3.2 山洪灾害预警指标确定方法

自2003年4月水利部会同国土资源部、中国气象局、住建部、环境保护部，开展全国山洪灾害防治规划编制工作以来，水利部、国土资源部、各流域机构、科研院所等都对山洪灾害预警指标——临界雨量分析计算方法开展了大量研究。分析计算方法包括了理论分析法、数理统计法以及历史灾害分析法等，绝大部分成果集中于数理统计法和历史灾害分析法，以水文基础理论进行分析的研究成果较少，也有成果将临界雨量与临界水位联系起来或对动态临界雨量进行研究的。

3.2.1 确定典型区域

在分析计算临界雨量之前要确定合理的区域。区域太大，临界雨量难以确定，因为临界雨量差别较大；区域太小，不但工作量大，资料也更加缺乏。根据水文部门现有雨量站网的雨量资料，并补充气象站网雨量资料，在分析计算单站临界雨量的基础上，分析计算山洪灾害典型区域的临界雨量，也可直接分析计算典型区域的临界雨量（假设该区域临界雨量相等）。

典型区域的确定应考虑以下主要条件：

（1）区域内应有一定数量的雨量站点（平均单站控制面积在200～300km2以下，资料条件差的地区可适当放宽），且分布比较均匀；具有较完整、详细的山洪灾害历史发生记录或调查资料；各站点具有时间序列较完整的雨量资料、一定的地质资料、水文资料和气候资料。

（2）区域内人口密度较大，具有典型山洪灾害地理特征，山洪灾害频繁，受灾情况严重。

（3）典型区域可以是一个流域，也可以是一个区域，在划分典型区域边界线时，区域内可包含若干条完整的流域面积不超过200km2的小流域，应尽量避免将小流域分割开，区域内的地质条件和气象条件相差不大。

3.2.2 资料收集与整理

实地考察及资料收集工作对于预警指标确定是必不可少的，也是预警指标分析计算的基础。资料收集完成后，应分类整理收集的资料，为分析计算方法的研究提供基础。典型区域确定后，开始收集、整理资料，主要包括：

1．水文气象地质特征资料

收集典型区域的自然地理概况、水文气候特征、流域及河道特征资料。

（1）自然地理概况资料主要包括：流域的地理位置、地形地貌特征、支流（沟）水系分布情况等。

（2）典型山洪灾害区域特征资料主要包括：流域面积、河道长度、河道比降等。

（3）多年平均降雨概况（多年平均1～12月雨量分布）。

（4）典型山洪灾害区域各种比例尺最新地形图。根据规划区1∶5万或1∶1万地形图，量算区域控制断面以上流域及河道特征值。

2．气象台（站）、雨量站、水文站站网资料

收集典型区域内现有气象台（站）、雨量站、水文站（包括水文实验站和水位站）的分布情况，统计各站的观测内容、观测系列；按比例尺绘制典型区域的站网水系分布图，并将站点标注在图上，以全面了解区域内的气象、雨量及水文（水位）站点分布情况。

收集典型山洪灾害区域内气象、雨量、水文测站历年气象、雨量及水文观测方法、资料整编、有关系数（如浮标系数）取用情况等，并收集水文、水位站基面及各种基面之间的转换关系等。

3．暴雨统计参数资料

收集典型区域已有的最新暴雨等值线图、暴雨统计参数等值线图。包括最大10分钟、30分钟、1小时、3小时、6小时、12小时、24小时暴雨等值线图和对应的统计参数（均值、偏态系数Cv、离差系数Cs）等值线图。

4．山洪灾害多发期雨量站历年降雨资料

收集典型区域山洪灾害多发期雨量站历年降雨资料，主要包括山洪灾害多发期逐日降水资料、历年分时段最大降雨量的特征值（包括10分钟、30分钟、1小时、3小时、6小时、12小时、24小时最大降雨系列）及降雨过程，暴雨中心位置及笼罩面积等。

5．水文气象调查资料

收集历史山洪灾害水文气象调查资料，包括降水资料、研究分析报告、山洪灾害区域及邻近区域降雨持续时间、降雨强度、山洪灾害发生过程总雨量和强降水发生前的异常天气特征等，历史洪水水位和实测成灾洪峰水位、洪峰流量、发生时间、历史暴雨和历史成果的可靠程度评价、山洪灾害发生过程、暴雨开始至灾害发生的时间间隔、各地方志中有关山洪灾害的描述等。

6．历次山洪灾害对应的区域内降水过程资料

收集历次山洪灾害对应的区域内降水过程资料，包括逐时段降水资料，统计过程总雨量。逐时段降雨（10分钟、30分钟、1小时、3小时、6小时、12小时、24小时）最大降雨量。

7．水文资料

收集典型区域山溪洪水灾害分析的水文资料，主要有水位、流量、河道比降、纵横断面、已有的历史暴雨洪水调查资料及有关山洪记载的历史文献资料等。其中，水位资料为山洪灾害发生期洪水位要素摘录表，流量资料为山洪灾害发生期洪水要素摘录表。搜集实测洪水比降以及根据实测资料率定的河道糙率等。

