受极端气候条件影响，山丘区暴雨频发，山洪灾害已成为世界各类自然灾害的主要灾种^[1]。中国是一个多山国家，山洪灾害防治区面积占中国陆地面积的48%，山区地形地貌条件复杂，降雨强度大，导致山洪灾害频发，每年因山洪受灾的农田、倒塌房屋等生命财产损失巨大，其死亡人数占洪涝灾害死亡人数的70%，严重制约山丘区社会经济的发展，是目前防洪减灾工作的重点^[2]。自2009年开展山洪灾害防治工作，到目前已建成2076个县级监测预警平台，并在中央、省、市级建设了监测预警信息管理系统，现已初步建成山洪防治预警体系^[3]。郭良^[4]、Liu^[5]等系统总结了山洪灾害防御近十年取得的巨大成就，但同时也发现了一些薄弱环节，如山洪预警精度还需进一步提高；杜俊等^[6]在对比国内外山洪预警效果的同时，也发现中国部分山区的山洪预警准确率较低，不能满足当前防御山洪灾害的实际需求；张平仓等^[7]基于山洪灾害实时动态预警精度不高的现状，提出了建立山洪灾害多指标预警模型及研发实时动态分级预警技术的研究构想。当前山洪灾害预警指标主要包括水位预警指标和雨量预警指标，针对预警水位的计算，王协康等^[8]基于山区洪水陡涨特性，提出了基于山洪水位上涨变化的预警水位计算方法。针对计算临界雨量的方法较多，主要分为统计归纳法和水文水力学法，前者主要通过统计山洪灾害数据系列与对应的降雨数据来推求临界雨量；如喻宝龙等^[9]提出的单站临界雨量法、赵然杭等^[10]提出的灾害降雨同频率分析法、陈瑜彬等^[11]提出的基于马氏距离识别法的临界雨量拟定法等，此类方法虽然简单，但未考虑山洪灾害过程中的物理机制，因此该方法的预警效果存在极大不确定性；后者一般通过建立降雨–径流–水位关系，由临界径流/水位推求相应的临界雨量，如：魏炳乾等^[12]以推理公式法计算成灾流量，再将与成灾流量相同频率的设计暴雨作为临界雨量；熊威等^[13]鉴于推理公式法计算汇流量时精度偏低，通过分布式水文模型对其汇流参数进行修正，提出了一种改进的水位流量反推法；Tu等^[14]采用的HEC–HMS模型、Miao等^[15]提出的GBHM模型及Forestieri等^[16]采用的TOPDM模型均可准确模拟流域降雨–径流过程，由此推算的临界雨量有效的提高了预警精度。此外，为分析降雨时空变化对临界雨量的影响，原文林等^[17-18]在HEC–HMS模型法的基础上提出了基于雨型种群和极端降水概率分布的临界雨量计算法。

由上述可知，山洪灾害雨量预警方法较少考虑实时累积雨量的影响，以及受降雨过程对流域产汇流过程及引发的次生灾害作用，周伟等^[19]通过研究累积雨量与泥石流发生之间的关系，建立了汶川震区暴雨泥石流发生的降雨阈值模型；刘振宇等^[20]通过统计分析累积雨量与边坡溜坍发生次数的相关性，构建了以累积雨量为预警指标的铁路边坡溜坍预警法。本文以四川省金沙江支流中都河流域“8·16”山洪灾害实地调查为基础，分别采用山洪灾害实时累积雨量法、基于洪水上涨率的预警水位法分析对“8·16”山洪灾害预警的可行性，并与传统水位流量反推法的预警结果进行对比，进一步讨论不同预警方法的准确性（有无漏警）及预警时长。

中都河流域位于四川省南缘，金沙江下游北岸，河流发源于乐山市马边县黄连山与烟遮山结合处，东经靛兰坝、荍坝、老河坝，至野猫溪口入宜宾市屏山县，再经中都，至新市镇注入金沙江。流域横跨马边、屏山两县，其中：上游马边境内中都河流域面积221 km²，长16.2 km，该地区雨量充沛，年平均降雨量1 044.3 mm；下游屏山境内中都河流域面积485 km²，长39 km，常年平均降雨量802.3 mm，少于800 mm的年份占50%，为屏山境内最少雨地区。此外，流域内山高坡陡，沟谷交错，地形破碎，降雨分布极为不均，暴雨中心多位于上游马边地区，极易导致山洪灾害频发。2018年8月16日，中都河上游地区遭受大暴雨致使下游河水暴涨，造成上千房屋受损，交通、通讯等基础设施严重损坏，给中都镇沿河居民的生命财产带来了巨大损失。中都河流域水文站、雨量站及水系分布如图1所示。

