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山洪灾害预警研究进展与展望

来源:职称驿站所属分类:农业经济科学论文发布时间:2018-07-24 10:22:14浏览:

   山洪灾害预警是当前世界各国防洪减灾研究的热点问题。基于国内外山洪灾害预警研究的总结分析,本文系统梳理了山洪灾害预警的技术内涵与关键环节,包括预警数据获取、预警模型计算、预警指标确定、预警不确定分析等四个方面。目前山洪灾害预警研究存在以下不足:多源预警数据融合分析有待加强;复杂下垫面条件下降雨径流关系研究不够深入;山洪灾害预警预报精度差;山洪灾害动态预警机制仍需完善。未来,攻克山洪灾害形成机理,构建山洪灾害立体感知体系预警系统,给出山洪灾害预警多指标的阈值区间,可作为山洪灾害预警发展的总体方向。

环境影响评价

  《环境影响评价》Environmental Impact Assessment(双月刊)曾用刊名:重庆环境科学;三峡环境与生态,2008年创刊,是国内外公开发行的环保科技期刊,由我国环境与生态领域的资深院士担任顾问,因而期刊具有较高的指导性和权威性。

  引言

  山洪是山区小流域由降雨引起的突发性、暴涨暴落的地表径流[1]。由于其成灾快,预测难,破坏性强等特点,已成为灾害性最强,预警预报最难的自然灾害之一[2-4]。据世界气象组织(WMO)统计,

  全球由山洪灾害引发的人员伤亡比率逐年上涨,经济每年损失达数百万美元。从 20 世纪开始,世界各国相继开展山洪灾害的预警预报研究。最早于 1969 年上线的美国山洪灾害预警系统(FFG),经过四十多年的研究与发展,目前已成为全世界应用最广,预报精度最高的山洪灾害预警系统之一。此外,还

  有欧洲的 EFFS 系统、澳大利亚的 ALERT 系统和马来西亚的 GEOREX FLOOD 系统等,这些系统都为山洪灾害预警提供了必要的技术支撑[5]。近年来,中国也加大了山洪灾害治理力度,2006 年国务院批复全国山洪灾害防治规划,启动山洪灾害防治试点建设,2009 年将试点范围扩展到全国 103 个县级行政区[6]。2010 年,水利部会同财政部等部门启动了全国山洪灾害防治县级非工程措施项目建设,至 2012 年初步建立了覆盖我国山洪灾害防治区 2058 个县、受益人口 1.5 亿人的监测预警系统和群测群防体系。2013 年,水利部、财政部印发了《全国山洪灾害防治项目实施方案(2013—2015 年)》,进一步补充完善山洪灾害防治非工程措施。截至 2015 年底,全国山洪灾害防治项目累计投入 289.4 亿元,其中中央财政补助资金 210.4 亿元,地方建设资金 79 亿元[7]。据统计,截至 2017 年 9 月,全国共有 25 个省(区、市)1275 个县(市、区)发布 49593 次县级山洪灾害预警,转移受山洪灾害威胁群众 332.6 万人,有效避免了人员伤亡。

  尽管各个国家已经在山洪灾害防治体系中开发了预警技术,实施了必要的预警措施,但山洪预警仍是山洪灾害防治体系中最难解决的重要一环。近十几年来,国内外学者从各自的学科领域出发,在山洪灾害预警方面进行了大量有意义的研究。如水文学、地理学、地质学、气象学、林学等领域,都对山洪灾害预警进行了不同层面和不同程度的研究。水文部门研究主要集中在山洪灾害预警指标临界雨量、临界流量、上滩流量等方面的研究;气象部门从山洪灾害暴发的根本原因降水预报与监测进行了深入探讨[8-9];林学领域通过对观察现有树木的树脂导管的疏密等要素来建立模型,利用植被的生物属性去推测历史山洪数据,从而进一步指导山洪灾害预警[10-11]。本文系统梳理了山洪灾害预警的技术内涵与关键环节,主要从:预警数据来源、预警模型计算、预警指标确定、预警不确定分析等四个方面的研究内容进行评述,并提出了未来山洪灾害预警问题及发展方向。

  1 预警数据获取

  山洪灾害预警数据可以分为预警实时数据及预警基础数据。其中预警实时数据是山洪灾害预警最核心的数据,主要包括定量降雨估计、定量降雨预报及实时土壤含水率等。预警基础数据对山洪灾

