大石山區洪澇災害水文測報技術研究與應用

覃 毅，黃曉林

（1.河池水文中心南丹水文中心站，廣西 南丹 547200；2.河池水文中心，廣西 河池 547000）

突發性強降雨時導致洪澇災害損失嚴重的主要因子之一，雨量閾值預警預報作為一項重要的防災減災非工程措施，是減少洪災損失的重要手段和方法之一[1]。本研究以廣西南丹縣為研究對象，通過多源數據耦合，利用流域地形地貌特征信息，對大石山區致災臨界水量、臨界雨量值進行統計分析，得出以短臨降雨預報和前期雨量為先導，以雨量閾值為預警控制條件的洪澇災害預警模式，以期延長大石山區洪澇災害預見期，為防災減災提供科學依據。

1 研究區概況

南丹縣位于廣西西北部，云貴高原南麓，地形地貌復雜，是名副其實的大石山區，不少河流穿行于巖溶發育地帶的溶洞之中，忽出忽入，反復變換，遭受強降雨時，暗河水滿，溢出地面，無處流淌，滯塞于低洼谷地中，此時則出現不少短暫（4～6 d）的山間小湖。這種“十日無雨到處干，一場大雨到處淹”是南丹縣水文特點的生動寫照。洪澇災害是南丹縣乃至廣西巖溶大石山區最為嚴重的自然災害之一且日趨頻繁，嚴重制約著本地區的農業經濟發展，已成為該地區社會經濟發展的障礙。因此，探索大石山區洪澇災害預警雨量閾值，向當地提前發出預警信息對促進本地區防災減災和農業的可持續發展具有現實意義。

2 數據來源

2.1 水利部門

收集南丹縣易澇區調查資料，具體資料包含：易洪易澇區地名、澇區面積、澇區人口、耕地面積、災情簡單描述、澇區涉及河流、成澇原因等，再利用衛星地圖收集相應易洪易澇區的經度、緯度、高程等地理信息，共得到南丹縣34個澇片。

2.2 水文部門

作為防汛減災工作的“尖兵”和“耳目”，南丹縣境內布設有8個水文（位）站，與之配套有50個雨量站點，數據資料有實時數據、歷史數據和基礎數據，實時數據包含：水文、雨量站點5 min實時監測數據，實時視頻監控，以及應急情況下人工監測數據；歷史數據包含：汛期降水量摘錄表、日月年降水量表、洪水摘錄表等；基礎數據包含：站網分布圖、水系圖、流域圖等。

2.3 氣象部門

降雨作為最重要的因子之一，大石山區洪澇災害預警預報對降雨預報的預見期和精準程度依賴性較高?；谥醒霘庀笈_公共服務平臺和廣西氣象服務終端的降雨數值預報服務產品，特別是可能致災的準確度較高的短臨氣象預報產品，如6、12 h降水預報（見圖1），以及廣西氣象平臺6 min河池市SWAN拼圖（見圖2）等基本滿足致災雨量預警的需求。

圖1 廣西0～24 h降水預報圖

3 洪澇區地理空間信息處理

3.1 繪制和推求洪澇區集水面積

利用GIS 應用軟件點繪南丹縣34 個洪澇災害隱患點地理空間分布，利用高分辨GIS 技術配準南丹縣DEM數據，對DEM數據進行填洼處理、流向提取、流量計算、河網矢量化，再疊加洪澇災害隱患點、河流、水文站、雨量站，在洪澇區最低點設置傾斜點（流域出口斷面），利用GIS 自動繪制傾斜點以上流域面積，即為該澇區的集水面積。南丹縣洪澇區分布見圖3。

圖3 南丹縣洪澇區地理空間分布圖

3.2 洪澇區水量推求

洪澇區水量推求有兩種方法，一是根據洪澇區調查成果表中對洪澇災害面積、災情、受災范圍的描述等確定洪澇區水面等高線，再通過GIS 軟件利用DEM 數據繪制的洪澇區流域1 m 等高線計算水面面積、水體體積；二是利用發生洪澇災害時的實測應急監測數據，包括實測水位、雨量、淹沒面積、水深、洪水調查測量記錄等，通過臺體方量計算公式（1）分層計算水量，累加得到總水體體積公式（2），水量計算公式如下：

