山洪水位預警再認識
何秉順1,2 嚴建華3
(1 中國水利水電科學(xué)研究院 北京100038 ;2 水利部防洪抗旱減災工程技術(shù)研究中心 北京 100038; 3 北京國信華源科技有限公司 北京 100053)
摘要:在以溪河洪水為主的山洪溝采用水位預警的方式,具有物理概念直接、可靠性強、適用范圍廣的優(yōu)勢,尤其適用于支溝主溝匯流洪水頂托、流域內有調蓄工程、地下河或雪山融水等山洪預警,水位監測站配合本地化的預警設備還可對強行涉水過(guò)河、漂流、河邊宿營(yíng)等情況起到警示作用,因此必要提高水位預警重要性的認識。本文在總結已有應用經(jīng)驗的基礎上,提出了加強水位預警的四點(diǎn)建議:(1)簡(jiǎn)易水位站應增加報警功能,形成一體化的簡(jiǎn)易水位報警器,根據應用條件,報警器也可與監測設備分離;(2)調整水位報警器的布設原則,將100平方公里每站的控制條件改為按照河流長(cháng)度10-20公里間距布設;(3)根據下游保護對象分布與水位站預警區間范圍,確定上游水位站的水位預警指標,增加洪水速升的預警指標,即使河道內水位未達到洪水上岸預警指標,河道內水位速升時(shí)也應發(fā)出預警信息;(4)在年降雨量達到800mm之上,沿河村落人口集中的區域可增加配置水位報警站,形成以雨量預警和水位預警互補的體系。此外,本文以日本富山縣、神戶(hù)市為例,介紹了日本山洪災害采用水位站監測預警的情況。
關(guān)鍵詞:山洪災害,監測預警,水位,認識
1 前言
雨量和水位是山洪災害預警的重要指標,2010年以來(lái),我國持續開(kāi)展山洪災害防治項目建設,建設4.5萬(wàn)個(gè)自動(dòng)雨量監測站,1.7萬(wàn)個(gè)自動(dòng)水位監測站,雨量站與水位站數量對比約為2.8:1[1],同時(shí)還建設了大量簡(jiǎn)易雨量報警器、簡(jiǎn)易水位站,形成了覆蓋山洪災害防治區的監測網(wǎng)絡(luò )。根據現階段山洪災害調查評價(jià)審核匯集成果(截止到2016年6月初),各地在開(kāi)展山洪災害調查評價(jià)時(shí),以雨量預警指標為主,雨量預警指標和水位預警指標數量之比為6.4:1。由此可見(jiàn),水位預警在整個(gè)山洪災害防治體系中并未得到足夠重視。本文分析了水位預警的優(yōu)勢,提出了加強水位預警的四點(diǎn)建議。此外,還以日本為例,介紹了日本富山縣及神戶(hù)市采用水位站監測預警山洪災害的情況。
2 水位預警的優(yōu)勢
2.1 物理概念直接
山洪災害主要是由降雨引起的溪河洪水、滑坡、泥石流等災害。根據2012-2015年山洪災害事件統計,造成人員傷亡的山洪災害事件其中50%以上為溪河洪水災害。對于溪河洪水災害,當前主要采用雨量預警或水位預警。對于當地群眾而言,最為熟悉的指標是本地河流上漲幅度,采用水位預警指標物理概念相對直接。
2.2 可靠性強
由降雨發(fā)生、發(fā)展至產(chǎn)流、匯流、洪峰傳播、成災是一系列復雜的水文過(guò)程,采用雨量預警時(shí),常常受到降雨預報不準確、水文模型不合理、人為活動(dòng)等因素影響,而水位預警則省去了由雨轉換為水的過(guò)程,可靠性要強很多。
2.3 適用范圍廣
山洪災害常見(jiàn)有支溝主溝匯流洪水頂托、山塘、小水庫等調蓄工程、地下河或雪山融水、流木堵橋等情況,這種山洪體現在降雨和洪水沒(méi)有直接對應關(guān)系,只能采用水位進(jìn)行預警,因此,水位預警在山洪災害防御中有其獨特的作用,適用范圍較廣。
但是,相比雨量預警,水位預警對應的響應時(shí)間較短,缺少了產(chǎn)流、匯流的時(shí)間,只有洪水演進(jìn)的時(shí)間可資利用。
3 加強水位預警的建議
3.1 簡(jiǎn)易水位報警器
