湯立煌, 王　浩

(1.湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 荊州　434020; 2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢　430034)

0　引言

湖北省自2003年以來,利用武漢中心氣象臺提供的降雨數(shù)據(jù),開展了地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報工作[1]。截止2012年,省級地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警共制作預(yù)報產(chǎn)品190份,發(fā)出預(yù)報產(chǎn)品162份,成功準(zhǔn)確預(yù)報35次,累計發(fā)送預(yù)警短信5 000余條,通知省、市、縣國土部門相關(guān)單位900余家,預(yù)警區(qū)域覆蓋了全省地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)和易發(fā)地區(qū)。

隨著湖北省現(xiàn)代化氣象裝備的快速發(fā)展,省內(nèi)2 419個鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動氣象站和8部新一代多普勒天氣雷達探測數(shù)據(jù)已經(jīng)投入日常氣象服務(wù),短期精細化和短時突發(fā)性降水的預(yù)報服務(wù)能力得到明顯提升,為進一步提高地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報的精度打下了良好的基礎(chǔ),基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警方法和自動化預(yù)警平臺的建設(shè)成為可能。

1　地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報模型研究

要對某一區(qū)域,在未來一段時間內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害進行預(yù)報預(yù)警,就需要考慮與災(zāi)害密切相關(guān)的地質(zhì)和降水條件,通過歷史災(zāi)害資料統(tǒng)計分析后建立預(yù)報預(yù)警模型,并對模型涉及的降水與地質(zhì)影響參數(shù)分地區(qū)進行精確估計。因此,本文在地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報模型研究上,著重從降雨量與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生之間的關(guān)系及基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警模型兩個方面開展研究工作。

1.1　降水與地質(zhì)災(zāi)害的統(tǒng)計關(guān)系

地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系主要體現(xiàn)在地質(zhì)災(zāi)害與坡度、坡向、巖性、構(gòu)造等因子之間的緊密關(guān)系,分析同一因子不同區(qū)段(類型)對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的敏感性,從而確定出影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境條件組合。

降水與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生有著極其密切的關(guān)系,多年來很多專家學(xué)者都在研究降水引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的成因機制,通過多種方法評價和預(yù)測降水成災(zāi)的問題。

筆者利用全省8 495處地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查記錄,結(jié)合武漢市中心氣象臺提供的歷史降雨資料,對全省各類地質(zhì)災(zāi)害與降水之間的關(guān)系進行了統(tǒng)計分析,如表1所示[2]:

表1　各類地質(zhì)災(zāi)害與降水致災(zāi)因素情況一覽表Table 1　Schedule of kinds of geological hazards and factors of assessment of hazards

從表1可以看出,滑坡、崩塌、泥石流、不穩(wěn)定斜坡地質(zhì)災(zāi)害與降水有著較密切的關(guān)系:滑坡、泥石流災(zāi)害其成災(zāi)的外部主導(dǎo)因素是降水,約89.26%的滑坡、89.34%的泥石流調(diào)查點其成災(zāi)的主導(dǎo)因素是降水;約92.82%的不穩(wěn)定斜坡可能失穩(wěn)的因素與降水密切相關(guān);約93.65%的崩塌調(diào)查點可能失穩(wěn)的因素與降水有關(guān);地面塌陷、地裂縫、地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受降水因素影響較小。

1.2　基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報模型

地質(zhì)災(zāi)害的形成往往是多種因素互相作用造成的,不同類型的地質(zhì)災(zāi)害其形成條件也不盡相同,但大體上均與地質(zhì)、地貌、水文、生態(tài)環(huán)境以及人類工程活動密切相關(guān)。因此,在建立地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報模型時,應(yīng)從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、植被條件、人類工程活動等影響因素出發(fā),綜合分析地質(zhì)災(zāi)害與降水之間的關(guān)系,確定臨界降雨量,建立適合本地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報模型。

1.2.1模型因子的選擇

本次研究主要選取地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及人類活動作為地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報的主要影響因子,利用GIS分別對地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、降雨型地質(zhì)災(zāi)害圖層進行單元剖分,并建立各自概率模型。

1.2.2信息量概率模型

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有不確定性和隨機性。某一區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性,事實上是對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率作出判斷,概率值越大,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害可能性就越大。把地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造每一致災(zāi)單因素進行概率量化,每一單因素致災(zāi)的概率與該種因素致災(zāi)的頻度有關(guān)。據(jù)此建立致災(zāi)因素概率模型為:

Y=a(g,r,s)×P(g,r,s)

