山洪災(zāi)害防治理論技術(shù)框架

孫東亞

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

山洪災(zāi)害是一種典型的洪水災(zāi)害類型，其防治的理論技術(shù)基礎(chǔ)源于傳統(tǒng)的防洪減災(zāi)理論技術(shù)，但又有所區(qū)別，主要取決于山洪災(zāi)害的自然屬性和社會屬性［1］。山洪的發(fā)生是一種自然現(xiàn)象，受山丘區(qū)水文氣象和地形地貌等孕災(zāi)環(huán)境影響，山洪災(zāi)害致災(zāi)因子（暴雨洪水）具有高度的時(shí)間、空間、強(qiáng)度變異性，降雨范圍小、歷時(shí)短、強(qiáng)度大；洪水過程短、洪峰高、破壞力強(qiáng)，但發(fā)生頻率非常低，這是山洪災(zāi)害的自然屬性。另一方面，山洪災(zāi)害的承災(zāi)體或影響對象主要為山丘區(qū)的居民、流動(dòng)人員、家庭財(cái)產(chǎn)及公共基礎(chǔ)設(shè)施，具有點(diǎn)多、面廣、社會管理單元小而分散等特征，防御標(biāo)準(zhǔn)低，易損性高，相比江河洪水，一次山洪災(zāi)害事件的影響范圍小，這是山洪災(zāi)害的社會屬性。山洪災(zāi)害防治是一個(gè)復(fù)雜的自然-社會系統(tǒng)工程，需要從系統(tǒng)整體論思想出發(fā)，研究建立山洪災(zāi)害防治措施和理論技術(shù)體系。我國山洪災(zāi)害防治理論技術(shù)體系的形成過程就是基于對山洪災(zāi)害基本屬性的認(rèn)識，在不斷實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)中將其基本概念內(nèi)涵和外延不斷延伸的過程，探討山洪災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、承災(zāi)體和防災(zāi)措施等要素的相互作用、相互影響和相互聯(lián)系，其核心是應(yīng)用水利科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會學(xué)、災(zāi)害學(xué)、信息科學(xué)等理論技術(shù)，形成適應(yīng)自然規(guī)律和社會管理體系的山洪災(zāi)害防治方略。本文提出了山洪災(zāi)害防治連續(xù)統(tǒng)概念模型，對山洪災(zāi)變過程、防治措施、理論技術(shù)進(jìn)行高度概括，形成了適合我國當(dāng)代技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的山洪災(zāi)害防治理論技術(shù)框架。

2 山洪災(zāi)害防治連續(xù)統(tǒng)概念模型

連續(xù)統(tǒng)原本是一個(gè)數(shù)學(xué)范疇的概念，指連續(xù)不斷的實(shí)數(shù)集，原意是為了強(qiáng)調(diào)實(shí)數(shù)的連續(xù)性而給實(shí)數(shù)系的另一名稱。連續(xù)統(tǒng)又是一個(gè)哲學(xué)范疇的思維概念，指某種事物在時(shí)間或空間中，持續(xù)不斷的、緊密聯(lián)系的、甚至是相對的，但本質(zhì)上是中和與交融的綜合整體。山洪災(zāi)害防治連續(xù)統(tǒng)概念模型基于山洪災(zāi)害形成的物理機(jī)制（見圖1）［2-3］，按照系統(tǒng)論思維闡述山洪災(zāi)變系統(tǒng)和防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)要素及其互饋影響，揭示系統(tǒng)鏈條關(guān)鍵環(huán)節(jié)要解決的自然科學(xué)和社會科學(xué)問題及途徑，促進(jìn)多種技術(shù)和措施的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害防治目標(biāo)［4］。應(yīng)用自然科學(xué)理論解決暴雨洪水分析、監(jiān)測預(yù)警、工程措施等技術(shù)問題，而應(yīng)用社會科學(xué)則注重解決組織、機(jī)制、經(jīng)濟(jì)、市場、監(jiān)管等社會管理問題。

