CN101872533A - 一种泥石流预警方法及预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过预制警戒雨量值实现的流域泥石流预警方法及系统。针对现有技术中存在的作为预制警戒雨量值的临界雨量值无法准确定义、临界雨量计算方法应用所需数据要求高等技术问题，提出一种以特征雨量值作为流域泥石流警戒雨量值的流域泥石流预警方法及系统。本方法及系统选取指定泥石流流域的相关日降雨量长期观测数据序列为基础，经计算分析，确定将日降雨量数据序列中与泥石流发生直接紧密相关的某一雨量特征值作为流域警戒雨量值用于泥石流预警方法及系统。本发明方法原理可靠、基础数据容易获取、计算指标简单、计算过程科学简便，配套系统设备简单、建设成本不高。经验正，对流域泥石流发生预测具有较高准确率。

Description

一种泥石流预警方法及预警系统

技术领域

本发明涉及一种泥石流预警方法及系统，特别是涉及一种通过预制警戒雨量值实现的泥石流预警方法及系统。

背景技术

泥石流是一种由分选性很差的岩石、泥土以及大量的水所构成的流体沿着斜坡和沟谷向下流动的自然现象。由于充足的水源是大多数泥石流形成的必备条件之一。因此，降雨特别是强度很大或持续时间很长的降雨，成为泥石流形成的主要诱发因素。其中由降雨触发的泥石流称为暴雨泥石流，是最为常见的泥石流类型，其发生时间与降雨条件存在很强的相关性。

暴雨泥石流的预报和预警技术主要是通过流域内雨量监测与雨量数据分析，寻找确定触发泥石流的警戒雨量来实现的。在确定警戒雨量时，人们惯常使用的方法是在既定泥石流流域内设定一个临界雨量值作为判断泥石流发生的阈值。该临界值的确定主要考虑两个与时间相关的触发临界值：一是前期降雨的临界值，即这个季节中的累积降雨量；二是暴雨强度和持续时间的临界值，即在暴雨过程中，超过了比较关键的降雨强度和持续时间的值。临界值的具体确定方法主要包括单一指标判别模式、雨强和降雨历时结合模式、不同雨强组合模式、有效降雨量与雨强组合模式、日雨量比值与月雨量比值组合模式、区域临界雨量分区模式等几类。这些临界雨量值概念及其确定方法存在两方面的缺陷：一是临界雨量无法准确定义。对一具体的泥石流流域而言，即使考虑地区降雨天数、降水量的差异，也并不真正存在一个所谓的临界雨量值；二是计算所需数据资料要求较高。各种确定方法都需要长时间序列的泥石流发生数据和降雨数据、临界雨量值的空间和时间差异性等诸多数据资料，这在实际工作中并不容易满足。这些缺陷限制了以确定临界雨量值为核心的各种暴雨泥石流发生预警方法的适用。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足提供一种通过雨量数据观测与分析实现的流域泥石流预警方法及系统。该预警方法及系统所需数据容易获得、数据分析过程简捷、适用性广。经检验，该方法对泥石流发生的预测结果准确性高。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种泥石流预警方法，通过预置流域泥石流警戒雨量指标值实现，首先获取预警对象指定流域的相关日降雨量长期观测数据序列；其次对所述日降雨量数据序列加以处理分析得到流域泥石流警戒雨量指标值；然后将指定流域日降雨量实时观测值与所述警戒雨量指标值加以比对，根据比对结果判断是否需要做出泥石流发生预警；其特征在于：所述指定流域泥石流警戒雨量指标值的确定是：计算得到所述相关日降雨量长期观测数据序列的累积概率函数，然后确定所述累积概率函数某一特定概率对应的雨量特征值，以所述雨量特征值作为指定流域的泥石流警戒雨量指标值。

虽然暴雨泥石流的发生与流域内降雨过程存在很高的正相关，但大多数的降雨过程并不会引发泥石流，即，与降雨事件相比，暴雨泥石流的发生依然是一种低概率事件。基于暴雨泥石流发生的这一自然特征规律可以确定，对于既定的某一泥石流流域，虽然不存在所谓的确发泥石流的临界雨量，但存在一个与泥石流发生高度相关的特征雨量值可用于判别流域内泥石流的发生。当流域内降雨条件超过这个特征雨量值，泥石流发生概率就很高，小于这个值，泥石流发生概率则很小。因此既定泥石流流域内的特征雨量值可以作为该流域泥石流发生的警戒雨量。

