王光谦
我国是一个多山的国家，山丘区面积约占国土面积的三分之二，聚集了全国56%的人口，全国2100多个县级行政区中有1500多个在山区。根据统计，山丘区约有7400万人不同程度地受到山洪、泥石流、滑坡灾害的威胁。尤其是西南地区，是我国山洪、泥石流、滑坡灾害的高发区和重灾区。我国有山洪灾害防治任务的山丘区（即山洪灾害防治区）面积约为463万km2，约占我国陆地面积的48％。一场山洪可造成灾难性损失，2005年6月10日下午，牡丹江宁安市沙兰镇发生重大突发山洪灾害，包括沙兰镇中心小学103名学生、2名幼儿在内共117人遇难，直接经济损失达1.2亿元。在目前大江大河干流防洪能力逐步提高的形势下，我国山洪灾害造成的死亡人数占全国洪灾死亡人数的比例呈逐年递增趋势，占65%以上。目前，我国洪灾防御应从大江大河及中心城市为重点转向与中小城镇及农村并重。因此，城镇山洪灾害已经成为我国当前防洪减灾工作中亟待解决的突出问题，需要制定科学的防御对策。
1 山洪灾害的现状
从山洪灾害成因和特点、山洪灾害分类、山洪灾害严重性和山洪灾害防御现状四个方面来综述山洪灾害的现状。
1.1 山洪灾害成因和特点
多数研究者通过对山洪灾害发生区的降雨、地质地貌、测报手段、防洪标准、水患意识、人为活动、水系等方面进行分析，认为山洪灾害大致是由以下5方面的因素所致。第一，层状起伏的地形和扇状水系构成了孕育山洪灾害的地域基础；第二，多发的暴雨和饱和产流为山洪灾害发生提供了充足的水源；第三，水利工程设施的格局不平衡拦蓄洪水能力低，河道阻塞行洪能力差，防洪标准低难以抵挡大而来势迅猛的山洪；第四，部分地区没有水库及电站联合调度的优化方案，测报手段落后，减灾应变措施少；第五，人们水患意识差，滥垦滥伐，交通建设等活动导致森林破坏、水土流失严重，形成恶性循环的生态环境也是诱发山洪灾害的又一重要因子。
山洪灾害具有突发性、水量集中、破坏力大等特点。山洪在山高坡陡、地质破碎、地面松散物较多的地区往往秀发泥沙流、水石流、滑坡等破坏力更强的自然灾害，危害更大，常造成人员伤亡、房屋毁坏、田地淤没、道路桥梁毁坏等，甚至可能导致水坝、山搪溃决，对下游人民的生命造成严重危害（张漫莉等，2005）。
1.1.1 突发性
山洪一般发生在山地丘陵地区，这些地区地形坡度大、径流系数高，加之暴雨的突发性强，河流产汇流快，造成洪峰流量大，流速猛，形成的山洪灾害具有突发性强的特点，中长期预测预报难度大。一次山洪从降雨到山洪灾害形成一般只有几个小时，甚至1小时以内，很少达到或者超过24小时。例如1999年湖南郴州“8·13”特大山洪灾害，从8月12日20时主降雨开始，到8月13日凌晨5时左右山洪灾害形成，仅间隔9小时。山洪造成郴江河两岸300～500m范围内的地段全部浸水，最深处达7m。洪水所到之处一片汪洋，不但物资被洗劫一空，更为惨痛的是有的人在睡梦中便被洪水冲走，有的则被关在卷闸门中无法逃脱而被活活淹死。山洪夹带大量泥石直泻而下，沿河两岸大量建筑物被冲走，河堤多处坍塌，横跨郴江的苏仙大桥等20多座桥梁被冲毁，成灾速度非常快，令人猝不及防（胡秋发等，2002）。
1.1.2 瞬时流量大，成灾快
降雨因素是诱发山洪灾害的直接因素和激发条件。溪河洪水灾害的发生主要是强降雨迅速汇集成强大的地表径流而引起的，强降雨对滑坡、泥石流的激发也起着重要的作用。通过对历史降雨资料和山洪资料统计发现，最大雨强至灾害发生的时距为1～6小时的占65.4%，6~12小时的占19.3%，从降水开始到山洪发生时距1～6小时的占28.4%，6~12小时的占25.5%。可见山洪灾害与降水强度大密切相关（鄢洪斌等，2005）。强烈暴雨在短期内集聚大量水体，在山谷溪流常常形成异常高的洪峰流量，洪峰蕴藏的能量巨大，流速极快，所到之处，往往在瞬间造成毁灭性的灾害。极端的情况例如1975年发生在河南省驻马店地区的“75·8”洪水。从8月4日至8月8日，暴雨中心最大过程雨量达1631mm，在暴雨中心——板桥水库的林庄，最大6小时雨量为830mm，超过了当时世界最高记录（美国宾州密士港）的782mm；最大24小时雨量为1060mm。暴雨造成板桥水库入库洪峰流量13000m3/s（水库集水面积762km2；王国安，1999），远远高出水库的设计最大泄量1720m3/s；石漫滩水库入库洪峰流量6280m3/s（水库集水面积230km2；王国安，1999），该水库的最大泄量只有390m3/s。大量的洪水致使两座水库相继垮坝。垮坝后，板桥水库最大瞬间出库流量达79000m3/s，石漫滩水库内的1.2亿m3的蓄水则以25000~30000 m3/s的速度在5个半小时内全部泄完。溃坝水流进入河道后，又以平均6 m/s的速度冲向下游，在大坝至京广铁路直线距离45km之间形成一股水头高达5～9m，宽12～15km的洪流，席卷大地和村庄（巳己，2004）。
1.1.3 并发灾害多，破坏力大
突降的大暴雨不仅导致溪河水涨，在地质破碎，地表松散固体物质较多的地方，往往诱发坍塌、滑坡、泥沙流等灾害。坍塌和滑坡，具有很大的突然性，灾害发生在瞬间，造成的破坏是毁灭性的。例如1972年6月18日发生在香港岛西半山宝珊道的滑坡灾害，陡峭的山坡因局部开挖施工和暴雨入侵而失稳下滑，形成滑坡，滑坡体高速向下倾泄，摧毁了一座4层高的楼宇，并推倒了一座12层高的高层住宅，导致67人死亡。泥石流具有很大的瞬间流量，流速大、冲刷强、含沙量高、破坏力大、危害重，其破坏形式主要有冲刷、溃决、撞击、淤埋、淹没。因泥石流都发生在陡峻的山区，流域面积一般为十几至数十平方公里（刘家宏 & 王光谦，2003），一次泥石流的总量不大，造成大面积灾害的可能性较小，但泥石流对沟岸的建筑物、水利、电力、通信等基础设施具有毁灭性的破坏作用。泥石流淤埋的农田，几年甚至十几年都难以恢复。例如贵州习水县城北15km处的长嵌村附近的龙蛇子沟流域面积仅0.917km2，流域最大高差800m，主沟长1729m，主沟平均坡降46.3%，流通区段平均比降为32.3%。2003年20～24日的降雨量达37mm，表层紫色土和沟床的松散土体含水饱和或接近饱和，25日凌晨1点，在31mm/10min的强降雨作用下，由暴雨激发沟床物质的土源导致罕见的山洪泥石流暴发。沟床两侧4.91万m3的松散固体物质部分起动，形成泥石流，毁坏房屋2幢，死亡和失踪人数达24人，冲走汽车1辆，桥涵堵塞，堵断干流2/3（徐永年，2004）。
1.2 山洪灾害分类
山洪灾害主要包括溪河洪水、崩塌滑坡、泥石流三种形式。
1.2.1 溪河洪水