8．补充调查资料

区域内若有尚未调查的暴雨、洪水及灾情时，应对其进行详细调查；或虽曾进行过调查但近期又出现过山洪灾害时，应进行补充调查。调查内容应尽可能细致，包括致灾暴雨发生开始时间、暴雨持续时间、暴雨量级、暴雨开始至灾害发生的时间间隔、最大暴雨强度、最高洪水位和最大流量、山洪河道基本概况等。同时，应作好调查记录，包括被调查人年龄、住址、是否亲历该次灾害、文化程度、对灾害的描述情况、灾害痕迹调查测量情况等，并对调查结果是否可靠作出相应评判。

9．其他相关资料

收集其他相关资料，包括水土流失、泥沙、地质、遥感、遥测及雷达测雨资料等。收集的所有资料，除雨量、灾害时间等资料直接用于临界雨量分析计算外，其他资料用于进行灾害区综合条件的类比、综合判断灾害发生的时间及程度，并对临界雨量成果进行合理性分析及比拟采用等。

3.2.3 方法研究

目前，国内山洪灾害预警指标确定方法有很多，大致可以划分为理论方法和经验方法两大类。

1．理论方法

理论方法具有较强的物理机理和理论推导过程，对资料的全面性、配套性等要求较高。全面性主要体现在包括降雨、地形、土地利用方式以及洪水等资料都有相应要求，配套性则体现为这些资料是与具体的流域和山洪场次相对应的。目前，主要的理论方法包括经典水文理论法、土壤饱和度—降雨量关系法、水位/流量反推法以及暴雨临界曲线法。

（1）经典水文理论法

根据经典的水文学理论，为了计算临界雨量/临界水位，通常需要针对每个计算单元，进行雨量计算、产流分析、汇流分析、洪水演进等环节的计算。在雨量计算中，又有点雨量到面雨量的转换、雨量时段选择等问题；产流分析环节在我国明显分为蓄满产流和超渗产流两大类型；汇流环节包括了等流时线法、经验单位线法、瞬时单位线法等；洪水演进环节有动力波法、马斯京根法等。当然，每个环节还有更细的内容可以考虑。

方法中的计算单元，可能是一个个小流域，也可能是一个个网格。

经典水文理论法基于水文学的基本理论，具有较强的物理背景和机理基础，所需资料较全，计算所得的临界雨量、临界水位/流量等指标具有较科学的依据；但也有其弱点，主要为：①山洪易发地水文资料短缺，建模和验证困难；②山丘区雨量站网布设密度有限，很难满足山洪预报要求；③为提高山洪预报预见期，需要结合未来降雨预报进行水文模拟计算，故准确程度还受降雨预报限制。这种方法目前在国外用得较多，国内因资料质量很难达到建模的要求，除一些研究机构和高校外，相关业务部门较少采用这种方法计算山洪灾害监测预警指标。

（2）土壤饱和度—降雨量关系法

山洪大小除了与降雨总量、降雨强度有关外，还与流域土壤饱和程度（或前期影响雨量）密切相关。当土壤较干时，降水下渗大，产生地表径流小；反之，如果土壤较湿，降水入渗少，易形成地表径流。因此，在进行山洪灾害预警指标计算时，应该考虑流域的土壤饱和情况。基于这一理念，这种方法根据土壤饱和度和降雨量的关系，动态确定临界雨量。具体做法是，将流域的土壤饱和度和降雨量绘制为土壤饱和度—降雨量关系散点图，两轴分别为土壤饱和度和降雨量。确定时段尺度，如1小时、3小时、6小时等，针对历史资料系列中流域发生过的所有洪水，分别在其前24小时的降雨量中求出该时段的最大雨量，以及该时段最大雨量发生之前的土壤饱和度。将土壤饱和度和该时段最大雨量值绘制为土壤饱和度—降雨量关系散点图，并根据其对应的洪水是否超过警戒流量分为两类。可以在图中设法画出一条临界雨量线（直线）将土壤饱和度和该时段最大雨量组成的状态空间分为两部分。这样，将山洪临界雨量指标确定问题转化为模式识别的数学问题，如最小方差准则算法，可以很快画出直线。

（3）水位/流量反推法

水位/流量反推法也是一种理论方法。该法主要思路和算法如下：①选取控制断面，确定断面历史最高水位和预警水位等指标，计算水位流量关系；②绘出各频率不同时段下（1小时、3小时、6小时）降雨的暴雨频率曲线图；③确定各暴雨频率下1小时、3小时、6小时降雨形成的断面洪水过程线；④绘制各频率洪水洪峰流量与暴雨频率关系的曲线；⑤根据特征流量，从各频率洪水洪峰流量与暴雨频率关系图中查出该值对应的频率值；⑥根据该频率值，从暴雨频率曲线上确定降雨量，该降雨量即可作为临界雨量值。这种方法对资料的要求较高，并且假定洪水与暴雨同频率。

