CN102169617A - 一种雨量资料短缺地区的泥石流预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于雨量资料短缺地区泥石流预警的方法。针对现有技术中无法计算确定缺乏短历时雨量资料地区泥石流预警系统的预警雨量阈值的技术缺陷，本发明提供了一种泥石流预警方法。本方法首先分析雨量资料短缺的泥石流预警区的基本条件，并根据分析结果从成熟泥石流研究区中选择具有类比性的研究区确定为类比区，再从类比区雨量数据资料中获取雨量数据资料通过类比计算用于预警区泥石流预警雨量阈值的确定；最后将结果值预置在预警区内的泥石流预警系统中，通过实时雨量数据与阈值实时比对结果判断是否启动系统预警报。本发明方法原理可靠，计算过程科学简便，实施设备简单、安装方便，能够普遍适用于雨量资料短缺地区泥石流发生预警的需要。

Description

一种雨量资料短缺地区的泥石流预警方法

技术领域

本发明涉及一种泥石流预警方法，特别是涉及一种应用于雨量资料短缺地区的通过预置、监测降雨量预警阈值而实现的泥石流预警方法，属于水利工程领域。

背景技术

由暴雨作用引起的泥石流称为暴雨型泥石流，是世界上分布最广泛、活动最频繁，并与人类活动最为密切的一种自然灾害。暴雨泥石流形成的主要条件是：陡峭的沟床坡度、充足的固体物质和大量高强度的降雨，其中降雨是泥石流激发时最活跃的因素，它决定和影响着泥石流灾害发生的时空分布规律。

现有研究结果表明，暴雨型泥石流的激发是当场降水和前期降水共同作用的结果，前期降水量的存在和数量对泥石流的形成具有重要影响，是建立暴雨型泥石流预报模型的重要参数之一；当场降雨过程中的降水因子包括降水强度、降水持续时间、降水量、降水峰值等。在此二降雨因素的共同影响下，暴雨型泥石流的激发多出现在当日降水过程的峰值降水时段的某一时刻，泥石流形成以前的降水量是泥石流暴发的直接动力，衡量峰值雨量的大小是用降水强度。同时，由于峰值雨量的持续时间一般较短，通常只有数分钟至数十分钟，因此一般选用10min雨强(指降雨过程中的最大10min降雨量)作为泥石流的激发雨量较为合适，也最具代表性。但是，要获取这样的短历时降雨数据资料在实际泥石流预警工程中是很难满足的。因为绝大多数需要建立预警系统的泥石流流域并没有长期的雨量监测系统，无法获取计算所需的短历时雨量数据，在泥石流形成区，更是几乎没有雨量资料，通常只能依靠当地的气象站点获得区域日降雨量数据，但仅利用日降雨量数据无法准确计算预警雨量阈值。对这类雨量资料短缺地区，由于缺乏基础数据而无法计算确定泥石流预警的雨量阈值，其流域内泥石流预警工作一直无法有效解决。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供根据泥石流预警区的水文、地质、地貌特征选择确定类比区的数据资料用于预警区泥石流预警的方法，该方法能够实现对灾害与雨量资料缺乏地区的泥石流发生的预警。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种雨量资料短缺地区的泥石流预警方法，通过在泥石流预警系统中预置预警雨量阈值，并将实时雨量数据与预警雨量阈值实时比对结果判断是否启动系统预警报来实现，其特征在于：对于缺乏足够雨量资料数据的泥石流预警区，首先分析其基本条件，根据分析结果从具有丰富观测记录数据资料的成熟泥石流研究区中选择至少一个与预警区基本条件相同或相近似的研究区确定为类比区；其次从类比区的历史雨量数据资料中获取预警区短缺的雨量数据资料用于预警区泥石流预警雨量阈值的计算；最后将计算结果预置在预警区内建立的泥石流预警系统中作为启动泥石流预警报的阈值。

