考虑降雨量数值变化的山洪灾害动态预警方法研究

孟 迎

(济宁市水利事业发展中心,山东 济宁 272000)

山洪灾害是一种由降雨或周期性流水引起的特殊自然灾害,不仅会导致地表径流急剧起落,还会破坏周围的农田、耕地、房屋[1],造成人员伤亡和财产损失。山洪灾害往往发生在山区,而我国的山区面积较大[2],在夏季降雨频发时期需要格外注意。为保障人民群众生命财产安全,需要设计一种有效的山洪灾害动态预警方法。

早在2006年,我国就制定了与山洪灾害防治相关的政策[3],在全国范围开展了大规模的山洪防治工作,针对不同区域的实际地质情况进行了分析,初步构建了预警体系。但山洪灾害的影响因素较多,难以识别动态变化预警因素,整体预警防御能力偏低[4]。尽管目前我国已经有了若干个监测站点,但大多数监测站点分布稀疏,难以获取全面的山洪预警数据[5]。相关研究人员针对山洪灾害的特点设计了若干种常见的山洪灾害监测平台,主要通过一体化采集硬件采集环境变化数据,实现山洪灾害预警[6],受采集硬件敏感性影响,基于现有监测平台的动态预警效果相对一般。为提高山洪灾害动态预警的可靠性,本文考虑降雨数值变化,设计了一种全新的山洪灾害动态预警方法。

1 考虑降雨量数值变化的山洪灾害动态预警方法设计

1.1 考虑降雨量数值变化修正山洪灾害预警数据

降雨量数值变化与山洪灾害的动态耦合度正相关,因此,要想提高山洪灾害动态预警精度,需要基于降雨量数值修正山洪灾害预警数据[7]。首先通过水文气象站的观测记录或相关机构的网站获取点降雨量数据;然后使用TIGGE降雨量数值变化修正平台修正预警数据,将其转化为有效的预警格式。经过山洪灾害动态预警数据初次采集发现,不同流域、不同采集点采集的数据存在一定的重合关系[8],因此,本文使用降雨量预报转化值反映降雨量数值变化,此时的降雨量动态计算公式为

(1)

式中:ω为各个降雨量采集点的权重;pi为采集点所在位置的降雨量,mm。此时利用反距离权重法统计信息误差值。

《降水量等级》(GB/T 28592—2012)中规定了降雨量的分级标准,见表1。

表1 不同时段的降雨量等级划分 单位:mm

根据表1的降雨量分级标准可以有效地统计信息误差值,从而进行山洪灾害预警数据修正,修正计算式如下:

(2)

式中:TS为预警数据修正误差;NA为命中个数;NB为空报个数;NC为漏报个数。

为降低最终的灾害预警数据修正误差,本文设计的方法使用分位数映射法计算累计概率密度值,计算式pdf(x)如下:

(3)

式中:f(a)为降雨量的频率分布;x为降雨量阈值,mm。使用上述的概率密度计算式可以确定修正函数,从而有效修正山洪灾害预警数据,提高动态预警精度。

1.2 确定山洪灾害动态预警等级

待山洪灾害预警数据修正完毕后,可以确定动态预警等级,从而提高有效预警子流域占比。本文设计的方法根据降雨预报时间尺度关系,构建全新的预警预报模式,进行合理的产汇流模拟,生成预报集合,从而确定山洪灾害动态预警等级,进行有效的预警检验。构建的动态预警模型包含多个输入模块,可以进行分区净雨计算、径流计算,确定山洪灾害动态时间序列关系,此时生成的动态预警模式见图1。

图1 研究区概况

由图1可知,动态预警模式可以有效地确定不同时间段的降雨规则,使用退水曲线法计算水位峰值Up,计算式如下:

(4)

式中:Up为水位峰值,m;C为转换常数;A为洪灾面积,hm2;Tp为水位处于峰值的时间,min。

根据式(4)计算出的水位峰值,可以对河道流量进行求解转换,确定雨量影响关系及相对洪峰偏差,对现有的预警结果进行检验。根据信息熵原理计算灾害动态破坏百分比,转换为山洪灾害等级,根据FFAI数值确定具体的灾害等级。为降低信息熵混乱导致的预警问题,本文设计的方法使用度量有序原则引入信息论,假设变量的状态完成预警等级验证,保证动态预警的真实有效性。

1.3 预警模式实施建议

为实现山洪动态预警,可发展基于物联网(IoT)的气象观测网络,建立密集的气象观测网络,利用物联网技术将多个观测站点连接起来,在山区广泛布置观测设备,实时收集和传输降雨量数据,提高降雨量的空间分辨率和时效性,为山洪动态预警提供更准确的数据支持。还可以强化数据集成和分析能力,完善的数据集成和分析平台,能够将实时降雨量数据与其他相关数据(如地形、土壤水分、河流水位等)进行整合和分析,更全面地评估山洪风险,并及时触发预警机制。

除了实时降雨量预测,还需要加强信息传达和应急响应能力。建议建立健全的山洪预警系统,包括及时向当地居民发布预警信息、制定有效的应急响应计划等,以最大限度地减少山洪灾害造成的损失。

