李守定 白亞恒 姜越 王占和 魏文慧 李曉
摘要:地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警是有效減輕地質(zhì)災(zāi)害造成損失的重要手段,其核心是研究氣象條件與地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的時(shí)空關(guān)系,即地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警模型。新疆地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,內(nèi)外動(dòng)力作用強(qiáng)烈,是中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育嚴(yán)重的地區(qū)之一?;诘刭|(zhì)災(zāi)害的地球內(nèi)外動(dòng)力耦合作用成因理論,建立了新疆地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)劃;利用地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺(tái),優(yōu)選內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用指標(biāo),依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),確定各類要素權(quán)重,計(jì)算地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)值,構(gòu)建了基于內(nèi)外動(dòng)力耦合成因理論的新疆地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警乘積范式的顯式統(tǒng)計(jì)模型;在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)校驗(yàn),獲得了與實(shí)際地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況較為一致的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警結(jié)果。
關(guān)鍵詞:地質(zhì)災(zāi)害;氣象預(yù)警;內(nèi)外動(dòng)力耦合;顯式統(tǒng)計(jì)模型;地理信息系統(tǒng);地質(zhì)環(huán)境指標(biāo);乘積范式;新疆
中圖分類號(hào):P694文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
Explicit Statistic Meteorological Earlywarning Model of
Geological Hazards in Xinjiang, China Based on the
Genesis Theory of Endogenic and Exogenic Coupling
LI Shouding1,2,3, BAI Yaheng1,2, JIANG Yue4, WANG Zhanhe4,
WEI Wenhui4, LI Xiao2,3, LIU Linan2,3
(1. School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou
450045, Henan, China; 2. Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics,
Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 3. College of Earth Sciences, University of Chinese
Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Geological Environment Monitoring Institute of
Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumchi 830000, Xinjiang, China)
Abstract: Meterological earlywarning is the key issue that arises during the preventions of geological hazards. A model of meterological earlywarning refers to the study of spacetime relationships between meterological conditions and risks of geological hazards, which is the core of earlywarning. There are serious geological hazards in Xinjiang, which is taken as the example for the model study. Due to its own geological and geomorphological conditions, the geological hazards are controlled by strong endogenic and exogenic coupling effects. Earlywarning of geological hazards in Xinjiang is divided into several zones based on the genesis theory of endogenic and exogenic coupling. A explicit statistic model with selected optimum indexes is completed based on geographic information system (GIS). In the model, the weights of earlywarning indexes of geological hazards are determined according to the experts experience, and the values of geological environment indexes are calculated. Then, the model is consistently verified by historical geological hazards, namely the results of earlywarning are the same.