上述技术方案的技术依据主要基于两方面：第一、由于气象站点的普遍建立，大部分需要建立泥石流预警系统的地区都能够获得长历时降雨量数据(年降雨量、季降雨量、月降雨量、日降雨量等)，在阈值计算中真正缺乏的是短历时降雨量数据(1hr降雨量、30min降雨量、10min降雨量等)。在确定的泥石流流域内，不同时间单位的特征雨量依然存在一定的相似规律，如日降雨量随海拔变化的关系与1hr降雨量随海拔变化的关系之间存在可以相互借鉴的规律。因此在短历时雨量资料短缺地区(即预警区)建立起的日降雨量随海拔变化的关系式经修正后可以应用为1hr降雨量随海拔变化的关系式；第二、暴雨泥石流的发生需要满足地形地貌、碎屑固体物源、水源3项条件，具体分别是有利于贮集、运动和停淤的地形地貌条件，有丰富的松散土石碎屑固体物质来源，以及有短时间内可提供充足的水源和适当的激发因素。当前两项条件能够确定或者相对确定时，泥石流发生的水源条件就基本可以确定。因此，一个与预警区地形地貌条件与碎屑固体物源条件相同或相近似的泥石流流域也会具有与预警区相近似的发生泥石流的水源条件。那么从成熟的泥石流研究区选取这样一个地区作为类比区，则能从类比区的雨量数据资料中获取预警区数据资料中用于计算其泥石流雨量阈值所必需但缺乏的数据资料。

基于上述原理，本发明泥石流预警方法具体操作是：

步骤S1、预警区现场调查与雨量监测站点布置

对预警区进行一般流域调查，并根据地形特征在预警区内布置雨量监测站点、安装泥石流预警系统；

步骤S2、类比区选择确定

分析预警区的基本条件特征，并根据分析结果从成熟的泥石流研究区中选取确定至少一个与预警区基本条件相同或相近似的研究区作为类比区；

步骤S3、确定泥石流预警系统预置雨量阈值

通过类比法计算泥石流预警区各雨量监测站点的1hr雨强I₆₀值与前期影响雨量P_a值。具体包括：

建立预警区特征雨量(日降雨量)与海拔变化的关系式(式1)：

H₁＝A₁×I₁ ^α    式1

式中，H₁——海拔(m)，

I₁——预警区日降雨量(mm)，

A₁——系数，

α——指数。

建立类比区特征雨量(日降雨量)与海拔变化的关系式(式2)：

H₂＝A₂×I₂ ^β    式2

式中，H₂——海拔(m)，

I₂——类比区日降雨量(mm)，

A₂——系数，

β——指数。

依据式1、式2确定的参数间关系确定预警区与类比区暴雨过程的类比计算式(式3)，以类比区典型暴雨过程数据资料为基础计算得出预警区雨量监测站点典型暴雨历时的各小时特征雨量，再根据计算结果确定预警区典型暴雨过程的1hr雨强I₆₀值与前期影响雨量P_a值，并依I₆₀值与P_a值绘制成雨量阈值曲线图。

$I_3={\left(\frac{A_2\×{I_4}^{\mathrm{\β}}\×H_3}{A_1{\×H}_4}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\α}}}$ 式3

式中，I₃——预警区雨量监测站点典型暴雨历时的各小时特征雨量(mm)

I₄——类比区典型暴雨历时的各小时特征雨量(mm)

H₃——预警区雨量监测站点海拔(m)，由实测得到

H₄——类比区雨量数据地点海拔(m)，由实测得到

步骤S4、泥石流预警系统设置

依照步骤S3计算结果，将各监测站点警戒雨量阈值预先设置到各监测站点的泥石流预警系统中，由系统自动完成实时雨量值与警戒雨量阈值的比对，并根据比对结果在必要时发出泥石流警报。

上述方法在步骤S3中建立预警区特征雨量与海拔变化的关系式时，特征雨量单位的确定应该根据预警区已有雨量资料条件选取历时单位尽可能短的特征雨量。由于本技术方案对应解决的是具备日降雨资料但缺乏短历时降雨资料的地区的泥石流发生预警方法问题，因此上述方法在步骤S3中建立预警区特征雨量与海拔变化的关系式时，通常选取预警区历史记录的日降雨量数据建立日降雨量与海拔变化关系式作为计算雨量阈值所需的短历时特征雨量与海拔变化关系的参考。建立类比区特征雨量与海拔变化的关系式时，则选取与已建立的预警区特征雨量与海拔变化关系式中相同历时单位的特征雨量。

