水情及山洪災(zāi)害預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)

1、-作者xxxx-日期xxxx水情及山洪災(zāi)害預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)【精品文檔】水情及山洪災(zāi)害預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)陳兵1,史世旺1,李會(huì)會(huì)2（1. 北京北科博研科技有限公司）（2. 北京金水信息技術(shù)發(fā)展有限公司）摘 要：預(yù)警系統(tǒng)主要根據(jù)實(shí)測(cè)或預(yù)報(bào)參數(shù)值（雨量、水位、流量、墑情、溫度）以及水庫(kù)等調(diào)度等信息，推測(cè)（或已經(jīng)發(fā)生）災(zāi)害發(fā)生的可能性、時(shí)間延遲、空間范圍；并根據(jù)發(fā)生災(zāi)害的可能性、危害性、時(shí)間差，制定應(yīng)急方案；并對(duì)應(yīng)急方法組織執(zhí)行，包括通知下達(dá)（通知方式可以是短信、電話傳真、廣播、互聯(lián)網(wǎng)等通知方式）和執(zhí)行方案 (如人員撤離、泄洪、財(cái)產(chǎn)保護(hù)等)，盡量減少和規(guī)避人民生命財(cái)產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失。關(guān)鍵詞：洪水、枯水、山洪、預(yù)

2、警發(fā)布、臨界雨量、動(dòng)態(tài)臨界、應(yīng)急預(yù)案0 引言山洪災(zāi)害是指由于降雨在山丘區(qū)引發(fā)的洪水災(zāi)害及由山洪誘發(fā)的泥石流、滑坡等對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成損失的災(zāi)害。山洪災(zāi)害的形成是由地形地貌、地層巖性、大氣降雨等多種因素綜合作用的結(jié)果, 其中降雨是最活躍、最主要的因素, 降雨量或雨強(qiáng)的控制性指標(biāo)(臨界雨量或臨界雨強(qiáng)) 是山洪災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)預(yù)警與制定綜合防治規(guī)劃方案的關(guān)鍵依據(jù)。山洪、泥石流的形成是自然因素和人類活動(dòng)綜合影響的結(jié)果。自然因素主要包括地形、地貌、巖性、構(gòu)造、降雨量及降雨強(qiáng)度、植被覆蓋率等，而人為因素主要指人為活動(dòng)強(qiáng)弱及對(duì)自然的改造程度等。水情災(zāi)害主要分為洪水和枯水災(zāi)害，根據(jù)水情預(yù)警依據(jù)洪水量級(jí)、

3、枯水程度及其發(fā)展態(tài)勢(shì)，由低至高分為四個(gè)等級(jí)，依次用藍(lán)色、黃色、橙色、紅色表示，即：洪水藍(lán)色預(yù)警（小洪水）、洪水黃色預(yù)警（中洪水）、洪水橙色預(yù)警（大洪水）、洪水紅色預(yù)警（特大洪水）；枯水藍(lán)色預(yù)警（輕度枯水）、枯水黃色預(yù)警（較重枯水）、枯水橙色預(yù)警（嚴(yán)重枯水）、枯水紅色預(yù)警（特別嚴(yán)重枯水）。1 需求概述“水文及山洪災(zāi)害預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)”主要圍繞實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、未來(lái)預(yù)報(bào)信息；通過(guò)對(duì)歷史的災(zāi)害和數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)，制訂相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)圖和特征指標(biāo)；通過(guò)模型對(duì)監(jiān)測(cè)和未來(lái)預(yù)報(bào)進(jìn)行分析數(shù)據(jù)，推測(cè)發(fā)生災(zāi)害的可能性，對(duì)有可能產(chǎn)生災(zāi)害的，根據(jù)級(jí)別發(fā)送給相關(guān)人員；相關(guān)人員對(duì)預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析、歸納、整理之后，決定是否啟動(dòng)預(yù)警；并