溪河洪水是指由山地丘陵地区的强降雨造成的山区溪河的暴涨现象。溪河洪水灾害是水灾的一种表现形式，因是持续性高强度大暴雨所致，又称雨洪灾害，又因发生在山丘小溪小河，故称之为溪河洪水灾害。并不是所有的溪河洪水都造成灾害，譬如发生在荒芜人烟的高山地区，无论规模多大，由于没有承灾体，并不形成灾害。因此许多发达国家为了避免山洪灾害，把人及其他承灾体从山区沟道中迁移出来。我国的溪河洪水灾害大体上以大兴安岭－太行山－巫山－雪峰山一线为界划分为东、西两部分。该线以东，溪河洪水灾害主要分布于江南、华南和东南沿海的山地丘陵区以及东北大小兴安岭和辽东南山区，分布面广，量多。该线以西，主要分布于秦巴山区、陇东和陇南部分地区、西南横断山区、川西山地丘陵一带及新疆和西藏的部分地区，常呈带状或片状分布。溪河洪水灾害的特点是：来得猛，去得快。单纯的溪河洪水对农业造成的灾害，在第二年就能基本恢复，不像泥沙流淤埋农田那样，几年甚至十几年都很难恢复。但是如果溪河洪水导致水库垮坝等严重事件时，损失将会大大增加，需要更长的时间才能恢复。
1.2.2 崩塌滑坡
崩塌是指在陡峻的斜坡上，巨大的岩块在重力作用下突然而猛烈地向下倾倒、翻滚、崩落的现象。它经常发生在雨后山区的陡峭山坡上，及高陡的路堑边坡上。崩塌发生的比较突然，他有一定的形成条件和发展过程。斜坡高且陡是形成崩塌的必要条件，据调查，规模较大的崩塌，一般产生在高度5～20m，坡度大于45°（大多数介于55°～75°之间）的陡峻斜坡上。斜坡的外部形状对崩塌的形成也有一定的影响，一般在上缓下陡的凸坡和凹凸不平的陡坡上易发生崩塌（张建民，1995）。崩塌是否形成还取决于坍塌体所受的剪切力和重力的对比情况，一般降雨后，土（岩）体含水量增加，空隙水压力增大，摩擦系数减小，剪切力降低，坍塌体在重力的作用下发生崩塌。滑坡即斜坡上大量土体和岩体在重力作用下，沿一定的滑动面向下滑动的现象。滑坡一般出现在暴雨过后或暴雨的过程中。山区暴雨过后，土壤含水达到饱和状态，滑坡体和下垫层间出现超载空隙水压力，且不能及时消散，减小了块体重量，当超载空隙水压力较大时，滑坡体自重形成的正压力与超载空隙水压力之间的压差较小，起到减阻的作用，滑坡体出现滑动，并逐渐加速，形成滑坡灾害。在山洪灾害中，崩塌和滑坡往往同时发生，并没有十分严格的区分，滑坡的过程中一般伴随有崩塌现象，崩塌常常是滑坡的前兆。我国崩塌滑坡灾害主要分布在西南地区，发生频率高；东南、华中、华南地区的滑坡多分布于低山丘陵区，多为浅层滑坡；东北和华北地区，滑坡分布较少，发生频率较低；西北地区由于缺乏足够的气候条件和地形条件等原因，滑坡灾害分布密度低。
1.2.3 泥石流
泥石流是指发生在沟谷和坡地上的饱含小至粘土、大至巨砾的固液两相流，液相是水和细颗粒泥沙掺混而成的均质泥浆，固相是较粗的颗粒；也是山区介于挟沙水流和滑坡之间的土（泛指固体松散物质）、水、气混合流（钱宁等，1984；徐在庸，1981；吴积善等，1993）。泥石流的形成需要流域土源、沟床坡度、植被、降雨等条件。流域土源条件是指发生泥石流的沟道需要有比较多的固体松散物质，这些物质主要由崩塌滑坡、矿山弃渣、工程弃土等形成。沟床坡度对泥石流的形成有着至关重要的作用，丁永建（1989）认为，沟床坡度为10°～30°（17.63%～57.74％）时，利于泥石流发育，最适于泥石流发育的沟床坡度为6°～17.5°（10.51%～31.53％）。植被对泥石流的形成具有重大的影响，茂密的植被可以抑制和削弱泥石流的活动，降低泥石流的危险程度；相反，如果人为破坏植被，乱砍滥伐和不合理开发将会导致泥石流危害的加剧。暴雨是泥石流的直接诱因，泥石流的出现必然要有暴雨和洪水。我国的西南地区和秦巴山区具备这些条件，是泥石流灾害的主要分布区域。沿青藏高原四周边缘山区，横断山－秦岭－太行山－燕山一线深切地形既是华夏、西域和西藏三大地块缝和线及其次级深大断裂带，又是强地震带及降水强度高值区，泥石流灾害分布集中。此外，因筑路、采矿、基建等人为活动不当，也会促使老泥石流复活或引发新的泥石流活动。泥石流灾害破坏力极强，灾害恢复时间较长，有的甚至无法恢复。
1.3 山洪灾害严重性
建国以来，我国多次发生大规模的山洪灾害。60年代，1960年7月，四川省天全县大河乡山洪泥石流死亡200多人；70年代，1979年11月 2日，四川省雅安市陆王沟泥石流死亡 164人；80年代，1981年7月27日，辽东半岛发生特大暴雨山洪， 1835间房屋冲毁，664人死亡，长大铁路冲毁7公里，406次列车被颠覆；90年代，1997年 6月 5日，四川省美姑县乐约乡遭受特大暴雨袭击，导致山洪和泥石流灾害，损毁房间 307间，小学 2所，死亡 151人，重伤23人；本世纪，2002年6月8日，陕西省佛坪、宁陕等县遭受特大暴雨袭击，暴雨中心11小时降雨量达461毫米，暴雨洪水造成151人死亡、304人失踪。2004年7月5日，云南德宏州的陇川、盈江、瑞丽等县(市) 受滇缅高压外围强对流天气影响，普降暴雨，引发大面积的滑坡、泥石流和山洪灾害，造成死亡18人、失踪24人、直接经济损失4.8亿元的区内近几十年来最严重的灾害。2005年，第19号强台风“龙王”于10月2日两次登陆福建，台风风力强、影响范围广、降雨强度大，10月2日晚武警福州某部142人被山洪冲走80人遇难，还有5人下落不明。以上所举的例子，仅是大量山洪灾害中比较典型的几个，从中可以看出，山洪造成的人员伤亡和财产损失的数字触目惊心，令人震撼。
据1950～1990年统计资料，我国洪涝灾害死亡人数共计22.5万人，其中山丘区死亡人数15.2万人，占总死亡人数的67.4%，年均死亡人数3707人。1992～1998年全国每年因山洪灾害死亡人数约为1900～3700人，约占全国洪涝灾害死亡人数的62%～69%；1999～2002年山洪灾害死亡人数下降为1100～1400人，但占全国洪涝灾害死亡人数的比例提高到65%～75%；2003、2004年山洪灾害分别造成767人和815人死亡，占全国洪涝灾害死亡人数的49%和的76%。从灾害造成的损失看，1950～1990年因山洪导致农田年均受灾面积为4400万亩，年均倒塌房屋约80万间；1990～2000年因山洪导致农田年均受灾面积为8100万亩，年均倒塌房屋约110万间。
由此可见，在大江大河干流防洪能力逐步提高的形势下，山洪灾害造成的死亡人数占全国洪灾死亡人数的比例呈逐年递增趋势，山洪灾害造成的危害愈来愈大，损失愈来愈重，已经成为当前防洪减灾工作中亟待解决的突出问题。
山洪灾害问题引起了党中央国务院的高度重视。2002年9月，温家宝任副总理时就对防御山洪灾害工作做出重要批示：“山洪灾害频发，造成损失巨大，已成为防灾减灾工作中的一个突出问题。必须把防治山洪灾害摆在重要位置，认真总结经验教训，研究山洪发生的特点和规律，采取综合防治对策，最大限度地减少灾害损失。”并指示五部局共同研究提出防治山洪灾害的规划方案。目前我国正在进行全国防治山洪灾害的规划方案，但是缺乏山洪灾害形成机理及预报理论、模型等方面的科学理论与技术的支撑。
1.4 山洪灾害防御现状
我国山洪灾害防治研究起步较晚，1949年以前山洪灾害防治研究工作基本处于空白状态。新中国成立后，随着经济社会和科学事业的不断发展，山洪灾害问题逐步得到了社会和学术界的广泛关注，研究和防治工作也取得了一定进展（马建华，胡维忠，2005）。