式中：Hi是第i層的水層厚度，m；S上i為第i層的上層水面表面積，m2；S下i為第i層的下層水面表面積，m2；Q總為總水體體積，m3。

再將澇區水量換算為流域次徑流深，徑流深是指在某一時段內徑流總量平鋪在流域面積上所得的水層深度，計算公式為：

式中：F為洪澇區面積，km2；R為徑流深，mm。

3.3 洪澇區雨量閾值的計算

洪澇災害是短歷時暴雨和前期降雨共同作用的結果，南丹縣的34 個洪澇片區積水面積最小為8.7 km2，最大359.4 km2，平均面積81.6 km2，集水面積較小，本文以災害發生當天的前10 d的降雨總量作為特征值，集中反映下墊面和前期雨量對洪澇災害的影響程度，得出致災的前期雨量和災害發生的次降雨量關系，為了延長預見期，根據次降雨強度分布轉換成不同時段長（1 h、3 h、1 d）的特征雨量，從而得到不同時段長的雨量閾值。前期雨量、次降雨量、徑流深和雨量閾值關系如下：

式中：P閾值為雨量閾值，mm；P次為次降雨總量，mm；A為前期雨量影響系數；P前為前期雨量，mm。

前期雨量影響系數A的作用是將雨量閾值轉換為不同時段長的特征雨量，便于精準預報，由災區多場次洪澇災害統計分析而得，不同地區因地形、下墊面等因素差異常數不盡相同。南丹縣部分大石山區洪澇區雨量閾值成果見表1。

表1 南丹縣部分大石山區洪澇區雨量閾值成果

4 實例應用

南丹縣城關鎮位于南丹縣中部，是南丹縣城所在地，縣城主要河流為銅江。根據洪澇災害調查表，1983 年6 月和2019 年6 月，南丹縣城關鎮均出現強降雨，造成城區的銅江發生洪水漫堤，縣城至拉易村一帶出現嚴重內澇。1983 年6 月的洪澇災害歷時3 d，0.998 萬畝澇區內，受災作物0.46 萬畝，受災人口0.6 萬人，沖毀公路橋2 座、沖毀路面20 km、公路塌方20處。

采用GIS軟件配準南丹縣DEM數據，在進行繪制等高線、填洼、流向提取、流量計算和河網矢量化后，在河網最低處及流域出口斷面設置傾斜點，然后經過空間和水文分析得到該洪澇區的集水區（見圖4）。最后將柵格數據轉面投影得到洪澇區集水面積38.66 km2。

圖4 城關鎮-拉易和車河洪澇區

災情調查報告顯示，1983 年6 月，城關鎮至拉易一帶的災害以澇災為主，澇區平均水深為0.3 m，換算水量為199.70萬m3，換算成流域徑流深為51.7 mm。澇區內主要有南丹和小場兩個雨量站點，采用算術平均法計算面平均雨量，得到致災前10 d降雨總量為97.3 mm，次降水總量為129.5 mm，對時段雨量進行分析，得到該澇片不同時段的雨量閾值（見表1）。

2022 年6 月10～19 日，南丹縣城關鎮持續降雨，累計雨量達97.3 mm，接近觸發前期雨量閾值，20日0時，河池市發布暴雨紅色預警，05時，值班員利用GIS應用軟件把氣象雷達圖配準到南丹水文站網分布圖，發現城關鎮銅江、車河鎮刁江流域將出現大暴雨，觸發洪澇災害雨量閾值預警信號，06時，南丹水文中心站發布洪水藍色預警，預計未來1～5 h，銅江城關鎮河段、刁江車河鎮河段將出現超警戒水位洪水。此次降雨峰值出現在06時，刁江車河水文站于08 時20 分出現超警3.17 m 的洪峰水位，銅江小場水文站于11時出現超警1.14 m的洪峰水位。根據復盤分析，與以往等待主雨峰出現后再分析的預警發布不同，此次預警發布預見期延長了4 h，對集水面積小、匯流時間短的中小河流水文站而言，以短臨降雨預報和前期雨量為先導，以雨量閾值為預警控制條件的洪澇災害預警模式，延長大石山區洪澇災害預見期，為低洼地帶、內澇區、沿江危險區群眾轉移贏得更多時間。

5 結語

大石山區下墊面復雜，各洪澇區的下墊面情況不一，為了提高預警預報的精準度，一是要繼續收集洪澇災害信息，不斷補充完善資料庫中前期影響雨量和不同時段雨量閾值；二是加強與氣象部門溝通協作，提高短臨氣象預警服務精準度和氣象SWAN拼圖配準精度，熟練運用GIS等軟件，提高工作效率，及時發布洪澇預警預報信息。