小流域山洪灾害危险性分析之降雨指标选取的初步研究

降雨是诱发山洪灾害的直接动力和激发条件,是山洪灾害危险性分析中不可或缺的重要指标。对于不同的研究区,不同频次和历时的降雨对山洪灾害的影响不同,危险性分析所选取的降雨指标也可能不同。本文基于1:5万小流域数据、历史山洪灾害空间分布数据和暴雨图集资料,以江西省婺源县小流域为例,采用相关分析法对初步选取的24个降雨指标进行相关性分析,筛选出相关性不强的降雨指标;利用GIS技术和基于局部Getis-Ord Gi*算法的优化热点分析工具对历史山洪灾害点进行空间聚类分析,获得研究区每个小流域山洪灾害危险度的估值,该值能够较好地反映小流域山洪灾害危险性的空间分布;通过地理探测器模型中的因子探测器和交互探测器对已筛选出的降雨指标和小流域山洪灾害危险度进行综合探测分析,从而获取对该研究区小流域山洪灾害危险性影响较大的降雨指标,即100年一遇最大6 h降雨和100年一遇最大24 h降雨。本文研究对小流域山洪灾害危险性分析降雨指标的定量选取具有参考和指导意义。     

面向山洪预警的水雨情监测站网布设方法研究

山洪灾害是中国高频发、高死亡率的自然灾害之一。水雨情站网的合理布设及优化,有利于捕获区域暴雨、洪水情势变化的时空异质性,可显著提高中小流域山洪预警的精度,增强山洪灾害防御能力。本文以山洪灾害高发的福建省顺昌县为例,提出了面向山洪预警的水雨情站网布设方法。县内现状雨量和水位站网监测密度分别为37 km²/站和76 km²/站,主要分布在平原主干河流地区,山洪灾害重点防治区内站网布设不足,小流域暴雨山洪监测和预警能力较弱。针对上述问题,综合分析流域降雨时空特征、历史山洪灾害与山洪灾害预警预报需求,对研究区水雨情站网进行了合理性分析和布设研究,建议增设雨量站3座、水位站3座,其中一座水位站同时监测降雨过程,调整后县内雨量站和水位站的监测密度达到34 km²/站和68 km²/站。本文研究对山洪灾害高发区的水雨情站网布设具有参考和指导意义。     

四川省山洪灾害时空分布规律及其影响因素研究

山洪灾害时空分布规律及其影响因素,是灾害时空数据挖掘领域所关注的重点问题。本研究采用1950-2015年四川省历史山洪灾害事件数据,结合地统计、地理探测器、空间分析等方法,系统地分析了四川省1950-2015年历史山洪灾害的时空分布规律及其影响因素。结果表明：① 1950-2015年四川省山洪灾害数量整体呈先稳定后增长的趋势;山洪灾害主要集中在5-9月,7月覆盖率100%。② 县域灾害频次在南-北方向呈递减分布趋势;平均降雨量（历史山洪灾害过程降雨的平均值）在东-西方向呈指数型增长趋势,南-北方向由中部向南北递减。③ 1950s-2010s和5-9月历史累计山洪灾害重心及各标准差椭圆中心集中在四川中部地区,向东北方向移动,累计灾害点空间分布呈西南—东北格局。④ 县域山洪灾害数量及平均降雨量呈空间正自相关。⑤ 地理探测器分析表明自然因素、降雨、人类活动等因素对山洪灾害时空分布影响较大,其中不同降雨指标、高程标准差、坡度是山洪灾害时空分布规律的主要驱动因素。研究结果对查清四川省山洪灾害时空分布特征及小流域山洪监测预警、风险评价、防治区划等提供坚实的理论基础和科技支撑。     

降雨型黄土滑坡预警研究现状综述

黄土滑坡是一类典型的地质灾害,但目前并没有针对这类滑坡的区域性预警模型。介绍了黄土滑坡的分类和滑带特征研究现状,讨论了降雨型滑坡的两类预警模型:降雨型滑坡临界雨量模型,包括区域统计概率预警和临界雨量阈值预警;物理预警模型,主要为通过建立力学稳定性分析和降雨入渗模型耦合得到的预警模型。分析了降雨或地下水作用下土体含水量变化对滑坡稳定性的影响研究和黄土滑坡的预警研究现状,最后根据前人研究现状讨论了现有预警模型的特点并提出了未来降雨型黄土滑坡预警可能的发展方向。      