4、根據(jù)之前制訂的應(yīng)急預(yù)案，對(duì)社會(huì)公眾通過(guò)各種渠道進(jìn)行發(fā)布，并組織相關(guān)災(zāi)害影響區(qū)域人員和財(cái)產(chǎn)的轉(zhuǎn)移。 2 總體架構(gòu)水文及山洪災(zāi)害預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如下：預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)總體架構(gòu)圖數(shù)據(jù)采集層：主要由設(shè)備及雷達(dá)等采集到基礎(chǔ)要素?cái)?shù)據(jù)。支撐平臺(tái)層：主要由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)和WATF支撐平臺(tái)組成，完成軟件的基礎(chǔ)指標(biāo)、常數(shù)、視圖、用戶、權(quán)限、資源、GIS控制、數(shù)據(jù)管控及對(duì)上層應(yīng)用的支撐。調(diào)查評(píng)價(jià)層：對(duì)災(zāi)害及影響的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查并對(duì)歷史資料進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，給出預(yù)警模型的特征指標(biāo)。并根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，給出各種指標(biāo)的分級(jí)。實(shí)時(shí)預(yù)警層：通過(guò)臨界雨量模型、雨量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?dòng)態(tài)臨界雨量模型、水文預(yù)報(bào)方法計(jì)算可能產(chǎn)生的預(yù)計(jì)

5、值、時(shí)間和級(jí)別。預(yù)警應(yīng)用層：對(duì)預(yù)警產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、未來(lái)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)影像、氣象云圖，根據(jù)預(yù)警編制的應(yīng)急預(yù)案制定相關(guān)的預(yù)警發(fā)布和后續(xù)措施。水情雨情包括：雨量預(yù)警包括：3 系統(tǒng)功能 調(diào)查評(píng)價(jià)3.1.1 單站臨界雨量法單站臨界雨量法是通過(guò)對(duì)不同雨量站長(zhǎng)系列資料進(jìn)行綜合對(duì)比分析篩選, 計(jì)算出臨界雨量值, 對(duì)雨量站和雨量站點(diǎn)資料精度要求較高。同時(shí)可以根據(jù)單站臨界雨量推算出區(qū)域臨界雨量。 假設(shè)區(qū)域內(nèi)共有S個(gè)雨量站，共發(fā)生山洪災(zāi)害N次，共統(tǒng)計(jì)T個(gè)時(shí)間段的雨量，Rtij為t時(shí)段第i個(gè)雨量站第j次山洪災(zāi)害的最大雨量，則各站每個(gè)時(shí)間段N次統(tǒng)計(jì)值中，最小的一個(gè)為臨界雨量初值，即初步認(rèn)為這個(gè)值是臨界雨

6、量，計(jì)算公式如下：?jiǎn)握九R界雨量計(jì)算公式3.1.2 區(qū)域臨界雨量1 算平均值 （t=10分鐘、30分鐘過(guò)程雨量）區(qū)域平均臨界雨量可視為區(qū)域內(nèi)大范圍的平均情況，是即當(dāng)面降雨量超過(guò)時(shí)，區(qū)域內(nèi)有可能發(fā)生山洪災(zāi)害。2 統(tǒng)計(jì)最小值區(qū)域最小臨界雨量可視為區(qū)域內(nèi)致災(zāi)降雨強(qiáng)度的必要條件，即只有當(dāng)區(qū)域內(nèi)至少有一個(gè)測(cè)站雨強(qiáng)超過(guò)時(shí)，區(qū)域內(nèi)才有可能發(fā)生山洪災(zāi)害。3 統(tǒng)計(jì)最大值區(qū)域最大臨界雨量可視為區(qū)域內(nèi)發(fā)生山洪災(zāi)害的充分條件，即當(dāng)區(qū)域內(nèi)每個(gè)站點(diǎn)雨強(qiáng)都超過(guò)時(shí)，區(qū)域內(nèi)將會(huì)有大范圍的山洪災(zāi)害發(fā)生。3.1.3 區(qū)域臨界法 區(qū)域臨界雨量分析法所確定的區(qū)域山洪災(zāi)害臨界雨量可作為判斷區(qū)域內(nèi)有無(wú)山洪災(zāi)害發(fā)生的指標(biāo), 但無(wú)法判別區(qū)域內(nèi)受