为了使预警雨量阈值的计算更准确，本方法可以做如下优化：(1)对预警区雨量监测站点的布置位置加以优化；(2)在预警区有至少一次泥石流历史资料数据记录的情况下，可以根据预警区历史资料数据计算出预警区泥石流发生时的I_60历值与P_a历值，并将该计算值与利用类比法计算所得雨量阈值加以比对与综合分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：方法能够解决泥石流预警区普遍存在的由于缺乏短历时雨量特征数据而无法实现通过小时雨量监控进行泥石流发生预警的技术问题，由此计算确定该类泥石流流域的预警雨量阈值，实现该类地区通过预置雨量阈值、监测降雨过程的方法进行泥石流预警的方法。

附图说明

图1是技术方案线路图。

图2是水碾河泥石流沟预警站地点泥石流雨量阈值预报图。

图3是水碾河泥石流沟野鸭村地点泥石流雨量阈值预报图。

图4是水碾河泥石流沟松林老包地点泥石流雨量阈值预报图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

用本发明方法对巧家县水碾河泥石流沟进行泥石流预警。

巧家县位于云南省东北部昭通市西南部，地处E 102°52′～103°26′、N26°32′～27°25′。县城坐落在泥石流堆积扇的中上部，处在金沙江右岸。水碾河泥石流沟位于县城西北方向约7km处，是巧家县危害最大的泥石流沟，沟内堆积了大量的松散固体物质，遇到一定强度的降雨极易引发泥石流，对下游广袤的农田和村庄构成严重威胁。

根据当地泥石流灾害记录，水碾河泥石流沟属高频沟谷型粘性泥石流沟，泥石流物质为沟谷两侧补给的固体松散物。其暴发的方式为：崩塌、滑坡形成的固体松散物+前期降水+短历时暴雨→启动沟床质→形成泥石流，属于典型的暴雨泥石流。

对水碾河泥石流沟(预警区)进行泥石流预警按照如下方案实施——

步骤S1、预警区现场调查与雨量监测站点布置

步骤S11、一般流域调查

对水碾河泥石流沟内进行一般流域调查，通过现场对地形的考察(必要时结合地形图)确定如下数据资料：

通过调查测量确定：流域面积A、流域最大高差ΔH、形成区界限、流通区界限；根据调查测量数据依常规方法计算确定：主沟平均纵坡降I、形成区面积、清水区面积、流通区面积、土壤颗粒组成。

步骤S12、泥石流预警系统布置安装

步骤S121、预警系统雨量监测站点布置

在水碾河泥石流沟内布置预警系统雨量监测站点，监测站点布置方法为：(1)所有监测站点均布置在水碾河泥石流沟流域范围内；(2)泥石流的形成区内需布设监测站点；(3)重要集雨区需布设监测站点；(4)泥石流沟口需布置监测站点。

根据上述原则，本实施例中，雨量监测站点分别布置在泥石流形成区松林老包(海拔1790m)、野鸭村(海拔1300m)与位于沟口附近的预警站站房房顶(海拔733m)。

步骤S122、泥石流预警系统安装

泥石流预警系统主要由控制中心与安装在雨量监测站点的雨量监测装置组成。各雨量监测装置获取雨量观测值并实时传输到控制中心，由控制中心根据各雨量监测站点的实时雨量数据与预置的预警雨量阈值加以比对的结果判断是否启动泥石流灾害预警报。

步骤S2、类比区选择确定

步骤S21、预警区水文、气象、地质地貌特征分析

分析水碾河泥石流沟内的水文气象条件、降雨特征、下垫面条件、地震断裂带、泥石流类型等资料。其中水文气象条件分析包括水汽通道、气象类型分析；降雨特征分析包括年平均降雨量、降雨年季分布及空间分布特征、降雨雨型特征分析；下垫面条件分析包括地形地貌、流域松散固体物质储备状况、植被状况调查分析；地震断裂带分析具体分析水碾河泥石流沟内所处构造带及周边断层分布情况等。

