第1章 山洪灾害及山洪预警预报
1.1 概述
1.1.1 山洪灾害的概念与形成
山洪灾害是指暴雨在山丘地区引起的地面径流暴涨暴落，威胁沿河村落居民生命及财产安全的一种自然灾害，包括溪河洪水、泥石流、滑坡等灾害。本书所研究的山洪灾害预警技术只针对溪河洪水引发的山洪灾害，对滑坡、泥石流等所引发的山洪灾害暂不做研究。山洪与平原地区发生的洪水不同，它特指短历时强降雨引起的山丘区小溪沟水量暴涨的现象，山洪汇流时间较短，一般只有几分钟或几小时，但山洪发生区下垫面透水能力弱，坡降陡，因此山洪水量较为集中，流速较大，破坏力也极大，对道路、桥梁、房屋、农田、堤坝及水库都有极大危害。
我国许多学者对山洪灾害发生区的降雨情况、地质地貌特征、河网水系密度、防洪标准、河道情况及人类活动等方面进行了深入分析研究，最终认为山洪灾害主要是由以下3个方面因素所致。
（1）复杂多样的地形地貌和稠密的河流水系为山洪灾害提供了孕育基础，这是引发山洪灾害的地理因子。形成山洪的地形特征往往是中高山区，相对高度差大，河谷坡度陡峻，切割深度大，侵蚀沟谷发育，表层为植皮覆盖有较厚的土体，土体下面为中深断裂及其派生级断裂切割的破碎岩石层。其地质大部分是渗透强度不大的土壤，如泥质岩、板页岩发育而成的抗蚀性较弱的土壤，遇水易软化、易崩解，极有利于强降雨后地表径流迅速汇集，一遇到较强的地表径流冲击，就会形成山洪灾害。
（2）我国夏季经常爆发的短历时暴雨为山洪灾害提供了充沛的水源条件，这是造成山洪灾害的降雨因子。水体既是山洪泥石流的组成部分，又是激发因素，主要来自降雨。降雨激发山洪的原因：①前期降雨和一次连续降雨共同作用；②前期降雨和最大1h降雨量起主导激发作用。山顶土体含水量饱和，土体下面岩层裂隙中的压力水体压力剧增。当遇暴雨，能量迅速累积；致使原有土体平衡破坏，土体和岩层裂隙中的压力水体冲破表面覆盖层，瞬间从山体中上部倾泻而下，造成山洪和泥石流。山丘区不稳定的气候系统，往往造成持续或集中的高强度降雨。据统计，发生山洪灾害主要是由于受灾地区前期降雨持续偏多，这使得土壤水分饱和，地表松动，遇局地短时强降雨后，降雨迅速汇集成地表径流从而引发溪沟水位暴涨，可见，山洪灾害主要还是由持续的降雨和短时强降雨引发的。
（3）人们缺乏防洪防灾的意识，滥垦滥伐，导致森林草地破坏及水土流失极其严重，各类工程措施与非工程措施建设不完善，如防洪堤坝拦蓄洪水能力低，山洪灾害预测手段落后，这是诱发山洪灾害的人为因素。人类活动所造成的山丘地区土地过度开发，陡坡开荒，乱砍滥伐森林，工程建设对山体造成破坏，这些改变地形、地貌，破坏天然植被，使山体失去水源涵养作用，均易引发山洪。
1.1.2 山洪的危害与防治
山洪冲毁房屋、田地、道路和桥梁，常造成人身伤亡和财产损失。例如，1977年7月29日，山西省运城市翟王山一带降特大暴雨（暴雨中心持续2h50min，降雨464mm），所有河沟山洪直泻，冲毁小型水库4座，民房坍塌5500间，死伤455人，南同蒲铁路停车42h。冲毁农田35000亩（1亩≈666.67m2），冲走粮食75万kg，财产荡然无存，灾情十分严重。1988年8月6日，山西省汾阳县大暴雨形成边山河道洪水齐发，冲毁河堤，淹村庄96个，受灾3万余人，死亡50余人，水利设施40处均毁于洪水，全县损失近两亿元。
我国坐落于亚洲东南边陲，北方大部分区域春、秋、冬三季少雨，但夏季却有频发的暴雨。每年夏季，我国自南向北都会依次在不同区域出现暴雨，包括华南地区的早期暴雨，江淮一带的梅雨时期，华北与东北一带频发的夏季暴雨，以及夏季后期再次出现在华南一带的热带暴雨。我国人口占世界总人口的1/5以上，是一个人口大国，而生活在山丘地区的人口占全国总人口的1/3，可见我国山丘地区人口分布广泛。我国还是一个山丘地区面积广阔的国家，山丘地区不仅指山地，也包括丘陵和比较崎岖的高原，我国山丘地区面积占据了全国2/3的土地面积，远远超过了世界平均水平。近年来，山丘地区经济水平不断提高，成为我国社会经济重要的一部分。频发的暴雨、复杂多变的地形地貌、分布广泛的人口、不断发展的经济，这些因素使我国成为一个遭受山洪地质灾害严重的国家。据我国防汛抗旱总指挥部统计，我国29个省（自治区、直辖市），274个地级市，1836个县（区）具有山洪灾害防治任务，防治区面积达到463万km2，受威胁人口达5.6亿，山洪灾害防治形势十分严峻。因此，自2006年起，由国务院及国家发展和改革委员会牵头，在全国范围内开展了山洪灾害防治项目。针对山洪灾害的防治要注意以下三点：