Key words: geological hazard; meteorological earlywarning; endogenic and exogenic coupling; explicit statistic model; GIS; geological environmental index; product form; Xinjiang
0引言
中國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一,特別是崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多面廣,嚴(yán)重危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全。新疆處于中國(guó)西部,占全國(guó)總面積的1/6,山脈連綿起伏,地形高差懸殊,形成復(fù)雜多樣的地質(zhì)環(huán)境,境內(nèi)三大山系的崩塌、滑坡、泥石流突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害普遍發(fā)育且分布廣泛。截至2010年,新疆地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)及潛在隱患點(diǎn)共計(jì)8 468處[1]??紤]到新疆地質(zhì)災(zāi)害防治的現(xiàn)狀,地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警是提高全社會(huì)的防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)、有效減輕地質(zhì)災(zāi)害造成損失的重要手段[2]。
地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警是一種基于氣象預(yù)報(bào)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)的方法。其核心是研究氣象條件與地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的時(shí)空關(guān)系,即地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警模型。美國(guó)、中國(guó)、日本、巴西等不同國(guó)家和地區(qū)曾經(jīng)或正在開(kāi)展以降雨為主要誘發(fā)因素的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警。常用的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警模型多采用統(tǒng)計(jì)模型,根據(jù)歷史降雨數(shù)據(jù)和地質(zhì)災(zāi)害資料,建立降雨與地質(zhì)災(zāi)害之間經(jīng)驗(yàn)性的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,尋找臨界降雨判據(jù)[311]。常用的統(tǒng)計(jì)方法包括圖表法、多元回歸分析、概率方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。Campbell等建立了臨界降雨閾值預(yù)報(bào)模型[1215];Au等建立了單一降雨閾值預(yù)報(bào)模型[1617];Dai等建立了滾動(dòng)雨量模型[18];王仁喬等建立了有效雨量、降雨周期或頻率模型[1921];蘭恒星等建立了斜坡災(zāi)害危險(xiǎn)度指數(shù)法計(jì)算模型[22];劉傳正等建立了中國(guó)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害顯式統(tǒng)計(jì)模型[23]。
2003年起,中國(guó)國(guó)土資源部和中國(guó)氣象局采用臨界降雨判據(jù)模型聯(lián)合開(kāi)展汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警工作;2008年,地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警模型升級(jí)為臨界降雨判據(jù)模型與顯式統(tǒng)計(jì)模型并行運(yùn)算,相互校驗(yàn)與補(bǔ)充[24]。中國(guó)省級(jí)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警工作流程、技術(shù)約定等與國(guó)家級(jí)相似,各省、自治區(qū)、直轄市分別根據(jù)各自具體的地質(zhì)環(huán)境條件,分別選取了適合自身的預(yù)警預(yù)報(bào)模型。新疆維吾爾自治區(qū)于2004年開(kāi)始進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警工作,由于新疆阿爾泰、天山和昆侖—阿爾金山三大山系存在冰川與常年積雪,春季常常發(fā)生由冰雪凍融產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害,所以預(yù)警時(shí)間為每年的3月31日至9月30日,預(yù)警模型采用的是基于臨界降雨判據(jù)的德菲爾預(yù)警模型[1]。
近年來(lái),隨著人類活動(dòng)加劇,新疆地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育在規(guī)模上由局部獨(dú)立向群發(fā)成片趨勢(shì)發(fā)展,在空間上由以中低山區(qū)為主向高山區(qū)擴(kuò)展的趨勢(shì)發(fā)展,在時(shí)間上由汛期發(fā)育向以汛期為主、各個(gè)季節(jié)時(shí)有出現(xiàn)的趨勢(shì)發(fā)展。由于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作精細(xì)化與準(zhǔn)確化的需求,結(jié)合特殊的地理地質(zhì)條件,新疆山區(qū)在歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特別是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下持續(xù)強(qiáng)烈上升,溝谷深切,降水比較豐沛。基于內(nèi)外動(dòng)力耦合成因理論,在建立新疆地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警區(qū)劃與優(yōu)選內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用指標(biāo)的基礎(chǔ)上,利用地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺(tái),建立新疆地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警顯式統(tǒng)計(jì)模型,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行歷史地質(zhì)災(zāi)害校驗(yàn),以期獲得較為一致的預(yù)報(bào)結(jié)果。
