基于多源降雨数据集成的山洪灾害预警研究

李观义，于泽兴

(广东省防汛保障与农村水利中心，广东 广州 510635)

山洪一般指山区小流域骤发洪水，因山高坡陡、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人员伤亡和财产损失[1]。21世纪以来，全球因山洪灾害死亡人口近千人，造成的经济损失高达463亿元[2]。中国是受暴雨山洪灾害威胁最严重的国家之一，受威胁的陆地面积和人口数分别约为全国总数的51%和43%[3]。广东省山洪威胁地区涉及18个市，覆盖面积约10.13万km2，威胁人口达1 631.56万人[4]。据统计，广东发生山洪灾害近900次，死亡和失踪人数3 000余人，造成经济损失近600亿元。其中，发生灾害次数最多的地市依次是梅州市、韶关市、河源市。

常用的山洪灾害预警预报方法主要是分布式水文模型法[5]和动态临界雨量法[6]。张鹏等[4]在紫荆关流域应用水文模型推算了流域不同土壤湿度条件下的临界雨量。AZIZI等[7]利用HEC-HMS水文模型分析了土地利用变化对山洪过程线的影响。分布式水文模型法对资料的需求要求较高，难以满足全省范围内的山洪灾害预报预警需求。近年来，广东省已完成82个山洪防治县调查评价工作，创建了山洪灾害防御基础数据集和调查评价底图，在山洪灾害防治区建立了水雨情监测体系，建设了覆盖省、市、县、镇多级的山洪灾害监测预警平台，初步实现了山洪灾害实况预警，发挥了重要的防洪减灾效益[8]。广东省现阶段主要采用行政区临界雨量预警法和关联测站临界雨量预警法进行山洪灾害监测预警。前者构建防灾对象与其所在镇区关联关系，当镇区累积面雨量超过其镇区内任意防灾对象雨量预警指标时，发布山洪灾害预警信息；后者构建防灾对象与邻近雨量站关联关系，当任意雨量站降雨量超过防灾对象雨量预警指标时，发布山洪灾害预警信息。然而，由于山区降雨时空分布异质性强，上述方法存在代表性不足、不确定性较大、预见期短等问题，导致山洪灾害预警空报误报等现象时有发生[9-10]。

降雨是山洪模拟的重要输入量，将会影响山洪灾害预警的精度[11]。目前，降雨数据主要包括地面站的实测、雷达降雨观测、卫星降雨观测和不同时空尺度的降雨预报数据[12]。上述产品时间和空间分辨率多数不匹配，难以直接应用到山洪的实施预报预警中。本研究采用多源降雨数据集成的动态雨量预警指标分析方法进行山洪灾害预警研究，来降低降雨输入的不确定性，进一步提高山洪灾害预警的精度，延长预见期。

1 研究方法

基于多源降雨数据集成的动态雨量预警指标分析方法的基本流程分为：多源降雨数据集成和山洪灾害调查评价成果分析、不同预警时段下小流域面雨量滑动计算、土壤含水量分析、临界雨量计算、综合预警指标确定、合理性分析，具体流程见图1。

1.1 多源降雨数据集成

综合利用多源观测、模式数据、新技术新方法，通过海量数据挖掘、网格调整、降尺度等智能技术，将不同预报时效及预报尺度的精细化降雨产品进行集成，生成空间分辨率为1 km×1 km的网格，最终形成实时滚动的多源降雨数据集成产品(包括过去时刻的实测降雨及未来3 d定量降雨)。其中：对于过去时刻的降雨采用实测雨量站的降雨数据；对于0～3 h预报时效，主要使用SWAN-QPF雷达滚动外推短时降雨预报[13]；对于3～24 h预报时效，主要使用GRAPES-Meso、华南中尺度数值模式(GZMM)等智能预报产品形成的短临降雨预报[14]；对于1～3 d预报时效，主要基于华南GRAPES-GFS、ECWMF等预报产品形成短期降雨预报[15]。山洪灾害基本发生在地形复杂的山区，汇流时间短，传统的实测降雨数据是基于雨量实测站求得，而偏远山区实测站点分布稀疏，不能准确反映降雨的空间异质性特点，并导致山洪灾害的预见期短，而多源降雨数据集成能延长预见期并准确地反映降雨时空演变特征(图2)。