1.明确防治工作目标
山洪防治工作的目标是：确保人员安全，确保水库大坝安全，确保重要城镇安全，确保重要交通干道和通信干线的安全，最大限度地减轻灾害损失，实现人与自然和谐相处。
2.开展两项基础工作
要搞好山洪防治，实现工作目标，必须扎实开展好以下两项基础工作。
（1）合理划分山洪影响区域。针对各地的气候和地质及地貌条件，在认真分析历史山洪灾害造成危害的基础上，确定山洪易发区，做到胸中有数，这是山洪防治的首要工作。在此基础上再根据山洪灾害发生的可能性及危害性的程度大小，一般将山洪易发区划分为危险区和警戒区。
危险区是指已发生过滑坡、崩塌和泥石流的地区，以及河道两侧处于20年一遇洪水水位以下的低洼地带或洲滩；警戒区是指经监测一旦遇到强降雨时，极有可能发生山体滑坡、崩塌和泥石流的地区，以及河道两侧处于20年一遇洪水水位至历史最高洪水水位之间的地带。
（2）探索规律，科学确定灾害特征雨量。由于山洪是由降雨形成的，因此，科学确定山洪致灾的特征雨量是山洪防治，特别是制定山洪防御方案的关键依据。一般可根据当地下垫面条件和对历史山洪灾害形成及演变过程的分析，确定警戒雨量和危险雨量。
警戒雨量是指当一定时段降雨量达到某一特征值，且如果降雨仍继续，即有可能发生山洪灾害的雨量；危险雨量是指当一定时段降雨量达到某一特征值，即有可能发生山洪灾害时的雨量。特征雨量一般按1h、2h、…、6h来划分降雨时段，并分析确定出相应的特征雨量，具体划分和确定方法要根据当地实际情况选择。
3.正确处理三对关系
（1）正确处理避灾与治理的关系。山洪及其灾害的突发性和破坏性，往往使人们防不胜防，措手不及，也极大地增加了治理难度。因此，必须坚持避治结合，避重于治的原则；必须坚持使人们远离山洪，主动避开灾害这一指导思想。在思想认识上要由单纯拒山洪于门外转变为使人们远离山洪，真正做到主动避灾，从根本上减轻灾害损失。与此同时，对治理任务相对较轻的地区，必须加大治理的力度。
（2）正确处理当前与长远的关系。山洪防治涉及面广，工作难度大，特别是山洪影响区内人口较多，要在短时间内实施避灾措施，全部外迁到安全地区的工作量十分巨大，也不现实。同时，山洪治理的任务十分繁重，是一项长期性工作，必须分步实施。因此，对这些地区当前必须采取以防为主，辅以相应治理措施的方针，当务之急是要落实好山洪防御方案，并根据防治规划，逐步实施避灾和治理措施。
（3）正确处理发展与保护的关系。要全面建设小康社会，发展是执政兴国的第一要务，工业化和城镇化进程必然日益加快，在此过程中，特别是在基础设施建设过程中，对山洪影响区采取相应的保护措施是十分必要的。首先是危险区、警戒区内不能规划居民区；其次是危险区内不能规划兴建企业及基础设施；最后企业及基础设施建设要尽量避开警戒区，如必须从警戒区经过或必须在其中建设时，除对企业和基础设施本身要采取山洪保护措施以外，还必须对企业或基础设施建设可能诱发的山洪灾害采取可靠的治理措施。
1.1.3 山洪灾害预警预报
1.1.3.1 国外预警指标研究进展
山洪灾害作为自然灾害的重要组成部分之一，已经给全世界各国的社会经济和人民生命财产安全造成影响。为此，从20世纪70年代起，世界各国都结合本国的实际情况对山洪灾害预警方法做出许多研究，并且成果显著。世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）在20世纪90年代开始将山洪预警作为工作的一部分，着力推进全面化山洪灾害管理机制，与美国等相关国家开展了关于山洪预警相关项目的研究。奥地利人H.Olitski提出了关于山洪空间预警方法的“荒溪分类及危险区制图指数法”，它的基本原理主要是根据山洪灾害危险等级划分、形成机理和地质地貌，划分三种不同的危险区域，分布于山沟口冲击锥上或者山体沟道内，从而实现山洪灾害预警预报的目的。