（4）暴雨临界曲线法

暴雨临界曲线法也是一种理论的方法，仅涉及水量平衡方程，主要思路和算法如下：①确定分析地点所在断面的安全流量；②计算最小临界雨量；③确定年最大24小时相应频率设计暴雨；④计算临界雨量；⑤确定暴雨临界曲线参数；⑥整理山洪时段雨量与累计雨量；⑦绘制暴雨临界曲线；⑧在暴雨临界曲线图中点绘实际时段雨量与累计雨量，判断山洪是否发生。这种方法综合考虑了累计降雨量与降雨强度双指标，克服了以往方法仅考虑降雨强度单项指标的缺陷，最终成果为一条暴雨临界曲线，能较好地反映暴雨引发的山洪灾害是降雨强度与累计降雨量共同作用的结果。

（5）暴雨等值线分析法

这是一种较简便而适用的方法，它是利用暴雨的多年观测资料分析暴雨等值线成果，求出各小流域内的暴雨等值线值，作为该区域临界雨量初选值，再用典型暴雨山洪灾害实例调查的暴雨均值进行检验调整，以取得较准确的临界雨量。在采用这一方法的实际分析中，得出小流域山洪灾害临界雨量指标的分布规律与暴雨的分布规律是一致的。用暴雨等值线分析法确定区域临界雨量，概念清楚、方法简便、指标明确，较其他方法有一定的优越性。

2．经验方法

经验方法无明显的物理机理和推导过程，主要根据事件相关性、地理条件相似性等原则，确定山洪灾害预警指标。目前最主要的经验方法有统计分析法、比拟法和内插法等。

（1）实测资料分析法

实测资料分析法是全国山洪灾害防治规划领导小组2003年12月下发的《全国山洪灾害防治规划—山洪灾害临界雨量分析计算细则（试行）》中提供的指导性方法。根据山洪灾害区域内已有雨量站网观测资料，在深入分析降雨量、降雨历时、降雨强度与山洪灾害关系基础上，综合分析确定临界雨量指标。资料缺乏区域，可参考临近或相似地区的情况。该方法确定临界雨量指标：①按照要求，统计降雨量，针对各次山洪、雨量站、相应时段（1小时、3小时、6小时、12小时、24小时）进行统计，包括计算区域的雨量平均值、最小值和最大值；②临界雨量初值计算，要求进行单站和区域的临界雨量初值；③临界雨量分析，结合实际资料情况，对单站和区域的临界雨量进行分析；④临界雨量确定，根据第3步分析结果，对阈值进行一定范围内的浮动，确定各个时段的临界雨量。此方法可操作性强，全国很多省份的山洪防治试点工作中，都采用了这一方法确定临界雨量，取得了大量有价值的成果。

（2）灾害实地调查分析法

灾害实地调查分析法是通过调查已发生山洪灾害的降雨过程、历时、降雨量、降雨强度等，综合分析临界雨量。但如雨量观测点稀少，或调查资料不足，则影响临界雨量的准确性，需进行综合分析、比较，合理修正。

（3）比拟法

比拟法主要适用于目标区无资料，但与典型区相似的情况。相似条件包括降水条件、地质条件（地质构造、地形、植被情况等）、气象条件（地理位置、气候特征、年均雨量等）、水文条件（流域面积、年均流量、河道长度、河道比降等）。如果目标区与典型区有少量差异，应根据实际情况适当调整。

（4）内插法

内插法主要适用于已分析单站临界雨量区，有少数雨量站的空白区。运用时应当注意，降雨量分布从气候角度看是连续的，因为临界雨量与地质条件及气象条件有关；已限定区域内地质条件及气象条件相差不大，认为临界雨量在典型区内也是连续的。此方法将各单站各时间段临界雨量填在对应的雨量站点位置，通过勾绘等值线，求出空白处山洪沟临界雨量。常用的方法包括GIS软件提供的克里金插值法、反距离加权插值法、径向基函数法等。

理论方法、经验方法和历史洪水法等山洪灾害预警指标确定方法，都有一定的适用条件，对资料有不同程度的需求。对于资料较丰富的地区，确定临界雨量指标主要有实测资料分析法、暴雨等值线分析法；对于资料较少或无资料地区，主要有内插法、比拟法、灾害实例调查法、灾害与降雨频率分析法等方法。

3.2.4 成灾水位的分析计算方法

溪河水位预警值是根据历史山洪灾害发生时溪河水位变化情况确定的，可将上游水情变化作为判断是否对下游造成山洪灾害的主要预警依据。水库水位的预警可根据水库的水位特征值设置，如水库汛限水位、设计水位、校核水位等。

对于已布设水位站或水文站的灾害点，只需历史上发生的所有山洪灾害对应的水位（流量），其最小值就是成灾水位（流量）初值，根据灾害点的地形资料确定成灾水位（流量）。对于过去未设但拟布设水位或水文站，站址对应灾害点的成灾水位（流量）可由灾害点的成灾水位（流量）换算得到。换算方法一般可采用水面比降法、河道比降法等。设站以后，根据水文观测资料对成灾水位（流量）进行校核与修订。