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      學術研討

      山洪水位預警再認識

      • 發布時間:2017-07-31 17:30???瀏覽
      • 摘要: 在以溪河洪水為主的山洪溝采用水位預警的方式,具有物理概念直接、可靠性強、適用范圍廣的優勢,尤其適用于支溝主溝匯流洪水頂托、流域內有調蓄工程、地下河或雪山融水
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      何秉順1,2  嚴建華3  
      (1 中國水利水電科學研究院 北京100038 ;2 水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心 北京 100038; 3 北京國信華源科技有限公司 北京 100053)


      摘要:在以溪河洪水為主的山洪溝采用水位預警的方式,具有物理概念直接、可靠性強、適用范圍廣的優勢,尤其適用于支溝主溝匯流洪水頂托、流域內有調蓄工程、地下河或雪山融水等山洪預警,水位監測站配合本地化的預警設備還可對強行涉水過河、漂流、河邊宿營等情況起到警示作用,因此必要提高水位預警重要性的認識。本文在總結已有應用經驗的基礎上,提出了加強水位預警的四點建議:(1)簡易水位站應增加報警功能,形成一體化的簡易水位報警器,根據應用條件,報警器也可與監測設備分離;(2)調整水位報警器的布設原則,將100平方公里每站的控制條件改為按照河流長度10-20公里間距布設;(3)根據下游保護對象分布與水位站預警區間范圍,確定上游水位站的水位預警指標,增加洪水速升的預警指標,即使河道內水位未達到洪水上岸預警指標,河道內水位速升時也應發出預警信息;(4)在年降雨量達到800mm之上,沿河村落人口集中的區域可增加配置水位報警站,形成以雨量預警和水位預警互補的體系。此外,本文以日本富山縣、神戶市為例,介紹了日本山洪災害采用水位站監測預警的情況。

      關鍵詞:山洪災害,監測預警,水位,認識

      1 前言
      雨量和水位是山洪災害預警的重要指標,2010年以來,我國持續開展山洪災害防治項目建設,建設4.5萬個自動雨量監測站,1.7萬個自動水位監測站,雨量站與水位站數量對比約為2.8:1[1],同時還建設了大量簡易雨量報警器、簡易水位站,形成了覆蓋山洪災害防治區的監測網絡。根據現階段山洪災害調查評價審核匯集成果(截止到2016年6月初),各地在開展山洪災害調查評價時,以雨量預警指標為主,雨量預警指標和水位預警指標數量之比為6.4:1。由此可見,水位預警在整個山洪災害防治體系中并未得到足夠重視。本文分析了水位預警的優勢,提出了加強水位預警的四點建議。此外,還以日本為例,介紹了日本富山縣及神戶市采用水位站監測預警山洪災害的情況。

      2 水位預警的優勢
      2.1 物理概念直接
      山洪災害主要是由降雨引起的溪河洪水、滑坡、泥石流等災害。根據2012-2015年山洪災害事件統計,造成人員傷亡的山洪災害事件其中50%以上為溪河洪水災害。對于溪河洪水災害,當前主要采用雨量預警或水位預警。對于當地群眾而言,最為熟悉的指標是本地河流上漲幅度,采用水位預警指標物理概念相對直接。

      2.2 可靠性強
      由降雨發生、發展至產流、匯流、洪峰傳播、成災是一系列復雜的水文過程,采用雨量預警時,常常受到降雨預報不準確、水文模型不合理、人為活動等因素影響,而水位預警則省去了由雨轉換為水的過程,可靠性要強很多。

      2.3 適用范圍廣
      山洪災害常見有支溝主溝匯流洪水頂托、山塘、小水庫等調蓄工程、地下河或雪山融水、流木堵橋等情況,這種山洪體現在降雨和洪水沒有直接對應關系,只能采用水位進行預警,因此,水位預警在山洪災害防御中有其獨特的作用,適用范圍較廣。
      但是,相比雨量預警,水位預警對應的響應時間較短,缺少了產流、匯流的時間,只有洪水演進的時間可資利用。

      3 加強水位預警的建議
      2.1 簡易水位報警器
      簡易水位站是隨著山洪災害防治非工程措施項目建設而逐漸發展起來的,最初的方式為簡易的水尺樁,水尺樁可為木樁或石柱型,對于無條件建樁的監測站,選擇離河邊較近的固定建筑物或巖石上標注水位刻度;水位監測尺的刻度以方便監測員直接讀數為設置原則,并根據各監測點實際情況,標注預警水位。
      2013年以后,效仿簡易雨量報警器,簡易水位站也增加了報警功能,逐步發展成為了簡易水位報警器。簡易水位報警器用于沿河村落河流(溪溝)控制斷面附近水位監測報警,具有實時水位監測、預警水位(準備轉移、立即轉移)閾值設定、報警以及報警數據查看等功能。當河流水位達到預警閾值時,可通過聲、光信號自動進行原位報警,同時通過無線和有線方式將預警信號傳輸至下游報警終端,通過聲、光同步報警(見圖1)。簡易水位報警器具有以下特點:
      (1)水位監測和報警設備可一體化,進行原位報警;監測與報警設備也可分離,以實現上游監測、下游報警;
      (2)簡易水位報警器主要用于洪水上岸情況下的山洪預警,同時還可對強行涉水過河、漂流、河邊宿營等河道內人員活動起到警示作用。

