山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息平臺研究現(xiàn)狀及展望

丁凡椏 黃超 李書

摘 要：歐美發(fā)達國家基于FFG（flash flood guidance）等方法開展了大量山洪預(yù)警實踐。我國也探索發(fā)展出適合我國國情的山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并在信息化建設(shè)方面取得了很大成效。本文通過對比分析山洪預(yù)警信息平臺國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)出我國信息平臺建設(shè)中的不足，并展望山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息平臺未來研究的方向。

關(guān)鍵詞：山洪災(zāi)害;監(jiān)測預(yù)警;信息平臺

中圖法分類號：X43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0313

山洪災(zāi)害主要發(fā)生于山區(qū)，指由降雨引起的河水暴漲及其誘發(fā)的嚴重威脅人民生命財產(chǎn)安全的崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害，其具有明顯的季節(jié)性，具備易突發(fā)、難預(yù)測、成災(zāi)快、水量集中，且具有巨大破壞力等特點[1]。近年來，鑒于山洪地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，且?guī)砩敭a(chǎn)損失，各國政府均高度重視，山洪災(zāi)害預(yù)警防御體系建設(shè)不斷增強[2]。

美國水文研究中心基于FFG指標開發(fā)了山洪預(yù)警指南系統(tǒng)，為山洪預(yù)警提供實時信息指導(dǎo)[3]。歐洲委員會聯(lián)合研究中心基于耦合空間上分布的水文模型，主導(dǎo)研發(fā)了歐洲洪水感知系統(tǒng)，并應(yīng)用于相關(guān)國家的中期洪水預(yù)報[4]。日本國土交通省河川局和氣象廳聯(lián)合完成基于X波段雷波獲取降雨數(shù)據(jù)和激光雷達獲取河道地形測量數(shù)據(jù)的洪水預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過分布式水文模計算洪水演進，并通過各自渠道公布預(yù)報成果[5]。

我國山洪災(zāi)害防治起步較晚，在水利、氣象等部門的共同努力下，山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)得到了極大的推動。通過2010—2018年建設(shè)規(guī)劃的實施，基本完成山洪災(zāi)害防治區(qū)的所有調(diào)查評價工作，初步查清了山洪災(zāi)害基本情況和分布特征;通過建設(shè)數(shù)據(jù)共享功能自動雨量監(jiān)測站，建成基本覆蓋我國國土的山洪災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測預(yù)警體系;通過建設(shè)共完成了覆蓋1個國家級、7個流域機構(gòu)、30個省級、305個地級市、2 058個縣的山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺，實現(xiàn)上下聯(lián)動的監(jiān)測預(yù)警體系，有效提升了我國山洪災(zāi)害防治的信息化水平[6、7]。

國內(nèi)外的山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在設(shè)計思路、預(yù)警方式和預(yù)警表達上存著一些差異，本文以山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息平臺建設(shè)為出發(fā)點，梳理分析國內(nèi)外山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)平臺現(xiàn)狀，分析展望我國山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息平臺建設(shè)方向。

1? 國外研究現(xiàn)狀

1.1? 美國山洪指導(dǎo)系統(tǒng)

國外山洪監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中，最有代表性的是廣泛應(yīng)用于亞非、歐洲、中美洲等多國的美國山洪指導(dǎo)系統(tǒng)（FFGS），并取得了良好的應(yīng)用效果[7]。該系統(tǒng)的主要特點是依據(jù)實時采集的土壤含水量數(shù)據(jù)反演臨界流量值時段作為預(yù)警指標，被稱為“山洪早期預(yù)警臨界雨量指標系統(tǒng)”或“基于動態(tài)臨界雨量的山洪早期預(yù)警系統(tǒng)” [3]。