圖1 山洪災(zāi)害防治連續(xù)統(tǒng)概念模型

首先需按照常態(tài)化減災(zāi)要求，加強(qiáng)災(zāi)前預(yù)防和保護(hù)，針對孕災(zāi)環(huán)境，實(shí)施防災(zāi)減災(zāi)工程，包括小流域綜合治理，山洪溝防洪治理等；應(yīng)用各類減災(zāi)技術(shù)建設(shè)完善監(jiān)測預(yù)警體系，包括維護(hù)升級衛(wèi)星、雷達(dá)、地面監(jiān)測站，調(diào)試運(yùn)行監(jiān)測預(yù)警平臺，完善暴雨洪水分析系統(tǒng)，進(jìn)行暴雨洪水實(shí)時(shí)分析，動(dòng)態(tài)確定預(yù)警時(shí)機(jī)和危險(xiǎn)區(qū)。其次，在發(fā)生山洪災(zāi)害汛期，針對承災(zāi)體，加強(qiáng)防災(zāi)準(zhǔn)備，強(qiáng)化社會組織動(dòng)員，動(dòng)態(tài)更新危險(xiǎn)區(qū)清單，夯實(shí)群測群防各項(xiàng)工作，特別是具體落實(shí)基層責(zé)任制；按照實(shí)際需要配置調(diào)試運(yùn)行監(jiān)測預(yù)警設(shè)施設(shè)備，加強(qiáng)監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警。而在應(yīng)急狀態(tài)下，從減低山洪災(zāi)害損失目標(biāo)出發(fā)，實(shí)施應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)后恢復(fù)措施，及時(shí)轉(zhuǎn)移安置危險(xiǎn)區(qū)人員，對受災(zāi)人員及時(shí)給予醫(yī)療和生活救助，恢復(fù)生產(chǎn)生活，防止災(zāi)后出現(xiàn)疫情等；基于災(zāi)害發(fā)生情況，按照洪水風(fēng)險(xiǎn)管理要求，規(guī)劃災(zāi)后重建計(jì)劃。

3 山洪災(zāi)變過程和機(jī)理

山洪災(zāi)變是山洪自然屬性與社會屬性相互作用的結(jié)果。自然屬性是指圍繞山洪災(zāi)變的動(dòng)力過程表現(xiàn)出的各種自然特征，如山洪形成條件和變化規(guī)律，山洪沖擊淹沒范圍、強(qiáng)度、頻次等，主要應(yīng)用水利科學(xué)的水文氣象和水動(dòng)力學(xué)理論加以概念性描述或應(yīng)用專業(yè)模型進(jìn)行定性和定量分析。社會屬性主要指與成災(zāi)活動(dòng)密切相關(guān)的人類社會、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，包括人員、建筑（房屋、道路、橋梁、管線及其它公共基礎(chǔ)設(shè)施）、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、防災(zāi)能力等，主要應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會學(xué)等理論加以闡述或應(yīng)用災(zāi)害損失評估模型進(jìn)行半定性半定量分析。

從物質(zhì)和能量流的角度分析，山洪致災(zāi)過程是物質(zhì)和能量從天空到地面、從坡面到山溪、支溝、干溝的不斷演繹、匯集并在超過溝道承載能力極限時(shí)集中釋放而形成災(zāi)害的過程。降雨是一個(gè)明顯的從勢能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化過程，是徑流形成的首要環(huán)節(jié)。降雨的形成需要兩個(gè)基本的物理?xiàng)l件，即大氣中必須含有足夠的水汽和必須具有使水汽凝結(jié)成液態(tài)水的動(dòng)力條件。根據(jù)動(dòng)力條件的不同，降雨又分為氣旋雨、對流雨、地形雨和臺風(fēng)雨等。影響降雨及其時(shí)空分布的因素主要有地理位置、氣旋、臺風(fēng)路徑等氣象因子，以及地貌、植被、水體等下墊面條件。

產(chǎn)匯流過程為徑流的產(chǎn)生和匯集過程。降雨到達(dá)地面后，先被植被截流，之后落到地面并不斷滲入土壤。一方面，當(dāng)降雨強(qiáng)度超過土壤下滲能力時(shí)產(chǎn)生地表積水，并填蓄于大小坑洼中，蓄于坑洼中的水滲入土壤，或被蒸發(fā)?？油萏顫M后即形成從高處向低處流動(dòng)的坡面徑流；另一方面，當(dāng)土壤含水量飽和時(shí)，截流滲透的水分通過土壤孔隙，由高處向低處流動(dòng)，形成壤中流，部分壤中流也會從坡面滲出。坡面徑流通過坡地地表匯流和坡地地下匯流，逐級匯集流入山溪、支溝和干溝等，水流流量不斷增大，在溝道中演進(jìn)，形成山洪。在此過程中，因坡面徑流和壤中流作用，可能誘發(fā)水土流失、滑坡和泥石流。