依据上述分析结果，从成熟的泥石流研究区中筛选出云南东川小江流域蒋家沟在各指标与特征方面均与水碾河泥石流沟条件相同或者相近似，由此确定为类比区。

步骤S3、确定泥石流预警系统预置雨量阈值

以下以3处雨量监测站点之一的预警站雨量阈值计算过程说明本预警方法的实施方式。

步骤S31、预警区特征降雨量与海拔变化关系分析

根据预警区雨量资料情况，选取日降雨量作为特征雨量，并根据水碾河泥石流沟内雨量记录数据分析得到预警站日降雨量与海拔的关系表达式如下：

H₁＝1.842I₁ ^1.550    式4

式中，H₁——海拔(m)

I₁——预警站日降雨量(mm)

步骤S32、类比区特征降雨量与海拔变化关系分析

根据蒋家沟历史资料数据分析得到蒋家沟日降雨量与海拔变化关系表达式如下：

H₂＝0.104I₂ ^2.492    式5

式中，H——海拔(m)

I₂——蒋家沟日降雨量(mm)

步骤S33、类比法确定各监测站点泥石流雨量阈值

步骤S331、类比区典型暴雨雨型分析

根据蒋家沟雨量监测站点历史资料数据，选取蒋家沟典型暴雨过程数据(最好选择对应预警区暴雨日或者临近日数据)，将降雨过程按小时降雨量进行分析计算得到蒋家沟暴雨历时的各小时特征雨量I₄。

考虑到现有泥石流灾害研究表明引发泥石流的暴雨类型以尖峰型为主，因此蒋家沟的典型暴雨分析可以首先筛选出蒋家沟典型暴雨场次中的尖峰型暴雨场次，再将典型尖峰型暴雨降雨过程按小时降雨量进行分析计算得到蒋家沟典型暴雨历时的各小时特征雨量I₄。

步骤S332、类比分析预警区暴雨过程特征

选取尽可能多的预警站典型暴雨，以S331计算确定的蒋家沟典型暴雨历时的各小时特征雨量I₄为基础，依据S31、S32建立的关系式确定的参数关系按比例计算出预警站典型暴雨历时中各小时的降雨量I₃。具体计算公式如下：

$I_3={\left(\frac{0.104{I_2}^{2.492}\×H_3}{1.842H_4}\right)}^{\frac{1}{1.550}}$ 式6

I₃——预警站典型暴雨历时的各小时特征雨量(mm)

I₄——蒋家沟典型暴雨历时的各小时特征雨量(mm)

H₁——预警站海拔(m)，由实测得到

H₂——蒋家沟雨量数据地点海拔(m)，由实测得到

以计算所得预警站暴雨历时中各小时特征雨量数据为基础，依据式4确定的预警区特征雨量值随海拔变化的关系可以进一步计算出野鸭村与松林老包两处雨量监测站点典型暴雨历时的各小时特征雨量。

步骤S332、绘制预警区雨量阈值预报图

依据S331计算分析结果，确定预警区各雨量监测站典型暴雨过程中1hr雨强I₆₀值与前期影响雨量P_a值，并将I₆₀值与P_a值绘制成雨量阈值曲线图。再根据预警区的泥石流灾害记录资料数据分析得到该次(或几次)泥石流发生时的各站点对应的I_60历值与P_a历值，用于验正或修正阈值曲线的位置。

具体是：依据S331计算分析结果，确定预警站雨量监测站点典型暴雨过程中1hr雨强I₆₀值与前期影响雨量P_a值表达式为I₆₀+P_a＝55。依I₆₀值与P_a值绘制成雨量阈值曲线图，曲线图横坐标为I₆₀，纵坐标为P_a，每一组I₆₀值与P_a值即确定一条阈值曲线。历史资料记录有水碾河泥石流沟内在1980年8月24日与1989年5月6日两次发生的泥石流灾害的相关数据。根据记录数据，预警站雨量监测站点两次泥石流发生时的I_60历值与P_a历值分别是：1980年，I_60历＝7.3，P_a历＝63；1989年，I_60历＝40，P_a历＝20。分别将两次泥石流发生时的I₆₀值与P_a值点绘在雨量阈值曲线图上。同样分析可得到野鸭村(I₆₀+P_a＝80)、松林老包(I₆₀+P_a＝95)两处雨量监测站点的雨量阈值曲线图。根据点与阈值曲线的位置关系加以分析，如果该点在雨量阈值曲线的上方，则表明雨量阈值曲线合理；如果该点在雨量阈值曲线的下方，则表明雨量阈值曲线的计算值偏大，应该相应调小，以使该点在曲线的上方。考虑到资料缺乏的限制，以及安全因素，在调小雨量阈值曲线时，可以将阈值曲线对应的I₆₀+P_a值调约小1mm即可。验正或修正后得到各站点的泥石流雨量阈值预报图，如图2、图3、图4所示。

