基于GIS的山洪灾害预警指标研究与实践

张宪明，张锦萍，余金凤

（广西水利电力职业技术学院，南宁 530023）

我国山洪地质灾害影响区点多面广，在强降雨作用下容易造成局部的山洪地质灾害，成灾时间短，破坏性强。作为人口最多的发展中国家，我国山区面积约占全国面积的69.1%，山洪灾害影响人口达5.7 亿，如何避免由山洪灾害产生群死群伤事件，是我国防洪减灾工作中当前最紧迫和重要的任务。水利工作者在长期山洪灾害治理的过程中发现，单纯依靠工程措施来防治山洪灾害的效果并不佳，且成本太高。从20世纪80年代起，我国开始关注山洪治理非工程措施，并在21世纪初明确了以山洪预警等非工程措施为主的山洪灾害防御和综合治理思路[1]。山洪预警根据预警时效分为长期和临期预警，长期注重风险评估，临期注重示警信息发布。在临期预警过程中，预警指标是关键，预警指标越精准，洪水分析与预报越准确，越能及时发布山洪灾害预警信息，为山洪应急响应提供充足的救灾时间[2]。为了正确获得精准的预警指标来指导居民及时避开山洪灾害，本文基于足够的雨量资料和历史山洪调查资料基础上，开展临界雨量初值计算的研究，并利用GIS空间数据管理能力，为危险监控点提供快速的预警指标支持。

1 基于GIS的山洪预警体系基本理论

借助GIS 应用平台，可以轻松维护和使用地理数据库，并可对地理数据库进行空间分析，解决自然过程模拟和揭示现象分布等问题，尤其可把空间分析结果进行图形视觉化。而山洪灾害预警又需要掌握全面的空间信息，两者的结合可提高预警体系的有效性。

1.1 安全区和危险区的界定

在充分掌握山洪灾害普查成果的基础上，结合气候和地形地质条件、人员分布、可能发生的山洪灾害类型及其程度和影响范围，合理界定山洪防治区的危险区和安全区。主要遵循以下方法和原则：

（1）对所有已经发生过山洪灾害且具备山洪灾害发生条件的村庄一律划分为危险区。

（2）目前仍未发生山洪灾害，但具有重要保护价值且具有山洪灾害发生条件的村庄也划分为危险区。

（3）为便于统计，划分边界一律以自然村为界。

安全区作为危险区居民的避灾场所，通常设置在高程较高、地势平坦和坡度平缓的地方，从危险区向安全区转移时，尽量避开河道、沟口等地方。

1.2 预警指标的分析方法

山洪灾害的形成原因是多方面的，主要包括有大气降雨、地形地貌、土壤含水量和汇流时间等因素，其中大气降雨是关键因素之一。目前在山洪灾害预警应用中多采用临界雨量或临界雨强指标，我国临界雨量预警指标目前多采用统计分析法，该方法在弱化山洪灾害发生的物理机制基础上，只对历史降雨数据进行统计分析，寻找降雨强度与山洪灾害的关联规律。

1.2.1 雨量资料整理

首先根据历史资料记载和现场调查，统计出历史山洪发生时间和次数，在此基础上，对典型区资料逐日逐时雨量分析整理，每次山洪过程分1、3、6、12、24 h 共5个特征时段统计，分别统计山洪暴发对应的降雨过程中最大时段雨量以及发生的起始时间。当持续3 d每天降雨量低于1 mm 后，某天降雨量突然超过1 mm 时，开始统计为降雨过程的开始时间，按照对应的特征时段相应统计过程雨量和过程历时。

1.2.2 临界雨量计算

遵循临界雨量计算细则标准，临界雨量指标计算方法主要有单站、区域等7 种方法。当山洪历史资料数据充足时，推荐采用单站及区域统计方法进行分析。

（1）单站临界雨量法。根据统计好的特征时段的特征雨量，取每个特征时段最小的特征雨量，记为临界雨量初值，公式为：Rti临界=Min（Rtij）。式中：t为对应的特征时段；i为对应的雨量站；j为对应的山洪灾害的次数。分析各站临界雨量初值，分别统计计算同一时段的平均值、最小值和最大值[3]。根据统计成果，通常取最小值和平均值的区间幅度作为单站临界雨量。

（2）区域临界雨量法。根据统计好的特征时段的特征雨量，计算每次山洪发生时，对应时段雨量站的平均雨量值，统计5个时段雨量的最小值，即为临界雨量初值，公式为：-Rt临界=Min（Rtj）。式中：t为对应的特征时段；j为对应的山洪灾害的次数。根据统计成果，通常取最小值和平均值的区间幅度作为区域临界雨量。区域临界雨量法通常适用于雨量站密度相对较小的区域。

