新疆阿克苏地区小流域山洪灾害与预警技术研究

陈 雷，陈 波

（阿克苏水文勘测局,新疆 阿克苏 843000）

由于地形地貌和山区气象条件的复杂性,山洪灾害往往以洪水叠加泥石流和山体滑坡的形式出现,虽然作用时间短但后果相对严重。据统计数据显示,在因洪灾死亡的人口中,山洪造成的死亡人数占比超过70%。这一方面是由于山区气象和水文监测网点相对较少,加之局地短时强降雨发生频率较高、预测预报难度大。另一方面则是因为山区小流域沟道纵横交错、比降较大,降水汇流时间短则几分钟、长则几小时,留给人们的预警和应急响应时间十分有限。因此,在卫星遥感、物联网、人工智能等技术日益成熟的背景下,在山洪灾害防控体系建设中,预警技术的研究和应用成为了重要课题。

1 小流域山洪灾害预警技术概述

1.1 山洪灾害预警技术原理

根据小流域山洪形成过程及其作用机理,预警技术应用主要是通过实时获取监测对象上游的降水量和流域水文数据,通过构建风险分析模型,实现对灾害风险的动态评估。目前,国内的小流域山洪灾害监测主要指标是降雨量和流量、流速等水文数据,通常以临界雨量和水位做为预警阈值[1]。而预警系统的构建需要依靠物联网、人工智能等信息技术,通过在流域范围内科学布置监测网点,利用传感装置动态监测、采集和传输各项数据,并且基于数据库和分布式水文分析或降雨量预测模型的构建,对数据进行多目标的实时分析和处理,当预警指标达到临界阈值时,系统会自动发出预警信息并启动防灾减灾应急响应机制。

1.2 山洪灾害预警核心技术及应用现状

精准预测局地强降雨的发生时间、影响范围是保证预警时效性的前提,而小流域往往地处偏僻地区,已有的气象和水文监测网点相对较少,使用的技术手段相对落后,且布局不够合理[2]。在新疆阿克苏地区,目前有相当一部分降雨量监测网点采用的是人工测量和记录数据的形式,无法保证山洪灾害监测数据的时效性。此外,要想精准预测灾害发生概率及其影响,必须动态测量、感应和汇总各方面信息,模拟推演洪灾的发生发展过程,以便优化临界雨量、水位、应急响应时间等预警指标。

2 小流域山洪灾害预警技术的应用

拜城县位于新疆阿克苏地区,整体地形地貌为狭长的盆地,四面被群山环绕,总面积约19100 km2,年均降水量大约95 mm,最长的连续降水时间为8天,日最高降水量约55 mm。境内山洪主要沟道四十多条,支沟则多达数百条。因此,拜城县是阿克苏地区小流域山洪灾害发生频率高的地区。加之县内河道也存在洪涝灾害,二者叠加作用下的损失往往非常严重,因此,探索灾害预警技术的应用,实现对拜城县小流域山洪灾害的动态监测、精准预测和有效预防,是一项意义重大的工作。

2.1 拜城县小流域山洪灾害特点

拜城县地处天山山脉中部的阿克苏地区,山洪灾害类型多样且发生频率较高。小流域沟道走向复杂,分布范围广。首先,按照起因分类,拜城县小流域存在强降雨山洪、融雪山洪以及二者共同作用下的山洪灾害。尤其是暴雨引发的山洪灾害突发性极强,从起涨到回落时间最短的仅约30 min,多数都不超过24 h,而且洪水量悬殊；其次,由于阿克苏地区特殊的地形地貌和气象条件,导致拜城县小流域山洪沟道众多,在局地发生短时强降雨的情况下,汇流形成时间多在6 h以内。而其影响范围内的村庄和人口较为分散,应急疏散所需时间相对较长。所以,山洪灾害对当地民众的生产生活危害较大。

2.2 拜城县小流域山洪灾害现有监测和防控体系

根据现场调查和数据分析结果,在所有沿河防灾对象中,山洪灾害防控能力大于100 年一遇的14 个,大于5 年但小于20 年一遇的9 个,大于20 年但小于100 年一遇的13 个。目前,拜城县境内小流域共计有8 个自动化和4 个人工雨量监测点、4 个流域水位自动化监测点。从搭建山洪灾害动态风险评估和预警系统的角度来看,现有监测网点所采集的数据类型、时效性均无法满足要求,不能精准预测局地短时强降雨发生时间、降雨量和各监测点洪峰流量。

2.3 基于GIS系统构建智能化小流域山洪灾害预警系统

为提高拜城县小流域山洪灾害防控的时效性,在移动通信和卫星遥感网络基本实现全覆盖的背景下,探索构建智能化的小流域山洪灾害预警系统。基于对新疆阿克苏地区以及拜城县当地气象、水文历史资料和监测数据的分析,优化现有山区局地雨量和流域水文监测网点,搭建智能化山洪灾害风险分析和预警系统,结合已有应急机制,有效提升拜城县小流域山洪灾害防控能力。

2.3.1 系统基本架构

结合拜城县小流域山洪灾害特点和作用机理,借鉴国内其它地区小流域山洪灾害预警技术的研究成果和应用案例,基于物联网技术搭建实时监测和动态风险分析、预警系统。在硬件设施方面,系统由分布于监测网点的信息感应装置、基于无线通信的信息传输网络、监控中心服务器和客户端构成。