1地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)劃
新疆地域遼闊,山脈連綿起伏,地形高差懸殊,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,氣候和自然環(huán)境復(fù)雜多變。受地質(zhì)構(gòu)造、地理位置、地貌景觀的控制以及氣候和水文等因素的影響,新疆形成了復(fù)雜多樣的地質(zhì)環(huán)境條件。三大山系的崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害普遍發(fā)育且分布廣泛,種類多,發(fā)生頻率高,受災(zāi)害面積廣,危害嚴(yán)重。
新疆地質(zhì)災(zāi)害的分布區(qū)域主要在北疆的伊犁谷地、天山北麓、阿爾泰山南麓地區(qū)和南疆的天山南麓、昆侖山西部中高山區(qū);北疆伊犁谷地地質(zhì)災(zāi)害主要集中在每年4月至6月,阿爾泰山南麓和天山北麓主要集中在每年6月至8月;南疆天山南麓和昆侖山西部中高山區(qū)主要集中在每年7月至8月。新疆地質(zhì)災(zāi)害類型主要為崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等,崩塌約占10%,滑坡約占55%,泥石流約占27%,地面塌陷約占7%。新疆地質(zhì)災(zāi)害成因規(guī)律復(fù)雜,除地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜之外,還有誘發(fā)因素(包括降雨、凍融和地震)的聯(lián)合作用,其中最重要的誘發(fā)因素為降雨[1]。
根據(jù)新疆地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)發(fā)育區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和成災(zāi)機(jī)理分析,結(jié)合新疆氣象和地質(zhì)條件,將新疆3個(gè)一級(jí)預(yù)警區(qū)細(xì)分為7個(gè)預(yù)警亞區(qū)(圖1)。一級(jí)預(yù)警區(qū)為昆侖山—阿爾金山區(qū)(A)、天山區(qū)(B)和準(zhǔn)噶爾—阿爾泰山區(qū)(C);天山區(qū)分為4個(gè)預(yù)警亞區(qū),分別為伊犁谷地(B1)、天山北麓(B2)、天山南麓(B3)、吐哈南部(B4);準(zhǔn)噶爾-阿爾泰山區(qū)分為2個(gè)預(yù)警亞區(qū),分別為準(zhǔn)噶爾(C1)和阿爾泰(C2)。其中,B1區(qū)是伊犁谷地山地丘陵黃土地區(qū),不適合采用顯式統(tǒng)計(jì)模型,而B(niǎo)4區(qū)是吐哈南部山地丘陵地區(qū),地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)較少,沒(méi)有進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的需求。
圖1新疆地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)劃
Fig.1Zoning Map of Meteorological Earlywarning of Geological Hazards in Xinjiang
昆侖山—阿爾金山區(qū)包括昆侖山北麓、阿爾金山北麓、昆侖山西部等山地丘陵地區(qū)。崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)為1 607處,其中滑坡共計(jì)109處,泥石流612處,崩塌886處。該區(qū)屬于高山峽谷地帶,地球內(nèi)外動(dòng)力作用非常強(qiáng)烈。
天山區(qū)包括天山北麓、天山南麓、伊犁谷地、吐哈南部等山地丘陵地區(qū)。崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)為4 513處,其中滑坡共計(jì)1 372處,泥石流890處,崩塌2 251處。天山山脈地貌、地層巖性與構(gòu)造類型復(fù)雜,溫度、降雨、人類活動(dòng)等誘發(fā)因素多樣;伊犁谷地多發(fā)黃土滑坡,巖土體結(jié)構(gòu)與類型相對(duì)單一;吐哈南部丘陵地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較少。
準(zhǔn)噶爾—阿爾泰山區(qū)包括準(zhǔn)噶爾盆地西側(cè)、阿爾泰山南麓等山地丘陵地區(qū)。根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù),崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)為1 219處,其中滑坡共計(jì)106處,泥石流127處,崩塌986處。該區(qū)地貌類型多樣,地層巖性與構(gòu)造單元各異,地質(zhì)災(zāi)害主要誘發(fā)因素為降雨,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育強(qiáng)度低。
2地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警指標(biāo)選取