图1(Fig. 1)

图1 中都河流域防灾对象位置、水文站、雨量站及水系分布 Fig. 1 Distribution of disaster prevention area，hydrological station，precipitation stations and water system in Zhongdu River Basin

基于中都镇“8·16”山洪灾害实地调查，选取3处受灾较为严重的沿河村落作为防灾对象，其中：1^#断面处于中都河大桥位置，“8·16”洪灾发生时，该区域洪水陡涨，且右滩地淹没达3.0 m，造成2人死亡；2^#断面位于桅杆咀村，为河道弯曲顶冲段，洪水造成桥梁冲毁；3^#断面为龙山村水文站监测断面，洪水淹没至水文站控制房。3处典型断面的相对位置、各断面控制流域的雨量过程及“8·16”洪水水文站实测流量过程详见图1。

基于中都镇“8·16”山洪灾害实地调查，分别采用基于洪水上涨率的预警水位判定法、水位流量反推法及实时累积雨量法计算防灾对象的预警指标，通过对比不同预警方法的结果准确性及预警时长以选出最优的暴雨山洪灾害预警方法。

该方法基于防灾对象典型断面的水位变化过程，通过实时分析洪水位的上涨率来预测距成灾水位的时长。即首先根据流域降雨资料推算典型断面的洪水过程，再以断面水位流量关系将洪水过程转化为洪水位过程，同时采用山区小流域山洪预警分析系统V1.0计算洪水位陡涨率变化过程^[21]，并根据洪水陡涨率的大小（一般以1.0 m/h为预警阈值）及洪水上涨至成灾水位的预计时长划分准备转移水位与立即转移水位。

1）典型断面洪水过程及断面水位流量关系计算

基于2018年8月16日中都河流域雨量站资料，采用运动波–地貌瞬时单位线模型（KW–GIUH）^[22]模拟水文站断面的洪水过程，以水文站实测流量过程对模型参数进行率定，再以率定后的模型模拟上游1^#、2^#断面的洪水流量过程（图2）。由图2（a）左图的模拟流量过程与实测值对比可知，KW–GIUH汇流模型模拟的洪水过程与实测流量过程较为吻合，表明该模型能够较为准确地模拟该流域“8·16”洪水过程，为此，可认为上游1^#、2^#断面模拟的洪水过程与实际相符。此外，基于中都河流域“8·16”山洪灾害实地调查，典型断面在洪水过后未有明显的冲淤变化，因此，可根据河段形态、床面粗糙程度及植被生长情况确定糙率值，以洪痕水面比降为计算比降，直接采用曼宁公式计算典型断面的水位流量关系，相关参数列于表1，典型断面水位流量关系计算结果如图2所示。

表1(Tab. 1)

表1 典型断面水力要素计算结果 Tab. 1 Calculation resules of hydraulic factors in typical sectons

表1 典型断面水力要素计算结果 Tab. 1 Calculation resules of hydraulic factors in typical sectons 断面 糙率值 比降 洪峰流量/ (m3·s–1) 调查洪痕 高程/m 计算洪痕 高程/m 洪痕高程 偏差/% 1# 0.045 0.007 96 3 593.65 515.10 515.09 –0.18 2# 0.045 0.010 24 3 737.93 491.45 491.71 4.04 3# 0.042 0.010 14 2 763.38 428.25 428.13 –1.63

图2(Fig. 2)

图2 典型断面洪水过程及断面水位流量关系 Fig. 2 Flood hydrograph and stage-discharge relationship of typical sections

由表1可知，下游3^#断面计算的洪峰流量较上游断面稍偏小，其原因在于此次降雨中心位于马边地区，下游中都地区降雨量小，采用泰森多边形法计算面雨量时，越到下游均化越明显，因此，该断面的洪峰流量相对较小。此外，各典型断面的计算洪痕与实际调查洪痕相接近，表明图2中计算的典型断面水位流量关系较为符合实际。