  害预警也十分重要,主要包括:历史水文数据,遥感地表数据,现场调研数据及技术挖掘数据等。下面对预警实时数据及基础数据获取技术的相关发展脉络和主要内容进行梳理。

  1.1 预警实时数据

  降雨监测是山洪预警的核心内容之一。降雨监测主要涉及到定量降雨估计及定量降雨预报技术。传统的降雨观测信息主要通过地面雨量站网对降雨数据进行收集,数据连续性差。近二十年来,天气雷达技术取得了长足发展,成为对台风、暴雨等强对流天气进行监测和预警的重要工具[12],同时全球范围内的天气雷达观测网逐步形成,监测预警精度不断提高。美国雷达观测网能够提供高精度实时全美的定制降雨数据[13];欧洲雷达观测网已经覆盖欧洲三十多个国家[14];我国目前已经初步形成覆盖全国的雷达观测网。近年来,基于卫星观测的降水产品成为降雨监测及灾害预警的主要工具[15-18],降雨估计精度大幅提高。一改以往纯粹的追求提高单项降雨观测技术的精度,多源降雨综合观测体系也应运而生,全球范围内逐步形成了以雨量站网-天气雷达-卫星遥感为代表的多源降雨综合观测体系,该体系正逐步应用于山洪灾害降雨预警观测。

  几十年来,科学工作者对降雨预报也进行了大量的科学研究,产生了很多定量降雨预报的方法:数值预报方法、统计预报方法及GPS水汽反演预报方法。目前,全球范围内大约30多个国家和地区主要通过数值预报方法进行日常天气预报[19]。我国到20世纪70年代末正式发布短期数值天气预报,此后逐步实现分析及预报自动化[20]。统计预报方法是中长期降水预报的重要方法。近年来,神经网络由于其自学习自适应性、容错性强及非线性等特点,逐渐成为降雨预报领域中的重要工具。GPS水汽探测技术起源于美国,利用大气折射率对气象参数的敏感性来研究大气状况[21]。GPS技术可以精确测量大气中的总水汽量,为降雨预测开创了新的技术途径。

  实时土壤含水率是影响山洪灾害预警预报又一重要指标,小范围区域可通过原位观测方法采集相关数据[22]。针对大尺度范围,遥感技术易获得大范围内土壤表面深度 10 cm 以内的实时水分含量[23-24]。研究表明利用微波卫星观测的实时土壤水分数据与实际调研数据吻合度很高[25-27],且具有全天时、全天候、和对土壤有穿透能力等特点,凸显了遥感技术的准确性与高效性,对山洪预警意义重大。

  1.2 预警基础数据

  山洪灾害预警不仅需要实时降雨估计及精确的降雨预报,同时需要借助基础数据进行预警建模。本文归纳为:历史水文数据、遥感地表数据、现场调研数据及技术挖掘数据。

  历史水文数据的连续性与准确性对山洪灾害模型建立影响重大,很多山区小流域地区,历史水文数据缺失严重,山洪灾害预报准确率很低。未来应针对山区小流域山洪灾害防治需求,对山洪灾害区域监测,积累相关水文数据。遥感地表数据通过先进的遥感技术获得高品质的区域性地形地貌、积雪和融化数据、土地利用情况及植被覆盖等区域下垫面的相关数据。在缺乏资料或无资料的区域小流域,这些资料为相关预警模型的建立提供了可能性。以往,山区山洪预警指标阈值的确定只能依据经验和零散的研究成果,比较粗放[28]。此时,现场调研就显得十分必要,有助于数据积累并实现山洪灾害科学预警。随着科学技术的发展,数据挖掘技术应运而生。Rodriguez-Morata 等利用树状地貌技术,通过对遭受山洪灾害侵袭的63棵樟子松树木的117个样品的树木年轮分析,补充了研究区域历史山洪灾害数据[11]。Ballesteros-Cánovas 等同样利用树状地貌技术,重建了历史山洪灾害的时空格局[10]。数据挖掘技术为解决山洪灾害水文数据缺乏问题提供了新思路。

  2 预警模型计算

  山洪灾害预警模型的构建一直是山洪预警研究的重要问题之一。由于水文观测记录严重不足,同时受山洪暴发复杂物理机制的影响,使得构建山洪预警模型成为一个科学难题。经过多年的理论及实践研究,发展了许多有效的研究方法及技术手段。从最初的粗放式的集总式水文模型分析到物理基础更加明确的分布式水文模型开发,从简单的降雨径流统计关系的回归分析到相对复杂的模糊数学模型技术,再从单一的模型评判到多模型耦合技术的实现,实现了定性估计到定量分析,统计估计到物理分析的转变。山洪灾害预警是一个复杂的系统工程,需根据历史水文资料,进行模型建立,求解预警指标值,进一步结合实时数据,进行预警决策。预警模型在山洪灾害预警中有重要地位。