區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育控制因素一直是地質(zhì)災(zāi)害成因機(jī)理研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。Burbank等通過(guò)對(duì)現(xiàn)代喜馬拉雅地區(qū)的研究,認(rèn)為該區(qū)滑坡是協(xié)調(diào)快速的基巖抬升和河流下切形成的陡坡相互作用的結(jié)果[25];Hermanns等發(fā)現(xiàn)阿根廷西北部干旱區(qū)山地的55處體積大于100×104 m3的崩塌和滑坡體主要沿山前活動(dòng)斷裂帶分布,與第四紀(jì)期間構(gòu)造運(yùn)動(dòng)密切相關(guān),發(fā)育于峽谷陡壁處的崩塌受到逆沖活動(dòng)斷裂的控制[26];Scheidegger認(rèn)為地貌形態(tài)的形成和演化主要是受區(qū)域構(gòu)造內(nèi)動(dòng)力作用和剝蝕外動(dòng)力作用的控制[27];Shroder以喜馬拉雅地區(qū)為例,討論了斜坡系統(tǒng)的演化形式,認(rèn)為地殼抬升地區(qū)的斜坡系統(tǒng)演化是不同尺度的斜坡物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的綜合效應(yīng),包括整個(gè)山脈在重力作用下的構(gòu)造變形、單個(gè)山體或大范圍斜坡的巖層深部蠕動(dòng)和規(guī)模最小的崩塌、滑坡破壞等[28]。王思敬提出了“用以解釋若干重大地質(zhì)災(zāi)害成因的地球內(nèi)外動(dòng)力耦合作用理論”,對(duì)地震滑坡、邊坡災(zāi)害和地面變形災(zāi)害的地球內(nèi)外動(dòng)力耦合機(jī)制進(jìn)行了研究[29]。李曉等以發(fā)育在三峽庫(kù)區(qū)長(zhǎng)江干流兩岸的眾多大型滑坡為背景,從滑坡時(shí)空分布與地球內(nèi)外動(dòng)力的關(guān)系、滑坡滑帶形成演化的內(nèi)外動(dòng)力耦合過(guò)程與機(jī)制兩個(gè)方面,研究和論證地球內(nèi)外動(dòng)力耦合作用與地質(zhì)災(zāi)害形成演化的關(guān)系[30]。
本文應(yīng)用內(nèi)外動(dòng)力耦合成因理論來(lái)選取新疆地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)。影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的內(nèi)外動(dòng)力因素主要包括地殼運(yùn)動(dòng)、斷裂活動(dòng)、地震、火山活動(dòng)、降水、卸荷作用、風(fēng)化作用、剝蝕作用、地表和地下水體運(yùn)動(dòng)、冰川運(yùn)動(dòng)和人類活動(dòng)等。從中選取關(guān)鍵的內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用指標(biāo)、外動(dòng)力地質(zhì)作用指標(biāo)和降雨預(yù)警指標(biāo),建立預(yù)警指標(biāo)體系;并根據(jù)各指標(biāo)的重要性,依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)排序,確定各指標(biāo)權(quán)重值。
新疆地域范圍廣,地貌單元多,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,現(xiàn)有的地質(zhì)基礎(chǔ)資料并不詳盡,因此,以內(nèi)外動(dòng)力指標(biāo)選取需從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)出發(fā)。坡體結(jié)構(gòu)控制著斜坡地形地貌,因此,采用海拔高程、斜坡坡度、斜坡坡向3個(gè)地形地貌指標(biāo)來(lái)表征坡體結(jié)構(gòu);新疆巖土體類型多,還分布大量的冰川雪被和水體,因此,將地層巖性指標(biāo)概化為第四系堆積物、巖體、雪被區(qū)和水體4類;地質(zhì)構(gòu)造指標(biāo)主要是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及斷層的影響,特別是最新的斷層活動(dòng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育影響更甚,而地震是地殼內(nèi)部最新地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn),地震參數(shù)表征中的地震動(dòng)峰值加速度(指地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的加速度)大的地方地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育較為嚴(yán)重,因此,綜合考慮斷層活動(dòng)性和場(chǎng)地特性的綜合指標(biāo),采用地震動(dòng)峰值加速度參數(shù)來(lái)表征地質(zhì)構(gòu)造指標(biāo)。對(duì)于外動(dòng)力地質(zhì)指標(biāo),主要考慮降雨與河流切割等作用,選取年均降雨量和水系密度作為外動(dòng)力地質(zhì)作用指標(biāo)。
降雨預(yù)警指標(biāo)主要考慮有效降雨量指標(biāo),由于新疆處于中國(guó)西部?jī)?nèi)陸,降雨量相對(duì)中國(guó)中部和東部小,單日強(qiáng)降雨極少發(fā)生,因此,選取7天有效降雨量表征斜坡降雨入滲破壞相對(duì)合理。
2.1內(nèi)外動(dòng)力因子分級(jí)
根據(jù)新疆崩塌、滑坡、泥石流的災(zāi)害特征,綜合分析地質(zhì)環(huán)境條件,確定影響要素,并進(jìn)一步對(duì)每類要素進(jìn)行劃分,再依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),確定將各類要素指標(biāo)值和權(quán)重值,建立符合新疆地質(zhì)環(huán)境條件的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型。其中,影響要素可劃分為地質(zhì)環(huán)境要素和觸發(fā)要素兩大類。
本文選取海拔高程、斜坡坡度、斜坡坡向、地層巖性、地震動(dòng)峰值加速度、水系密度、年均降雨量作為影響因子,并分別對(duì)每個(gè)因子進(jìn)行分級(jí)。
2.1.1海拔高程
單一的海拔高程因子與地質(zhì)災(zāi)害并無(wú)直接的關(guān)系。蘭恒星等提到海拔高程對(duì)滑坡的影響有2個(gè)方面的原因:一是地形對(duì)集水區(qū)面積有一定的影響;二是不同的高程范圍具有不同的植被類型和植被覆蓋度,從而間接造成滑坡與地形高程有著一定的聯(lián)系[3132]。結(jié)合各預(yù)警亞區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及其發(fā)育規(guī)律分析,對(duì)各預(yù)警亞區(qū)海拔高程進(jìn)行分級(jí)。海拔高程與地質(zhì)災(zāi)害空間分布的關(guān)系見(jiàn)圖2。
2.1.2斜坡坡度