美国国家水文研究中心根据相关组织及机构的要求提出了山洪预警指标FFG（Flash Flood Guide）作为山洪预警系统建设的基础思路，该思路主要依据小流域实时降雨量，结合水文模型模拟计算此时土壤饱和度，并反推出达到预先设定的预警指标值可能的降雨量，当实际降雨量达到或超出该计算值时山洪灾害可能发生。美国国家水文研究中心研发出了一套山洪预警指南系统，该系统根据山洪灾害发生迅速、预期短等特点，依托美国国家天气预报机构实时监测小流域降雨量以及估算本地区以后降雨数值和分布，从而实现高效、精确地预警山洪灾害。意大利根据本国情况开发了中小河流洪水预报系统，该系统主要使用Topkapi分布式水文模型，根据各小流域的气候、水文等特点，开展在不同环境下小流域的山洪灾害预警。日本由于地形复杂以及季风气候显著，较早地开展了山洪预警预报方面的研究，而且开发出多种预警预报系统，主要包含实效雨量法、权重判别分析法、土壤雨量指数法和汇流时间降雨强度法四种典型的研究方法。
针对流域的特征水位/流量，欧洲各国主要是采用正太分位数法以及蒙特卡洛法模拟，结合流域土壤饱和度对地表径流过程产生的影响，利用贝叶斯损失函数最小化确定临界水位/流量。或者选择特定的流域水文计算模型，采用数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）提取流域数字信息，进一步推算洪水过程，结合临界流量反推出对应各时间段降雨量。美国水文研究中心为了使水位预警工作更加方便，采用GIS技术设计和研发水位预警系统，结合水文监测预报工作的特殊性，通过数据的传送与接收、处理与分析等过程，实现了地图操作、属性查询、水位预警、应急预案等功能。
1.1.3.2 国内预警指标研究进展
我国幅员辽阔、地形地貌复杂、气候类别多样，小流域水文气象等自然条件种类繁多，加之我国关于山洪灾害监测预警预报研究起步相对较晚，这导致在相关领域的研究比较薄弱。虽然如此，但近年来，不少科研人员以及专家学者在山洪灾害防治与监测预警方面开展了许多研究，成果显著。周金星根据山洪灾害危险发生等级及其性质将危险区域划分作为工作的重点，取得了具有针对性的研究结论；赵然杭、王敏等针对关键性问题，基于山洪灾害防治时的具体情况，采用P-III型频率分析法以及单站临界雨量法确定雨量预警方法；李昌志、郭良在山洪临界雨量确定方法述评中以经验法和理论法为基础，分别研究了几种常用的预警方法；陈真莲、黄国如等以清远市连州瑶安小流域为例，采用水位反推法以及区域临界雨量法分析计算临界雨量；江锦红、邵利萍将河道流量作为研究对象，以水量平衡方程为理论基础，采用暴雨临界曲线研究山洪预警方法并验证其合理性；张红萍、刘舒等结合山溪洪水发生机理和特性，从临界雨量角度出发，采用同频反推法分析计算；刘媛媛、胡昌伟等针对资料匮乏小流域地区进行山洪灾害风险图的计算和划分；段生荣依据典型小流域地形地貌、水文气象等多种自然条件，采用降雨灾害频率分析法、产汇流分析法以及实测雨量分析法进行对比，综合确定临界雨量计算方法；王仁乔、周月华等以实际气象站、水文站测量数据为依据，结合逐步订正原理综合计算临界雨量；钟敦伦等按照山洪灾害活动规律，将其分为发展期、活跃期和衰退期三个阶段；程卫帅基于前期土壤的持水度以及时段所积累的降雨量两个方面，从临界雨量出发进行预警；张玉龙等以云南省山洪典型区域为例采用克里金空间差值法进行临界雨量计算。
山西省水文计算手册中水位预警指标是通过分析防灾对象所在地上游一定距离内水位站的洪水位，将该洪水位作为山洪预警指标的方式。根据预警对象控制断面成灾水位，推算上游水位站的相应水位，作为临界水位进行预警。水位站的临界水位计算采用水面线推算法，根据成灾水位对应的流量按水面线法推算上游水位站的相应水位。水位预警指标分为两种：一是立即转移指标，临界水位即为水位预警的立即转移指标；二是准备转移指标。将临界水位减去0.3m作为水位预警的准备转移指标。
由于大部分山洪危险区域缺乏历史实测水位资料，黄丽玲等以设计暴雨计算不同频率的设计洪水，从而进一步计算控制断面的各级设计洪水位。为了验证其合理性，根据现有的历史调查洪水位进行对比，综合分析得出山洪灾害水位预警指标。