簡(jiǎn)易水位站是隨著(zhù)山洪災害防治非工程措施項目建設而逐漸發(fā)展起來(lái)的,最初的方式為簡(jiǎn)易的水尺樁,水尺樁可為木樁或石柱型,對于無(wú)條件建樁的監測站,選擇離河邊較近的固定建筑物或巖石上標注水位刻度;水位監測尺的刻度以方便監測員直接讀數為設置原則,并根據各監測點(diǎn)實(shí)際情況,標注預警水位。
2013年以后,效仿簡(jiǎn)易雨量報警器,簡(jiǎn)易水位站也增加了報警功能,逐步發(fā)展成為了簡(jiǎn)易水位報警器。簡(jiǎn)易水位報警器用于沿河村落河流(溪溝)控制斷面附近水位監測報警,具有實(shí)時(shí)水位監測、預警水位(準備轉移、立即轉移)閾值設定、報警以及報警數據查看等功能。當河流水位達到預警閾值時(shí),可通過(guò)聲、光信號自動(dòng)進(jìn)行原位報警,同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)方式將預警信號傳輸至下游報警終端,通過(guò)聲、光同步報警(見(jiàn)圖1)。簡(jiǎn)易水位報警器具有以下特點(diǎn):
(1)水位監測和報警設備可一體化,進(jìn)行原位報警;監測與報警設備也可分離,以實(shí)現上游監測、下游報警;
(2)簡(jiǎn)易水位報警器主要用于洪水上岸情況下的山洪預警,同時(shí)還可對強行涉水過(guò)河、漂流、河邊宿營(yíng)等河道內人員活動(dòng)起到警示作用。
圖1 簡(jiǎn)易水位報警器布設示意圖
3.2 按河長(cháng)布設水位監測站
2010年印發(fā)的《山洪災害防治非工程措施建設技術(shù)要求》、2013年印發(fā)的《山洪災害防治非工程措施補充完善技術(shù)要求》對水位監測站布設做了如下規定。
(1)面積超過(guò)100km2的山洪災害嚴重的流域,且河流沿岸為縣、鄉政府所在地或人口密集區、重要工礦企業(yè)和基礎設施的,布設自動(dòng)水位監測站。
(2)流域面積100km2以下的山洪災害嚴重的小流域,河流沿岸有人口較為集中的居民區或有較重要工礦企業(yè)、較重要的基礎設施,布設簡(jiǎn)易水位監測站。其它小流域,根據實(shí)際情況因地制宜布設簡(jiǎn)易水位監測站。
(3)對于下游有居民集中居住的水庫、山塘,沒(méi)有水位監測設施的,適當增設水位監測設施。對重要的?。ㄒ唬┬退畮?,可適當布設自動(dòng)水位監測站。
(4)水位站布設地點(diǎn)應考慮預警時(shí)效、影響區域、控制范圍等因素綜合確定,盡量在山洪溝河道出口、水庫、山塘壩前和人口居住區、工礦企業(yè)、學(xué)校等防護目標上游。
(5)站網(wǎng)布設時(shí)應考慮通信、交通等運行管理維護條件。
可見(jiàn),自動(dòng)水位監測站布設的控制條件是流域面積100km2以上,重點(diǎn)布設于縣、鄉政府所在地、重要的?。ㄒ唬┬退畮斓炔课?;簡(jiǎn)易水位監測站則布設于人口集中的居民區等部位。事實(shí)上,無(wú)論是自動(dòng)水位監測站還是簡(jiǎn)易水位報警器,均應根據河流的分布,布置于河流沿線(xiàn)。根據日本的經(jīng)驗,水位站布設的河長(cháng)間距在10-20km之間[4]。修正后的布設原則為:
(1)山洪災害嚴重的流域,按照河長(cháng)間距在10-20km之間布設水位監測站。
(2)水位站布設地點(diǎn)應考慮預警時(shí)效、影響區域、控制范圍等因素綜合確定,盡量在山洪溝河道出口、山塘壩前和人口居住區、工礦企業(yè)、學(xué)校等防護目標上游。如安裝簡(jiǎn)易水位報警器,報警器可放置于保護對象區內。
3.3 確定預警指標
臨界水位是水位預警方式的核心參數,指防災對象上游具有代表性和指示性地點(diǎn)的水位;在該水位時(shí),洪水從水位代表性地點(diǎn)演進(jìn)至下游沿河村落、集鎮、城鎮以及工礦企業(yè)和基礎設施等預警對象控制斷面處,水位會(huì )到達成災水位,可能會(huì )造成山洪災害。臨界水位通過(guò)上下游相應水位法和成災水位法進(jìn)行分析。