       
      圖1 簡易水位報警器布設示意圖

      2.1 按河長布設水位監測站
      2010年印發的《山洪災害防治非工程措施建設技術要求》、2013年印發的《山洪災害防治非工程措施補充完善技術要求》對水位監測站布設做了如下規定。
      (1)面積超過100km2的山洪災害嚴重的流域,且河流沿岸為縣、鄉政府所在地或人口密集區、重要工礦企業和基礎設施的,布設自動水位監測站。
      (2)流域面積100km2以下的山洪災害嚴重的小流域,河流沿岸有人口較為集中的居民區或有較重要工礦企業、較重要的基礎設施,布設簡易水位監測站。其它小流域,根據實際情況因地制宜布設簡易水位監測站。
      (3)對于下游有居民集中居住的水庫、山塘,沒有水位監測設施的,適當增設水位監測設施。對重要的?。ㄒ唬┬退畮?,可適當布設自動水位監測站。
      (4)水位站布設地點應考慮預警時效、影響區域、控制范圍等因素綜合確定,盡量在山洪溝河道出口、水庫、山塘壩前和人口居住區、工礦企業、學校等防護目標上游。
      (5)站網布設時應考慮通信、交通等運行管理維護條件。
      可見,自動水位監測站布設的控制條件是流域面積100km2以上,重點布設于縣、鄉政府所在地、重要的?。ㄒ唬┬退畮斓炔课?;簡易水位監測站則布設于人口集中的居民區等部位。事實上,無論是自動水位監測站還是簡易水位報警器,均應根據河流的分布,布置于河流沿線。根據日本的經驗,水位站布設的河長間距在10-20km之間[4]。修正后的布設原則為:
      (1)山洪災害嚴重的流域,按照河長間距在10-20km之間布設水位監測站。
      (2)水位站布設地點應考慮預警時效、影響區域、控制范圍等因素綜合確定,盡量在山洪溝河道出口、山塘壩前和人口居住區、工礦企業、學校等防護目標上游。如安裝簡易水位報警器,報警器可放置于保護對象區內。

      2.2 確定預警指標
      臨界水位是水位預警方式的核心參數,指防災對象上游具有代表性和指示性地點的水位;在該水位時,洪水從水位代表性地點演進至下游沿河村落、集鎮、城鎮以及工礦企業和基礎設施等預警對象控制斷面處,水位會到達成災水位,可能會造成山洪災害。臨界水位通過上下游相應水位法和成災水位法進行分析。
      一般下游防護對象成災水位對應的上游監測站水位為立即轉移水位,具體操作中,將立即轉移水位降低一定幅度,已確保有足夠時間做好轉移疏散的準備,此水位為準備轉移水位。
      山洪從水位站演進至下游預警對象的時間往往時間很短,給預警信息傳遞和人員轉移帶來很大的困難,為了解決此問題,需增加洪水速升的預警指標,如圖2所示,在準備轉移線以下設置一個水位上漲速率檢測區間,即使河道內水位未達到洪水上岸預警指標,河道內水位速升時達到已預設的上漲速率時也發出預警信息。
       
      圖2 水位上漲速率檢測區間

      2.4 建立雨量、水位互補的預警體系
      在年降雨量達到800mm之上,沿河村落人口集中的區域可增加配置水位監測站,形成以雨量預警和水位預警互補的體系。降雨發生后,首先根據雨強進行警戒,而后根據雨情、水情的發展逐步啟動雨量預警指標、水位預警指標,以提高預警指標體系的可靠度,彌補單獨用雨量或單獨用水位預警而帶來的自身缺陷。

      4 日本山洪災害水位預警情況
      日本已實現所有山洪站災害危險區雨水情實時監測,共建有8821個自動雨量站、5576個自動水位站,所有自動監測站點采用超短波傳輸數據,10分鐘一報。在日本國土交通省雨水情查詢和預警發布系統(www.river.go.jp)及各都道府縣防汛信息查詢系統上可查詢任意一站實時監測信息。
      以富山縣為例,富山縣國土面積4400平方公里,共建有自動水位站86個,在各河流間距5-10km就有一個水位站。
       
      圖3 富山縣自動水位站布設情況
      此外,日本還特別注重簡易水位報警器的建設,簡易水位報警器安裝配置回轉警燈和喇叭,當河流水位達到預警閾值時,可通過聲、光信號自動進行原位報警,同時通過無線和有線方式將預警信號傳輸至下游報警終端。2008年日本神戶港發生了一起山洪災害,一個流域面積僅為8.7km2 的河流在10分鐘內水位上漲1.34m,導致在橋下避雨的5人遇難(包括3名兒童),神戶市防汛部門經過反思,決定大范圍安裝簡易水位報警器,共在神戶港周邊30條獨留入海的河流安裝了81臺簡易水位報警器[5]。

      5 結語
      (1)在以溪河洪水為主的山洪溝采用水位預警的方式,具有物理概念直接、可靠性強、適用范圍廣的優勢,水位監測站配合本地化的預警設備還可對強行涉水過河、漂流、河邊宿營等情況起到警示作用,在山洪災害防御中具有其獨特的作用。
      (2)本文提出了加強水位預警的四點建議:一是建設簡易水位報警器;二是調整水位報警器的布設原則;三是根據下游保護對象分布和預警區間范圍,確定上游水位站的水位預警指標,增加洪水速升的預警指標;四是逐步形成以雨量預警和水位預警互補的山洪災害防御體系。

      6 參考文獻
      [1] 國家防汛抗旱總指揮部辦公室.全國山洪災害防治縣級非工程措施建設管理總結報告[R].2013.7
      [2] 國家防汛抗旱總指揮部辦公室.山洪災害防治非工程措施技術要求[R].2010.9
      [3] 國家防汛抗旱總指揮部辦公室.山洪災害防治非工程措施補充完善技術要求[R].2013.9
      [4] Junko Wakatsuki, Yosuke Ito, Shigenobu Tsuruoka. Varieties of water level gauges to prevent water-related disasters in Japan[C]. The 6th international conference on flood management, 2014.9 Brazil.
      [5] http://web.pref.hyogo.lg.jp/kok12/kobe_kasen.html

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