2 实例分析

2.1 概况及准备

为验证设计的考虑降雨量数值变化的山洪灾害动态预警方法的预警效果,本文选取济宁某区域进行了实例分析。该研究区域的地形复杂多样,北部为冲积平原。山洪灾害风险区主要位于济宁市东部的曲阜市、泗水县、邹城市境内,由于沟壑纵横,山体裂隙发育、断层较多、地形高差大,岩石裸露多,土层覆盖薄,植被稀少,遇强降雨极易形成径流,引发山洪危及人民群众的生命财产安全。据统计,新中国成立以来,曲阜市曾在1964年、1965年、1970年、1971年、1973年、2010年发生山洪灾害,累计死亡46人,冲垮、冲毁水库、塘坝30座,房屋倒塌241间。泗水县曾在1957年、1960年、1977年、1991年、2003年等发生过较大的山洪灾害,损失严重。研究区域的示意见图2。

图2 研究区域

该研究区域在国家、山东省大力支持下,开始了山洪灾害防治建设,基本形成了市、县、乡一体化的山洪灾害监测预警信息管理体系,覆盖3个县(市)34个乡镇713个村,成为鲁水防御济宁平台内容的重要组成部分。全市山洪灾害风险区主要涉及曲阜市、泗水县、邹城市的38个镇725个村73597人。建有水库240座(曲阜市40座,泗水县87座,邹城市113座),其中头顶库117座、串联库71座。1万m3以上的塘坝526座,其中曲阜市108座,泗水县119座,邹城市299座。根据水文气象站获取的降雨量数据,该地区的气候特点是四季分明,春冬干旱少雨,年季降雨不均,全市多年平均年降水量700.1mm,极易形成山洪灾害,特别是在大气热力环流变化、极端天气频繁的近些年,防御山洪灾害的形势严峻,任务更加艰巨。

研究区域灾害防治区涉及12个镇街128个村,面积约占全市总面积的60%。研究区域共设置20个自动雨量站、56个自动水位站、40个简易水位站和50个简易雨量站,以及13个无线发射站和52个无线预警接收站,共同组成县级预警系统平台。为防御山洪灾害,济宁市财政每年列支15万元维修养护资金,保证系统正常运行。济宁市水务局与移动公司合作建立山洪灾害危险区短信提醒机制,在山洪灾害易发期,及时向受山洪灾害威胁的村庄居民发送预警短信;同时,利用大数据对进入该区域的外来流动人群同步发送短信,提醒做好防御准备,实现精准服务、全面覆盖。截至2023年6月,已累计向群众发送短信4万余条,群众山洪灾害防范意识明显加强。

本文采集的实例分析数据均属于DEM高程数据,来自国家气象中心,采用MODIS进行归一化处理,处理后,排除了实例分析的预警不确定性,可以构建有效的实例分析模型,计算式如下:

φ=φkt

(5)

式中:φk为洪水发生场次;t为降水时间段,h。

根据实例分析模型可以有效模拟研究区域的山洪过程。由2022年该区域降雨量生成模拟预警径流量示意图,见图3。

图3 模拟径流量示意图

根据图3所示的模拟径流量示意图可以有效计算纳什效率系数,利用马尔可夫链估计实例分析预警变量。实例分析参数确定完毕后,可以划分山洪动态预警流域,对比成功预警子流域占比,判断不同动态预警方法的预警效果,此时生成了线性判别函数:

d(x)=w1p+w2s

(6)

式中:w1、w2分别为实例分析量化参数;p为累计雨量,mm;s为土壤饱和度,%。

根据式(6)可以进一步生成转移矩阵,确定实例分析临界雨量,按照山洪灾害严重程度将预警划分为T(低等级蓝色预警)、2T(中等级黄色预警)、3T(高等级红色预警),待全部实例分析指标确定完毕后即可得出最终的分析结果。

2.2 应用结果与讨论

在研究区域,分别使用本文设计的考虑降雨量数值变化的山洪灾害动态预警方法,文献[6]提出的基于动态临界雨量的山洪灾害预警方法,以及文献[7]提出的基于Copula函数风险组合的山洪灾害预警方法进行预计,记录不同预警方法在不同风险等级下的有效预警子流域占比,山洪灾害动态预警结果见表2。

表2 应用效果

由表2可知,本文设计的考虑降雨量数值变化的山洪灾害动态预警方法在不同预警等级下的有效预警子流域占比较高,文献[6]提出的基于动态临界雨量的山洪灾害预警方法及文献[7]提出的基于Copula函数风险组合的山洪灾害预警方法,在不同预警等级下的有效预警子流域占比相对较低。实 例分析结果证明,本文设计的考虑降雨量数值变化的山洪灾害动态预警方法的预警效果较好,具有可靠性,有一定的应用价值。

3 结 语

综上所述,我国山地面积较广,山洪灾害牵涉的人群总数较多,损失较高。常规的山洪灾害动态预警方法难以获取全部预警因素,不符合目前的灾害预警要求。本文考虑降雨量数值变化,结合目前的实际,设计了一种全新的山洪灾害动态预警方法。实例分析结果表明,设计的山洪灾害动态预警方法的预警效果较好,具有可靠性,有一定的应用价值。