山洪從高地勢地區(qū)流向低地勢地區(qū)，仍是勢能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化過程。隨著溝道水流流量和流速的不斷增加，水位將快速升高，水流能量不斷積聚，可對山洪溝道和兩岸形成沖刷作用。在溝道行洪能力有限情況下，山洪也可能宣泄不暢，流速降低，部分洪水動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能，水位迅速上漲，水流挾帶的泥沙可能沉積下來。隨著洪水水位的快速升高，可能突破溝道兩岸約束而成為漫溢洪流，山洪的勢能又轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。山洪在洪泛區(qū)急速運(yùn)動(dòng)過程中，受地形作用和建筑物阻擋，部分動(dòng)能被損耗；還有一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能，具體表現(xiàn)為洪泛區(qū)淹沒深度的增加。

在山洪形成及沿溝道演進(jìn)和向兩岸漫溢的過程中，因山洪動(dòng)能和勢能共同作用，可能導(dǎo)致人員受淹被埋或被沖走，造成人員傷亡；也可能沖毀或淹沒建筑物（包括房屋、道路、橋梁、石油天然氣管道、電力或通信設(shè)施等），造成財(cái)產(chǎn)損失，形成山洪災(zāi)害。山洪災(zāi)害形成過程中，不僅包括單純洪水作用，也包括水流挾沙或泥石流的作用，也存在坡面流沖刷或滑坡影響。山洪災(zāi)害造成的損失是多方面的，不僅包括人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境破壞等，還包括因交通、通信和電力中斷或其它影響而伴生的社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)被干擾而造成的間接經(jīng)濟(jì)損失，具有災(zāi)害放大效應(yīng)和災(zāi)害鏈特征。

4 山洪災(zāi)害防治系統(tǒng)方法

從山洪災(zāi)害防治連續(xù)統(tǒng)概念模型可以看出，需要基于山洪災(zāi)害自然和社會屬性認(rèn)知，統(tǒng)籌應(yīng)用自然科學(xué)和社會科學(xué)方法構(gòu)建防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)措施體系?，F(xiàn)代自然科學(xué)和社會科學(xué)發(fā)展的一個(gè)顯著特點(diǎn)是相互滲透、相互補(bǔ)充、相互結(jié)合，形成新的邊緣學(xué)科、交叉學(xué)科，逐步向系統(tǒng)科學(xué)方向發(fā)展。本世紀(jì)40年代由美藉奧地利科學(xué)家貝塔朗非提出的系統(tǒng)論，現(xiàn)在已普遍用于自然科學(xué)和社會科學(xué)，并取得了顯著的成效。系統(tǒng)論的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)事物的整體性、聯(lián)系性、層次性和最優(yōu)化。從山洪災(zāi)變過程和機(jī)理分析可以看出，在災(zāi)變過程的不同階段，針對孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體采用不同的過程干擾或防治措施，可以實(shí)現(xiàn)不同的山洪災(zāi)害防治目標(biāo)。這些目標(biāo)既是某一方面的，如減少人員傷亡為首要目標(biāo)，也可能是綜合性的，例如在減少人員傷亡的同時(shí)，還要最大限度減低對經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的不利影響。顯然，連續(xù)統(tǒng)概念模型中所闡述的這些過程干擾措施是相互關(guān)聯(lián)和相互影響的，是一個(gè)系統(tǒng)工程。例如，流域土地和水資源開發(fā)保護(hù)措施，既可以增強(qiáng)社會防御山洪災(zāi)害的韌性（或降低脆弱性），也有利于減低山洪危險(xiǎn)性，提高環(huán)境質(zhì)量。既然山洪災(zāi)害防治是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，就可根據(jù)其自然、社會和災(zāi)害屬性，將其劃分為三個(gè)子系統(tǒng)，對應(yīng)災(zāi)前預(yù)防和保護(hù)、防災(zāi)準(zhǔn)備、應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)后恢復(fù)等階段，采用監(jiān)測預(yù)警、工程保護(hù)、流域綜合治理和風(fēng)險(xiǎn)管理、群測群防、應(yīng)急搶險(xiǎn)救援和災(zāi)后恢復(fù)等措施，以實(shí)現(xiàn)防治目標(biāo)的局部和整體優(yōu)化。