1.2? 山洪預(yù)警體系

美國山洪預(yù)警是由多家機構(gòu)協(xié)助完成，由美國內(nèi)務(wù)部下屬的美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）代表聯(lián)邦政府負責建設(shè)和管理全美水文監(jiān)測站網(wǎng)及雨水情信息的采集和傳輸。測站自動監(jiān)測信息通過衛(wèi)星通信手段傳輸?shù)轿挥谌A盛頓的中央級數(shù)據(jù)中心，繼而分發(fā)至美國國家天氣局（NWS）所屬的13個河流預(yù)報中心（RFC），供其使用。由河流預(yù)報中心（RFC）制作所轄區(qū)域山洪早期預(yù)警臨界雨量指標圖（FFG），報送到相應(yīng)的天氣服務(wù)機構(gòu)（WFO），由天氣服務(wù)機構(gòu)負責對公眾發(fā)布山洪預(yù)警信息[3]。

1.3? 預(yù)警指標

基于FFG方法的山洪災(zāi)害預(yù)警是基于水文模型以小流域內(nèi)已發(fā)生的降雨量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實時計算流域內(nèi)土壤濕度數(shù)據(jù)，進而反推流域出口斷面的洪峰流量值，并最終對比預(yù)設(shè)定的預(yù)警流量值時所需達到的降雨量，從而確定預(yù)警等級。該降雨量稱為“山洪指南值”（FFG）或動態(tài)“臨界雨量值”。每6小時，通過土壤模型計算一次土壤濕度，再通過山洪指南計算模型生成1-3-6-24小時FFG產(chǎn)品[11]。水文分析過程復(fù)雜，需要豐富的預(yù)報經(jīng)驗和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來完成，該項工作主要依托于河流預(yù)報部門，F(xiàn)FG預(yù)警信息發(fā)布主要依托氣象預(yù)報部門，該部門掌握了豐富的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)和降雨預(yù)報數(shù)據(jù)，結(jié)合上述數(shù)據(jù)可完成山洪威脅指標（FFT）等產(chǎn)品數(shù)據(jù)的發(fā)布。

1.4? 信息平臺預(yù)警發(fā)布

FFGS不是一個預(yù)報系統(tǒng)，只是它提供的輸出產(chǎn)品可以用于山洪預(yù)報。FFGS信息平臺最終以網(wǎng)頁形式為決策者和社會公眾發(fā)布預(yù)警信息。平臺上提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)品格式主要為數(shù)字地圖[9、10]，類型主要有：

1-3-6-24小時MCIDAS衛(wèi)星云圖影像（MAI：MCIDAS AREA IMAGE）產(chǎn)品;

1-3-6-24小時流域面平均雨量圖（MAP：BASIN MEAN AREAL PRECIPITATION）產(chǎn)品;

6小時流域土壤含水量分布圖（ASM：BASIN AVERAGE SOIL MOISTURE）產(chǎn)品;

1-3-6小時流域當前山洪指導(dǎo)值（山洪早期預(yù)警臨界雨量指標FFG：FLASH FLOOD GUIDANCE）產(chǎn)品;

1-3-6小時流域前期山洪指導(dǎo)值（Prev FFG：PREVIOUS FLASH FLOOD GUIDANCE）產(chǎn)品。

2? 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1? 我國山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系

山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要依托于各地設(shè)置的自動監(jiān)測站獲取的實時雨量數(shù)據(jù)。省或市、縣級預(yù)警平臺同時接收自動監(jiān)測站所發(fā)送的實時雨量數(shù)據(jù)。山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警決策主要依托縣級防汛部門完成，預(yù)警過程主要由縣級山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息平臺實現(xiàn)。

預(yù)警主要包括兩個階段：內(nèi)部預(yù)警和外部預(yù)警。其中內(nèi)部預(yù)警主要是面向防汛人員及相關(guān)責任人，主要特點是當降雨量達到臨界雨量值時，系統(tǒng)自動防汛人員及相關(guān)責任人發(fā)布預(yù)警信息，提示相關(guān)人員做好防汛準備，預(yù)警方式為在信息平臺的地圖上對應(yīng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或自動監(jiān)測站點圖標閃爍以及彈窗提示。外部預(yù)警主要是對社會公眾發(fā)布，主要包括防汛指揮和人員調(diào)度，在接收信息平臺發(fā)布的預(yù)警信息后，進行查詢核對，確定預(yù)警級別和范圍，向選定的范圍內(nèi)行政鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）責任人員發(fā)送通知，可通過電信通訊、信息平臺自動發(fā)送相關(guān)的預(yù)警短信等方式，再由相關(guān)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）啟動預(yù)警響應(yīng)預(yù)案、組織群眾撤離 [12]。