2）典型断面陡涨率变化过程及预警水位计算

基于典型断面水位流量关系，将图2各断面洪水流量过程转化为洪水位过程，同时采用山区小流域山洪预警分析系统V1.0^[21]计算各个典型断面的洪水陡涨率变化（图3），依此确定预警水位，并将典型断面预警分析结果列于表2。以2^#断面为例，如图3（b）所示，当洪水位为489.48 m时，陡涨率2.08 m/h，大于预警阈值1.00 m/h，则将该水位定为准备转移水位；当洪水上涨至491.16 m时，此刻陡涨率为0.89 m/h，距成灾水位0.79 m，则预计37 min上涨至成灾水位（水位差/陡涨率），达到了《山洪灾害分析评价技术要求》^[23]中至少提前30 min的规定，故将该水位定为立即转移水位，同理可确定1^#、3^#断面预计预警时长分别为21和58 min。

表2(Tab. 2)

表2 典型断面预警水位分析结果 Tab. 2 Early warning analysis results of flood stage for typical sections

表2 典型断面预警水位分析结果 Tab. 2 Early warning analysis results of flood stage for typical sections 断面 成灾 立即转移 准备转移 预计预警 时长/min 实际预警有效 时长/min 时刻 水位/m 时刻 水位/m 陡涨率/(m·h–1) 时刻 水位/m 陡涨率/(m·h–1) 1# 14：27 513.40 14：04 512.61 2.29 14：02 512.53 2.37 21 25 2# 16：00 491.71 15：20 491.16 0.89 14：10 489.48 2.08 37 40 3# 15：02 425.64 13：50 425.19 0.46 7：00 423.32 1.01 58 72

图3(Fig. 3)

图3 典型断面洪水陡涨率变化及预警水位 Fig. 3 Variation of steep rise of stage and calculation of early warning water level for typical sections

表2中的准备转移水位指洪水上涨至该水位时，提醒相关人员准备预警，若水位持续上涨并达到立即转移水位，则通知沿河居民即刻转移，预计预警时长指根据立即转移水位的陡涨率确定洪水上涨至成灾水位的预计时间。此外，由表2可知，该方法计算的预警指标均未出现漏警，且实际预警时长大于由洪水陡涨率预计的预警时长，表明该方法对山洪灾害具有一定的预警作用。此外，除1^#断面外，其他典型断面计算的预警时长均满足《山洪灾害分析评价技术要求》中立即转移时间不少于30 min的规定，其主要原因在于1^#断面的成灾水位位于陡涨点以上，但水位差相对较小，洪水在陡涨阶段之前，上涨率均小于1.00 m/h，此时由上涨率预测的立即转移时间大于成灾时的实际预警时长，不能达到预期的预警效果，故此时不能发布预警指令，当洪水漫至陡涨点时，上涨率达2.37 m/h，水位快速上涨至成灾水位，大大缩短了安全转移时间，因此计算的预警时长相对较短；2^#断面的成灾水位位于洪峰，洪水由陡涨点上涨至成灾水位约2 h，沿河居民的安全转移时间相对较长，因此仅需分析洪水上涨至成灾水位的预计时间是否满足《山洪灾害分析评价技术要求》中的规定，便可确定预警时刻；对于3^#断面，洪水从准备转移水位上涨至成灾水位，上涨率均小于1.00 m/h，但可根据《山洪灾害分析评价技术要求》，实时计算到达成灾水位的预计时间，提前30 min发转移指令。由此表明该方法的预警时长受洪水涨退过程影响，因此，采用该方法分析预警时刻时，应首先实时关注洪水上涨率是否大于1.00 m/h，再实时分析预期水位与成灾水位的关系，最终根据上涨率预测到达成灾水位的时长确定相应的预警水位，以免漏警。

水位流量反推法是目前中国山洪预警最常用的方法之一，该方法基于暴雨洪水同频率假定，分析成灾流量同频率下的时段设计雨量，即为山洪预警雨量，具体计算流程可参考文献[24]。中都河“8·16”山洪灾害典型断面水位流量反推法预警雨量如图4所示。

图4(Fig. 4)

图4 典型断面预警雨量计算结果 Fig. 4 Calculation of early warning rainfall of typical sections

由1^#断面的准备转移和立即转移雨量与实测的累积雨量比较可知，洪水过程在13：36和13：48可发布转移指令，有效安全转移时长39 min，如图4（a）所示，表明该方法可用于1^#断面的山洪灾害预警分析。2^#断面计算的时段预警雨量均大于实测累积雨量，没有起到预警作用，属于漏警；3^#断面的预警时长29 min，没有达到《山洪灾害分析评价技术要求》中的规定。一般来讲，雨洪同频假定与实际暴雨洪水稍有差别，即成灾流量频率与形成该流量的雨量频率不一定相同，因此，基于该假定获得的预警信息尚存在不确定性，给实际山洪灾害预警带来一定的偏差。