我國不同地區(qū)自然地理特征和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平差異很大，各類山洪災(zāi)害防治措施和技術(shù)手段在時(shí)效性、可靠性、成本等方面也存在顯著差別，各地既有共性問題，也有特殊要求，因此需要在按照系統(tǒng)方法統(tǒng)籌規(guī)劃常態(tài)減災(zāi)與非常態(tài)救災(zāi)措施的同時(shí)，針對各地區(qū)本發(fā)展階段所重點(diǎn)關(guān)注和有能力解決的問題，因時(shí)因地因人選擇適宜措施；在典型技術(shù)手段帶動(dòng)下，有序推進(jìn)綜合措施的應(yīng)用。按照當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)社會和技術(shù)發(fā)展水平，需要重點(diǎn)構(gòu)建以監(jiān)測預(yù)警、群測群防和應(yīng)急響應(yīng)為核心的非工程措施體系建設(shè)。其它工程和非工程措施可結(jié)合我國鄉(xiāng)村振興、扶貧脫貧戰(zhàn)略的實(shí)施逐步推進(jìn)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)先行實(shí)施，包括小流域綜合治理工程、山洪溝防洪治理工程、農(nóng)村住房遷建或提高設(shè)防水平和抗沖能力，提高重大基礎(chǔ)設(shè)施防洪標(biāo)準(zhǔn)和工程等級等。

5 山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警措施的不確定性

山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警是山洪災(zāi)害防治理論技術(shù)框架的核心內(nèi)容，是目前防御山洪災(zāi)害的主要技術(shù)手段。但在具體實(shí)施中監(jiān)測預(yù)警諸環(huán)節(jié)存在諸多不確定性，在防災(zāi)減災(zāi)決策中對此必須給予充分重視，分析判斷不確定性程度，做出更加合理的決策。在山洪災(zāi)變過程中，山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警不確定性主要來源于四個(gè)方面，并且分屬于不同的自然科學(xué)和社會科學(xué)內(nèi)容。

一是降雨分布和過程。這類不確定性既是客觀存在不可避免，反映降雨場和降雨過程的自然變異性，也存在監(jiān)測資料整編分析、降雨預(yù)報(bào)等方面的主觀不確定性。降雨形成條件，降雨時(shí)空分布，樣本可靠性、一致性和代表性，降雨預(yù)報(bào)模型，降雨過程分析模擬方法等方面，均存在不確定性。降雨模式會受到當(dāng)?shù)鼗蛘呷驓夂蜃兓挠绊懙?，臺風(fēng)等極端事件也會增加降雨過程的變異性。降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量將因采用新的監(jiān)測設(shè)備而得到改善，或因監(jiān)測站密度增加或采用測雨雷達(dá)等先進(jìn)裝備，導(dǎo)致對應(yīng)同一頻率洪水分析所得的降雨數(shù)值發(fā)生變化。因降雨形成機(jī)制與預(yù)報(bào)問題的復(fù)雜性，定時(shí)定點(diǎn)定量降雨預(yù)報(bào)一直是水文氣象領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)，精準(zhǔn)度低，如依賴降雨預(yù)報(bào)進(jìn)行預(yù)警轉(zhuǎn)移決策，不確定性程度很高，只能起到提醒大眾關(guān)注的作用［5］。