2.3.2 基础数据采集网点设置

为保证局地短时强降雨和山洪灾害发生概率、时间的预测精度,通过搜集新疆阿克苏地区的气象和水文历史资料,参照相关科研成果和指导性文件,对拜城县小流域山洪灾害风险区域进行深入调研和分析论证。绘制多个防灾对象的水位-流量关系曲线,并且在假设洪水与暴雨同频率的前提下,将防灾对象的危险区划分为极高、高、一般3 个等级,统计相应范围内的人口和房屋分布。最后,结合不同区域降雨汇流时间,优化布置降水量、流域水文数据实时监测和采集网点,为评估山洪灾害风险和实现智能化预警提供全面、可靠的基础数据。

2.3.3 数据库和分析模型构建

针对拜城县小流域山洪灾害特点,以实现动态风险评估、精准预测局地短时强降雨、保证应急疏散时间、有效减少灾害损失为目标,构建基础数据库和风险分析、降雨量和山洪灾害预测模型[3]。首先,数据库建设要以新疆阿克苏地区小流域山洪灾害防控历史数据为基础,基于拜城县小流域实时监测网点的设置,分别构建用于降水量预测、山洪灾害风险评估的数据库,动态更新各项气象、水文指标；其次,基于GIS系统和人工智能技术的应用,构建多目标数据分析模型,对实时汇总的气象、水文数据进行计算和分析。

2.3.4 预警指标及其阈值设置

根据现有预警技术和软硬件设施条件,选择以临界降雨量和流量做为预警指标[4]。结合拜城县小流域不同风险等级区域的短时强降雨雨量、沟道汇流时间等历史数据,为预警指标计算提供依据。首先,根据既定预警时段,按照选定时段给定相应的雨量值,运用雨力公式分析计算各个时间的雨量；其次,参照《山洪灾害分析评价技术要求》,确定预警流量和计算流量的阈值；再次,根据《评价技术要求》,临界雨量预警值按照山洪灾害防控技术要求,分别设置准备转移和立即转移两项指标。

2.3.5 山洪灾害动态监控和应急处置体系建设

在搭建山洪灾害动态风险分析和预警系统的基础上,对拜城县已有监控和应急处置体系进行必要的完善,使之契合防御小流域山洪灾害的需要。首先,在科学划分风险区域、优化布置降水量和水文数据监测网点的情况下,完善原有山洪灾害应急管理组织机构和相应的工作流程。明确智能化监测和预警系统的运维和管理职责,确保其风险评估结果的可靠性以及预警信息的时效性。并且围绕新的小流域山洪灾害防控策略。

3 设计洪水

设计洪水主要采用地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法,是规范允许的资料短缺地区使用的方法,能够反映地区洪峰流量模比系数的综合规律。该方法能充分利用水库坝址处的历史洪水调查结果,计算成果相对合理。

3.1 洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法

计算各站洪峰流量系列模比系数,将各站洪峰流量模比系数经验分布点绘在同一张概率格纸上,对经验分布点进行适线求得该区域的频率曲线,理论频率曲线采用P-Ⅲ型曲线,分别得到不同频率的设计洪峰流量模比系数。

采用地区洪峰流量频率曲线法推求计算断面设计洪峰流量,计算公式如下：

式中： Qp为设计洪峰流量,m3/s；Kp为频率为P的洪峰流量模比系数；Qd为调查历史洪水洪峰流量；Kd为调查洪水洪峰流量模比系数。

3.2 地区综合经验公式

利用新疆水文局选用南疆巴州至克州八处有实测洪水的中小河流水文站建立的小流域暴雨洪峰流量经验公式进行分析计算,其公式为：

式中：Qm为多年平均年最大洪峰流量,m3/s；A为流域面积,km2；L为主河沟长度,km；J为主河沟坡降,‰；f为流域形状系数,Pm为流域多年平均最大一日降水量,mm。

针对拜城县在新疆省降雨分区、小流域特性等,选择适合各个计算单元的设计暴雨、设计洪水以及山洪模拟的计算方法。

3.3 设计洪水计算成果整理

在以上基础上,整理成果,表格填写情况,按分析评价的防灾对象逐个绘制防灾对象水位-流量-人口对照关系图。

图1 牧场水位-流量-人口对照关系

图2 尤勒衮亚村1~4组水位-流量-人口对照关系

图3 托普鲁克6村2小队水位-流量-人口对照关系

3.4 成果整理及现状防洪能力图绘制

根据现场调查并结合分析评价得到的沿河村落、集镇和城镇的人口-水位关系,以及上面确定的不同危险区内的人口,统计确定成灾水位（其他特征水位）、各频率设计洪水位下的累计人口和房屋数,绘制防洪现状评价图。

图4、图5给出了亚吐尔乡牧场以及老虎台乡托普鲁克6 村2 小队的现状防洪能力图。用同样的方法绘制了拜城县其他分析评价对象对象的现状防洪能力图。

图4 牧场现状防洪能力分布信息

图5 托普鲁克6村2小队现状防洪能力分布信息

4 结语

新疆阿克苏地区小流域坡面和沟道众多且比降较大、汇流时间短,山洪灾害发生频率较高。在重点防洪区域的拜城县探索山洪灾害预警技术的应用,通过优化监测网点布置,搭建智能化的预警系统,提高了局地短时强降雨预报精度,实现了对拜城县山洪灾害的动态监测和有效预防。