20世纪50～70年代，全国上下掀起了水利建设的高潮，各地对山洪灾害的治理均有不同程度的重视，一大批防治山洪灾害的工程设施建立起来，短期内起到了一定的效果。但是由于当时的指导思想是“人定胜天”，单纯强调与洪水作斗争，加之当时的设计和施工技术比较落后，一些修建的工程属于病险工程或不合理工程，成为目前山洪灾害的隐患。
在防治山洪灾害的监测预警措施方面，一些山洪灾害严重区域布设了气象水文监测设施，并初步建立了群测群防网络，取得了较好的效果。例如湖南省安化县，2004年发生超过1998年特大暴雨洪水的情况下，由于预警系统发挥了重要作用，没有造成人员伤亡，而1998年却死亡18人。但就全国广泛分布的山洪灾害区域来说，监测网点布设还不够，覆盖率不高，山洪灾害的通信预警系统建设尚处于起步阶段。
山洪灾害防御预案是减少灾害的重要措施。山洪灾害一般发生在山区小河流，可以调查山洪灾害区域内各小流域已发生的山洪灾害的典型资料，对其淹没范围、受灾情况、及灾害预见期进行研究。在此基础上划定危险区、警戒区和安全区的范围，制定不同灾害级别下灾民的转移路线、安置地点、安置方法、生活和医疗保障措施等，并建立相应的应急组织机构，落实人员组成、职责，必要时在指定地点预备一定的救灾物资。在防治山洪灾害的预案编制方面，一些灾害严重的省（自治区、直辖市）的局部地区编制了较为完善的防灾预案；但大部分省（自治区、直辖市）尚未编制预案或预案不完善。
政策法规建设取得积极进展，国家相继颁布了《中华人民共和国防洪法》、《水土保持法》和《地质灾害防治条例》，为山洪灾害的防御和治理提供了法律保障；国家防总高度重视山洪灾害的防御，专门印发了《国家防总关于加强山洪灾害防御工作的意见》，对全国防御工作提出了明确要求。各地都建立了多部门联合防灾的指挥机构，落实了防御责任制。国土资源部门在全国开展了642个县（市、区）的地质灾害调查工作，为山洪灾害防治提供了基础；气象部门针对山洪灾害的特点，积极开展研究，加强天气预报，为山洪灾害的防御提供信息保障；建设、环保等部门也积极配合，加强了山洪灾害的预防。
通过各部门的不懈努力，大力开展水土流失治理，在全国范围内逐步建设了一批防灾工程，山丘区一些重要城镇、大型工矿企业、重要基础设施所在地等得到了不同程度的保护。据统计，我国已修建防御山洪的护岸及堤防工程约8万km，兴建了大量的排洪渠。国家和地方每年都投入大量资金用于重点区域的泥石流、滑坡治理，近50年来累计治理水土流失面积约70万km2（马建华 & 胡维忠，2005）。
我国山洪灾害防御措施方面尚存在以下五点不足。（1）病险水库多，防洪能力低，下游安全难以保证。我国山洪灾害防治区严重威胁人民、财产生命安全的小（一）、小（二）型病险水库约1.65万座，是山洪灾害防治的重大隐患。（2）全国性的山洪预警预报系统尚没有建立。（3）山洪灾害防御预案还不完善，有的地区缺乏防灾预案，一旦灾害发生，救灾工作缺乏科学指导。（4）堤防、河道整治等防洪工程建设标准低、质量差。目前仅有约10%的河道护岸及堤防工程的防洪标准为5~10年一遇，80%的堤防防洪标准不足5年一遇。（5）山洪防御工程建设的资金来源不足。山洪发生在经济比较落后的山区，没有足够的资金用于大规模的河流整治工程；相比而言大江大河的中下游地区，由于经济发达，国家重视，投资较多，因而防御标准比较高，出现灾害的概率较小，这也是山洪灾害造成的死亡人数占全国洪灾死亡人数的比例逐年递增的原因之一。
2005年由国家防汛抗旱指挥部组织完成了“全国山洪灾害防治规划”，在规划中提出了应贯彻以人为本、全面、协调、可持续的科学发展观，针对我国山洪灾害的特点，确定防治山洪灾害的总体思路。即，山洪灾害防治措施应立足于以防为主，防治结合，以非工程措施为主，非工程措施和工程措施相结合，现阶段以减少人员伤亡为首要目标。通过建立监测、通信及预警系统，制定并落实防灾预案和救灾措施，危险区人员主动搬迁避让，制定和完善政策法规，强化防灾管理等非工程措施的建立；采取必要的山洪沟治理、泥石流沟治理、滑坡治理、病险水库除险加固、水土保持等工程措施，以保障山洪灾害威胁区现有人员和财产安全。
2 山洪灾害的分区
我国山洪灾害地域性较强，在掌握山洪灾害地域分异规律的基础上进行山洪灾害分区，对于科学地认识山洪灾害的成因、分类，从而因地制宜地制定山洪灾害防治对策具有重要意义。本节综述了目前山洪灾害分区的研究成果，提出了本文的分区标准，并对全国山洪灾害重点防治区域进行了分区。
2.1 山洪灾害分区的研究成果
山洪灾害的分区研究从上世纪90年就开始了。赵士鹏（1996a）通过综合分析将我国划分为六个山洪灾害特征一致性区域，即西北区、内蒙区、青藏区、中部区、东部平原区和东南区（如图1），并且给出了山洪灾害危险程度的排序：中部区最高，东南区次之，西北区和青藏区较低，东部平原区和内蒙区最低。
图1 我国六个山洪灾害特征一致性区域
山洪灾害是一个综合性的系统，其发生发展和危害程度与自然条件和人类社会活动关系紧密，涉及地貌、降雨、社会经济等多方面的内容。任洪玉等（2005）按照成灾因素和灾害类型原则、以人为本和人与自然协调共处原则、区域共轭性原则将全国山洪灾害防治区划分为3个一级区、12个二级区和33个三级区，区划方案见表1。一级区划单位即山洪灾害大区，包括东部季风区、蒙新干旱区及青藏高寒区，综合反映了全国自然社会经济情况的最主要差异。 二级区划单位即山洪灾害区则反映了山洪灾害的三个主要影响因素，地形地貌、气候水文和经济社会方面的区域分异情况。三级区划单位则具体地反映了山洪灾害发育条件、 灾害实际情况和灾害防治的迫切性程度。任洪玉的三个一级区划分相当于把赵士鹏的中部区、东部平原区和东南区合并成了东部季风区，把西北区和内蒙区合并成了蒙新干旱区，青藏区基本不变。二人的划分基本一致，任洪玉在二级区和三级区的划分上更加细致，划分的区域数也较多。
2.2 分区标准
在赵士鹏和任洪玉的分区研究基础上， 本文提出如下三条分类标准：灾害类型相似原则、气候类型相似原则和地质条件相似原则。
灾害类型相似原则：山洪灾害主要有三种类型，即溪河洪水、崩塌滑坡、泥石流。每一种灾害的成灾机理和防灾措施不尽相同，按照灾害类型相似的原则划分山洪防治区域对于统一制定区域的防灾应急预案，建立防灾措施具有重要意义。