斜坡坡度是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的一個(gè)主要因素,與土層厚度、氣候條件、水文條件、巖性條件、植被覆蓋度等因素有關(guān)。斜坡的成因、形態(tài)反映了斜坡的形成歷史、穩(wěn)定程度和發(fā)展趨勢(shì),對(duì)斜坡的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生重要影響[33]。通常來(lái)說(shuō),隨著斜坡坡度的增加(包括重力在內(nèi)的剪切力增大),相應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率也會(huì)增大。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果,分析各級(jí)別斜坡坡度中地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻數(shù),最終將斜坡坡度分為0~10°、11°~20°、21°~30°、31°~40°、41°~90°等5個(gè)級(jí)別。地形坡度與地質(zhì)災(zāi)害空間分布的關(guān)系見(jiàn)圖3。
2.1.3斜坡坡向
斜坡坡向表示斜坡面的走向。不同斜坡坡向的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等條件不同[33],物理風(fēng)化和植被積雪等因素影響斜坡坡向巖土體結(jié)構(gòu)與地下水補(bǔ)給條件,因而影響斜坡的穩(wěn)定性。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率,將斜坡坡向分為0~90°、9°~180°、181°~270°、271°~360°等4個(gè)級(jí)別。斜坡坡向與地質(zhì)災(zāi)害空間分布的關(guān)系見(jiàn)圖4。
2.1.4地層巖性
Wang等研究認(rèn)為滑坡分布與地層有一定關(guān)系[34]。巖土體的巖性及其結(jié)構(gòu)特征對(duì)滑坡變形失穩(wěn)的影響顯著,決定著滑坡巖土體強(qiáng)度、應(yīng)力分布、變形破壞特征[35]。
根據(jù)新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局2000年編制完成的《新疆區(qū)域地質(zhì)圖》中巖石類型和斷層數(shù)據(jù),經(jīng)國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目修正,將地層巖性分為巖體、雪被區(qū)、水體、第四系堆積物等4個(gè)部分。地層巖性與地質(zhì)災(zāi)害空間分布的關(guān)系見(jiàn)圖5。
2.1.5地震動(dòng)峰值加速度
王恭先等認(rèn)為,地震對(duì)滑坡的影響主要體現(xiàn)在地震動(dòng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)邊坡造成的附加力破壞了邊坡的平衡條件,從而導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[36]。地震動(dòng)峰值加速度作為地震記錄的瞬時(shí)極大值,可以在一定程度上反映地震動(dòng)的整體作用水平;另外,地震動(dòng)峰值加速度是地震后可以快速獲取的一個(gè)反映地震動(dòng)在不同地點(diǎn)振動(dòng)大小的量,因此,分析地震動(dòng)峰值加速度與地震誘發(fā)崩塌、滑波的關(guān)系具有內(nèi)在的物理聯(lián)系和現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值[37]。在地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)計(jì)算中,選取地震動(dòng)峰值加速度作為地質(zhì)災(zāi)害影響因子。地震動(dòng)峰值加速度與地質(zhì)災(zāi)害空間分布的關(guān)系見(jiàn)圖6。
2.1.6水系密度
地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與河流的分布有著十分緊密的關(guān)系。河流對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響一般表現(xiàn)在兩方面:①河流通過(guò)沖刷、淘蝕和浪擊作用對(duì)斜坡產(chǎn)生影響,使下部巖土體被搬走失去支撐,加快崩塌、滑坡的發(fā)生;②地下水位的埋深與邊坡中地下水的補(bǔ)給、徑流有著緊密聯(lián)系。
當(dāng)透水邊坡處于地下水位以下時(shí),將承受水的浮托力,使坡體質(zhì)量減輕,利于邊坡失穩(wěn);不透水邊坡處于地下水位以下時(shí),將受靜水壓力的影響,地震時(shí)還會(huì)造成孔隙水壓力增加,導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生永久位移[38]。另外,水系附近往往是深切峽谷帶,具有很好的滑坡發(fā)育臨空面與滑動(dòng)空間,因此,水系對(duì)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育具有一定的控制作用[39]。根據(jù)新疆?dāng)?shù)字高程模型(DEM),提取水系密度,經(jīng)過(guò)與歷年的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,得出地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的密度與水系密度具有正相關(guān)關(guān)系,因此,按照水系密度對(duì)各研究區(qū)進(jìn)行分級(jí)。水系密度與地質(zhì)災(zāi)害空間分布的關(guān)系見(jiàn)圖7。
2.1.7年均降雨量
劉艷輝等在對(duì)中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與降雨量的關(guān)系研究中得出,年均降雨量與多年來(lái)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度具有非常一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系,降雨是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要誘發(fā)因素[40]。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的密度最大區(qū)域年均降雨量最大。根據(jù)新疆年均降雨量數(shù)據(jù),結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的密度,將各研究區(qū)的年均降雨量分級(jí)。年均降雨量與地質(zhì)災(zāi)害空間分布的關(guān)系見(jiàn)圖8。
