雨等数据统一转化为标准分辨力栅格的降雨数据。

2）预警分析模块。根据收集的宁波市前期山洪灾害调查评价项目中 558 个受山洪威胁严重的沿河村落的雨量预警指标数据，构建基于雨量指标法的山洪风险预报预警分析模型。结合实测和预报降雨数据驱动模块，预警分析模型在后台每 10 min 自动运行开展分析计算，流程图如图 2 所示。基于精细化短临降雨预报数据驱动的预警分析模型，相比传统监测预警方法，能够提前 1～3 h 对可能发生的山洪灾害进行预报预警，为风险区域人员和财产转移赢得宝贵时间。

图 2 沿河村落山洪预警分析流程

1.3 平台功能模块

根据业务需求进行功能模块设计，包括以下 5 个功能模块：

1）基础信息模块。提供山洪灾害相关的沿河村落和小流域基础信息的查询功能，结合 GIS 地图，进行可视化展示。小流域信息包括小流域名称、河长、面积、比降等基本信息；沿河村落信息包括沿河村落社会经济、控制断面、预警指标等信息。

2）降雨跟踪模块。降雨跟踪模块提供实况雷达、实时降雨、预报降雨和土壤湿度跟踪查询等功能。基于 GIS 地图实现对雷达反射率图、站点实测雨量、短历时预报雨量、土壤湿度的跟踪展示。

3）山洪预警模块。以 10 min 频次，自动开展平台建设范围内沿河村落的山洪预报预警和整体形势分析。根据预警分析成果，提供各沿河村落当前预警信息、降雨详情、土壤含水量、预警分析和基础信息的查询展示。

4）分析简报模块。结合防汛实际需求建设分析简报模板，分析简报主要是实时和历史分析简报，具体内容包括风险预警概况、预警等级说明表、区县（市）山洪预警概况、预警村落详细信息等。

5）数据大屏模块。采用数据可视化技术，对风险预报预警数据成果进行可视化展示，为更深入地观察和分析山洪灾害风险实时情况提供支持。

2 平台应用分析

宁波市级山洪灾害短历时风险预报预警平台于2018 年 9 月上线开始试运行。先后在“20180815 暴雨”“20180917 暴雨”“2019 年利奇马”“20190902暴雨”等多场次台风暴雨中进行了实际应用，截至2020 年 5 月，共进行了 8.6 万次预警分析，累计产生了 280 场/次预警。

2.1 “20180917”暴雨应用案例

2018 年 9 月 17 日，超强台风“山竹”在广东省台山市海宴镇登陆，受台风外围对流云团影响，宁波市普降暴雨，其中 9 月 17 日 8—12 时降雨最为集中。

平台依据最新跟踪的站点实测、气象预报降雨及实时土壤湿度信息进行了预警分析，9 月 17 日上午 9 时山洪预警成果图如图 3 所示。平台第一时间向宁波市北仑区人民政府防汛防旱指挥部办公室发送了山洪灾害预报预警信息，北仑区在 9 时 20 分启动防汛防台 Ⅳ 级响应，并及时组织沿河村落村民进行转移避险。上午 11 时，北仑区白峰、郭巨、梅山、柴桥、大碶的多个村庄出现村庄进水，道路积水，农田普遍受淹，溪坑等水利工程受到不同程度损坏，所幸人员已经提前撤离，未造成人员伤亡。

本次暴雨期间山洪灾害的发生区域、时间与平台预警成果基本一致，验证了平台的可靠性和准确性。

2.2 “利奇马”台风应用案例

2019 年汛期的“利奇马”超强台风为建国以来登陆浙江的第三强台风，风强，雨大，来势凶猛，影响时间长。

在防御“利奇马”台风过程中，平台每 10 min在后台自动开展覆盖宁波市全部山区的山洪灾害预报预警分析，提前 1～3 h 对可能发生山洪灾害的区域发布预报预警信息，向宁波市各区县发送预警短信 15 次，各区县发送监测预警短信 6 万多条。

图 3 “20180917”暴雨 09 时平台山洪预警成果图

其中，8 月 10 日 5 时 10 分，平台整体形势未来 3 h 预警分析中，鄞州区东吴镇天童寺附近出现红色预警。平台分析成果第一时间发送到相应防汛责任人手中，鄞州区东吴镇迅速组织风险区域内人员避险转移。8 月 10 日上午 7 时，天童寺爆发山洪泥石流，所幸寺庙人员已及时撤离，未造成人员伤亡。本次天童寺山洪灾害，平台、原监测预警系统的预警时间，以及山洪实际发生的时间及预见期延长统计如表 1 所示。从表 1 可以看出：本平台提前130 min 发出了山洪预警，而原监测预警系统只提前30 min，预警预见期延长了100 min。

表 1 “利奇马”台风天童寺预警时间统计表

3 结语

建设的以精细化短临降雨预报为数据驱动的山洪风险预报预警平台，与传统监测预警系统相比，能够提前 1～3 h 对可能发生山洪的区域进行预警。

平台运行过程中，针对出现的服务器存储空间溢出的问题，设计并建立了数据定时清理机制，实现系统冗余数据的定期、自动清理，保证平台正常稳定运行。

目前平台预警短信只能向各级防汛责任人发送，下一步可探索研究基于运营商的信令大数据，向山洪风险区域内的社会公众靶向发送预警信息，进一步提升平台应用效益。