蔣 迅,裘洪斌,黃賢平,李 杰

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310002; 2.新昌縣水利水電局, 浙江 新昌 312500)

山洪是指山區(qū)溪溝中發(fā)生的暴漲性洪水,具有突發(fā)、水量集中、流速大、沖刷破壞力強等特點,常造成局部性洪災(zāi)。我國城鎮(zhèn)化進程的加速推進,很大程度加劇了山洪災(zāi)害發(fā)生的不確定性[1-2]。目前,我國山丘區(qū)中小河流局地突發(fā)性強降雨的預(yù)測預(yù)報能力不強,短歷時洪水預(yù)報預(yù)警整體水平不高,防洪工程調(diào)度困難,應(yīng)急處置技術(shù)體系薄弱,難以完全滿足洪水防控和應(yīng)急管理需求[3],急需加強山洪災(zāi)害防御工程建設(shè)及采取非工程措施。山洪災(zāi)害防御非工程措施以水文監(jiān)測為前提條件,而當(dāng)前針對山丘區(qū)小流域的水文監(jiān)測以雨量站為主,輔以少量水位站、流量站和土壤墑情站等監(jiān)測站點,監(jiān)測手段單一,對浙江省萬余個山洪防御重要村落而言,遠不能滿足山洪災(zāi)害水位預(yù)警的要求,因此大多數(shù)情況下,僅能以雨量作為預(yù)警的唯一指標[4]。雨量預(yù)警多采用傳統(tǒng)水文方法確定臨界雨量閾值,受山丘區(qū)環(huán)境復(fù)雜、水文監(jiān)測歷史資料積累不足、算法局限、降雨不確定性等條件制約,設(shè)定的預(yù)警閾值精度不高[5]。

浙江省自2021年起,大力推進以聲光電監(jiān)測預(yù)警設(shè)備為主的新型預(yù)警設(shè)施建設(shè),通過近兩年的山洪災(zāi)害防御能力提升項目建設(shè),該設(shè)備在山洪災(zāi)害防御重要村落得以大量投入使用。該設(shè)備可實時監(jiān)測小流域內(nèi)的降雨量與溪溝水位,當(dāng)雨量或水位指標超出預(yù)警閾值時,自動觸發(fā)閃光、警笛等報警信號,提醒周邊群眾轉(zhuǎn)移避險,彌補了靠單一雨量指標進行預(yù)警的不足,同時也滿足了防洪重要村落現(xiàn)地預(yù)警的需求。

然而,山洪災(zāi)害防御仍然存在預(yù)見期偏短的問題,遭遇降雨或洪水時,完全可能出現(xiàn)報時已災(zāi)的情況[6]。而將傳統(tǒng)的洪水預(yù)報模型應(yīng)用于山區(qū)小流域或山洪重要村落上的難度頗大,一方面是因為模型計算的精度難以保證[7];另一方面,對山洪防御非工程措施而言,該方法投資成本偏高。

基于以上現(xiàn)狀與問題,筆者充分利用聲光電設(shè)備現(xiàn)地預(yù)警的能力,探究山洪防御重要村落上下游聯(lián)動預(yù)警的方法并建立自動化系統(tǒng),旨在根據(jù)上游設(shè)備監(jiān)測到的實時水情,分析下游村落未來水位,并判斷水位超警情況。通過系統(tǒng)自動遠程操控,提前在下游村落發(fā)布山洪預(yù)警,為轉(zhuǎn)移、避險提供更多寶貴時間,進一步保障山區(qū)民眾的生命財產(chǎn)安全。

1 研究區(qū)域

上下游聯(lián)動預(yù)警村落的選擇應(yīng)滿足以下要求:1) 聯(lián)動預(yù)警村落應(yīng)處于同一流域。2) 上下游村落間距盡可能遠,為下游村落提供足夠長的預(yù)見期。3) 流域內(nèi)水系相對簡單,盡可能減少影響洪水傳播的因素。根據(jù)以上條件,筆者選擇浙江省新昌縣莒根溪流域為研究對象,探索莒根溪上下游聯(lián)動預(yù)警方法并開發(fā)相應(yīng)系統(tǒng),以達到在山洪暴發(fā)時,聲光電設(shè)備可提前在下游村落觸發(fā)警報,提醒周邊群眾轉(zhuǎn)移避險的目標。

莒根溪屬曹娥江水系,是黃澤江的一級支流,發(fā)源于海拔519 m的寧?？h馬岙村,在新昌縣小將鎮(zhèn)流經(jīng)巧英水庫,再向西北前行約20 km后注入欽寸水庫,最終匯合黃澤江[8]。河道全長35 km,流域面積98.2 km2,平均比降7.7‰,平均年徑流深990.2 mm。

本次選取莒根溪巧英水庫至欽寸水庫段開展研究,涉及舊塢村、里家溪村、丹坑村三個山洪防御重要村落,區(qū)域示意如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域示意圖