全国山洪灾害调查评价成果及规律初探

山洪灾害调查评价是1949年来水利行业最大的非工程措施项目,是规模最大的全国性防灾减灾基础信息普查工程,历时4年,涉及全国30个省305个市2138个防治县（区）,国土面积755万km²,人口近9亿。运用普查、详查、外业测量、分析计算等多种手段,掌握了中国山洪灾害防治区范围、人员分布、下垫面条件、社会经济、历史山洪灾害等基本情况,科学分析了山丘区小流域的暴雨洪水特性,评价了现状防洪能力,计算了预警指标,划定了危险区,为山洪灾害预警预报和应急救援决策提供了基础信息支撑。本文系统介绍了全国山洪灾害调查评价的核心要点,综述了调查评价成果,归纳了调查评价成果要素类型,揭示了全国山洪灾害防治区、人口、历史山洪灾害事件与预警能力的空间分布一致性,即山洪灾害各要素集中分布于青藏高原-四川盆地过渡带、川滇交界地区、黄土高原区、东部沿海地区及华北等地区,最后初步探讨了该成果的应用前景。全国山洪灾害调查评价成果将为中国山洪灾害监测预警预报体系建设及防灾减灾能力提升提供丰富的基础数据支撑。     

中国历史山洪灾害分布特征研究

中国山洪灾害发生频繁,区域分布差异性明显且难以预报,关于山洪灾害分布特征的研究对于山洪灾害预警、山洪灾害防治区规划等具有重要意义。本文以历史山洪灾害点为基础数据,以6个一级地貌大区（东部平原低山丘陵大区（Ⅰ）、东南低山丘陵平原大区（Ⅱ）、华北-内蒙东中山高原大区（Ⅲ）、西北高中山盆地高原大区（Ⅳ）、西南中低山高原盆地大区（Ⅴ）、青藏高原高山极高山盆地谷地大区（Ⅵ））为基本分析单元,统计对比不同地貌区域内山洪灾害数目、密度,并进一步分析山洪灾害随高程、高程标准差以及50年一遇6 h雨量（H6-50）的分布情况,从而获得中国历史山洪灾害的主要分布特征。结果表明：山洪灾害集中分布于东南低山丘陵平原大区及西南中低山高原盆地大区,占全国山洪灾害的60%左右。6 h雨量（H6-50）处于240~280 mm区域山洪灾害密度最大。高程标准差小于30 m区域山洪灾害密度较大。东南低山丘陵平原大区高程处于10~50 m间,高程标准差小于30 m,雨量（H6-50）在150~270 mm间地区山洪灾害密度较大;西南中低山高原盆地大区山洪灾害集中分布于高程600 m以下,高程标准差小于50 m,雨量（H6-50）大于120 mm地区。以地貌区划结果为基本分析单元相对于行政界线而言更有助于分析山洪灾害分布特征。     

利用改进的SCS水文预警模型提升山洪灾害风险应急制图的时效性——以长江经济带为例

山洪灾害防治是我国当前防汛减灾的薄弱环节,开展山洪灾害预警是防御山洪灾害最有效的方式之一,应急制图可为山洪灾害预警信息发布和决策部署提供有力的技术支撑。对于突发性强、时空过程变化剧烈的山洪灾害,常规应急制图方法的时效性难以满足实际需求。本研究利用参数少、结构简单的SCS模型能快速分析计算山洪灾害发生的可能性,结合“模型计算-应急制图-辅助决策”框架,以提升山洪灾害风险应急制图的时效性。2020年主汛期长江流域遭遇1998年以来最严重的汛情,迫切需要开展山洪灾害风险应急制图研究,本文以长江经济带为研究区开展研究。研究结果表明：(1)通过改进SCS模型,对划分的每个子流域进行气象数据的山洪灾害风险计算,并且通过构建前期基础数据库、快速数据处理工具,设计标准制图模板,提高了模型计算及应急制图效率,保证了应急制图的规范性,单幅应急专题图制图时间提升至约50 min;(2)将实时模型计算与应急制图结合,并且通过采用每日24 h降雨预报数据,实现专题图动态持续更新;(3)研究有效应用于2020年汛期长江经济带山洪灾害防御工作,累计制作150幅山洪灾害风险专题图支撑国家应急管理决策部署,取得了良好的...     