一般下游防護對象成災水位對應的上游監測站水位為立即轉移水位,具體操作中,將立即轉移水位降低一定幅度,已確保有足夠時(shí)間做好轉移疏散的準備,此水位為準備轉移水位。
山洪從水位站演進(jìn)至下游預警對象的時(shí)間往往時(shí)間很短,給預警信息傳遞和人員轉移帶來(lái)很大的困難,為了解決此問(wèn)題,需增加洪水速升的預警指標,如圖2所示,在準備轉移線(xiàn)以下設置一個(gè)水位上漲速率檢測區間,即使河道內水位未達到洪水上岸預警指標,河道內水位速升時(shí)達到已預設的上漲速率時(shí)也發(fā)出預警信息。
圖2 水位上漲速率檢測區間
3.4 建立雨量、水位互補的預警體系
在年降雨量達到800mm之上,沿河村落人口集中的區域可增加配置水位監測站,形成以雨量預警和水位預警互補的體系。降雨發(fā)生后,首先根據雨強進(jìn)行警戒,而后根據雨情、水情的發(fā)展逐步啟動(dòng)雨量預警指標、水位預警指標,以提高預警指標體系的可靠度,彌補單獨用雨量或單獨用水位預警而帶來(lái)的自身缺陷。
4 日本山洪災害水位預警情況
日本已實(shí)現所有山洪站災害危險區雨水情實(shí)時(shí)監測,共建有8821個(gè)自動(dòng)雨量站、5576個(gè)自動(dòng)水位站,所有自動(dòng)監測站點(diǎn)采用超短波傳輸數據,10分鐘一報。在日本國土交通省雨水情查詢(xún)和預警發(fā)布系統(www.river.go.jp)及各都道府縣防汛信息查詢(xún)系統上可查詢(xún)任意一站實(shí)時(shí)監測信息。
以富山縣為例,富山縣國土面積4400平方公里,共建有自動(dòng)水位站86個(gè),在各河流間距5-10km就有一個(gè)水位站。
圖3 富山縣自動(dòng)水位站布設情況
此外,日本還特別注重簡(jiǎn)易水位報警器的建設,簡(jiǎn)易水位報警器安裝配置回轉警燈和喇叭,當河流水位達到預警閾值時(shí),可通過(guò)聲、光信號自動(dòng)進(jìn)行原位報警,同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)方式將預警信號傳輸至下游報警終端。2008年日本神戶(hù)港發(fā)生了一起山洪災害,一個(gè)流域面積僅為8.7km2 的河流在10分鐘內水位上漲1.34m,導致在橋下避雨的5人遇難(包括3名兒童),神戶(hù)市防汛部門(mén)經(jīng)過(guò)反思,決定大范圍安裝簡(jiǎn)易水位報警器,共在神戶(hù)港周邊30條獨留入海的河流安裝了81臺簡(jiǎn)易水位報警器[5]。
5 結語(yǔ)
(1)在以溪河洪水為主的山洪溝采用水位預警的方式,具有物理概念直接、可靠性強、適用范圍廣的優(yōu)勢,水位監測站配合本地化的預警設備還可對強行涉水過(guò)河、漂流、河邊宿營(yíng)等情況起到警示作用,在山洪災害防御中具有其獨特的作用。
(2)本文提出了加強水位預警的四點(diǎn)建議:一是建設簡(jiǎn)易水位報警器;二是調整水位報警器的布設原則;三是根據下游保護對象分布和預警區間范圍,確定上游水位站的水位預警指標,增加洪水速升的預警指標;四是逐步形成以雨量預警和水位預警互補的山洪災害防御體系。
6 參考文獻
[1] 國家防汛抗旱總指揮部辦公室.全國山洪災害防治縣級非工程措施建設管理總結報告[R].2013.7
[2] 國家防汛抗旱總指揮部辦公室.山洪災害防治非工程措施技術(shù)要求[R].2010.9
[3] 國家防汛抗旱總指揮部辦公室.山洪災害防治非工程措施補充完善技術(shù)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
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