气候类型相似原则：我国的气候类型主要受“两洋一陆”决定，“两洋”即太平洋和印度洋，“一陆”即亚欧大陆，特别是西伯利亚次大陆。夏季陆地升温快，形成低压区，季风从两个大洋吹向我国；冬季，海洋降温慢，在海洋上形成低压区，同时由于喜马拉雅山脉的阻挡，季风主要从西伯利亚经我国吹向太平洋，吹向印度洋的气流较少。从我气候形成的总体趋势可以看出，在夏季山洪灾害爆发的主要时期，我国降雨的水汽来源主要是两个方向：从东南吹来的太平洋暖流和从西南吹来的印度洋暖流。由于西南山地的影响，阻断了印度洋低层水汽，所以中国低层水汽主要来自太平洋；在3000米以上的高空，地形屏障作用大为削弱并接近消失，印度季风可以长期直入，到达我国西南甚至中东部地区。因此根据气候和洋流的影响不同，我国大致可以分为三个主要气候带：东部太平洋季风气候带、西南太平洋和印度洋混合季风气候带、西北大陆性季风气候带。按照气候类型相似原则进行山洪灾害分区对于灾害预警预报具有重要意义，例如来自太平洋的热带气旋，东部太平洋季风气候带应该为红色预警、西南太平洋和印度洋混合季风气候带应该为橙色预警；来自西伯利亚的冷空气和太平洋暖湿气流交汇时，首先受影响的应该是西北大陆性季风气候带。
地理条件相似原则：地理条件是山洪灾害形成的基本条件之一，和灾害类型密切相关。我国大陆位于欧亚大陆东部，处于印度陆块、西伯利亚陆块与太平洋板块缝合线的三角地带。新生代以来发生了多次强烈的构造运动，特别是青藏高原的强烈隆升，不仅奠定了我国地貌的总体格局，而且复杂的断裂构造活动对地处青藏高原边缘的西南地区地形和斜坡岩体的破坏作用也很明显。强烈的差异升降运动和地震活动使西南地区山体的稳定性遭到破坏，加速了松散固体物质的积累过程，是我国滑坡泥石流的集中分布区域。东部低山平原区，降水丰沛，植被覆盖较好，发生滑坡泥石流的概率较小，山洪灾害的主要类型是溪河洪水灾害。西北黄土高原区，地表被厚厚的黄土覆盖，地形支离破碎，土壤侵蚀剧烈，山洪灾害的类型主要是短历时暴雨造成的重力侵蚀坍塌和高含沙洪水（即泥流）。
2.3 灾害分区
根据灾害类型相似原则、气候类型相似原则、地理条件相似原则的综合分析，将我国山洪灾害的重点防治区域（不包括青藏高原区，因为青藏高原地广人稀，基本没有承灾体，即使出现山洪，也不会造成大的灾害）分为三大区域：东部台风暴雨区、西南滑坡泥石流区和西北短时强暴雨区（如图2）。
2.3.1 东部台风暴雨区
如图2所示，东部台风暴雨区的范围大致是沿大兴安岭－燕山－太行山－巫山－乌蒙山一线以东的地区，该区主要受太平洋季风的影响，山洪灾害类型主要是溪河洪水。台湾地区比较特殊，由于位于环太平洋地震带上，发生地震较多，地表堆积了大量的松散固体物质，发生滑坡泥石流的概率很大，这一点类似西南山地。其他地区主要是平原和低山，广大平原地区可以不考虑山洪灾害的威胁；低山地区夏季受太平洋热带气旋的影响，经常出现强降水，出现溪河洪水灾害的概率很高，需要重点防范。
2.3.2 西南滑坡泥石流区
如图2所示，西南滑坡泥石流区的范围大致是：东至巫山－乌蒙山一线，西至青藏高原东部边缘，南至国境线，北抵秦岭。这一地区主要包括云贵高原和四川盆地及其周围山地。该区山洪灾害的主要类型是溪河洪水加滑坡泥石流，尤其是滑坡泥石流，是我国的此类灾害最严重的地区，分布着蒋家沟、浑水沟、南小河沟、黑沙河等泥石流沟近8000条，占全国泥石流沟总数的70％～80％。该区的防范重点是滑坡泥石流。
图2 山洪灾害的分区图
2.3.3 西北短时强暴雨区
如图2所示，西北短时强暴雨区的范围大致是：大兴安岭－燕山－太行山－秦岭－祁连山－阿尔金山一线以西、以北的地区。这些地区降水较少，属干旱、半干旱地区，但是降雨集中在7-9月，一次降雨历时短，强度大，降雨强度破世界记录。例如1977年8月蒙陕木多才当暴雨，10小时降雨量1400mm，超过世界记录。本次暴雨在黄河支流孤山川高石崖站形成了一次10300m3/s的洪峰流量（孤山川流域面积1263km2，多年平均径流量约2.6m3/s。王国庆等，2003）。该区的山洪常常造成严重的水土流失，形成高含沙水流，致使流体体积膨胀，形成很大的洪峰流量，具有较大的破坏性。
3 山洪灾害防御措施
山洪灾害发山频率高，分布范围广，具有突发性、普遍性、破坏性的特点，同时山洪灾害又是正常的自然现象，无法完全避免。防御和治理山洪灾害要坚持“预防为主、防治结合，工程措施和非工程措施并举”的原则。工程措施必须根据各灾害区的自然地理条件和灾害类型，因地制宜，制定合乎自然规律的工程规划，做到人与自然和谐共处。不能倚仗“人定胜天”的思想，盲目修建工程。非工程措施包括政策法规建设、山洪灾害风险管理、山洪灾害区域规划、防灾预案及救灾措施、山洪预警系统等。
3.1 工程措施
工程措施的定位是：合理利用自然规律，减少灾害的发生频率或降低灾害的损失。而不是一劳永逸，彻底消除自然灾害。下面按照山洪灾害的三个分区分别介绍各区的山洪灾害防御工程措施。
3.1.1 东部台风暴雨区
东部台风暴雨区山洪灾害的主要类型是溪河洪水，溪河洪水的主要成灾体是溪河两岸的农田、房屋和城镇居民。东部地区的低山丘陵区，溪河洪水几乎每年夏季都要发生好几次。有的洪水比较常见，对农业生产和人民生活不会造成较大影响；有的稀遇程度比较高，重现期长，洪水流量大，造成的灾害严重。该区工程措施防御的重点就是重现期20年以下的常见洪水，对于重现期20年以上的大洪水，由于投资较大，使用频率少，不宜投资兴建。因为兴建这样的工程，维护起来费用较高，并且由于长时间不使用，容易造成维护人员的麻痹大意，一旦大洪水来临，工程措施往往并不能发挥预期的效用，对减少灾害损失意义不大。该区防御大洪水的主要对策应该是山洪灾害区划、防灾预案、山洪预警等非工程措施。当然，任何事情都不是绝对的，在有条件的地区，如果能够结合灌溉、发电、航运等兴利功能，修建一些防御标准比较高的山区水库也是可以的，关键是要在尊重大自然规律的前提下进行成本和效益的综合权衡。对于护岸、堤防工程、排洪渠等单纯的防洪工程，防御标准可以在现有基础上提高到20年一遇，对保护城镇、人口密集居民点、大型工矿企业、重要基础设施等的防洪工程，可以适当提高到50一遇。此外，在东部台风暴雨区，还存在数量不少的病险水库，对一旦溃坝将造成下游大量人员伤亡和财产损失的病险水库进行除险加固，消除洪灾隐患。一些水库的泄洪设施由于长期不用，出现堵塞现象，每年汛期到来之前都需要检查清理。
3.1.2 西南滑坡泥石流区
西南滑坡泥石流区的主要灾害类型是崩塌、滑坡和泥石流，是山洪灾害中破坏力最强，灾后重建也最困难的一种。崩塌、滑坡灾害防治的工程措施主要有：排水、削坡、减重反压、抗滑挡强、抗滑桩、锚固、抗滑键等。泥石流总是发生在陡峻的山岳地区，一般是顺着纵坡降较大的狭窄沟谷活动的，每一处泥石流自成一个流域。典型的泥石流流域可划分为形成区、流通区与堆积区三个区段。泥石流形成区(上游)：多为三面环山、一面出口的半圆形宽阔地段，周围山坡陡峻，多为30°～ 60°的陡坡。其面积大者可达数平方公里至数十平方公里。坡体往往光秃破碎，无植被覆盖。斜坡常被冲沟切割，且有崩塌、滑坡发育。这样的地形条件，有利于汇集周围山坡的水流和固体物质。泥石流流通区(中游)：泥石流流通区是泥石流搬运通过的地段，多为狭窄而深切的峡谷或冲沟，谷壁陡峻而纵坡降较大，且多陡坎和跌水。所以泥石流物质进入本区后具极强的冲刷能力，将沟床和沟壁上的土石冲刷下来携走。泥石流堆积区(下游)：泥石流堆积区是泥石流物质的停积场所。一般位于山口外或中间盆地边缘．地形较平缓，由于地形豁然开阔平坦，泥石流的动能急剧变小，最终停积下来，形成扇形、锥形或带形的堆积体，典型的地貌形态为洪积扇，其地面往往垄岗起伏，坎坷不平，大小石块混杂。泥石流治理在不同的区采用不同的工程措施。在形成区，主要采用植树造林修建山坡截水沟等，用于涵养水分、减轻片蚀、抑制沟蚀，减少水土来源。在流通区，主要是拦，包括修建拦沙坝、格栅坝、谷坊等，用于拦蓄泥沙、稳定滑坡、防止沟床下切，减少土源。在堆积区，主要是排，包括修建排导沟、拦淤堤、设置停淤场等，用于把泥石流排泄到指定区域，防止泥石流对铁路、公路、农田的危害（吴积善等，1993）。泥石流治理的根本措施还是以植树造林、保持水土为主的生物措施，在形成区控制泥石流形成的水源和土源条件。