式中:Y為發(fā)生概率；P為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育頻度；P(g,r,s)分別為地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造因素影響下的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育頻度；a(g,r,s)分別為各因素概率系數(shù)。

降雨信息因素的概率量化,根據(jù)降雨量與崩滑流地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況進行對比分析,將降雨強度劃分為5個等級。降水量<10 mm/d、10～25 mm/d時幾乎不發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害；降水量>50 mm/d以上時,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率急劇上升；降水量>100 mm/d以上時,高陡邊坡、不穩(wěn)定斜坡發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害概率達到極大值。

以單元危險性概率值(H)為基礎(chǔ),與降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率進行耦合,得出某一降雨范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率。其模型為:

T=H+(α+β)·Y

式中:T為預(yù)報概率;H為危險性概率;Y為降雨因素的發(fā)生概率;α為當(dāng)日降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的權(quán)重系數(shù);β為前期降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)氣象預(yù)報確定的降雨范圍、降水強度和該范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害危險性概率,按預(yù)警預(yù)報模型計算評價,求得該范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性分區(qū)預(yù)報概率,按以下準(zhǔn)則預(yù)報:①確定由降雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害臨界易發(fā)區(qū)T值區(qū)間;②確定由降雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)T值區(qū)間;③確定由降雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害極易發(fā)區(qū)T值區(qū)間;④根據(jù)前期和預(yù)報降雨情況分為久旱不雨、暴雨、特大暴雨、連續(xù)降雨等各種情況,調(diào)整相應(yīng)參數(shù),根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整T值進行預(yù)報。

2　地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

2.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)主要包括信息管理模塊和氣象預(yù)警模塊[3-7]。信息管理模塊是實現(xiàn)對信息數(shù)據(jù)的有效管理,主要包括地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫、降雨量數(shù)據(jù)庫、預(yù)警預(yù)報成果數(shù)據(jù)庫等;氣象預(yù)警模塊實現(xiàn)預(yù)警預(yù)報模型的構(gòu)建、預(yù)警預(yù)報的分析。預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(圖1)如下:

圖1　湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of alarm prediction system of geological disaster in Hubei

信息管理模塊實現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害基本情況信息、雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)、雨量預(yù)報數(shù)據(jù)、預(yù)警預(yù)報成果數(shù)據(jù)的存儲、查詢、統(tǒng)計等功能。氣象預(yù)警模塊實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報自動分析并生成當(dāng)日預(yù)警預(yù)報成果。

2.2　模型構(gòu)建方法

預(yù)警預(yù)報模型采用的是“地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)因素的概率量化模型”,根據(jù)地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)條件建立地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造信息概率模型;進一步建立地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性分區(qū);再根據(jù)一定的預(yù)報預(yù)警判據(jù),對預(yù)報降雨數(shù)據(jù)以及前期降雨數(shù)據(jù)進行分析處理,計算出將要預(yù)報的降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的空間范圍,并判定危險性程度;最后形成以地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警圖及文字說明的方式進行表達的預(yù)警預(yù)報成果:

(1) 在湖北省8 495處地質(zhì)災(zāi)害點中,提取與大氣降雨密切相關(guān)的滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,統(tǒng)計分析災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日及前期降雨之間的關(guān)系。

(2) 利用GIS按照1∶100 000高斯投影平面直角坐標(biāo)系,將湖北省按照行政區(qū)進行剖分,形成2 km×2 km的剖分單元。

(3) 建立單因子信息量概率模型,將地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造三因素進行單元剖分,與地質(zhì)災(zāi)害剖分單元分別進行疊加計算分析構(gòu)建三者的信息量概率模型。

(4) 將地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造三者的信息量概率剖分單元進行疊加計算生成危險性分區(qū)。

(5) 建立預(yù)警預(yù)報模型,將危險性分區(qū)與降雨(預(yù)報與前期降雨)信息剖分單元進行疊加計算生成當(dāng)日預(yù)警預(yù)報分區(qū)。

(6) 預(yù)警預(yù)報等級劃分,對預(yù)警預(yù)報模型計算結(jié)果進行評價,按劃分準(zhǔn)則劃分預(yù)警預(yù)報等級。

湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報模型圖(圖2)如下:

圖2　湖北省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報模型圖Fig.2　Model diagram of alarm prediction system of geological disaster in Hubei

3　系統(tǒng)應(yīng)用

本次地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警平臺建設(shè),以武漢市為研究對象開展相關(guān)工作。系統(tǒng)采用1∶50 000基礎(chǔ)地理底圖、地質(zhì)圖和構(gòu)造圖,降雨量數(shù)據(jù)來源于武漢市98個自動觀測站和5個人工觀測站的歷史數(shù)據(jù)。