7、災(zāi)面積的大小及災(zāi)害嚴(yán)重程度。但這種方法對(duì)資料要求不高，對(duì)于雨量站密度相對(duì)較小的區(qū)域，比較適用。統(tǒng)計(jì)N次山洪災(zāi)害各時(shí)段最大雨量面平均值的最小值，即為各時(shí)段區(qū)域山洪臨界雨量初值。區(qū)域臨界雨量計(jì)算公式3.1.4 災(zāi)害與降雨頻率分析法通過(guò)對(duì)災(zāi)害場(chǎng)次的調(diào)查，分析山洪災(zāi)害發(fā)生的頻率，分析計(jì)算與災(zāi)害相同頻率的降雨量、年最大雨量等值線圖和變差系數(shù)等值線圖，即可將山洪災(zāi)害區(qū)域的各頻率設(shè)計(jì)雨量可以計(jì)算出來(lái)，取與山洪災(zāi)害發(fā)生頻率相同的降雨量設(shè)計(jì)值即為臨界雨量初值，這里假定災(zāi)害與降雨同頻率，如根據(jù)資料分析認(rèn)為兩者不同頻率折算后，確定與災(zāi)害頻率相應(yīng)的降雨頻率，求出降雨設(shè)計(jì)值作為臨界雨量初值。通過(guò)與周邊鄰近地區(qū)的臨界雨量

8、進(jìn)行綜合對(duì)比分析，最后合理確定臨界雨量值。在計(jì)算設(shè)計(jì)面雨量時(shí)，如區(qū)域較小可以看作一個(gè)點(diǎn)（區(qū)域中心），區(qū)域較大應(yīng)考慮點(diǎn)面換算關(guān)系。頻率計(jì)算公式經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算公式如下：公式 0.1 經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算公式假設(shè)19502002年共發(fā)生災(zāi)害14次，那么災(zāi)害的發(fā)生頻率為P=14/(2003-1950+1)*100%=25.9%。離均系數(shù)計(jì)算公式離均系數(shù)計(jì)算公式如下：1）當(dāng)頻率不等于0時(shí)，計(jì)算公式為： = Cs/2*gaminv(1-p,4/Cs2,1)-2/Cs頻率不等于0的離均系數(shù)計(jì)算公式2）當(dāng)頻率等于0時(shí)，計(jì)算公式為： = norminv(1-p,0,1)頻率等于0的離均系數(shù)計(jì)算公式推算臨界雨量公式根據(jù)固定

9、時(shí)段長(zhǎng)的累計(jì)平均降雨量可以推算出固定時(shí)段長(zhǎng)的臨界雨量，公式為：臨界雨量X=（*Cv + 1）* 平均雨量3.1.4 災(zāi)害典型區(qū)域管理對(duì)典型區(qū)域信息進(jìn)行管理，包括典型區(qū)域名稱、描述、區(qū)域范圍。支持區(qū)域圈畫(huà)、自由圈畫(huà)、區(qū)域引用四種方式進(jìn)行典型區(qū)域范圍。其中自動(dòng)圈畫(huà)是通過(guò)DEM數(shù)據(jù)以及控制點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算區(qū)域的范圍；區(qū)域引用方式是典型區(qū)域范圍已經(jīng)通過(guò)其他專業(yè)GIS軟件加工完成的區(qū)域，這里只是引用；區(qū)域圈畫(huà)和自由圈畫(huà)是兩種人為的圈定設(shè)置區(qū)域范圍。3.2 實(shí)時(shí)預(yù)警 臨界雨量模型通過(guò)閾值對(duì)比的方式進(jìn)行預(yù)警。 對(duì)比充分考慮雨強(qiáng)、閾值（范圍）、時(shí)長(zhǎng)等影響，確認(rèn)災(zāi)害發(fā)生的必要條件和充分條件。3.2.2 臨界雨量經(jīng)