概括來說，當某個監(jiān)測站的雨量值超過預(yù)警指標，則通過信息平臺對防汛人員產(chǎn)生新的預(yù)警信息，經(jīng)防汛人員審核后，通過短信或電話方式通知相關(guān)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）防汛責任人員，啟動應(yīng)急響應(yīng)。

2.2? 預(yù)警指標

預(yù)警指標主要依據(jù)自動監(jiān)測站雨量數(shù)據(jù)，預(yù)警等級劃分需要綜合預(yù)警指標和等級劃分方法最終確定。預(yù)警指標數(shù)據(jù)主要依據(jù)實時雨量數(shù)據(jù)，而實時雨量數(shù)據(jù)主要來源于自動監(jiān)測站雨量數(shù)據(jù)。預(yù)警指標包括警戒雨量和危險雨量兩種，對應(yīng)的預(yù)警等級是準備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移兩種。當自動監(jiān)測站水雨情數(shù)據(jù)到達臨界雨量值時，即發(fā)出預(yù)警。鑒于各縣自然地理條件迥異，存在較大的實際差異，因此每個縣的臨界雨量值必須基于《山洪災(zāi)害臨界雨量分析計算細則》中明確的基于歷史數(shù)據(jù)的經(jīng)驗法和《山洪災(zāi)害分析評價方法指南》中推薦的反推法來具體確定相應(yīng)的臨界雨量值，從而確保每個縣的臨界雨量值都能反映當?shù)靥攸c。

2.3? 信息平臺預(yù)警發(fā)布

各地縣級山洪災(zāi)害預(yù)警平臺由不同的技術(shù)單位進行開發(fā)，國家防辦統(tǒng)一要求，各縣級平臺均基于B/S模式開發(fā)，必須包含如下功能：基礎(chǔ)信息查詢功能、水情預(yù)報服務(wù)功能、水雨情監(jiān)測查詢功能、氣象國土信息服務(wù)功能、預(yù)警發(fā)布服務(wù)功能、應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)功能、系統(tǒng)管理功能等。

縣級平臺是一個面向縣級決策人員的GIS系統(tǒng)，可以實現(xiàn)地圖交互查詢，通過列表等形式展示水雨情信息，并通過地圖圖標閃爍等方式實現(xiàn)預(yù)警。決策人員綜合分析預(yù)警和水雨情信息后，基于平臺短信發(fā)送功能，實現(xiàn)向下一級防汛責任人自動發(fā)送預(yù)警信息的目標。

3? 國內(nèi)外信息平臺對比分析

通過上述研究現(xiàn)狀分析可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外信息平臺在預(yù)警方式、預(yù)警指標等方面存在諸多差異，見表1。兩者都是采用BS軟件架構(gòu)，但美國的FFGS更偏向是一個可供瀏覽的網(wǎng)頁，我國的縣級預(yù)警平臺則偏向一個可交互查詢的地理信息系統(tǒng);FFGS平臺面向的是決策者和社會公眾，提供的預(yù)警成果是可供瀏覽的電子地圖，它并非一個預(yù)報系統(tǒng)，而是被動等待查詢流域山洪指導(dǎo)值圖、流域山洪風險圖等信息，并且以小流域為最小預(yù)警單位。而我國縣級預(yù)警信息平臺面向的縣級防汛管理人員，是一個以行政鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為最小預(yù)警單位的預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，會在平臺中主動提示預(yù)警信息，并且可由系統(tǒng)操作員利用信息平臺直接發(fā)送預(yù)警信息給行政鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的相關(guān)負責人員。