基于上述泥石流预警方法，本发明还提供一种泥石流预警系统，其技术方案如下：

一种泥石流预警系统，包括数据信号采集设备、数据信号接收设备、数据信号运算处理器、数据信号存储设备、预警设备、数据信号传输设备以及必要的连接设备，其特征在于：所述数据信号采集设备安装在指定流域内，实时观测日降雨量值并将数据信号传输到数据信号接收设备；所述数据信号接收设备接收实时雨量数据并传输到数据信号运算处理器；所述数据信号运算器首先以预先输入的指定流域的相关日降雨量长期观测数据序列为基础计算得到流域泥石流警戒雨量指标值，再将接收到的实时雨量数据与所述警戒雨量指标值进行比较判断，若流域实时雨量值小于警戒雨量指标值，便将实时雨量数据送入数据信号存储设备，若实时雨量值等于或大于警戒雨量指标值，便启动预警设备；所述数据信号运算器对警戒雨量指标值的计算是：以预先输入的指定流域的相关日降雨量长期观测数据序列为基础，计算得到日降雨量序列的累积概率函数，然后确定所述累积概率函数某一特定概率对应的雨量特征值，以所述雨量特征值作为指定流域的泥石流警戒雨量指标值。

上述泥石流预警方法与系统对泥石流发生警戒雨量的确定是选取指定泥石流流域的相关日降雨量长期观测数据为基础，形成数据序列加以计算分析，根据计算结果定位到日降雨量数据序列中与泥石流发生直接紧密相关的某一雨量特征值，再将该雨量特征值作为流域泥石流警戒雨量指标值。在优化条件下，首先计算相关日降雨量长期观测数据序列的累积概率函数，再确定累积概率函数在特定概率为90％所对应的雨量特征值x₉₀，并将此雨量特征值x₉₀作为指定流域的泥石流警戒雨量。

在日降雨量数据规模方面，需要获取足够时间长度的日降雨量数据形成日降雨量数据序列{R_n}。{R_n}需至少包括约600个日降雨量数据，才能保证后期分析处理的准确性。

雨量特征值的定位是通过计算日降雨量数据序列{R_n}的累积概率函数P_(x)，然后计算累积概率函数P_(x)概率为90％处的对应值，并将雨量特征值定位到该对应值。计算时，数据处理的单位区间长度限定在1.0～2.0mm之间，并具体考虑日降雨量最大值、数据规模等因素。如果数据量多、最大值大，区间长度取值偏小；如果数据量少、最大值小，区间长度取值偏大。通常情况下可取1.5mm。

在指定流域的相关日降雨量长期观测数据选取方面，优选指定流域自身的雨量观测数据，其次可以选择指定流域所在区域的雨量观测数据。

在实际工作中，需预警或者建立预警系统的指定流域可能是缺乏自身长期降雨事件和泥石流事件记录数据的流域，因而需要选择指定流域所在区域的长期雨量观测数据形成数据序列，此时本技术方案可以进行如下改进：选择指定流域所在区域的长期雨量观测数据形成数据序列{R_n}，经计算定位到雨量特征值x₉₀。再利用指定流域泥石流事件发生时的短期降雨观测数据对雨量特征值x₉₀加以校正得到校正值，最终以校正值作为该指定流域泥石流警戒雨量指标值。指定流域泥石流事件发生时的短期降雨观测数据取自指定流域自身的短期雨量观测记录，或者是能够代表指定流域降雨条件特征的其他位点的短期雨量观测记录，具体校正方法为：