3.1.3 西北短时强暴雨区
西北短时强暴雨区山洪灾害的主要类型是高含沙洪水（泥流）（钱宁等，1989）。一场高含沙洪水的最大含沙量可达一千五六百公斤每立方米。含沙量这样高的水流与一般挟沙水流在性质上有很大不同，在生产上也带来一系列的特殊问题。例如1977年黄河黄河中游的高含沙洪水致使淤地坝大量溃决，造成了严重的山洪灾害。高含沙水流强大的挟沙能力对沟道两岸及沟底的冲蚀力极强，容易淘刷岸坡，造成重力侵蚀，威胁两岸房屋及公路等设施的安全。控制高含沙水流的工程措施主要是修建淤地坝和治沟骨干工程，滞洪淤沙，降低水流的汇流速度、延长汇集时间。使由短时强暴雨造成的陡涨陡落的短时高含沙洪水变成迟涨缓落的清流，变山洪灾害为清水资源。此外，还要根据山洪灾害防治区内水土流失特征、分布规律、成因等，实行山、水、田、林、草、路统一规划，采取工程措施、生物措施和水土保持耕作措施相结合，进行综合治理。
3.2 非工程措施
非工程措施是防御罕见特大山洪灾害的主要措施，同时也是减少一般性洪水灾害损失的有效手段。一般的性的常见山洪，通过山区水库的合理调度，加上堤防等防洪设施的抵御，基本不会造成大的经济损失和人员伤亡。但是山洪灾害分布广，防御重点不突出，不可能普遍建立高标准的防御工程体系。对于超过山区防洪标准（一般20年一遇）的洪水，主要依靠山洪预警、紧急避险、救灾预案等非工程措施来通知、转移受灾人群及物资，减少人民生命财产的损失。
3.2.1 政策法规建设
政策法规建设在防灾体系中，起到规范和管理全社会的防灾活动的作用。通过制定和完善与山洪灾害防治相配套的政策法规，规范山丘区人类活动，保证山洪灾害防治措施顺利实施，建立和完善防灾减灾体系。从而提高防御山洪灾害的能力，促进山丘区人口、资源、环境和经济的协调可持续发展。具体地，要制定风险区的控制政策法规，有效控制风险区人口增长、村镇和基础设施建设以及经济发展；制定风险区管理政策法规，规范风险区日常防灾管理、山洪灾害地区城乡规划建设的管理，维护风险区防灾减灾设施功能，规范人类活动，有效减轻山洪灾害；制定防灾应急管理政策法规，明确灾害发生时，采取应急措施的基本原则、使用非常手段的决策过程以及灾后补救的指导思想等，做到以人为本，确保救灾工作顺利进行。政策法规制定之后，要在干部群众中大力宣传。最好做到每年汛前以村为单位进行一次防灾政策宣传会，广泛深入地开展宣传教育，提高全民和全社会的防灾意识，培养和树立“团结一致、众志成城”的抗洪精神，保证防灾工作中的步调一致性。
3.2.2 山洪灾害风险管理
山洪风险是山洪对人类社会及其生存环境所造成危害或不利影响的可能性及不确定性的描述。为了对山洪风险进行有效管理， 预防损失的发生以及减少损失发生的影响程度，以保证获得最大的利益， 需要进行山洪风险区划； 区划结果可对山洪易发地区的风险投资、区域开发和灾害管理提供决策依据。
山洪灾害风险评估是山洪灾害防治研究的重要内容之一。山洪灾害风险度评估在我国研究的不多；赵士鹏（1996b）较早地对中国山洪灾害的危险度区划、山洪灾情评估方法、风险度评估的应用进行了研究。通过山洪灾害的强度和频度、承灾体的承灾能力及它们的相互作用，分析山洪灾害风险区的自然因素和人文原因，以山洪灾害的强频分析和灾变系数为指标进行山洪灾害的风险评估，但该方法受各种因素的限制，评估准确度较低。利用地理信息系统对山洪灾害进行评估，克服了山洪灾害速度快、冲击力大、常规水文观测难以进行，以及山洪灾害历时时间短、影响空间尺度小、遥感方法难以取得足够的信息的难点。通过基于GIS 的水沙行为模型，在计算机屏幕上再现洪水场景，输出洪水过程中流速、水深、含沙量等信息，结合承灾体承灾能力分析，使得山洪灾害灾情得到准确评估，效果较好。
3.2.3 山洪灾害区域规划
山洪灾害区域规划是指对山洪灾害风险区域根据风险等级确定区域的主要功能，进而决定区域内的建设规划。例如沿河高危险区，可以规划为农田区，不宜建筑房屋或重要基础设施。因为农田受灾后，只损失一季的收成，并且灾后恢复较快，水退后就可以恢复生产；而房屋往往是农民多年收入积累的结果，一旦冲毁，几年甚至一辈子的辛劳就付诸东流了，损失较大。我国山丘区基本建设基本没有规划，随着人口的增长，沿河盖房、与河争地的现象较多。针对这种情况，政府防灾部门首先应该对辖区的山洪灾害区域进行划分，并在受灾区域内进行风险评估，分为四个等级：重现期20年以内的洪水受灾区域（重灾区）、重现期20～50年的洪水的受灾区（中灾区）、重现期50年以上的洪水的受灾区域（轻灾区）、基本不受洪水灾害的区域（安全区）。分区之后，重灾区要严格禁止新的基本建设，已有的普通住户要用20～30年的时间逐步搬迁出来，转移到轻灾区或安全区；已有的城镇、大型企业、重要基础设施方便撤离的要逐步撤离，暂时不方便撤离的，要修筑防洪工程措施，将防洪标准至少提高到20年一遇，并且要规划修建合理的转移通道，保证在遇到50年一遇的洪水时，灾区人民和重要的物资能够及时转移到安全区域。对于中灾区，要避免在该区域建设新城镇和重要的基础设施，严格控制该区域内人口和经济的规模，该区新增人口要在轻灾区和安全区安置。对于轻灾区，可以作为乡村分散人口的安置地点，但是不宜作为城镇集中人口和大型工矿企业的选址地点，该区域的老城区和已有的工矿企业可以暂时保留，但是需要预备防御百年一遇洪水的救灾预案。安全区可以作为新城区或搬迁工矿企业的选址区域，同时也是中长期战略物资和防洪抢险物资的储备区域。山洪灾害区域规划要和政策法规建设结合起来，将规划的结果以地方法规的形式确定下来，颁布实施。这样经过30～50年的努力，重灾区和中灾区的经济逐步转移到安全区域，发生50年一遇的山洪时，基本只有农田受灾，灾害损失将会大为减少；发生百年一遇的山洪时，也可以保证城镇和重要工矿企业安然无恙，从而大大提高山丘区防御山洪灾害的能力。
3.2.4 防灾预案及救灾措施