台风-非台风降雨型滑坡的多时段临界雨量值预测模型

统计确定临界降雨量是滑坡早期预警常用的方法。东南沿海地区台风暴雨不同于一般降雨, 常引发滑坡灾害, 从而威胁沿海地区人民生命财产安全。为了建立台风和非台风降雨型滑坡临界降雨量预测模型, 以浙江丽水市为例, 基于2010-2020年台风暴雨、非台风降雨诱发滑坡与降雨量的统计, 构建了丽水市滑坡发生概率和有效降雨量的关系, 提出了多时长临界降雨量预测模型, 并开展了台风和非台风降雨型滑坡预测模型结果的对比分析。结果表明, 非台风降雨与台风暴雨之间雨型和雨量差异是导致丽水市内2类降雨滑坡预测模型差异的主要原因; 以多时长预测模型确定的临界雨量值法和有效降雨天数更加符合丽水市降雨型滑坡的预测预报, 且预测精度相比于传统相关性分析法更高。研究成果对于开发区域降雨型滑坡预测模型具有理论意义, 对我国东南沿海地区汛期滑坡早期预警具有重要实际意义。      

湖南省山丘区小流域山洪灾害危险性评价

本文采用信息量模型法研究湖南省山丘区小流域山洪灾害的危险性程度。信息量模型的最大意义是能从影响山洪灾害发生的众多因素中找到“最佳因素组合”。基于湖南省1955-2015年近60年的历史山洪灾害数据,结合地形、下垫面以及降雨条件,利用信息量模型按危险性程度高低划分出湖南省山丘区山洪灾害危险性的分布情况。研究结果表明,湖南省山丘区山洪灾害容易发生在坡度小于10°,高程小于100 m,起伏度小于30 m,土地覆被为人工表面,土壤类型为粘土以及降雨量在1584.3~1662.0 mm之间的区域。湖南省山丘区危险等级较高的地级市有永州市、郴州市、株洲市、岳阳市、娄底市以及长沙东部山区,经过混淆矩阵验证后,通过信息量方法建立的山洪灾害危险性评价模型准确率为75.36%,基本可信。     

湖北省黄冈市降雨型滑坡气象预警判据

黄冈市是湖北省汛期地质灾害频发区之一, 地质灾害类型以滑坡为主, 其中75%为降雨型滑坡。通过统计分析黄冈市近10年滑坡与降雨的相关关系, 在考虑黄冈市地质灾害易发性分区基础上, 研究黄冈市降雨型滑坡的降雨阈值, 利用逻辑回归模型建立滑坡发生的概率预测模型, 再针对不同等级易发区提出对应的气象预警判据。最后以历史降雨及其滑坡事件检验预警判据的合理性与可信度。结果表明, 所建立的气象预警判据在时间尺度上由以往依托气象部门的中长期预警精细到了24 h的短临预警, 在空间尺度上确定了不同等级易发区的降雨型滑坡气象预警判据。预警准确率大幅提升, 显著提高了黄冈市降雨型滑坡气象预警精度, 可为临灾转移提供精细化的技术指导, 有效降低降雨型滑坡灾害带来的生命财产损失。      

