水情及山洪灾害预警发布系统

1、-作者xxxx-日期xxxx水情及山洪灾害预警发布系统【精品文档】水情及山洪灾害预警发布系统陈兵1,史世旺1,李会会2（1. 北京北科博研科技有限公司）（2. 北京金水信息技术发展有限公司）摘 要：预警系统主要根据实测或预报参数值（雨量、水位、流量、墒情、温度）以及水库等调度等信息，推测（或已经发生）灾害发生的可能性、时间延迟、空间范围；并根据发生灾害的可能性、危害性、时间差，制定应急方案；并对应急方法组织执行，包括通知下达（通知方式可以是短信、电话传真、广播、互联网等通知方式）和执行方案 (如人员撤离、泄洪、财产保护等)，尽量减少和规避人民生命财产和国民经济损失。关键词：洪水、枯水、山洪、预

2、警发布、临界雨量、动态临界、应急预案0 引言山洪灾害是指由于降雨在山丘区引发的洪水灾害及由山洪诱发的泥石流、滑坡等对国民经济和人民生命财产造成损失的灾害。山洪灾害的形成是由地形地貌、地层岩性、大气降雨等多种因素综合作用的结果, 其中降雨是最活跃、最主要的因素, 降雨量或雨强的控制性指标(临界雨量或临界雨强) 是山洪灾害气象预报预警与制定综合防治规划方案的关键依据。山洪、泥石流的形成是自然因素和人类活动综合影响的结果。自然因素主要包括地形、地貌、岩性、构造、降雨量及降雨强度、植被覆盖率等，而人为因素主要指人为活动强弱及对自然的改造程度等。水情灾害主要分为洪水和枯水灾害，根据水情预警依据洪水量级、

3、枯水程度及其发展态势，由低至高分为四个等级，依次用蓝色、黄色、橙色、红色表示，即：洪水蓝色预警（小洪水）、洪水黄色预警（中洪水）、洪水橙色预警（大洪水）、洪水红色预警（特大洪水）；枯水蓝色预警（轻度枯水）、枯水黄色预警（较重枯水）、枯水橙色预警（严重枯水）、枯水红色预警（特别严重枯水）。1 需求概述“水文及山洪灾害预警发布系统”主要围绕实时监测信息、未来预报信息；通过对历史的灾害和数据进行调查评价，制订相关的风险图和特征指标；通过模型对监测和未来预报进行分析数据，推测发生灾害的可能性，对有可能产生灾害的，根据级别发送给相关人员；相关人员对预警数据进一步分析、归纳、整理之后，决定是否启动预警；并

4、根据之前制订的应急预案，对社会公众通过各种渠道进行发布，并组织相关灾害影响区域人员和财产的转移。 2 总体架构水文及山洪灾害预警发布系统总体架构图如下：预警发布系统总体架构图数据采集层：主要由设备及雷达等采集到基础要素数据。支撑平台层：主要由统计数据接收平台和WATF支撑平台组成，完成软件的基础指标、常数、视图、用户、权限、资源、GIS控制、数据管控及对上层应用的支撑。调查评价层：对灾害及影响的社会经济数据进行调查并对历史资料进行分析评价，给出预警模型的特征指标。并根据社会经济数据，给出各种指标的分级。实时预警层：通过临界雨量模型、雨量经验模型、动态临界雨量模型、水文预报方法计算可能产生的预计

5、值、时间和级别。预警应用层：对预警产生的数据进行分析，包括对实时数据、未来数据、监测影像、气象云图，根据预警编制的应急预案制定相关的预警发布和后续措施。水情雨情包括：雨量预警包括：3 系统功能 调查评价3.1.1 单站临界雨量法单站临界雨量法是通过对不同雨量站长系列资料进行综合对比分析筛选, 计算出临界雨量值, 对雨量站和雨量站点资料精度要求较高。同时可以根据单站临界雨量推算出区域临界雨量。 假设区域内共有S个雨量站，共发生山洪灾害N次，共统计T个时间段的雨量，Rtij为t时段第i个雨量站第j次山洪灾害的最大雨量，则各站每个时间段N次统计值中，最小的一个为临界雨量初值，即初步认为这个值是临界雨

