学术研讨

山洪水位预警再认识

  • 发布时间:2017-07-31 17:30   浏览
  • 摘要: 在以溪河洪水为主的山洪沟采用水位预警的方式,具有物理概念直接、可靠性强、适用范围广的优势,尤其适用于支沟主沟汇流洪水顶托、流域内有调蓄工程、地下河或雪山融水
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何秉顺1,2  严建华3  
(1 中国水利水电科学研究院 北京100038 ;2 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心 北京 100038; 3 北京国信华源科技有限公司 北京 100053)


摘要:在以溪河洪水为主的山洪沟采用水位预警的方式,具有物理概念直接、可靠性强、适用范围广的优势,尤其适用于支沟主沟汇流洪水顶托、流域内有调蓄工程、地下河或雪山融水等山洪预警,水位监测站配合本地化的预警设备还可对强行涉水过河、漂流、河边宿营等情况起到警示作用,因此必要提高水位预警重要性的认识。本文在总结已有应用经验的基础上,提出了加强水位预警的四点建议:(1)简易水位站应增加报警功能,形成一体化的简易水位报警器,根据应用条件,报警器也可与监测设备分离;(2)调整水位报警器的布设原则,将100平方公里每站的控制条件改为按照河流长度10-20公里间距布设;(3)根据下游保护对象分布与水位站预警区间范围,确定上游水位站的水位预警指标,增加洪水速升的预警指标,即使河道内水位未达到洪水上岸预警指标,河道内水位速升时也应发出预警信息;(4)在年降雨量达到800mm之上,沿河村落人口集中的区域可增加配置水位报警站,形成以雨量预警和水位预警互补的体系。此外,本文以日本富山县、神户市为例,介绍了日本山洪灾害采用水位站监测预警的情况。

关键词:山洪灾害,监测预警,水位,认识

1 前言
雨量和水位是山洪灾害预警的重要指标,2010年以来,我国持续开展山洪灾害防治项目建设,建设4.5万个自动雨量监测站,1.7万个自动水位监测站,雨量站与水位站数量对比约为2.8:1[1],同时还建设了大量简易雨量报警器、简易水位站,形成了覆盖山洪灾害防治区的监测网络。根据现阶段山洪灾害调查评价审核汇集成果(截止到2016年6月初),各地在开展山洪灾害调查评价时,以雨量预警指标为主,雨量预警指标和水位预警指标数量之比为6.4:1。由此可见,水位预警在整个山洪灾害防治体系中并未得到足够重视。本文分析了水位预警的优势,提出了加强水位预警的四点建议。此外,还以日本为例,介绍了日本富山县及神户市采用水位站监测预警山洪灾害的情况。

2 水位预警的优势
2.1 物理概念直接
山洪灾害主要是由降雨引起的溪河洪水、滑坡、泥石流等灾害。根据2012-2015年山洪灾害事件统计,造成人员伤亡的山洪灾害事件其中50%以上为溪河洪水灾害。对于溪河洪水灾害,当前主要采用雨量预警或水位预警。对于当地群众而言,最为熟悉的指标是本地河流上涨幅度,采用水位预警指标物理概念相对直接。

2.2 可靠性强
由降雨发生、发展至产流、汇流、洪峰传播、成灾是一系列复杂的水文过程,采用雨量预警时,常常受到降雨预报不准确、水文模型不合理、人为活动等因素影响,而水位预警则省去了由雨转换为水的过程,可靠性要强很多。

2.3 适用范围广
山洪灾害常见有支沟主沟汇流洪水顶托、山塘、小水库等调蓄工程、地下河或雪山融水、流木堵桥等情况,这种山洪体现在降雨和洪水没有直接对应关系,只能采用水位进行预警,因此,水位预警在山洪灾害防御中有其独特的作用,适用范围较广。
但是,相比雨量预警,水位预警对应的响应时间较短,缺少了产流、汇流的时间,只有洪水演进的时间可资利用。

3 加强水位预警的建议
2.1 简易水位报警器
简易水位站是随着山洪灾害防治非工程措施项目建设而逐渐发展起来的,最初的方式为简易的水尺桩,水尺桩可为木桩或石柱型,对于无条件建桩的监测站,选择离河边较近的固定建筑物或岩石上标注水位刻度;水位监测尺的刻度以方便监测员直接读数为设置原则,并根据各监测点实际情况,标注预警水位。
2013年以后,效仿简易雨量报警器,简易水位站也增加了报警功能,逐步发展成为了简易水位报警器。简易水位报警器用于沿河村落河流(溪沟)控制断面附近水位监测报警,具有实时水位监测、预警水位(准备转移、立即转移)阈值设定、报警以及报警数据查看等功能。当河流水位达到预警阈值时,可通过声、光信号自动进行原位报警,同时通过无线和有线方式将预警信号传输至下游报警终端,通过声、光同步报警(见图1)。简易水位报警器具有以下特点:
(1)水位监测和报警设备可一体化,进行原位报警;监测与报警设备也可分离,以实现上游监测、下游报警;
(2)简易水位报警器主要用于洪水上岸情况下的山洪预警,同时还可对强行涉水过河、漂流、河边宿营等河道内人员活动起到警示作用。