圖1中,舊塢村以上集雨面積約23.4 km2(扣除巧英水庫以上面積,下同),里家溪村以上集雨面積約28.8 km2,丹坑村以上集雨面積約40 km2。

2 模型計算

2.1 計算方法

考慮山區(qū)小流域往往缺乏實測水文資料,不具備常規(guī)建模條件,而山區(qū)性河道的水位流量關(guān)系相對穩(wěn)定,本研究通過斷面水位流量關(guān)系結(jié)合面積比擬法,推求上下游斷面水位的對應(yīng)關(guān)系。

通過斷面水位流量關(guān)系,推求上游舊塢村斷面實時水位H1下的相應(yīng)流量Q1[9-10],舊塢村斷面水位流量關(guān)系見圖2(a),再根據(jù)舊塢村斷面流量Q1,采用流域面積比擬法[11-12],推求出下游里家溪村、丹坑村斷面未來相應(yīng)流量Q2,即

圖2 各控制斷面水位流量關(guān)系

(1)

式(1)中:Q1為上游斷面流量,m3/s;Q2為下游斷面流量,m3/s;F1為上游斷面集雨面積,km2;F2為下游斷面集雨面積,km2;n為面積比指數(shù)。

根據(jù)水位流量關(guān)系,以下游村落未來流量Q2推求相應(yīng)水位H2,若H2大于預(yù)警水位,系統(tǒng)即可自動啟動下游設(shè)備預(yù)警。下游里家溪村水位流量關(guān)系見圖2(b),丹坑村斷面水位流量關(guān)系見圖2(c)。

2.2 率定與驗證

運用本模型進行計算的關(guān)鍵在于確定面積比指數(shù)n,由于莒根溪及相近流域上并無充足的水文監(jiān)測站點與實測歷史資料可用于分析率定,因此,此處采用聲光電預(yù)警設(shè)備建設(shè)后監(jiān)測到的3場相對較大的洪水?dāng)?shù)據(jù)進行參數(shù)率定。洪水?dāng)?shù)據(jù)及參數(shù)率定結(jié)果見表1。本次n值取3場洪水率定結(jié)果的平均值0.67。因資料限制,參數(shù)率定采用的洪水場次明顯偏少,后續(xù)應(yīng)隨著數(shù)據(jù)資料的延長,進一步調(diào)整參數(shù)取值。當(dāng)前參數(shù)取值下,三斷面流量比值為1.00∶1.15∶1.43。

表1 洪水資料及參數(shù)率定結(jié)果

采用2022年第12號臺風(fēng)“梅花”洪水水位對本方法計算精度進行驗證。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查測量成果,在臺風(fēng)“梅花”期間,舊塢村、里家溪村和丹坑村斷面洪峰水位分別為185.62,172.96,114.89 m,通過水位流量關(guān)系推求出對應(yīng)流量分別為145,170,209 m3/s,流量比值為1.00∶1.17∶1.44,與面積比擬法下的流量比值1.00∶1.15∶1.43接近,因此,應(yīng)用此方法以舊塢斷面實測值推算里家溪與丹坑斷面流量、水位成果。流量計算成果及誤差情況見表2,水位計算成果及誤差情況見表3。

表2 流量計算成果

表3 水位計算成果 單位:m

通過本場次洪水對比,初步判定此方法及參數(shù)取值合理,可將此模型運用于山洪災(zāi)害上下游聯(lián)動預(yù)警系統(tǒng)中。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 技術(shù)路線

山洪災(zāi)害上下游聯(lián)動預(yù)警系統(tǒng)基于聲光電設(shè)備、聯(lián)動預(yù)警模型、即時通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)山洪災(zāi)害防御重要村落的上下游聯(lián)動預(yù)警功能,同時整合區(qū)域水雨情信息、山洪防御重要村落信息、空間數(shù)據(jù)信息,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、評價等功能,為區(qū)域山洪災(zāi)害防御提供有效服務(wù)。總體技術(shù)路線見圖3。

系統(tǒng)主體由三套聲光電預(yù)警設(shè)備和一個預(yù)警系統(tǒng)平臺構(gòu)成。聲光電預(yù)警設(shè)備集實時水雨情信息采集、聲光報警和數(shù)據(jù)傳輸于一體,為系統(tǒng)的信息感知和遠程操控提供基礎(chǔ);設(shè)備觸發(fā)預(yù)警時,即可發(fā)出閃光并鳴笛示警,有效傳播距離為100 m以上,在山洪風(fēng)險區(qū)安裝后可為區(qū)內(nèi)村民提供有力警示;預(yù)警系統(tǒng)平臺內(nèi)置前文所述的預(yù)警計算模型,通過上游設(shè)備傳輸?shù)乃粩?shù)據(jù),分析預(yù)測下游未來水位,若超閾值即可通過控制下游設(shè)備進行提前預(yù)警。系統(tǒng)運行流程見圖4。