接入实时降雨数据的暴雨型洪涝灾害临灾预警方法

针对现有暴雨型洪涝灾害预警方法时效性差的问题,提出了一种接入实时降雨数据的暴雨型洪涝灾害临灾预警方法。根据时序分析模型由历史降雨数据和实时降雨数据分析识别异常降雨,并将异常降雨、地形起伏、高程和河网因素作为影响因子,构建暴雨型洪涝灾害风险指数,以"日"为时间尺度进行短时暴雨型洪涝灾害风险分析。从异常降雨致灾角度出发,根据降雨的异常程度将暴雨型洪涝灾害风险等级划分为无风险、低风险、中风险、中高风险和高风险5个等级,进而实现临灾预警,为防灾减灾提供一定的参考信息。以广东省清远市2014年5月的洪涝灾害为例,接入5月21日至5月26日期间逐日降雨量数据,实现了临灾风险分析。实验结果表明,六日内清远市阳山县中下区域发生暴雨洪涝灾害的风险较大,与实际灾情相吻合,达到了较好的预警效果。     

流域性暴雨洪涝灾害风险预警模型与应用分析

洪涝灾害是我国影响范围最广、持续时间最长、造成损失最大的一类自然灾害。暴雨是洪涝灾害的最主要致灾因素,所以,暴雨洪涝灾害风险预警研究是洪涝灾害防灾减灾的重要基础。本文立足洪涝灾害应急管理工作要求,对洪涝灾害系统空间仿真模拟研究模式进行改进,采用流域地表径流模拟代替控制断面水位模拟,彻底解决流域地表产流及河道水位模拟限制...     

Stability analysis of an unsaturated soil slope considering rainfall infiltration based on the Green-Ampt model

Based on the principle of saturated infiltration and the Green-Ampt model, an unsaturated infiltration model for a soil slope surface was established for either constant moisture content, or depth-varying moisture content and the slope. Infiltration parameters in the partially saturated slope were revealed under sustained rainfall. Through analysis of the variation of initial moisture content in the slope, the ponding time, infiltration depth, and infiltration rate were deduced for an unsaturated soil slope subject to rainfall infiltration. There is no ponded water on the surface of the slope under sustained low-intensity rainfall. The results show that the infiltration parameters of an unsaturated slope are influenced by the initial moisture content and the wetting front saturation, the soil cohesion and rainfall intensity under sustained rainfall. More short-term slope failures can occur with the decrease of cohesion of the soil of the slope. The ponding time and infiltration depth differ considering constant or different initial moisture content respectively in the soil slope. Then, best-fit curves of the infiltration rate, ponding time, and infiltration depth to the wetting front saturation were obtained with constant or different initial moisture contents. And the slope failure time is roughly uniform when subject to a rainfall intensity I5 mm/h.     

降雨数据空间分辨率在城市流域洪峰变化分析中的影响

在气候变化和城市化背景下,城市暴雨的局部特征愈发明显,而降雨监测和预报数据空间分辨率难以满足空间分布描述要求,造成城市洪涝模拟和预测结果存在不确定性。本文选择深圳市城区的3个流域,基于118场实测降雨数据,通过逐步增大网格尺寸以达到降低降雨空间分辨率的效果,同时以流域边界作为限制,保证流域内面平均雨量不变,然后将不同空间分辨率的降雨数据分别作为城市洪涝模型的输入条件,对流域出口断面的洪水过程进行模拟计算,每场降雨得到6种不同空间分辨率下的洪峰流量。结合降雨中心、流域几何中心等空间特征参数,分析降雨空间分辨率对流域洪峰的影响。研究结果表明,针对118场实测降雨,随着降雨数据空间分辨率逐渐降低,3个流域的出口断面的洪峰变化幅度逐渐增大;如果忽略了流域内部降雨数据的空间分布差异,洪峰变化幅度和方向与降雨中心和流域几何中心的空间关系具有相关性,降雨中心在流域几何中心上游方向的距离越大,洪峰降低的幅度越大。本文基于3个城市流域得到了相似的研究结论,研究方法可为城市流域洪涝模拟提供借鉴,研究结果可为河道洪水风险评价提供参考。     

Response of Soil Moisture to Rainfall Event in Black Locust Plantations at Different Stages of Restoration in Hilly-gully Area of the Loess Plateau,China