6、量，计算公式如下：单站临界雨量计算公式3.1.2 区域临界雨量1 算平均值 （t=10分钟、30分钟过程雨量）区域平均临界雨量可视为区域内大范围的平均情况，是即当面降雨量超过时，区域内有可能发生山洪灾害。2 统计最小值区域最小临界雨量可视为区域内致灾降雨强度的必要条件，即只有当区域内至少有一个测站雨强超过时，区域内才有可能发生山洪灾害。3 统计最大值区域最大临界雨量可视为区域内发生山洪灾害的充分条件，即当区域内每个站点雨强都超过时，区域内将会有大范围的山洪灾害发生。3.1.3 区域临界法 区域临界雨量分析法所确定的区域山洪灾害临界雨量可作为判断区域内有无山洪灾害发生的指标, 但无法判别区域内受

7、灾面积的大小及灾害严重程度。但这种方法对资料要求不高，对于雨量站密度相对较小的区域，比较适用。统计N次山洪灾害各时段最大雨量面平均值的最小值，即为各时段区域山洪临界雨量初值。区域临界雨量计算公式3.1.4 灾害与降雨频率分析法通过对灾害场次的调查，分析山洪灾害发生的频率，分析计算与灾害相同频率的降雨量、年最大雨量等值线图和变差系数等值线图，即可将山洪灾害区域的各频率设计雨量可以计算出来，取与山洪灾害发生频率相同的降雨量设计值即为临界雨量初值，这里假定灾害与降雨同频率，如根据资料分析认为两者不同频率折算后，确定与灾害频率相应的降雨频率，求出降雨设计值作为临界雨量初值。通过与周边邻近地区的临界雨量

8、进行综合对比分析，最后合理确定临界雨量值。在计算设计面雨量时，如区域较小可以看作一个点（区域中心），区域较大应考虑点面换算关系。频率计算公式经验频率计算公式如下：公式 0.1 经验频率计算公式假设19502002年共发生灾害14次，那么灾害的发生频率为P=14/(2003-1950+1)*100%=25.9%。离均系数计算公式离均系数计算公式如下：1）当频率不等于0时，计算公式为： = Cs/2*gaminv(1-p,4/Cs2,1)-2/Cs频率不等于0的离均系数计算公式2）当频率等于0时，计算公式为： = norminv(1-p,0,1)频率等于0的离均系数计算公式推算临界雨量公式根据固定

9、时段长的累计平均降雨量可以推算出固定时段长的临界雨量，公式为：临界雨量X=（*Cv + 1）* 平均雨量3.1.4 灾害典型区域管理对典型区域信息进行管理，包括典型区域名称、描述、区域范围。支持区域圈画、自由圈画、区域引用四种方式进行典型区域范围。其中自动圈画是通过DEM数据以及控制点进行自动计算区域的范围；区域引用方式是典型区域范围已经通过其他专业GIS软件加工完成的区域，这里只是引用；区域圈画和自由圈画是两种人为的圈定设置区域范围。3.2 实时预警 临界雨量模型通过阈值对比的方式进行预警。 对比充分考虑雨强、阈值（范围）、时长等影响，确认灾害发生的必要条件和充分条件。3.2.2 临界雨量经

10、验模型从降水（特别是暴雨）是地质灾害的主要诱因，根据国内最新的有关地质灾害的研究及实测资料，滑坡等地质灾害的发生与降水强度、降水持续时间及间隔都有密切关系，尤其是于暴雨频次具有很好的一致性，地质灾害发生的规模和类型与降雨量有明显的正相关，而不同的降雨类型下灾害的发生情况有存在明显的差异。但地质灾害的发生并不与降雨过程同步，存在一定的滞后性，一般集中在降雨后72h内发生。对地质灾害发生的降雨临界值或预警指标的选取上，要充分考虑到其合理性和复杂性。综合考虑前期降雨过程、降雨类型、累积雨量和最新日雨量，基于监测站的前期降雨进行分析预警模型为：公式（或将公式转换成），其中：Rd 最新雨量;如去6h最新