10、驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷慕邓ㄌ貏e是暴雨）是地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因，根據(jù)國(guó)內(nèi)最新的有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的研究及實(shí)測(cè)資料，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與降水強(qiáng)度、降水持續(xù)時(shí)間及間隔都有密切關(guān)系，尤其是于暴雨頻次具有很好的一致性，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的規(guī)模和類型與降雨量有明顯的正相關(guān)，而不同的降雨類型下災(zāi)害的發(fā)生情況有存在明顯的差異。但地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生并不與降雨過(guò)程同步，存在一定的滯后性，一般集中在降雨后72h內(nèi)發(fā)生。對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的降雨臨界值或預(yù)警指標(biāo)的選取上，要充分考慮到其合理性和復(fù)雜性。綜合考慮前期降雨過(guò)程、降雨類型、累積雨量和最新日雨量，基于監(jiān)測(cè)站的前期降雨進(jìn)行分析預(yù)警模型為：公式（或?qū)⒐睫D(zhuǎn)換成），其中：Rd 最新雨量;如去6h最新

11、觀測(cè)雨量或24h預(yù)測(cè)雨量;Rc 降雨量臨界值：在無(wú)前期降雨情況下誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的一般雨量;Rs 有效累積雨量算法一: 為巖土體雨量的經(jīng)驗(yàn)公式：式中為第0天的前期有效降雨量，k為有效降雨量系數(shù)(k<1)，為前第n天的降雨量，有效降雨量系數(shù)k表示巖土體對(duì)雨水滯留能力的大小，它由區(qū)域內(nèi)巖土體總體性質(zhì)決定，一般取0.84。算法二：取前nd有效累積雨量(其中n一般取10或13；a<1一般取0.8).圖 0.1有效降雨量與累計(jì)降雨量之相關(guān)曲線圖算法三：算法是當(dāng)天降雨量的累積降雨量，加上其前幾天的加權(quán)降雨量（每天累積降雨量分別乘一個(gè)百分比，時(shí)間距離越遠(yuǎn)、對(duì)災(zāi)害直接影響較小，乘上百分比越低）。C 表

12、示為經(jīng)驗(yàn)衰減系數(shù),取1.0左右，用于對(duì)累積雨量作用的放大縮小。將誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的降雨類型分為短歷時(shí)暴雨型及連續(xù)降雨型。對(duì)不同的降雨類型及不同的地址災(zāi)害易發(fā)區(qū)，其降雨量臨界值及經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)是變化的 ，應(yīng)耕具計(jì)算和檢驗(yàn)情況加以確定這。在系統(tǒng)中，有效累積降雨（前期降雨）針對(duì)短歷時(shí)暴雨型及連續(xù)降雨型，分別設(shè)置暴雨類型參數(shù)、綿雨類型參數(shù)，一般暴雨偏小、綿雨偏大。即根據(jù)用戶設(shè)定，系統(tǒng)計(jì)算監(jiān)測(cè)站一段時(shí)間內(nèi)(Rs) 有效累積降雨，判斷是采用“綿雨類型”還是“暴雨類型”參數(shù)，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)參數(shù)計(jì)算，最后與監(jiān)測(cè)站的臨界雨量值比較，判斷是否達(dá)到預(yù)警及預(yù)警等級(jí)。如下圖所示，如果監(jiān)測(cè)A站，時(shí)長(zhǎng)6小時(shí)(Rd中d=6)范圍內(nèi)，前期