防灾预案及救灾措施是防御山洪灾害、实施指挥决策、调度和抢险救灾的依据，是基层组织和人民群众防灾、救灾各项工作的行动指南。预案的制定原则是：（1）山洪灾害应贯彻“安全第一、常备不懈，以防为主，防、抢、救相结合”的原则，制定和落实行政首长负责制、分级管理责任制、分部门责任制、技术人员责任制和岗位责任制；（2）山洪灾害防御应贯彻多项措施相结合，便于群众实施的原则，方案要充分反映山洪灾害的致灾原因和致灾特点，突出群防群治，以预防和躲避为主，通过预案的实施，能切实保障人民生命安全，减少财产损失。防灾预案要在山洪灾害区域规划的基础上，编制不同灾害等级下的山洪灾害防御预案，建立山洪灾害防御指挥及组织机构，确定避灾预警程序和临时转移人口的路线和地点，建立各地抢险救灾工作机制、救灾方案及救灾补偿措施等。预案须切合实际，且具可操作性；同时预案还必须拟定不同灾害级别下的具体措施，切记模糊含混。防灾部门接到山洪来水预报，要能够很快根据预案制定本次灾害的具体防灾步骤和救灾措施，通过落实预案，建立由各级政府部门负责的群测群防组织体系，保证在山洪初发时就能做到快速、准确地通知可能受灾区群众及时转移，最大限度地减少人员伤亡和财产损失。
3.2.5 山洪预警系统
山洪灾害预报系统分为气象预报、溪河洪水预报和泥石流及滑坡灾害预报。气象预报由各级气象预报职能机构在降雨预报、实测雨情资料、地形地貌特征和山洪灾害成灾雨强分析基础上制作发布；溪河洪水预报由各级水文部门在气象预报、实测水情资料和地形地貌特征分析基础上制作发布；泥石流及滑坡灾害预报由各级专业灾害监测机构在气象预报、泥石流及滑坡监测数据分析基础上制作发布。三类预报相辅相承，应加强相互配合，协调、制作发布预报警报。
山洪灾害预警系统为山洪灾害威胁区的城镇、乡村、居民点、学校、工矿企业提供山洪灾害预报警报信息保障。山洪灾害气象预警信息由气象部门发布，溪河洪水预警信息由水利部门发布，泥石流、滑坡预警信息由国土资源部门发布。临灾状态下的预警是根据气象、水文及泥石流、滑坡预报综合分析作出的。主要是根据预报的降雨量与临界雨强作比较，预测山洪灾害发生的严重程度。山洪灾害降雨强度预警等级分为三级：黄色预警信号（预警等级为较重，第III级）、橙色预警信号（预警等级为严重，第II级）、红色预警信号（预警等级为特别严重，第I级）。各级的意义分别如下：黄色预警——根据降雨预报，24小时之内将有强降雨发生，降雨强度可能接近或达到临界雨强，而且降雨可能持续，预报将可能发生较重山洪灾害，此时主管机构应当启动相应的应急程序，进入防灾状态；橙色预警——根据降雨预报，24小时之内将有强降雨发生，降雨强度为临界雨强的1～2倍，且降雨可能持续，预报可能发生严重的山洪灾害，此时主管机构应当启动紧急应急程序，进入紧急防灾状态，野外作业人员停止作业，受灾害威胁的人员及时撤离和转移；红色预警——根据降雨预报，24小时之内将有强降雨发生，降雨强度超过临界雨强的2倍，且降雨可能持续，24小时之内可能发生特别严重的山洪灾害，此时主管机构应当启动特别紧急应急程序，进入特别紧急防灾状态，相关部门要做好重大山洪灾害的监测、预报、警报服务工作，及时启动抢险应急方案，并实施相应的救灾措施（水利部，2005）。
目前山洪灾害的预警预报，主要是对灾害发生的危险程度进行了预报，至于具体的危险区域则比较难以确定，预报的精度有待进一步提高。山洪灾害发生的临界雨量（或雨强）指标，是指可能导致山洪灾害发生的一定时段的最小雨量，是实时山洪灾害预报预警的关键指标和重要依据之一。由于现阶段我国短历时降雨资料普遍较缺乏，因此，只能给出6h临界雨量的全国分布图。临界雨量虽然一定程度上能够较好反映降雨与山洪灾害发生的对应关系，但是，一方面，由于临界雨量大小与降雨量分布情况密切相关，不能完全真是反映山洪灾害易发程度；另一方面，由于我国在山丘区雨量监测站网较少，影响分析计算的临界雨量指标精度。因此，在全国范围内，还难以用临界雨量的绝对值来判别降雨与山洪灾害易发程度的关系。为此，引入时段暴雨均值与临界雨量的比例系数－临界降雨系数作为诱发山洪灾害易发程度分区指标。临界降雨系数的物理意义反映了某一灾害点或地域某时段年最大降雨量多年均值与该时段临界雨量的相对大小，其数值大小直接说明了降雨诱发山洪灾害易发程度，数值越大说明降雨诱发山洪灾害的易发程度就越高。根据临界降雨系数，已经绘制出全国降雨诱发山洪灾害易发程度分布与分区图。
4 基于数字流域的山洪预报系统
大量研究表明，要想有效防治山洪灾害，首先要加强预报。为此，研究集中在分析山洪灾害的成因及揭示灾害形成的机理上，并把山洪预报作为研究重点。在预报模型构建上，由传统的统计回归、自回归模型，逐步向采用统计预测模型、神经网络预测、智能预测模型、数值模拟计算方向发展；由单纯预报临界降雨量或可能性预报，逐步变为能预报临界降雨、警戒避难雨量以及危害范围和危害程度等多功能模型；由过去只采用历史统计资料和实测资料，向采用高精度定点的气象预报数据相结合的方向发展。在监测预报上，由过去的人员观测和仪器监测相结合的方式，逐步发展为监测仪器和计算机相结合进行自动监测预报；监测仪器和传感器由过去通过别的仪器移用改进，逐渐向专用高精度方向发展。在研究手段上，由传统的对典型沟道的实地勘察，对某一范围区预报，逐步变为采用“3S” 技术和计算机建档信息系统相结合的手段，对具体的每条沟道任何地方进行定点定时预测预报。在预警系统上，结合各国国情和山区实际资源情况，采用先进的数据传递方式和手段，形成集气象预报、雷达技术、预测模型、仪器监测、网络和卫星数据传输等高新技术为一体，向建立高效定位的预报预警系统方向发展（周金星等，2001）。
4.1 山洪灾害预报国内外研究现状
山洪灾害预报包括空间预报、时间预报与预警预报三项内容。
4.1.1 空间预报
目前国际上公认的比较科学而实用的空间预报方法是奥地利的奥里茨基提出的“荒溪分类及危险区制图指数法”，即通过在沟道里或沟口冲积锥上根据山洪危险性质与等级分出红色区、黄色区及白色区，从而达到预警预报的目的。瑞典的Eldeen 将灾害类型的判别和灾害规模的估计利用危险区图来表示，根据危险等级将洪水易发区分为4 个不同的危险区，每个区又分1～5 个亚区，从而确定洪水灾害的发生范围。虽然都是采取综合指数法进行危险区划分，但奥地利是具体到每一条荒溪，而且把每一条荒溪的危险区与非危险区区分开，而其他国家只是把山洪沟划分开来，或者把具有山洪的大范围区划分开。实际上并不是山洪沟全沟道一定都处在危险区，也不是有山洪沟的区域整个区域都会有山洪的发生，因此除奥地利外，其他国家的危险区制图(划分) 只是宏观意义上的标定。尽管如此， 危险区划分与制图在大尺度山洪灾害空间预测方面起着重要的作用，并已广泛用于灾害保险、灾害预防和灾害求援等方面。