1.2.3 预警指标的确定

参考《全国山洪防治规划雨强等级预警信号及防御措施》等防治技术资料，结合雨情和下垫面条件等资料，以降雨量为参考值，选定特征时段降雨量作为预警标准，预警指标可分为：

（1）立即转移预警指标。立即转移预警指标直接采用临界雨量分析成果。

（2）准备转移预警指标。准备转移预警指标上限以区域内临界雨量的下限为上限；准备转移预警指标下限以降雨量达到临界雨量之前0.5 h 的降雨为下限，或通过对本区域长系列雨量站各个时间段多年暴雨特征值数据的统计分析（统计平均值偏差系数为0.7～0.8），在临界雨量成果的基础上乘以统计平均值偏差系数确定。并根据区域的实际情况对分析确定的值做适当上浮或下浮。

2 实际工程应用

选择广西百色市平果县小流域为实例分析计算临界雨量指标及预警应用。

2.1 基本概况

平果县位于广西西南部，总面积2485 km2。流域境内大部分水源均属雨源型，受气候条件及地形、植被的影响，洪水期与枯水期流量悬殊，洪汛期河水上涨，沿河两岸易涝，枯水期水位下降，加上河床深，利用率低。流域属中亚热带季风气候，暴雨频发，地质地貌复杂，导致山洪灾害发生频繁，已记录山洪灾害13 次，造成经济损失达4 亿元。目前，流域内分布有长系列雨量站9个。

2.2 危险区划定

在广西山洪灾害防治规划的基础上，根据全县小流域地质地貌、降雨及流域分界等实际情况进行防治分区细化。按照《广西壮族自治区山洪灾害防治规划报告》，划分为重点和一般防治区两级，划分以自然流域为界，在同一个灾害类型内的相邻流域划分为同一防治区；在同一个流域内不同灾害类型之间以高一级的防治类型划分；划分防治分区以降雨、地形及灾害成因为分界线。在防治区划分的基础上，依据历年山洪灾害暴发的情况，结合当地基本社会情况及地形情况、科学开展危险区界定工作。全县共划分那供、扶山、归德等88个自然村、屯为危险区，88个安全区，主要分布在24条小流域沿河两岸。危险区划定及监测站点分布见图1。

图1 危险区划定及监测站点分布图

2.3 预警指标的计算

2.3.1 单站法

据历史资料记载和现场调查，平果县境内自1949年新中国成立以来，发生重大山洪灾害10次，对平果县雨量资料逐日逐时雨量分析整理，统计每个站点1、3、6、12、24 h 合理的暴雨特征值，取各时间段统计图的下限为临界雨量初值（见图2），取各时间段统计图中的下限和平均线的区间幅度为单站法临界雨量，1、3、6、12、24 h 单站法临界雨量分别为25～35 mm、40～60 mm、65～80 mm、80～100 mm、90～115 mm。

图2 典型时段各站山洪临界雨量

2.3.2 区域法

根据历史资料记载和现场调查，统计10次山洪9 个雨量站的最大面平均雨量，计算得到区域临界雨量初值和平均值上限参考值，结果见图3。1、3、6、12、24 h区域法山洪临界雨量分别为25～35 mm、40～60 mm、55～85 mm、75～105 mm、85～120 mm。

图3 典型时段区域平均山洪临界雨量

2.3.3 计算成果分析

单站法和区域法临界雨量值计算成果对比见图4。由图4 可知，单站法和区域法两种方法计算得出的临界雨量值接近，说明计算成果是可信的。

图4 计算成果对比图

2.4 预警指标的应用

根据临界雨量计算成果，选用临界雨量的下限，结合GIS 空间管理能力对临界雨量成果按流域面积权重进行分析，绘制出区域1、3、6、12、24 h 临界雨量空间分布图（见图5～9）。

由图5～9 可知平果县同老乡区域临界雨量值最高。根据图5～9 查出区域内各时段各流域的临界雨量，结果见表1（部分成果），为平果县山洪灾害预警提供科学依据。

表1 危险区预警雨量mm

图5 1 h临界雨量空间分布图

图6 3 h临界雨量空间分布图

图7 6 h临界雨量空间分布图

实际应用中，当监控点的雨量值超过该时段的雨量预警阈值时，就可考虑是否发布山洪预警信息。发布过程中，1 h预警阈值对应准备转移，3 h和6 h 预警阈值对应立即转移，并且结合当地历史降雨适当修正。

图8 12 h临界雨量空间分布图

图9 24 h临界雨量空间分布图

3 结语

本文基于GIS软件建立防灾对象和雨量站的预警关系，可通过空间分布图快速获取预警指标，为发布山洪预警信息提供决策支持。通过历史资料记载和现场调查，结合历史雨量数据，采用多方法计算比较，确保临界雨量的合理性。本文的临界雨量指标考虑到的影响因素只有降雨量指标，因此具有局限性。随着广西山洪灾害防治工作的逐步推进，不断完善雨量站点建设，获得更丰富的水文资料，临界雨量指标会更精准，产生更大的社会效益。预警设备要符合群众的认知和使用习惯，需要定期对预警设备进行维护，保证预警信息及时传达到危险区居民。