13、10天內(nèi)有效累積降雨為51（大于50表示采用暴雨類型參數(shù), C=0.9），根據(jù)公式計(jì)算得到Rd+ Rs * 0.9值于臨界雨量對(duì)比，確定當(dāng)前預(yù)警等級(jí)。監(jiān)測(cè)站前期時(shí)長(zhǎng)有效降雨量系數(shù)K預(yù)警等級(jí)臨界雨量暴雨界定累計(jì)時(shí)長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)衰減系數(shù)C綿雨暴雨測(cè)站A10天級(jí)3005060.960.9級(jí)100測(cè)站B10天級(jí)2803040.960.9級(jí)80災(zāi)害與降雨頻率法計(jì)算參數(shù)表如果達(dá)到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，則返回預(yù)警記錄結(jié)果集。預(yù)警結(jié)果集包括監(jiān)測(cè)站編碼、監(jiān)測(cè)站名稱、預(yù)警等級(jí)、累計(jì)雨量、累計(jì)時(shí)長(zhǎng)等內(nèi)容。.3 動(dòng)態(tài)臨界雨量預(yù)警模型一般情況下，災(zāi)害的原因是由于局地暴雨形成洪水，導(dǎo)致河水急速上漲，水位超過(guò)河岸高度形成漫灘，上灘洪水對(duì)農(nóng)田和

14、房屋造成安全威脅，因此，通?？梢詫⒑铀┑乃欢榫渌弧８鶕?jù)上灘水位，結(jié)合實(shí)測(cè)河流斷面估算出相應(yīng)的流量，即為上灘流量，也可以稱為警戒流量。由于徑流是由降雨產(chǎn)生的，從達(dá)到上灘流量的時(shí)間往前推，在一定時(shí)間之內(nèi)的累計(jì)降雨量稱為警戒臨界雨量。臨界警戒指標(biāo)確定流程示意圖山洪的大小除了于降雨總量、降雨強(qiáng)度有關(guān)外，還和流域土壤飽和度或前期影響雨量指數(shù)(API)密切相關(guān)。因此，在建立山洪警戒臨界雨量指標(biāo)時(shí)，應(yīng)考慮山洪防治區(qū)中小流域土壤飽和情況，給出不同初始土壤含水量條件下的警戒臨界雨量。基于動(dòng)態(tài)臨界警戒雨量的山洪預(yù)警方法示意圖同飽和度下臨界警戒雨量示意圖.3 洪水臨界模型通過(guò)河流湖泊的設(shè)防水位、警戒水位

15、（流量）、保證水位（流量）、歷史最高水位（最大流量）和水庫(kù)的超過(guò)汛限水位、防洪高水位或正常高水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位等指標(biāo)信息進(jìn)行預(yù)警。.3 洪水經(jīng)驗(yàn)臨界模型借助如相關(guān)圖或API等經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模型,并結(jié)合洪水臨界模型相關(guān)閾值進(jìn)行預(yù)警。.3 枯水臨界模型通過(guò)河流湖泊的旱警（限）水位（流量）、30天來(lái)水量洪量與常年同期比60%、40%、25%、10%、水位（流量）同期月最低（小）、水位（流量）歷史最低（?。┑戎笜?biāo)信息進(jìn)行預(yù)警。 預(yù)警應(yīng)用通過(guò)一張圖展現(xiàn)預(yù)警列表,能通過(guò)不同的顏色和圖標(biāo)展示雨量、洪水、枯水告警及級(jí)別。可以在地圖上直接查看當(dāng)前測(cè)站的過(guò)程信息。雨量分析圖及未來(lái)雨量分析圖時(shí)段雨量等值面河道洪水告警預(yù)警列表3.4 預(yù)警發(fā)布預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)功能主要包括預(yù)警部門(mén)信息管理、預(yù)警人員信息管理、預(yù)警信息發(fā)布、預(yù)警反饋信息管理、歷史記錄管理、預(yù)警終端設(shè)備管理、預(yù)警信息獲取、短信隊(duì)列管理、自動(dòng)發(fā)送短信、自定義短信、信息發(fā)布模板設(shè)計(jì)、配置管理等12大功能模塊。發(fā)布對(duì)象選擇關(guān)聯(lián)測(cè)站選擇4系統(tǒng)特點(diǎn)1) 多種預(yù)警模型臨界模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?dòng)態(tài)臨界