步骤S4、泥石流预警系统设置

依照步骤S3所得结果，将各监测站点预警雨量阈值预先设置到的泥石流预警系统中。

Claims (10)

1.一种雨量资料短缺地区的泥石流预警方法，通过在泥石流预警系统中预置预警雨量阈值，并将实时雨量数据与预警雨量阈值实时比对结果判断是否启动系统预警报来实现，其特征在于：对于缺乏足够雨量资料数据的泥石流预警区，首先分析其基本条件，根据分析结果从具有丰富观测记录数据资料的成熟泥石流研究区中选择至少一个与预警区基本条件相同或相近似的研究区确定为类比区；其次从类比区的历史雨量数据资料中获取预警区短缺的雨量数据资料用于预警区泥石流预警雨量阈值的计算；最后将计算结果预置在预警区内建立的泥石流预警系统中作为启动泥石流预警报的阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预警区基本条件包括水文气象条件、降雨特征、下垫面条件、地震断裂带、泥石流类型等特征。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述水文气象条件分析包括水汽通道、气象类型分析，所述降雨特征分析包括年平均降雨量、降雨年季分布及空间分布特征、降雨雨型特征分析，所述下垫面条件分析包括地形地貌、流域松散固体物质储备状况、植被状况调查分析，所述地震断裂带分析包括预警区所处构造带及周边断层分布分析。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：按如下步骤实施：

步骤S1、预警区现场调查与雨量监测站点布置

对预警区进行一般流域调查，并根据地形特征在预警区内布置雨量监测站点、安装泥石流预警系统；

步骤S2、类比区选择确定

分析预警区的基本条件，并根据分析结果从成熟的泥石流研究区中选取确定至少一个与预警区基本条件相同或相近似的研究区作为类比区；

步骤S3、确定泥石流预警系统预置雨量阈值

通过类比法计算泥石流预警区各雨量监测站点的1hr雨强I₆₀值与前期影响雨量P_a值，具体是首先分别建立预警区特征雨量与海拔变化的关系式、类比区特征雨量与海拔变化的关系式，其次依据所述二关系式确定的参数间关系确定预警区与类比区暴雨过程的类比计算式，再以类比区典型暴雨过程数据资料为基础依所述类比计算式计算得出预警区典型暴雨历时的各小时特征雨量，并根据计算结果确定预警区典型暴雨过程的1hr雨强I₆₀值与前期影响雨量P_a值，最后依I₆₀值与P_a值绘制成雨量阈值预报图；

步骤S4、泥石流预警系统设置

依照步骤S3计算结果，将各监测站点警戒雨量阈值预先设置到各监测站点的泥石流预警系统中，由系统自动完成实时雨量值与警戒雨量阈值的比对，并根据比对结果在必要时发出泥石流警报。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤S1、预警区现场调查与雨量监测站点布置按如下步骤进行：

步骤S1、预警区现场调查与雨量监测站点布置

步骤S11、一般流域调查

对预警区进行一般流域调查，通过现场对地形的考察或结合地形图确定如下数据资料：

通过调查测量确定：流域面积A、流域最大高差ΔH、形成区界限、流通区界限；根据调查测量数据依常规方法计算确定：主沟平均纵坡降I、形成区面积、清水区面积、流通区面积、土壤颗粒组成；

步骤S12、泥石流预警系统布置安装

步骤S121、预警系统雨量监测站点布置

在预警区内布置预警系统雨量监测站点，监测站点布置方法为：所有监测站点均布置在预警区范围内；泥石流沟的形成区内布设监测站点；重要集雨区布设监测站点；泥石流沟口布置监测站点；