3.1　預(yù)警預(yù)報分析

3.1.1降雨信息因素的概率量化

降雨信息因素的概率量化,將降雨量劃分為5個等級。降水量<10 mm/d、10～25 mm/d時幾乎不發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害；降水量>50 mm/d以上時,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率急劇上升；降水量>100 mm/d以上時,高陡邊坡、不穩(wěn)定斜坡發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害概率達到極大值。

通過收集武漢市近年氣象資料與降雨型地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況,統(tǒng)計分析后得到武漢市不同降雨等級地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率,見表2。

表2　不同降雨等級地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率取值表Table 2　Value table of occurrence probability of geological disaster in rainfall grade

3.1.2預(yù)警預(yù)報分析

Y的取值根據(jù)表3計算結(jié)果獲得;因武漢市降雨型地質(zhì)災(zāi)害樣本量較少,除對這些樣本進行分析計算外,α和β值的確定還經(jīng)過大量模擬數(shù)據(jù)的分析測算,并參考湖北省省級預(yù)警預(yù)報模型(武漢市及其周邊鄂東南、鄂東北地區(qū)判據(jù)模型)進行多次調(diào)查并與實際結(jié)果對比推測確定(表4)。

表3　降雨因素的發(fā)生概率Y取值表Table 3　Y value table of occurrence probability of rainfall factors

α權(quán)重取值(預(yù)報雨量):0.7。

表4　前期降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的權(quán)重系數(shù)取值表Table 4　Value table of weigth coefficient of geological disaster caused by antecedent preapitation

3.2　效果分析

截止2013年10月,系統(tǒng)共計完成武漢市地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警157期產(chǎn)品制作,其中達到預(yù)警發(fā)布級別6期,均為三級預(yù)警(黃色預(yù)警);未達到預(yù)警發(fā)布級別151期,其中四級預(yù)警80期,小于四級預(yù)警70期。

根據(jù)湖北省國土資源廳提供的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查數(shù)據(jù)顯示(表5),2013年汛期(5—9月)武漢市因降雨誘發(fā)崩滑流地質(zhì)災(zāi)害4起,成功預(yù)報2起。

表5　2013年度武漢市汛期地質(zhì)災(zāi)害反饋信息表Table 5　Feedback information of geological disaster in flood season of 2013

4　結(jié)論

(1) 從影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的背景條件出發(fā),利用全省8 495個地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)以及1950—2012年全省實測降雨量為研究對象,完成了降水與地質(zhì)災(zāi)害之間的耦合關(guān)系研究,保證了統(tǒng)計結(jié)果的可靠性和實用性。

(2) 在分析研究湖北省地質(zhì)環(huán)境背景的基礎(chǔ)上,從影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要地質(zhì)因素出發(fā),建立了地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報模型,模型設(shè)計較為合理。

(3) 利用GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù),完成了湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)的分析、設(shè)計、軟件編碼及軟件測試,并結(jié)合新一代多普勒天氣雷達和自動氣象站數(shù)據(jù),在武漢市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警實踐應(yīng)用中得到較好的驗證,提高了全省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報的精度。

(4) 降雨數(shù)據(jù)的預(yù)測精度是地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報的首要條件,建議進一步加密預(yù)警預(yù)報時段,從當(dāng)前的24 h地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報,逐步向12 h、6 h甚至2 h預(yù)報發(fā)展。

參考文獻：

[1]李德果,王澤鋒,霍芳,等.湖北省縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃綜合研究報告[R].武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,2009.

[2]李德果,楊濤,丁晉.降水對湖北省地質(zhì)災(zāi)害影響分析[J].資源環(huán)境與工程,2012,26(增刊):31-35.

[3]張雅斌,杜繼穩(wěn),蔡蕊,等.陜西省精細化地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警研究[J].災(zāi)害學(xué),2011,26(3):28-34.

[4]鐘洛加.湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報電子政務(wù)信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].資源環(huán)境與工程,2005,19(3):231-234.

[5]婁月紅.陜西省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)與研究[D].西安：長安大學(xué)，2008.

[6]丁偉翠,楊強,王愛軍,等.應(yīng)用GIS技術(shù)對甘肅省靈臺縣地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的研究[J].中國地質(zhì)，2010,37(4):1199-1207.

[7]焦星東,羅勇平,孫忠強,等.基于MapGIS技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)研究[J].中國安全生產(chǎn)技術(shù)，2010,6(4):103-108.