 
图1 简易水位报警器布设示意图

2.1 按河长布设水位监测站
2010年印发的《山洪灾害防治非工程措施建设技术要求》、2013年印发的《山洪灾害防治非工程措施补充完善技术要求》对水位监测站布设做了如下规定。
(1)面积超过100km2的山洪灾害严重的流域,且河流沿岸为县、乡政府所在地或人口密集区、重要工矿企业和基础设施的,布设自动水位监测站。
(2)流域面积100km2以下的山洪灾害严重的小流域,河流沿岸有人口较为集中的居民区或有较重要工矿企业、较重要的基础设施,布设简易水位监测站。其它小流域,根据实际情况因地制宜布设简易水位监测站。
(3)对于下游有居民集中居住的水库、山塘,没有水位监测设施的,适当增设水位监测设施。对重要的小(一)型水库,可适当布设自动水位监测站。
(4)水位站布设地点应考虑预警时效、影响区域、控制范围等因素综合确定,尽量在山洪沟河道出口、水库、山塘坝前和人口居住区、工矿企业、学校等防护目标上游。
(5)站网布设时应考虑通信、交通等运行管理维护条件。
可见,自动水位监测站布设的控制条件是流域面积100km2以上,重点布设于县、乡政府所在地、重要的小(一)型水库等部位;简易水位监测站则布设于人口集中的居民区等部位。事实上,无论是自动水位监测站还是简易水位报警器,均应根据河流的分布,布置于河流沿线。根据日本的经验,水位站布设的河长间距在10-20km之间[4]。修正后的布设原则为:
(1)山洪灾害严重的流域,按照河长间距在10-20km之间布设水位监测站。
(2)水位站布设地点应考虑预警时效、影响区域、控制范围等因素综合确定,尽量在山洪沟河道出口、山塘坝前和人口居住区、工矿企业、学校等防护目标上游。如安装简易水位报警器,报警器可放置于保护对象区内。

2.2 确定预警指标
临界水位是水位预警方式的核心参数,指防灾对象上游具有代表性和指示性地点的水位;在该水位时,洪水从水位代表性地点演进至下游沿河村落、集镇、城镇以及工矿企业和基础设施等预警对象控制断面处,水位会到达成灾水位,可能会造成山洪灾害。临界水位通过上下游相应水位法和成灾水位法进行分析。
一般下游防护对象成灾水位对应的上游监测站水位为立即转移水位,具体操作中,将立即转移水位降低一定幅度,已确保有足够时间做好转移疏散的准备,此水位为准备转移水位。
山洪从水位站演进至下游预警对象的时间往往时间很短,给预警信息传递和人员转移带来很大的困难,为了解决此问题,需增加洪水速升的预警指标,如图2所示,在准备转移线以下设置一个水位上涨速率检测区间,即使河道内水位未达到洪水上岸预警指标,河道内水位速升时达到已预设的上涨速率时也发出预警信息。
 
图2 水位上涨速率检测区间

2.4 建立雨量、水位互补的预警体系
在年降雨量达到800mm之上,沿河村落人口集中的区域可增加配置水位监测站,形成以雨量预警和水位预警互补的体系。降雨发生后,首先根据雨强进行警戒,而后根据雨情、水情的发展逐步启动雨量预警指标、水位预警指标,以提高预警指标体系的可靠度,弥补单独用雨量或单独用水位预警而带来的自身缺陷。

4 日本山洪灾害水位预警情况
日本已实现所有山洪站灾害危险区雨水情实时监测,共建有8821个自动雨量站、5576个自动水位站,所有自动监测站点采用超短波传输数据,10分钟一报。在日本国土交通省雨水情查询和预警发布系统(www.river.go.jp)及各都道府县防汛信息查询系统上可查询任意一站实时监测信息。
以富山县为例,富山县国土面积4400平方公里,共建有自动水位站86个,在各河流间距5-10km就有一个水位站。
 
图3 富山县自动水位站布设情况
此外,日本还特别注重简易水位报警器的建设,简易水位报警器安装配置回转警灯和喇叭,当河流水位达到预警阈值时,可通过声、光信号自动进行原位报警,同时通过无线和有线方式将预警信号传输至下游报警终端。2008年日本神户港发生了一起山洪灾害,一个流域面积仅为8.7km2 的河流在10分钟内水位上涨1.34m,导致在桥下避雨的5人遇难(包括3名儿童),神户市防汛部门经过反思,决定大范围安装简易水位报警器,共在神户港周边30条独留入海的河流安装了81台简易水位报警器[5]

5 结语
(1)在以溪河洪水为主的山洪沟采用水位预警的方式,具有物理概念直接、可靠性强、适用范围广的优势,水位监测站配合本地化的预警设备还可对强行涉水过河、漂流、河边宿营等情况起到警示作用,在山洪灾害防御中具有其独特的作用。
(2)本文提出了加强水位预警的四点建议:一是建设简易水位报警器;二是调整水位报警器的布设原则;三是根据下游保护对象分布和预警区间范围,确定上游水位站的水位预警指标,增加洪水速升的预警指标;四是逐步形成以雨量预警和水位预警互补的山洪灾害防御体系。

6 参考文献
[1] 国家防汛抗旱总指挥部办公室.全国山洪灾害防治县级非工程措施建设管理总结报告[R].2013.7
[2] 国家防汛抗旱总指挥部办公室.山洪灾害防治非工程措施技术要求[R].2010.9
[3] 国家防汛抗旱总指挥部办公室.山洪灾害防治非工程措施补充完善技术要求[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