步骤S122、泥石流预警系统安装

泥石流预警系统主要由控制中心与分布在预警区内的雨量监测站点组成。各雨量监测站点获取雨量观测值并实时传输到控制中心，由控制中心根据各雨量监测站点的实时雨量数据与预置的预警雨量阈值加以比对的结果判断是否启动泥石流灾害预警报。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：建立预警区特征雨量与海拔变化的关系式时，所述特征雨量单位的确定根据预警区已有雨量资料条件选取历时单位尽可能短的特征雨量；建立类比区特征雨量与海拔变化的关系式时，选取与已建立的预警区特征雨量与海拔变化关系式中相同历时单位的特征雨量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤S3、确定泥石流预警系统预置雨量阈值按如下步骤进行：

步骤S3、确定泥石流预警系统预置雨量阈值

步骤S31、预警区特征降雨量与海拔变化关系分析

根据预警区雨量资料情况，建立区内日降雨量与海拔的关系表达式：

H₁＝A₁×I₁ ^α    式1

式中，H₁——海拔(m)，由实际测量得到

I₁——预警区日降雨量(mm)，由实测降雨资料得到

A₁——系数

α——指数

步骤S32、类比区短历时特征降雨量与海拔变化关系分析

建立类比区内短历时特征雨量与海拔变化的关系式：

H₂＝A₂×I₂ ^β    式2

式中，H₂——海拔(m)，由实际测量得到

I₂——类比区日降雨量(mm)，由实测降雨资料得到

A₂——系数

β——指数

步骤S33、类比法确定各监测站点泥石流雨量阈值

步骤S331、类比分析预警区暴雨过程特征

选取尽可能多的类比区典型暴雨过程数据，经雨型分析计算得到类比区典型暴雨历时的各小时特征雨量，再以其为基础，依式3按比例计算出预警区雨量监测站点典型暴雨历时中各小时特征雨量：

$I_3={\left(\frac{A_2\×{I_4}^{\mathrm{\β}}\×H_3}{A_1{\×H}_4}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\α}}}$ 式3

式中，I₃——预警区雨量监测站点典型暴雨历时的各小时特征雨量(mm)

I₄——类比区典型暴雨历时的各小时特征雨量(mm)

H₃——预警区雨量监测站点海拔(mm)，由实测得到

H₄——类比区雨量数据地点海拔(mm)，由实测得到

步骤S332、绘制预警区雨量阈值预报图

依据S331计算分析结果，确定预警区各雨量监测站1hr雨强I₆₀值与前期影响雨量P_a值，并将I₆₀值与P_a值绘制成雨量阈值曲线图；再根据预警区的泥石流灾害记录资料数据分析得到泥石流发生时的各站点对应的I_60历值与P_a历值，用于验正或修正阈值曲线的位置。

8.根据权利要求7所述的方法其特征在于：所述步骤S331、类比分析预警区暴雨过程特征中，首先筛选出类比区典型暴雨场次中的尖峰型暴雨场次，再将典型尖峰型暴雨降雨过程按小时降雨量进行分析计算得到类比区典型暴雨历时的各小时特征雨量。

9.根据权利要求7或8所述的方法其特征在于：所述步骤S331、类比分析预警区暴雨过程特征中，当雨量监测站点为多个时，在计算出至少一个雨量监测站点的短历时特征雨量值后，依据式1所示预警区特征降雨量与海拔变化关系计算得到其余雨量监测站点的短历时特征雨量值。

10.根据权利要求9所述的方法其特征在于：步骤S332、绘制预警区雨量阈值预报图中，所述验正或修正阈值曲线的位置的方法是：首先将依式计算所得各监测站点预警雨量阈值绘制在预警区各监测站点雨量阈值曲线图上，曲线图横坐标为I₆₀，纵坐标为P_a；然后将根据预警区泥石流历史数据资料分析计算所得I_60历值与P_a历值点汇在曲线图上并分析点与阈值曲线的位置关系，必要时对曲线高低位置加以修正。

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