  2.1 数据驱动模型

  数据驱动模型基本不考虑水文过程的物理机制,而以建立输入输出数据之间的最优数学关系为目标的黑箱子方法[29]。在山洪灾害预警中,其基本特征是:利用历史降雨数据及河流流量数据的统计关系进行山洪灾害流量预警。叶金印[30]采用数据驱动模型,提出了一种用于缺资料地区山洪预警方法,并在大别山区大沙河流域得到了较好的应用。在数据驱动模型中最为常用的是回归分析模型,主成分分析法等技术被引进到回归分析中,大大提高了回归分析的预报精度[31]。目前,回归分析仍然是流量预报中的重要方法[32-33]。模糊数学模型也是一种重要的数据驱动模型,在山洪灾害预警中,以对历史样本模式的模糊聚类为基础,计算待测状态的类别特征值,根据预报值与类别特征值之间的回归方程进行预报[34-35],很多学者也将模糊数学模型用于长期的流量预报[32-36]。此外数据驱动模型还有:时间序列模型、灰色系统模型、典型相关模型及近邻预报模型等。这些数据驱动模型针对山洪灾害特定特点进行改进已经逐渐应用于山洪灾害预警预测。

  2.2 预警水文模型

  山洪灾害预警中涉及的水文模型,主要有集总式水文模型,分布式及半分布式水文模型。20 世纪 50~60 年代,集总式水文模型逐渐被提出并应用于山洪灾害预警模型建立。美国国家气象局应用萨克拉门托模型[37]提出了山洪灾害指导(FFG)。最近开发的针对山洪灾害预警、基于物理过程的分布式水文模型还有 LISFLOOD 模型[41]、tRIBS 模型[42]及 BTOP 模型[43]等相关模型。半分布式水文模型考虑了模型参数在空间上的变异性,是介于集总模型和分布式水文模型之间的水文模型。我国的新安江模型及陕北模型若考虑参数的空间变异性,不同预警模型有各自的优缺点,具体如表 1 所示。为克服单一模型的不足,一些综合性模型及多方法应用技术,逐渐被推广到山洪灾害预警研究中,如水文模型统计分析结合、多模型集成及对比分析等。未来,应加强山洪灾害预警耦合模型的建立及应用。

  3 预警不确定性分析

  预报不确定性的分析处理,是山洪灾害预警的核心内容之一。合理的预警指标及模型的不确定性分析对山洪预警有着重要意义。基于概率论与数理统计、模糊数学理论、模糊随机理论及公理化方法理论等不确定性分析的基本理论[61-64],山洪灾害预警不确定性分析的方法被频繁开发。

  基于文献总结,本文归纳了相关学者在山洪灾害预警不确定性分析中的研究进展。过去,关于山洪灾害预警不确定性的研究较少。近十几年以来,山洪 预 警 不 确 定 性 逐 渐 成 为 研 究 热 点 ,Krzysztofowicz开发了基于贝叶斯概率分析河流水位预报系统[65];Yatheendradas 等指出初始坡面土

  壤水分显著影响模型的响应及预警精度[66];李俊,等利用集合平均预报、极值预报,引导对山洪采取分类应对措施[67];Lehbab-Boukezzi 等基于广义似然不确定性估计(GLUE)方法对HEC-HMS模型进行了不确定性分析,应用于特定地区的山洪灾害预警[68];Villarini 等研究了降雨不确定性与FFG模型的不确定性对山洪预警的联合影响[69];Chen和Yu提出了概率河流水位预报方法,该方法由支持向量回归得到的确定性预测和基于模糊推理的预报误差概率分布组成[70]。

  关于山洪灾害预警指标不确定性来源的研究视角可以归纳为,数据不确定性、模型不确定及综合考虑数据与模型不确定性等三方面。各学者研究侧重点具体如表4所示。由表4可以看出,整个不确定性分析发展过程,研究侧重点及考虑问题的角度不同。数据不确定性研究中,研究侧重点集中在降雨数据的预测及估计、土壤前期含水量变化的不确定性分析中,数据来源的不确定性很大程度上决定了山洪灾害预警的精度。模型不确定性研究主要集中在模型参数的不确定性,模型参数实质上是对山洪灾害成因要素的一个经验量化,尽管有部分参数可以获得准确值,但经验参数在很大程度上影响了预警精度,增大了预警的不确定性。