本发明针对目前通过流域雨量观测分析预警预报泥石流发生的技术中存在的临界雨量无法准确定义、临界雨量计算方法运用所需数据要求高等技术问题，提出一种通过日降雨量数据处理分析确定一特征雨量值作为流域泥石流警戒雨量值的新方法及系统。与现有技术相比，本发明的有益效果是：第一、所述预警方法只需要日降雨量数据，在实际工作中数据基础容易满足。第二、预警过程中关键的警戒雨量指标值采用单一指标，指标简单，并且计算方便、快捷。第三、方法可以在任何类型的指定流域内运用，适用于降雨条件千差万别的流域，具有区域普适性；特别是能够解决在实际工作中需要进行泥石流预警流域缺乏降雨观测和泥石流事件记录数据而无法运用现有方法实现预警的技术问题。第四、配套的流域泥石流预警系统设备简单、建设成本不高，特别适用于经济水平相对落后但又是暴雨泥石流多发的山区。第五、本发明提供的方法及系统经实际检验能够实现对指定流域泥石流发生的高效率预警。

附图说明

图1是泥石流预警系统组成示意图。

图2是蒋家沟流域日降雨量概率密度和累计概率曲线图(示雨量特征值x₉₀₎。

图3是花石板沟流域日降雨量概率密度和累计概率曲线图(示雨量特征值x₉₀)。

图中标号如下：

1遥测雨量计                4数据信号存储设备

2雨量数据接收机            5报警器

3数据信号运算处理器        6无线传输设备

具体实施方式

下面结合附图，对本发明优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1、图2所示。在云南省昆明市东川区蒋家沟流域建立泥石流预警系统。

预警系统包括安装在蒋家沟流域内的遥测雨量计1，用于实时观测日降雨量值变化。观测到的数据信号通过无线传输设备6传至雨量数据接收机2，再传输到数据信号运算处理器3。

数据信号运算处理器3预先输入有蒋家沟流域的相关日降雨量长期观测数据。数据获取自设立在蒋家沟流域内的雨量观测点所记录的长期雨量观测数据。直接使用流域自身的历史记录数据形成日降雨量数据序列{R_n}。选取从2002年1月1日到2008年12月31日时间段的日降雨量数据，降雨量为0的天数不纳入序列，由此形成日降雨量数据序列{R_n}。

序列{R_n}中最大值为81.9mm。以1.5mm为单位区间长度，将0到81.9分为55个区间，分别统计每一区间中降雨天数。然后将落入每一区间的降雨天数除以总降雨天数，得到相应区间值对应的概率密度。以区间[0，1.5)为例，该区间数据包括日降雨量大于0mm并小于1.5mm的降雨天数，统计区间内数据个数再除以序列{R_n}中总降雨天数1310，则得到

时的概率密度值。将小于给定x值的所有概率密度值相加，就得到流域内日降雨量的累积概率函数P_(x)。

确定函数P_(x)在p＝90％所对应的雨量特征值x₉₀＝18.4mm。以18.4mm作为蒋家沟流域泥石流警戒雨量指标值。

数据信号运算处理器3将接收到的实时雨量数据与警戒雨量指标值18.4mm进行比较判断，若流域实时雨量值小于警戒雨量指标值，便将实时雨量数据送入数据信号存储设备4，若实时雨量值大于或等于警戒雨量指标值，便启动报警器5发出信号。

将上述警戒雨量指标值加以验正，结果表明在中国科学院东川泥石流观测研究站记录的蒋家沟流域2002年～2008年间发生的46场泥石流中，有37场泥石流发生前的24hr降雨量大于或等于18.4mm。这说明使用本发明提供的预警方法可以实现对流域内发生的80.4％的泥石流预警，有效率很高。

实施例二

如图2所示。在四川省北川县花石板沟流域实施泥石流预警。实施过程中与实施例一相同之处不再重复，其不同之处在于：

由于花石板沟流域内没有设置长期雨量观测点，因此选用花石板沟流域所在的北川区域的日降雨量数据作为数据基础。日降雨数据由气象卫星测量到，数据时间段从1998年1月1日到2008年12月31日，形成降雨量数据序列{R_n}。序列{R_n}中总降雨天数为1106，最大值为87.5mm。同样以1.5mm为单位区间长度，得到流域内日降雨量的累积概率函数P_(x)，以及雨量特征值x₉₀＝16.2mm。