传统山洪预警雨量计算主要通过由降雨–径流–水位关系计算的洪峰流量与防灾对象成灾流量/水位进行对比，将满足精度要求的洪峰流量与之对应的降雨量作为预警雨量，该方法基于暴雨洪水同频率假定，且计算精度不确定性较大，难以获得预期的预警效果。为此，王协康等^[25]结合山区小流域暴雨洪水与累积雨量的内在联系，充分考虑场次洪水过程的累积雨量对洪水陡涨的影响，通过对比分析多个不同典型小流域累积雨量和暴雨山洪成灾特点，提出湿润地区的小流域场次累积降雨量达到100 mm的时刻可作为暴雨山洪预警转移时刻。

基于中都河“8·16”山洪灾害典型断面的洪水过程与实时累积雨量的变化关系（图5），以累积降雨量达到100 mm为山洪预警阈值，可初步分析“8·16”山洪灾害的预警时长。以1^#断面为例，实测累积雨量达到100 mm时的时刻为13：17，距此次洪水的成灾时刻14：27有70 min，满足《山洪灾害分析评价技术要求》规定的至少30 min，可为沿河居民提供有效转移时间。同理，可确定2^#、3^#断面的预警时长分别为164和79 min。由图5可知，该方法对3处防灾对象的成灾时间均发出了预警，且预警时长均大于30 min。为便于该流域选出适宜的山洪预警方法，将不同方法的预警结果列于表3。

表3(Tab. 3)

表3 不同预警指标计算方法的结果对比 Tab. 3 Comparison of the results of different early warning index caculation methods

表3 不同预警指标计算方法的结果对比 Tab. 3 Comparison of the results of different early warning index caculation methods 断面 水位流量反推法 基于洪水位上涨率的预警水位判定法 实时累积雨量法 预警时长/min 预警时长延长率/% 预警时长/min 预警时长延长率/% 预警时长/min 预警时长延长率/% 1# 39 30.0 25 –16.7 70 133.3 2# 漏警 — 40 33.3 164 446.7 3# 29 –3.3 72 140.0 79 163.3

图5(Fig. 5)

图5 典型断面洪水及累积雨量实时过程 Fig. 5 Flood hydrograph and real-time accumulated rainfall of typical sections

表3中预警时长延长率是指计算的实际预警时长超出《山洪灾害分析评价技术要求》规定的至少30 min的百分比。由表3可知，水位流量反推法预警精度较差，预警期较短，最大预警时长延长率仅为30%，难以取得较好的预警效果。洪水上涨率判定法的预警精度较高，但预警时长受洪水涨退过程影响，1^#断面预警时长延长率为负，说明该方法对某些断面不能起到延长预警时长的效果，然而与水位流量反推法相比，该方法的预警效果相对更优。实时累积雨量法预警成功率高，预警时长延长率完全超过上述两种方法，因此，采用该方法可获得较为理想的预警效果。此外，受不同流域产汇流过程影响，可通过适当调整雨量阈值，以期获得更符合流域特征的预警时长。

以中都河流域“8·16”山洪灾害为例，分别采用水位流量反推法、洪水上涨率判定法及实时累积雨量法计算了防灾对象的预警指标，并根据预警准确性及预警时长对比了3种方法的预警结果，主要成果如下：

1）水位流量反推法基于暴雨洪水同频率假定，预警精度较差，常难以取得预期的预警结果。

2）基于洪水上涨率的山洪预警水位判定法考虑到山区洪水的陡涨特性，以上涨率预测未来洪水涨至成灾水位的时长来确定预警水位，该方法预警成功率高，但预警时长受洪水特性影响较大。建议采用该方法计算预警水位时，应实时关注洪水位的上涨变化，尤其是短历时内陡涨率大于1.00 m/h的情况，以免出现漏警。

3）基于暴雨洪水与降雨过程内在关系的实时累积雨量法，相比于上述两种方法有效延长了预警时长。因此，建议流域内合理布置雨量监测站，并根据流域洪水过程与降雨过程的变化关系确定符合流域特征的预警雨量阈值，为暴雨山洪灾害预警提供科学依据。

4）此次提出的两种方法延长预警时长基本超过30%，为有效提高山洪预警精度并延长预警时长，建议在设定基本累计雨量阈值的基础上，结合洪水上涨率进行多预警指标预警。