Precipitation plays an important role in the water supplies that support ecological restoration by sustaining large-scale artificial plantations in arid and semiarid regions, especially black locust(Robinia pseudoacacia) plantations(RP plantations), which are widely planted due to R. pseudoacacia being an excellent pioneer species. Characterizing the response of soil moisture to rainfall events at different stages of restoration is important for assessing the sustainability of restoration in RP plantations. In this study, we quantified the response of soil moisture to rainfall events at different years of restoration(15, 20 and 30 yr) representing different restoration stages in RP plantations in a typical hilly-gully area, i.e., the Yangjuangou Catchment, of the Loess Plateau, China. Over the growing season(June to September) of 2017, smart probes were placed at nine depths(10, 20, 40, 60, 80, 100, 120, 150, and 180 cm below the soil surface) to obtain volumetric soil water information at 30-min intervals in the three RP plantations. The advance of the wetting front was depicted, and the total cumulative water infiltration was measured. Soil moisture was mainly replenished by eight heavy rainfall events(mean rainfall amount = 46.3 mm), accounting for 88.7% of the rainfall during the growing season. The mean soil moisture content profiles of RP plantations at the three restoration stages were ordered as 30-yr(14.07%) 20-yr(10.12%) 15-yr(8.03%), and this relationship displayed temporal stability. Soil moisture was primarily replenished by rainfall at the 0-60 cm soil depth, and soil moisture remained stable below the 100-cm soil depth. The rainfall regime influenced the advancement of the wetting front. Here, a single rainfall event of 30 mm was the rainfall threshold for infiltration into the 60-cm soil layer. The total infiltration time ranged from 310.5-322.0 h, but no significant differences were found among RP plantations at different restoration stages. Young and old RP plantations had more total infiltration(more than 228.2 mm) and deeper infiltration depths(80-100 cm) than middle-aged plantations. The RP plantation at the intermediate restoration stage exhibited minimal total infiltration(174.2 mm) and a shallow infiltration depth(60 cm) due to the soil physical structure of the plot, which may have limited rain infiltration. More stand conditions that may affect infiltration should be considered for priority afforestation areas.     

Full 2D Hydrodynamic Modelling of Rainfall-induced Flash Floods

Mountain catchments are prone to flash flooding due to heavy rainfall. Enhanced understanding of the generation and evolution processes of flash floods is essential for effective flood risk management. However, traditional distributed hydrological models based on kinematic and diffusion wave approximations ignore certain physical mechanisms of flash floods and thus bear excessive uncertainty. Here a hydrodynamic model is presented for flash floods based on the full two-dimensional shallow water equations incorporating rainfall and infiltration. Laboratory experiments of overland flows were modelled to illustrate the capability of the model. Then the model was applied to resolve two observed flash floods of distinct magnitudes in the Lengkou catchment in Shanxi Province, China. The present model is shown to be able to reproduce the flood flows fairly well compared to the observed data. The spatial distribution of rainfall is shown to be crucial for the modelling of flash floods. Sensitivity analyses of the model parameters reveal that the stage and discharge hydrographs are more sensitive to the Manning roughness and initial water content in the catchment than to the Green-Ampt head. Most notably, as the flash flood augments due to heavier rainfall, the modelling results agree with observed data better, which clearly characterizes the paramount role of rainfall in dictating the floods. From practical perspectives, the proposed model is more appropriate for modelling large flash floods.     

Sentinel-1 SAR在洪水范围提取与极化分析中的应用研究

在洪水灾情监测中,快速准确的获取淹没区域和洪灾面积,对防汛救灾和灾后重建工作具有重要价值。本文以2017年美国圣路易斯洪水为例,基于Sentinel-1 SAR数据,利用变化检测和阈值相结合的方法实现大范围洪水淹没提取,将VV/VH极化数据分别与从同期Sentinel-2光学影像中获取的洪水淹没范围进行比较,评定极化方式的洪水适用性优劣程度。不同的SAR极化数据对洪水监测的适用性不同,通过绘制各极化不同时期的后向散射横断面线来分析多极化中的散射响应特征。研究表明：Sentinel-1 VV/VH极化数据均能以超过82%的高精度识别出洪水,VV极化洪水提取时产生的误判更少;在同样的区域,相较于VH,Sentinel-1 VV极化信号的散射程度小了约28%,在洪水中的信息敏感,更适用于洪水灾害的淹没范围监测。