我国从1985 年就开始了山洪灾害危险区划分的工作，主要工作集中在山洪泥石流区划方面，并形成了一批具有代表性的研究成果。例如：1991 年初版的中国泥石流灾害分布与危险区划图、中国泥石流危险区划的探讨等。其研究方法有很多，但具代表性的方法只有3 种:第一种是以判断泥石流沟与非泥石流沟为依据，以综合指数法确定泥石流沟的危险程度；第二种是通过对泥石流沟危险度评价和泥石流沟的分布进行危险区的划分；第三种是针对每一条溪沟(沟道) 选取一定的指标进行荒溪分类，在荒溪分类的基础上，对各种溪沟(沟道) 采用不同的危险区划分模型，把整条沟的危险区与非危险区划分开来。这三种方法最突出的特点是对山区山洪泥石流沟潜在易发区的每条沟道进行实地调查，保证沟道类型判别的科学性，并对不同类型荒溪进行危险区制图，对山洪泥石流的准确定位预报作用明显，但工作量都较大。目前有人通过建立荒溪分类与危险区制图信息管理系统以及利用数值模拟及神经网络技术进行泥石流沟道危险区划分，以减少工作量。
4.1.2 时间预报
时间预报分为中长期预报和实时预报(临报) 两种。中长期预报主要采用弗来施德的理论观点，确定山洪灾害的发生周期和频率，其作用主要预测山洪灾害的发展趋势。即通过对历史资料的统计分析，以某沟道内发生山洪泥石流的相邻两次时间间隔之和除以该沟道发生山洪灾害的总次数减1来确定该沟道发生山洪灾害的周期和活动程度。钟敦伦等人对四川境内成昆铁路沿线山洪灾害暴发的周期进行调查分类，把不同山洪灾害发育阶段分为发展期、活跃期和衰退期。长期预报的关键在于掌握的历史资料情况的多少和资料来源的准确程度，其意义对于宏观决策以及大型基础设施的建设具有重要作用。
实时预报技术主要是通过运用水文气象、径流模型进行预报。目前对于暴雨山洪灾害的实时预报方法中，通过确定临界雨量和降雨分析法、人员观测和仪器监测的三种方法研究得较多。所运用的预报模型有统计回归模型和运动机理模型，运用的方法有数理统计、灰色系统理论、神经网络、数值模拟以及“3S”技术。王礼先（2001）、陈景武等均试图对山洪灾害进行实时预报，但由于多种原因，预报的效果还不太理想。
4.1.3 预警预报
国外关于山洪灾害预警系统的研究，主要是通过设立传感器感受山洪灾害幅频信号，再通过先进的传输手段建立预警系统。我国主要由铁道部门、中科院、水利部门在山洪灾害预警预报方面做了大量的工作，其方法基本上与日本的预报预警系统近似，只是在传感器的选择和布设上有所差异。近年来，水利部门在洪水预警预报研究方面有所突破，借助“数字流域”平台开发洪水预报预警系统，成效显著。
4.2 数字流域模型
2000年以来关于山洪预报的主要进展是数字流域模型的建立。随着我国实施“数字黄河”、“数字长江”等系统的建设，推动了数字流域模型的发展，达到能为全国5万条爆发山洪的溪沟提供水文预报工具的要求，典型代表是黄河数字流域模型（刘家宏，2005）。黄河数字流域模型是流域水沙模拟的大型计算平台，集成流域产流产沙、坡面坍塌、河道泥沙输移等模型，具有10万条原码程序和自主研发的GIS。模型依照 “三级划分，河段（坡面）产流，逐级汇流”的建模思路，将黄河全流域按3级划分：第一级为整个黄河流域；第二级按大的支流（如渭河、无定河）和干流上的重要断面划分；第三级在第二级划分的基础上将二级子流域继续细分到更小的支流。在每一个三级子流域按汇流河网划分产流河段。黄河数字流域模型采用了分布式水文模型的结构，可以计算出任何一条溪沟的径流过程，能为山洪灾害防治提供决策支持。
数字流域模型定位于大范围、全流域级的水沙过程模拟，是一个具有多层空间分辨率、模型参数容易获取、实现并行计算的全流域级整体模型。数字流域模型解决了五项关键技术，即用分块技术解决大流域DEM数据的存取问题，用TOPAZ模块提取流域沟道参数，从遥感图像提取模型分布式参数，用雨量站插值技术存取面雨量序列，用并行计算技术打破大流域整体模型的计算瓶颈。黄河数字流域模型的初步应用表明，用于山洪预报时该模型具备三项主要功能：可以进行坡面产沙及坍塌的模拟计算；能够进行溪沟洪水过程模拟，辅以降雨预报模块则可进行洪水预报；可以进行大范围山洪灾害评估。
4.3 溪河洪水预报
数字流域模型利用流域的实测降雨量或预报降雨作为输入，可以提前预报溪河洪水过程。预报的原理就是，利用实测降雨或预报降雨作为输入，对流域的产汇流过程进行模拟，由于采用并行计算技术，模拟计算的速度大大提高，模拟计算的时间远小于实际汇流过程所花的时间（例如在多沙粗沙区，计算时间和实际汇流时间的比约为1∶100），这样就可以提前预知溪河洪水过程，为灾害预警提供洪水数据。本节将以多沙粗沙区为例，介绍基于数字流域模型的溪河洪水预报过程。
4.3.1 流域划分和河网提取
黄土高原多沙粗沙区主要集中分布在黄河流域的河口镇至龙门区间及泾河、北洛河上游地区的黄土丘陵沟壑区（如图3），总面积7.86万km2。应用数字流域模型的流域划分和河网分级方法，对黄土高原多沙粗沙区进行了两级划分，第一级的划分和编号如图4。第一级划分的单元小流域的面积平均约为1000km2左右。在第一级划分的基础上，利用数字流域的DEM存储系统和TOPAZ计算模块可以将这85个一级单元进一步划分成84618个“河段”，其中Stralher=1的河段42797个，如图5。每个“河段”又分为左“坡面”、右“坡面”和源“坡面”（Stralher分级大于1的河段没有源“坡面”），共计“坡面”数212033个。经过第二级划分后，每个“坡面”的面积约为0.37km2。多沙粗沙区经过上述划分后，再应用数字流域河网编码方法将划分得到的“河段”和“坡面”连接成一个完整的河系网络。这个河系网络是经过概化的、数字化的多沙粗沙区，即“数字多沙粗沙区”。应用并行计算方法对“数字多沙粗沙区”进行产汇流计算，就可以得到各个溪沟的洪水过程了。
图3 黄土高原多沙粗沙区分布图
图4 黄土高原多沙粗沙区第一级单元划分
图5 黄土高原多沙粗沙区第二级河道图（含84618个河段）
4.3.2 数据输入和模型计算
流域内任一点的降水过程是通过分布在全流域的雨量站插值得来。在降雨量数据库中有两张数据表：一是雨量站索引表，二是降雨量记录表。雨量站索引表中存储着雨量站的信息，包括雨量站的代码、名称、所在点的经纬度坐标、所在的河流等。降雨量记录表中存储雨量站的降雨序列。为了能够比较准确的反映全流域的降雨分布，雨量站的布置要求比较均匀地分布在全流域范围。对于黄河流域，黄河水利委员会管理的雨量站有774个（李国英，2002），其分布如图6所示。在黄土高原多沙粗沙区，雨量站的分布比较多，而且比较均匀，基本能够满足模型计算的需要。
图6 以雨量站为基础存储流域面降雨序列示意图
当模型需要降雨量信息时，如果所计算子单元中有雨量站，则直接读取相应存储的降雨信息，否则按坐标位置搜索模型所计算流域子单元附近的雨量站，对这些雨量站所存储的降雨序列进行插值就可以得到该模型单元的降雨序列输入。插值的方法比较多，水文上常用的有最近雨量站法和距离插值法。所谓最近雨量站法就是用距离模型单元最近的雨量站的降雨序列代表模型单元的降雨序列；距离插值法就是把模型单元附近一定范围内的雨量站的降雨序列全部提出来，根据它们各自离模型单元的距离给他们赋一个权重，然后把这些降雨序列乘以各自的权重并相加就得到了模型单元的降雨序列。