1.2 雨量预警指标确定

首先确定预警时段。预警时段受防灾对象上游集雨面积大小、坡度及其他因素的影响，根据本文研究区小流域的汇流时间和暴雨特征，确定采用1、3、6 h作为预警时段。其次采用成灾水位和设计暴雨洪水反推临界雨量法确定山洪灾害雨量预警指标，包括防灾对象的准备转移和立即转移2个等级的预警。具体分析流程如下。

a)成灾水位是洪水水面线所能淹没的沿河村落等防灾对象的最低宅基高程，根据现场调查的历史灾害资料、成灾水位和河道控制断面等资料，推求控制断面水位流量关系和临界流量。

b)根据成灾水位，采用曼宁公式等方法，推算出成灾水位对应的流量值。

c)以防灾对象所在控制断面为流域出口，采用初损后损法进行产流计算，采用综合单位线法和SCS单位线法进行汇流计算，采用运动波法进行河道洪水演进计算。

d)假定暴雨洪水同频率，采用试算法反推不同前期土壤含水量条件下设计洪峰流量达到临界流量时各个预警时段的设计暴雨量，即为防灾对象的临界雨量集合。前期土壤含水量条件考虑了前期较干(Pa≤0.5Wm)、一般(0.5Wm0.8Wm)3种条件，预警时段长为1、3、6 h。

e)综合考虑防灾对象所处河段河谷形态、洪水上涨速率、预警响应时间和站点位置等影响，以临界雨量为防灾对象立即转移指标，立即转移前0.5 h的流量相应的设计暴雨量为防灾对象准备转移指标。

1.3 山洪灾害动态雨量预警

通过多源降雨数据集成和山洪灾害调查评价成果，进行山洪灾害雨量预警分析，具体流程见图2。①计算不同预警时段下的小流域面雨量。基于多源降雨集合产品滑动计算防灾对象所在小流域不同预警时段(1、3、6 h)的面雨量，面雨量通过防灾对象所在断面以上小流域的网格求平均而得到。②确定相应时刻下的小流域土壤含水量。以地形地貌、土地利用、植被、土壤等信息为基础，以实测或者降雨预报数据为驱动，采用中国山洪水文模型的产流模块进行分析，模拟流域土壤含水量的动态变化过程。③雨量预警指标分析。确定土壤前期含水量后，将其对应的阈值与小流域面雨量进行比较，当某一时段的小流域面雨量超过防灾对象不同等级雨量预警指标时，发布相应等级的山洪灾害预警。

2 应用案例

2.1 研究区概况

选取广东省2021年帽子峰镇和笔架山林场的2场山洪事件评估山洪预警精度(图3)。帽子峰镇位于广东省北部南雄市山区，主要的土地利用类型为林地，主要的土壤类型为砂壤土，共划分了2个小流域(12.5～21.0 km2)，镇内分布有河背村、老江屋村、河口村3个防灾对象，流域周边建有5个雨量站；笔架林场位于广东省中部清远市山区，主要的土地利用类型为林地，主要的土壤类型为砂壤土，小流域面积为13.71 km2，坑口村位于小流域出口，流域周边建有2个雨量站。

2021年5月16日20时至17日7时，南雄市出现百年一遇短时大暴雨，平均降雨量97 mm，引发“50年一遇大洪水”，许多城镇被淹，房屋农田浸泡在洪水中，损失惨重。其中，帽子峰镇于17日5点左右暴发山洪灾害(图4a)；8月9日凌晨至上午，清远市清城区和清新区普降大暴雨，最大雨量和最大小时雨强均出现在清新区笔架山林场站(图4b)，分别为236 mm、110 mm/h，古龙峡、太和古洞景点9点30分左右发生山洪，部分游客被紧急转移。

2.2 雨量预警指标

根据山洪灾害调查评价成果可知，帽子峰镇河背村、老江屋村、河口村和笔架山林场坑口村的成灾水位分别为215.59、226.21、235.27、167.84 m，相应的临界流量分别为128.2、67.0、87.0、93.0 m3/s。帽子峰镇和笔架山林场小流域最大蓄水量Wm取为100 mm，2场山洪事件发生前有一定量的降雨，基于土壤含水量分析模型获得研究区的前期降雨量，模型表明流域土壤已基本达到饱和状态(即Pa>90 mm)。最终确定在该土壤含水量条件下，河背村、老江屋村、河口村和坑口村1～3 h的预警指标(表1)，分别为54～79、54～78、48～67、50～169 mm。