因为前述降雨量数据序列{R_n}不是花石板沟流域内雨量观测点的雨量记录数据，所以需进一步使用该流域发生泥石流时记录的短期降雨数据对雨量特征值x₉₀加以校正。具体为：流域内短期降雨与泥石流发生观测记录显示，2008年9月24日凌晨，花石板沟发生泥石流。选择在该流域分水岭处的唐家山雨量点记录的数据作为校正依据。9月23日，唐家山雨量点记录的日降雨量为173.8mm，而气象卫星测量到的当天北川地区的区域日降雨量为74.4mm。将上述流域和区域的日降雨量值代入校正值计算公式对特征值x₉₀＝16.2进行校正，

则花石板沟流域实施泥石流预警设定警戒雨量指标值为37.84mm。

将上述警戒雨量指标值加以验正，结果表明花石板沟流域中记录到两次泥石流事件，分别在2008年9月24日和2009年9月12日，而该流域附近雨量观测点记录到的泥石流发生前的24hr降雨量分别为173.8mm(2008年9月23日)和55.1mm(2009年9月11日)。这说明使用本发明提供的预警方法可以实现对流域内发生泥石流的准确预警。

Claims (10)

1.一种泥石流预警方法，通过预置流域泥石流警戒雨量指标值实现，首先获取预警对象指定流域的相关日降雨量长期观测数据序列；其次对所述日降雨量数据序列加以处理分析得到流域泥石流警戒雨量指标值；然后将指定流域日降雨量实时观测值与所述警戒雨量指标值加以比对，根据比对结果判断是否需要做出泥石流发生预警；其特征在于：所述指定流域泥石流警戒雨量指标值的确定是：计算得到所述相关日降雨量长期观测数据序列的累积概率函数，然后确定所述累积概率函数某一特定概率对应的雨量特征值，以所述雨量特征值作为指定流域的泥石流警戒雨量指标值。

2.一种泥石流预警系统，包括数据信号采集设备、数据信号接收设备、数据信号运算处理器、数据信号存储设备、预警设备、数据信号传输设备以及必要的连接设备，其特征在于：所述数据信号采集设备安装在指定流域内，实时观测日降雨量值并将数据信号传输到数据信号接收设备；所述数据信号接收设备接收实时雨量数据并传输到数据信号运算处理器；所述数据信号运算器首先以预先输入的指定流域的相关日降雨量长期观测数据序列为基础计算得到流域泥石流警戒雨量指标值，再将接收到的实时雨量数据与所述警戒雨量指标值进行比较判断，若流域实时雨量值小于警戒雨量指标值，便将实时雨量数据送入数据信号存储设备，若实时雨量值等于或大于警戒雨量指标值，便启动预警设备；所述数据信号运算器对警戒雨量指标值的计算是：以预先输入的指定流域的相关日降雨量长期观测数据序列为基础，计算得到日降雨量序列的累积概率函数，然后确定所述累积概率函数某一特定概率对应的雨量特征值，以所述雨量特征值作为指定流域的泥石流警戒雨量指标值。

3.根据权利要求1或2所述的方法或系统，其特征在于：所述特定概率为90％，对应雨量特征值x₉₀，以所述雨量特征值x₉₀作为警戒雨量指标值。

4.根据权利要求3所述的方法或系统，其特征在于：所述预警对象指定流域的相关日降雨量长期观测数据序列是所述指定流域自身的雨量观测数据，或者是所述指定流域所在区域的雨量观测数据。

5.根据权利要求4所述的方法或系统，其特征在于：当使用的数据序列不是指定流域自身的长期观测数据序列时，所述警戒雨量指标值是计算得到的雨量特征值经指定流域的泥石流事件发生时的短期降雨观测数据校正后得到的校正值。

6.根据权利要求5所述的方法或系统，其特征在于：所述校正值计算方法是：

7.根据权利要求6所述的方法或系统，其特征在于：所述某一泥石流事件发生前流域日降雨量值取自指定流域自身的短期雨量观测记录，或者是能够代表指定流域降雨条件特征的其他位点的短期雨量观测记录。

8.根据权利要求3所述的方法或系统，其特征在于：所述相关日降雨量长期观测数据序列至少包括约600个日降雨量数据。

9.根据权利要求3所述的方法或系统，其特征在于：计算日降雨量序列的累积概率函数时的区间长度为1.0～2.0mm。

10.根据权利要求9所述的方法或系统，其特征在于：所述区间长度为1.5mm。

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