圖4 系統(tǒng)運行流程圖

通過現(xiàn)場調(diào)查測量,下游里家溪村斷面與丹坑村斷面警戒水位分別為172.96 m與114.89 m,當(dāng)預(yù)測里家溪村斷面水位超過172.96 m時,即可提前觸發(fā)里家溪村的聲光電設(shè)備預(yù)警;當(dāng)預(yù)測丹坑村斷面水位超過114.89 m時,即可提前觸發(fā)丹坑村的聲光電設(shè)備預(yù)警。預(yù)警水位及提前預(yù)警觸發(fā)條件見表4。

表4 斷面預(yù)警水位及提前預(yù)警條件表

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)主要功能模塊包括5個方面:地圖操作模塊、信息與數(shù)據(jù)查詢模塊、實時預(yù)警模塊、上下游聯(lián)動預(yù)警模塊、預(yù)警及洪水管理模塊,系統(tǒng)頁面見圖5。

圖5 系統(tǒng)頁面示意圖

1) 地圖操作模塊

該模塊基于電子地圖,按照點、線、面等矢量數(shù)據(jù)格式形成村落、水系、山地等各個圖層,并對不同圖層進行疊加顯示,實現(xiàn)圖形的縮放、量測等操作功能。

2) 信息與數(shù)據(jù)查詢模塊

該模塊結(jié)合GIS底圖,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時查詢、可視化展示。本系統(tǒng)同步新昌縣小流域山洪數(shù)智防御應(yīng)用(山洪系統(tǒng))數(shù)據(jù),在線展示區(qū)域內(nèi)重要村落位置、危險區(qū)范圍、站點點位,同時實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)雨量、水位、流量等數(shù)據(jù)的實時讀取、更新。

3) 實時預(yù)警模塊

該模塊通過讀取的聲光電設(shè)備或測站水位,研判洪水風(fēng)險,并展示當(dāng)前水位與警戒水位差值,直觀體現(xiàn)風(fēng)險情況。水位一旦觸發(fā)警戒線,即通過山洪系統(tǒng)發(fā)送預(yù)警信息至相關(guān)責(zé)任人,同時聲光電設(shè)備發(fā)出聲光警報,提示村民轉(zhuǎn)移避險。

4) 上下游聯(lián)動預(yù)警模塊

該模塊為本系統(tǒng)核心模塊,根據(jù)莒根溪上游舊塢村聲光電設(shè)備監(jiān)測的實時水情,通過模型計算,分析預(yù)測下游里家溪村、丹坑村未來水位并判斷水位超警情況。若計算值超閾值,超警系統(tǒng)將自動開啟下游村落聲光電設(shè)備警報,通過提前發(fā)布山洪預(yù)警,為民眾的轉(zhuǎn)移、避險提供更多寶貴時間。

5) 預(yù)警及洪水管理模塊

該模塊用于管理歷史場次洪水與預(yù)警記錄,包括歷史典型場次洪水管理、觸發(fā)預(yù)警的洪水場次管理、人工模擬的洪水場次管理,提供洪水水位、流量等信息的對比分析,可以為防洪決策、提高模型計算準確度提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 系統(tǒng)成效

本系統(tǒng)基于聲光電預(yù)警設(shè)備,實現(xiàn)了新昌縣莒根溪流域山洪防御重要村落的上下游聯(lián)動預(yù)警。一方面,能夠通過水位預(yù)警,在一定程度上避免當(dāng)前雨量預(yù)警因計算模型誤差及上游水利工程調(diào)度影響等因素導(dǎo)致的準確度不高的情況;另一方面,也能延長山洪災(zāi)害預(yù)警的預(yù)見期,在本研究中,丹坑村即可提前約1 h觸發(fā)預(yù)警。

通過系統(tǒng)提前預(yù)警,可為丹坑村與里家溪村山洪風(fēng)險區(qū)內(nèi)村民(共有常住人口約30人)的轉(zhuǎn)移、避險爭取更多時間,有效降低人員傷亡和財產(chǎn)損失風(fēng)險,顯著提高了區(qū)域山洪災(zāi)害防御能力,進一步完善了洪澇災(zāi)害防御體系。

本系統(tǒng)圍繞水利部智慧水利建設(shè)的要求,完善了山洪災(zāi)害的防治體系,推進了多元化監(jiān)測的預(yù)報預(yù)警,迭代優(yōu)化了山洪防御數(shù)字化應(yīng)用,在浙江省新昌縣取得了較好的實踐效果。

4 結(jié) 論

筆者采用流量面積比擬法與水位流量關(guān)系,在山丘區(qū)小流域運用以上游實時水位預(yù)測下游未來水位的方法,并通過了實際洪水的初步驗證?；诼暪怆婎A(yù)警設(shè)備構(gòu)建了山洪災(zāi)害上下游聯(lián)動預(yù)警系統(tǒng),實現(xiàn)了山洪防御重要村落的上下游聯(lián)動預(yù)警。該研究所采用的原理、方法簡單易行,在大量配置了現(xiàn)地監(jiān)測預(yù)警設(shè)備、水系與工況復(fù)雜度不高的地區(qū)均有較好的適用性,可復(fù)制性強,系統(tǒng)建設(shè)也相對便捷,具有較強的推廣運用價值,可以為其他地區(qū)的山洪災(zāi)害防御提供參考。