表1 前期土壤较湿条件下各防灾对象雨量预警指标

2.3 基于多源降雨数据集成的山洪灾害预警

基于多源降雨数据集成的雨量预警指标方法分别对帽子峰镇、笔架山林场的防治村落进行山洪灾害预警分析。帽子峰镇小流域面积仅21 km2，故采用帽子峰镇小流域1和2的平均面雨量作为河口村、河背村和老江屋村的面雨量。5月17日，针对帽子峰镇小流域防治村的集成的降雨数据进行滑动计算，其中2点时刻3 h累积降雨量(过去2 h实测降雨与未来1 h预报降雨之和为76.3 mm)触发预警(图5)，超过其河口村的立即转移预警指标(67 mm)，超过河背村和老江屋村的准备转移预警指标(71、70 mm)，相较于帽子峰镇山洪灾害实际发生时间提前3 h发出了山洪灾害预警(表2)；8月9日9点，针对笔架山林场坑口村小流域防治村的集成降雨数据进行滑动计算，其中9点时刻未来1 h面雨量为73.2 mm， 超过坑口村的准备转移预警指标(50 mm)，相较于坑口村山洪灾害实际发生时间提前1 h发出山洪灾害预警(表3)。

降雨数据3h累积面雨量/mm实测降雨(0—3点)101.0多源降雨集成数据(2点时刻过去2h实测降雨与未来1h预报降雨之和)76.3

表3 8月9日笔架山林场小流域触发1 h雨量预警指标的面雨量

针对帽子峰镇小流域，基于实测降雨数据的雨量指标预警分析方法在5月17日3点触发河口村、河背村和老江屋村1、3 h累积雨量预警。图6a所示，3点时刻过去1 h实测降雨累积雨量为66 mm，超过3个防治村的1 h立即转移预警指标(53、60、60 mm)，过去3 h实测降雨累积雨量为101 mm，超过3个防治村的3 h立即转移预警指标(67、79、78 mm)，相比山洪灾害实际发生时间提前2 h，相比基于多源降雨数据集成的雨量预警指标方法延迟1 h；针对笔架山林场小流域，基于实测降雨数据的雨量指标预警分析方法在8月9日10点触发坑口村1 h累积雨量预警，相比山洪灾害实际发生时间延迟0.5 h，相比基于多源降雨数据集成的雨量预警方法延迟1 h(表3)。因此，基于多源降雨数据集成的雨量预警指标方法比基于实测降雨的预警方法更能有效延长山洪灾害预警预见期，为人民群众转移避险提供重要的决策依据。

2.4 不同降雨数据的空间分布情况

图7展示了5月17日触发帽子峰镇小流域山洪灾害预警的实测降雨数据和多源降雨数据集成的空间分布情况，3点时刻3 h累积实测降雨量为101 mm，整体呈现西多东少的趋势。而多源降雨集成数据的空间分布与实测降雨数据存在差异，呈现南多北少的趋势，南部区域的3 h累计雨量在80.0 mm以上，流域平均面雨量76.3 mm，与3 h的实测降雨量相差24.7 mm；图8展示了8月9日触发笔架林场小流域山洪灾害预警的不同降雨产品的空间分布情况，10点时刻1 h累积实测降雨量为91 mm，呈现南多北少的趋势。而9点时刻的多源降雨数据空间分布呈现东多西少的趋势，流域面雨量为73.2 mm，与1 h的实测降雨量相差17.8 mm。本文研究区小流域面积为12.5～21.0 km2，流域面积小和特殊的山区地形导致降雨的空间分布存在很大的空间异质性，实测雨量站点具有单点精度高的特点但只代表站点周围一定范围内的雨量，而多源降雨数据单点误差高但能有效反映降雨的空间分布情况[16]。研究区的不同降雨数据在空间上虽然存在差异，但统计单点面雨量值相近，从而均能触发山洪灾害预警，延长山洪灾害预见期。动态雨量指标预警分析法主要受流域内面平均雨量影响，受到降雨空间分布的影响较小，后续需进一步结合分布式水文模型探究其降雨空间异质性对预见期的影响[17]。

3 结论与展望

以广东省帽子峰镇和笔架山林场小流域2021年发生的2场山洪为案例，基于多源降雨数据集成的动态雨量预警指标分析方法进行验证，主要结论如下：①多源降雨数据集成的动态雨量预警指标分析方法相较于山洪灾害实际发生的时间分别提前3.0、0.5 h发出预警，相较于基于实测降雨的动态雨量预警指标分析方法分别提前1.0、0.5 h发出预警，提高了山洪灾害降雨预报的预见期；②山洪防治区流域面积小、雨量站点稀疏及预报产品的不确定性，导致基于实测雨量站点的降雨数据和多源融合降雨预报数据在空间分布上存在差异。

山区暴雨引发的山洪灾害机制复杂，受到地质地貌、降雨空间异质性及人类活动等复合因素的影响，具有高度的非线性特征。今后研究需进一步挖掘多源气象水文数据快速集成、分布式水文模型快速匹配等技术，实现山区暴雨山洪快速模拟预报，以提高山洪预警预见期。