模型计算还需要土壤类型、植被覆盖度、土地利用类型、蒸散发系数等相关的信息，这些信息可以通过遥感图像解译出来，为此数字流域模型开发了一个遥感图像解译系统，可以将特定的遥感图像灰度值解译成土壤类型参数、植被覆盖度参数等。在这个系统中，如果输入的遥感图像为植被覆盖度图像，用户只需要书输入一个点的（x,y）坐标，系统就可以给出该点的植被覆盖度参数，对于土壤类型、、土地利用类型、蒸散发系数可以用同样的方法获得。数字流域模型在构建上采用了分布式模型结构，模型的单元是“河段+坡面”。由于模型单元面积较小，可以用河段的中心点坐标（MiddleX，MiddleY）近似模型单元的中心点坐标，因此要得到某个模型单元的土壤类型、植被覆盖度、蒸散发系数、土壤抗冲系数等参数，只需把对应河段的中心点坐标（MiddleX，MiddleY）和相应的遥感图像输入遥感图像解译系统就可以得到相关参数。
数字流域模型的降雨输入和模型参数齐备后，就可以进行单元的产汇流计算了。计算过程采用多机并行处理，首先设定并行处理任务包的“粒度”，即一个并行计算任务包大致包含多少个产汇流基本单元。根据设定的任务包的“粒度”大小，程序可以自动实现河网拆分和汇流叠加，得到全流域的产汇流计算结果。
4.3.3 计算结果和数据显示
数字流域模型经过计算可以得到多沙粗沙区任何一条支沟的洪水过程，如图7所示。在已知支沟洪水过程的基础上，综合流域内的人文地理要素（工矿、企业、城镇、居民点），可以对流域的山洪灾害进行预警。由于降雨输入可以是实测降雨，因此该系统具有实施预报山洪灾害的功能。
图7 溪河洪水过程计算结果显示图
5 制定全国山洪灾害应急预案的科学问题
在2005年国务院发布的“国家突发公共事件总体应急预案”中，对自然灾害的界定主要包括水旱灾害，气象灾害，地震灾害，地质灾害，海洋灾害，生物灾害和森林草原火灾等。山洪灾害涉及水旱、气象、地质灾害，其全国性的总体应急预案的制定，是亟待实现的国家目标。
制定全国山洪灾害应急预案还缺乏对山洪致灾的规律的全面认识。为此，需要充分认识我国山丘区流域系统的山洪形成-输移-致灾与社会经济及生态环境影响的整个过程及深刻机制。相应地，需要开展三个层面的研究。第一，通过现场观测、航空摄影、遥感和GIS技术、远程实时监控手段以及室内外试验，从系统科学的角度研究山丘区流域系统中的大气、水文、土壤和能量等诸多因子的变化规律，探索各因子之间的互动机制，进而剖析山丘区系统的复杂性及其中各因子之间的互动机理。第二，从机理的角度，在山丘区流域系统的孕灾特征剖析及各因子互动关系的基础上，研究山洪灾害各诱发因子之间的时空演变规律，揭示山洪产生与输移、灾害演变规律及减灾和防治机制。第三，在前两个层面的研究基础上，进行一体化的理论整合和方法集成，建立全国范围内的山洪预报预警、灾害风险评估和减灾应急预案的理论与方法体系。具体研究内容如下：
（1）我国山丘区流域系统的孕灾特征及孕灾因子的时空分布规律
对我国历史上的山洪发生区进行历史资料调查和野外调研并全面分析，从不同时空尺度研究这些山洪发生区的孕灾特征，分析气象、地形地貌、地质、生态环境、人类活动等孕灾因子的区域分布规律和演变趋势，揭示出山洪灾害的诱发机制，初步建立产生暴雨所需的气象条件、降雨量与山洪规模之间的关系。在此基础上，结合在典型山丘区已经建立的山洪灾害监测系统，对山洪形成的气象条件、暴雨过程以及山洪过程进行实时观测，结合遥感技术研究山丘区流域系统与山洪灾害相关的大气、水、土壤和能量等诸多方面的基本规律。在对山洪灾害的现有认知条件下，根据调查和监测结果，利用GIS技术，建立我国山洪易发区的气象、地形地貌、土壤、生态环境、人类活动的特征信息数据库和空间分布数字化系统。
（2）我国典型山丘区流域系统的山洪形成机理
研究导致山洪的暴雨形成机制，建立气象模拟模型，为山洪的实时预报提供输入条件。采用多元统计分析及神经网络技术等解决气象模型和山洪诱发过程之间的时空尺度不匹配问题。开展室内外山洪形成过程试验，结合野外现场观测，探索不同典型山丘区的山洪形成机制，包括导致山洪的降雨径流机理、暴雨过程中土壤持水机制、土壤侵蚀机理、泥石流发生机理、人类活动对山洪产生的影响机制等，为建立山丘区山洪初始规模的模拟模型提供理论基础。在此基础上，分析探索不同典型区域的降雨、地质、地形地貌和植被等各因子诱发山洪的临界条件，建立我国山丘区山洪形成条件信息数据库，为山洪的预报提供基础。
（3）我国典型山丘区流域系统的山洪输移过程机理
调查分析我国典型山丘区流域系统的山洪类型，区分一般挟沙水流、高含沙水流、粘性泥石流和水石流等不同山洪的力学特征，建立不同类型山洪演进和输移的力学机理模型。在不同地形地貌特征、不同植被覆盖状况及不同山洪规模条件下，探索不同类型山洪在输移过程中与可侵蚀边界的交换机理，重点阐明非恒定流条件下的土壤侵蚀和泥沙搬运的力学过程。在此基础上，准确模拟山洪的演进时间、输移距离和影响范围。
（4）我国典型山丘区流域系统对山洪的响应过程及山洪致灾机理
根据山洪输移过程机理的研究成果，确定我国典型山丘区流域系统的山洪规模和影响范围特征，建立各类生态环境系统与山洪间物质与能量的定量响应关系，揭示山洪对生态环境的影响机制和破坏特征。建立山丘区的居民生命与财产对山洪影响范围及规模的脆弱性关系，探索为减少灾害的居民居住范围和适宜的经济生产方式，为山洪灾害的防治和减灾策略的制定提供基础。研究山洪灾害对山丘区生态环境和人类活动的长期影响，建立山丘区社会经济、生态环境系统对山洪的相对敏感性和临界规模的量化方法。
（5）我国山丘区山洪灾害评估综合指标体系和灾害调控机制
根据我国山丘区山洪形成、输移、致灾过程的定量研究，探索山洪灾害评估综合指标体系。在此基础上，建立我国山丘区山洪预报预警及灾害评估系统。并根据山洪灾害的过程规律，探索山洪过程的调控方法和减灾机制，制定山洪灾害的防治和减灾对策，从而建立起科学的山洪灾害防治和调控理论体系，为政府部门提供管理平台和突发山洪灾害的应急决策，为山丘区的社会经济发展战略的制定提供决策支持。
6 讨论和结论
我国山丘区山洪灾害的形成过程非常复杂，涉及气象、水文、水动力、地貌等不同时空尺度的物理过程，涉及大气、水、土壤等多种介质，同时与人类活动密切相关。暴雨、台风等气象因素，地质地貌、土地利用、植被覆盖等下垫面条件，以及人类活动强度等因子之间的复杂互动，综合决定了山洪灾害是否形成，也使得山洪灾害问题具有明显的时空特征。本文在综述山洪灾害及其防御措施的基础上，介绍了山洪灾害时空预报的一个新的技术手段——基于数字流域模型的山洪预报系统。该系统的推广应用将加深我国对山洪灾害时空分布规律的认识，为建立我国山丘区山洪预报预警及灾害风险评估系统提供科学参考，并为提高我国对自然灾害事件的应急能力，特别是为过去被忽视的山丘区城镇与农村居民提供安全保障及我国山丘区实现社会经济的可持续发展提供强有力的科学与技术支撑。
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