另外，兩者最大的差異體現(xiàn)在預(yù)警指標上，美國的FFGS采用的是動態(tài)臨界雨量，該指標耦合了前期降雨對土壤含水量的影響，是由國家氣象局所屬的河流預(yù)報中心運行土壤濕度模型、FFG模型等計算出的成果;而我國采用的是靜態(tài)臨界雨量，該指標的確定主要采用反推法和經(jīng)驗法。經(jīng)驗法臨界雨量是由歷史資料統(tǒng)計分析得出，未考慮物理機制，精度較低;反推法的主要思路是依據(jù)暴雨洪水設(shè)計數(shù)據(jù)來計算預(yù)警指標，結(jié)合多年的歷史成災(zāi)水位數(shù)據(jù)反推對應(yīng)的成災(zāi)流量數(shù)據(jù)，同時將土壤含水量條件設(shè)定在不同的條件下（較干、一般、較濕），基于推理公式法或水文模型計算法推導(dǎo)時段雨量數(shù)據(jù)，該方法的主要缺點是沒有假定暴雨與洪峰流量具有相同的頻率，并將前期降雨條件對臨界雨量值的影響納入計算[13]。

4? 山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息平臺展望

我國山洪災(zāi)害防治雖然起步晚，但已建山洪災(zāi)害防治體系發(fā)揮了顯著成效，人員傷亡大幅減少[13]。結(jié)合國內(nèi)外監(jiān)測系統(tǒng)對比，從我國的山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息平臺實際應(yīng)用來看，豐富的交互界面和主動預(yù)警的發(fā)布方式，為縣級防汛管理人員提供了極好的決策支持，全面提升了山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力，但監(jiān)測預(yù)警精確度的提高仍是未來研究中的關(guān)鍵問題。

（1）建立水文模型，提升預(yù)警精度

預(yù)警預(yù)報指標的準確度直接影響到山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的實施效果。我國實際應(yīng)用中采用的靜態(tài)臨界雨量是一個多采用經(jīng)驗法來確定的定值，未考慮前期降雨影響以及流域下墊面空間分布異質(zhì)性。以此作為預(yù)警判斷依據(jù)導(dǎo)致空報、漏報現(xiàn)象時有發(fā)生，長此以往，可能降低人民群眾對預(yù)警預(yù)案執(zhí)行的配合度。借鑒國外成果經(jīng)驗，充分考慮前期降雨對下墊面的影響，建立流域水文模型，生成動態(tài)臨界雨量等實時預(yù)警指標，提高預(yù)警精確度，是山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息平臺發(fā)展的必然選擇。

（2）基于小流域單元的預(yù)警預(yù)報

2010年～2018年，我國政府部門不斷投入建設(shè)完善山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，山洪災(zāi)害監(jiān)測防御體系已初步實現(xiàn)?？h級平臺中，預(yù)警發(fā)布一般以行政鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為預(yù)警單元，這種設(shè)置充分利用了行政資源，確保預(yù)警預(yù)案的有效實施。但在建立水文模型、提升預(yù)警精度的趨勢下，打通行政區(qū)劃壁壘，基于小流域單元發(fā)布合理預(yù)警信息，是信息平臺發(fā)展的重要方向。

（3）面向?qū)I(yè)人員和社會公眾的差異化信息平臺

美國FFGS系統(tǒng)的整體優(yōu)勢在于監(jiān)測站點統(tǒng)一布設(shè)、監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收，并由專業(yè)機構(gòu)實時運算水文模型，再將預(yù)警成果統(tǒng)一發(fā)布在公共網(wǎng)站。借鑒這種思路，信息平臺的發(fā)展可以進行差異性分化，一類面向?qū)I(yè)決策人員，一類面向社會公眾。專業(yè)的計算交由專業(yè)機構(gòu)和專業(yè)信息平臺來完成，依托公眾信息平臺實現(xiàn)實時預(yù)警信息對外發(fā)布，提高公眾防洪減災(zāi)預(yù)警意識和政府應(yīng)對災(zāi)害應(yīng)急管理水平。

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