  总的来说,整个研究历程逐渐从研究对象的不确定分析,到研究方法的发展改进;从考虑数据不确定分析,到充分考虑模型参数不确定性分析;从单一的数据及模型的不确定性分析,到综合考虑数据及模型的双重不确定性分析,实现了不确定性分析的单一角度到多角度的转变,预警精度也在不断提高。

  然而,山洪灾害不确定性分析精度尚不能完全满足山洪预警,其根源在于历史基础资料本身在时间及空间上就不具有一致性,借助历史资料进行模型计算得到预警指标,从根本上讲,科学性就有待进一步论证。此外,山洪灾害动态预警本身也是考虑了不确定分析的一种,但目前大多动态预警主要针对的是土壤前期含水量及累计雨量的研究,对同一区域不同灾次之间地形起伏度的变化规律对山洪灾害产生的不确定性影响还未有报道。因此,全面考虑降雨、下垫面等物理因素及社会因素对山洪灾害形成的不同影响,深入探讨分析不同区域山洪灾害形成机理,是降低山洪灾害预警不确定性的根本途径。

  5 预警问题及展望

  山洪灾害因为空间尺度和物理形成过程的不同及其特殊性,面向山洪灾害及时可行的预警和灾防都是有难度的。预警效果的判定标准必须科学、有效和可行。本文结合国内外相关文献系统梳理了山洪灾害预警的技术内涵与关键环节,综合评述了山洪灾害预警数据获取、预警模型计算、预警指标确定及预警不确定性分析的研究进展。山洪灾害预警方面的研究已经取得了长足的进展,但仍然存在一些问题需要解决,未来研究方向应关注以下几点:

  (1)降雨是诱发山洪灾害的直接因素,山洪的发生与降雨量、降雨强度和降雨历时密切相关。因此降雨预报及估计很大程度上影响预警精度。目前,各国对降雨预报及估计的精度不断提高,但满足山丘区山洪预警还有一定差距。因此,摆脱传统的单一降雨数据源,加强多源降雨观测技术研究,提高对降雨尤其山区暴雨的时空分布的监测能力,注重多源降雨观测技术的开发,对山洪灾害预报预警具有重要意义。

  (2)目前,关于预警指标临界雨量的开发,多是借助统计归纳法及水文水力学法,通过历史资料的搜集或数据重建构建山洪灾害中降雨径流关系,进一步根据对应规律进行山洪灾害预警预报。事实上,复杂下垫面条件下降雨径流关系往往并不是一个函数关系,相反通常呈现的是复杂关系,如图6所示,图6表明,同样的降雨会造成不同的径流,这就为山洪灾害的准确预警增加很大难度。目前关于这方面的研究很少,因此加强复杂下垫面条件下降雨径流关系的情景研究,十分必要。

  (3)当前关于山洪灾害动态预警的研究多是从下垫面中的土壤含水量的变化及累计降雨量的角度进行,山洪暴发另一个很重要的原因——下垫面状态。如图7所示,山洪暴发一次,对应区域的下垫面状态从原始状态t0,可能变为起伏度更大的t1状态或者更小的t2状态,这种动态的下垫面状态的变化会对下次山洪产生较大影响,怎么有效及时地识别、量化这种影响,怎么建立变化、影响与下次预警的关系值得学者们的关注。

  (4)由于山洪灾害暴雨强度大,产汇流快,从降雨到山洪灾害形成历时短,因此,如何提高山洪灾害预警的预见期一直是相关研究中的难点,目前并没有较为成熟的相关成果。如何从空间关联、时间关联进一步提高预警预见期仍是山洪预警中的一个科学难题,需深入研究。

  (5)为最大限度的降低山洪灾害带来的损失,提高山洪灾害预警时效性,各国都针对山洪灾害威

  胁区,实施了多种工程措施及非工程措施,但针对山洪灾害预警的关于工程措施不同空间尺度作用效果研究及非工程措施(如无线预警站)的空间分布优化配置研究还鲜有报道,此方面也是值得研究的重要方面。

  总之,山洪灾害预警精度的保障需在深刻认知山洪灾害形成的关键机理的前提下,从数据获取、模型构建、设备应用、现场调研、专家讨论和民众参与等多方面构建山洪灾害立体感知体系预警系统,给出山洪灾害预警多指标的阈值区间,最终实现山洪灾害的精准预警。

《山洪灾害预警研究进展与展望》

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文章名称: 山洪灾害预警研究进展与展望

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