11、观测雨量或24h预测雨量;Rc 降雨量临界值：在无前期降雨情况下诱发地质灾害的一般雨量;Rs 有效累积雨量算法一: 为岩土体雨量的经验公式：式中为第0天的前期有效降雨量，k为有效降雨量系数(k<1)，为前第n天的降雨量，有效降雨量系数k表示岩土体对雨水滞留能力的大小，它由区域内岩土体总体性质决定，一般取0.84。算法二：取前nd有效累积雨量(其中n一般取10或13；a<1一般取0.8).图 0.1有效降雨量与累计降雨量之相关曲线图算法三：算法是当天降雨量的累积降雨量，加上其前几天的加权降雨量（每天累积降雨量分别乘一个百分比，时间距离越远、对灾害直接影响较小，乘上百分比越低）。C 表

12、示为经验衰减系数,取1.0左右，用于对累积雨量作用的放大缩小。将诱发地质灾害的降雨类型分为短历时暴雨型及连续降雨型。对不同的降雨类型及不同的地址灾害易发区，其降雨量临界值及经验系统是变化的 ，应耕具计算和检验情况加以确定这。在系统中，有效累积降雨（前期降雨）针对短历时暴雨型及连续降雨型，分别设置暴雨类型参数、绵雨类型参数，一般暴雨偏小、绵雨偏大。即根据用户设定，系统计算监测站一段时间内(Rs) 有效累积降雨，判断是采用“绵雨类型”还是“暴雨类型”参数，然后根据对应参数计算，最后与监测站的临界雨量值比较，判断是否达到预警及预警等级。如下图所示，如果监测A站，时长6小时(Rd中d=6)范围内，前期

13、10天内有效累积降雨为51（大于50表示采用暴雨类型参数, C=0.9），根据公式计算得到Rd+ Rs * 0.9值于临界雨量对比，确定当前预警等级。监测站前期时长有效降雨量系数K预警等级临界雨量暴雨界定累计时长经验衰减系数C绵雨暴雨测站A10天级3005060.960.9级100测站B10天级2803040.960.9级80灾害与降雨频率法计算参数表如果达到预警标准，则返回预警记录结果集。预警结果集包括监测站编码、监测站名称、预警等级、累计雨量、累计时长等内容。.3 动态临界雨量预警模型一般情况下，灾害的原因是由于局地暴雨形成洪水，导致河水急速上涨，水位超过河岸高度形成漫滩，上滩洪水对农田和

14、房屋造成安全威胁，因此，通常可以将河水漫滩的水位定为警戒水位。根据上滩水位，结合实测河流断面估算出相应的流量，即为上滩流量，也可以称为警戒流量。由于径流是由降雨产生的，从达到上滩流量的时间往前推，在一定时间之内的累计降雨量称为警戒临界雨量。临界警戒指标确定流程示意图山洪的大小除了于降雨总量、降雨强度有关外，还和流域土壤饱和度或前期影响雨量指数(API)密切相关。因此，在建立山洪警戒临界雨量指标时，应考虑山洪防治区中小流域土壤饱和情况，给出不同初始土壤含水量条件下的警戒临界雨量。基于动态临界警戒雨量的山洪预警方法示意图同饱和度下临界警戒雨量示意图.3 洪水临界模型通过河流湖泊的设防水位、警戒水位

15、（流量）、保证水位（流量）、历史最高水位（最大流量）和水库的超过汛限水位、防洪高水位或正常高水位、设计洪水位、校核洪水位等指标信息进行预警。.3 洪水经验临界模型借助如相关图或API等经验预报模型,并结合洪水临界模型相关阈值进行预警。.3 枯水临界模型通过河流湖泊的旱警（限）水位（流量）、30天来水量洪量与常年同期比60%、40%、25%、10%、水位（流量）同期月最低（小）、水位（流量）历史最低（小）等指标信息进行预警。 预警应用通过一张图展现预警列表,能通过不同的颜色和图标展示雨量、洪水、枯水告警及级别。可以在地图上直接查看当前测站的过程信息。雨量分析图及未来雨量分析图时段雨量等值面河道洪水告警预警列表3.4 预警发布预警发布系统功能主要包括预警部门信息管理、预警人员信息管理、预警信息发布、预警反馈信息管理、历史记录管理、预警终端设备管理、预警信息获取、短信队列管理、自动发送短信、自定义短信、信息发布模板设计、配置管理等12大功能模块。发布对象选择关联测站选择4系统特点1) 多种预警模型临界模型、经验模型、动态临界