二是暴雨洪水過程。這類不確定性既是客觀存也有主觀因素，反映暴雨洪水過程的自然變異性，也存在暴雨洪水過程模擬的主觀不確定性，主要包括降雨時(shí)空變異性、小流域匯流非線性、水文水力學(xué)模型與參數(shù)的不確定性等，是因?qū)Ρ┯旰樗?guī)律的認(rèn)知程度低或缺乏足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行演繹推理而產(chǎn)生的。例如，因監(jiān)測站點(diǎn)密度不足，導(dǎo)致捕捉不到局地強(qiáng)降雨，面雨量估算存在誤差；用于暴雨洪水計(jì)算的水文模型和用于溝道洪水演進(jìn)計(jì)算的水力學(xué)模型也存在不確定性，主要模型參數(shù)的變異性也很強(qiáng)，包括小流域坡度、土壤濕度、溝道幾何形狀、糙率、河床坡度、泥沙淤積、塘堰壩等［6］。上述這些因素的不確定性最終影響到預(yù)警指標(biāo)的科學(xué)性和合理性。隨著知識進(jìn)步和信息量增加，這類不確定性可被減弱或消除，依據(jù)實(shí)時(shí)降雨場和降雨過程監(jiān)測數(shù)據(jù)和暴雨洪水過程動(dòng)態(tài)分析進(jìn)行預(yù)警將是一套更加科學(xué)實(shí)用的技術(shù)方法。

三是監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及信息鏈。這類不確定性屬于客觀不確定性，反映監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)備及其之間的聯(lián)接、系統(tǒng)軟件、信息傳輸模塊及其所依賴的通信網(wǎng)絡(luò)等運(yùn)行過程的不確定性。如因這些環(huán)節(jié)中的任何一環(huán)出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致降雨監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)接收和分析處理、暴雨洪水計(jì)算、預(yù)警決策或預(yù)警信息發(fā)送和接收、末端預(yù)警等功能喪失，這類不確定性可以通過增強(qiáng)硬件及軟件系統(tǒng)的可靠性、加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)和日常試運(yùn)行予以減弱。

四是防災(zāi)組織和個(gè)體行為。這類不確定性屬于主觀不確定性，存在于社會組織體系、社區(qū)等管理單元和個(gè)體行為等多方面，屬于社會科學(xué)內(nèi)容。長期以來，我國形成了政府主導(dǎo)、多方參與、協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)、共同應(yīng)對的防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作格局，建立了相對完善的責(zé)任制體系。但是以責(zé)任人為主體的防災(zāi)組織是脆弱的，責(zé)任鏈條極易因人員變動(dòng)、責(zé)任心不足、從事其它社會活動(dòng)、不能正常使用報(bào)警設(shè)備等而中斷。另外，個(gè)體防災(zāi)意識淡薄和能力不足、降雨期間在山洪溝內(nèi)生產(chǎn)或旅游、不服從避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移指揮或遇山洪反應(yīng)不當(dāng)?shù)?，都將增加監(jiān)測預(yù)警行動(dòng)或應(yīng)急響應(yīng)的不確定性。

6 結(jié)論與建議

以山洪災(zāi)害防治連續(xù)統(tǒng)概念模型為核心構(gòu)建了山洪災(zāi)害防治理論技術(shù)框架，鑒于山洪災(zāi)變過程的復(fù)雜性和防治措施的系統(tǒng)性影響特征，這一概念模型中各要素及其相互關(guān)系的描述并不完全一一對應(yīng)，但從中可反映孕災(zāi)環(huán)境（危險(xiǎn)性）-承災(zāi)體（脆弱性）-山洪災(zāi)害（損失）-防災(zāi)措施之間的有機(jī)聯(lián)系和相互影響，有助于從全局出發(fā)厘清山洪災(zāi)害防治所面對的問題與挑戰(zhàn)、制定防治方略和落實(shí)防治措施。從國內(nèi)外山洪災(zāi)害防治實(shí)踐來看，以監(jiān)測預(yù)警與群測群防為核心的非工程措施體系建設(shè)仍是當(dāng)前最行之有效的災(zāi)害防御手段，但這一非工程措施體系的構(gòu)建需要解決暴雨洪水監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警等方面存在的突出短板問題，減弱不確定因素影響，增強(qiáng)監(jiān)測預(yù)警和響應(yīng)時(shí)效。為有效提高山洪災(zāi)害防治成效，需系統(tǒng)應(yīng)用各類山洪災(zāi)害防治措施以實(shí)現(xiàn)保障山丘區(qū)經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展的防災(zāi)減災(zāi)目標(biāo)。