2.2影響因子權(quán)重
地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)體系中影響因子權(quán)重值的確定采用反推法,即采用歷年中部分典型地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的樣本,根據(jù)當(dāng)時(shí)的降雨事件,反推地質(zhì)災(zāi)害事件與降雨量的基本相關(guān)關(guān)系,從而基本確定影響因子的權(quán)重值。
根據(jù)各影響因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)大小,采用專家評(píng)分的方法給各個(gè)影響因子的權(quán)重賦值,地質(zhì)災(zāi)害內(nèi)外動(dòng)力耦合預(yù)警指標(biāo)體系及權(quán)重見(jiàn)表1。
3地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警顯式統(tǒng)計(jì)模型
3.1確定性系數(shù)
確定性系數(shù)(CF)方法是一種用來(lái)分析影響某一事件發(fā)生的各因素敏感性的方法。確定性系數(shù)方法[3133]為一個(gè)概率函數(shù),最早由Shortliffe等提出[41],由Heckerman進(jìn)行改進(jìn)[42]。該方法表達(dá)式為
ICF=Pa-PPa(1-P)Pa≥P
Pa-PP(1-Pa)Pa
式中:ICF為確定性系數(shù);Pa為地質(zhì)災(zāi)害在數(shù)據(jù)a類中發(fā)生的條件概率,即數(shù)據(jù)a類中地質(zhì)災(zāi)害個(gè)數(shù)與數(shù)據(jù)a類面積的比值;P為地質(zhì)災(zāi)害在整個(gè)研究區(qū)中發(fā)生的先驗(yàn)概率,即整個(gè)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害個(gè)數(shù)與研究區(qū)面積的比值。
在采用確定性系數(shù)方法開(kāi)展因子量化過(guò)程中,假設(shè)在與已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害地區(qū)相似的斜坡區(qū)就有可能發(fā)生類似的地質(zhì)災(zāi)害。確定性系數(shù)方法實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害各影響因子同區(qū)間定量化,并可合并計(jì)算。
確定性系數(shù)的變化范圍為[-1,1]。確定性系數(shù)正值代表地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的確定性高,地質(zhì)環(huán)境條件差;負(fù)值代表地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的確定性低,地質(zhì)環(huán)境條件好;確定性系數(shù)接近于0,說(shuō)明確定性居中,不能確定地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣[15]。
確定性系數(shù)的計(jì)算按照影響因子分級(jí)、影響因子內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)求取、條件概率求取、確定性系數(shù)求取等4個(gè)步驟進(jìn)行:①影響因子重分類,即在GIS平臺(tái)下,首先根據(jù)自然間斷分類方法將所有崩塌、滑坡影響因子的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類;②求災(zāi)害點(diǎn)在影響因子分類中各個(gè)分級(jí)的個(gè)數(shù),并統(tǒng)計(jì)出每個(gè)分級(jí)的柵格個(gè)數(shù)(由于是相對(duì)值,所以不必計(jì)算面積);③求取條件概率,分級(jí)的災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)與所處分級(jí)的柵格數(shù)相除得到Pa值,然后將該區(qū)域的全部災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)與該地域的柵格數(shù)相除得到P值;④求取確定性系數(shù),根據(jù)式(1)計(jì)算得到各個(gè)分級(jí)的確定性系數(shù)[39]。昆侖山—阿爾金山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響因子確定性系數(shù)見(jiàn)表2。
3.2地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)
在GIS平臺(tái)下,首先分別基于海拔高程、斜坡坡度、斜坡坡向、地層巖性、地震動(dòng)峰值加速度、水系密度、年均降雨量等7個(gè)影響因子的確定性系數(shù)來(lái)構(gòu)建影響因子對(duì)應(yīng)的柵格圖層,然后結(jié)合表1的地質(zhì)災(zāi)害影響因子權(quán)重值,運(yùn)用GIS空間分析模塊計(jì)算地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)值。其表達(dá)式為
G=∑nj=1αjAj(2)
式中:G為地質(zhì)環(huán)境指標(biāo),量化地質(zhì)環(huán)境條件;αj為第j個(gè)影響因子的權(quán)重,j=1,2,…,n;Aj為第j個(gè)影響因子的定量化取值。
將所計(jì)算的地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)值與歷史災(zāi)害點(diǎn)的分布情況進(jìn)行對(duì)比分析,校驗(yàn)地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)是否能夠體現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣程度(圖9)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)值的逐步降低,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的密度逐步減少。這反映在地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)值大的區(qū)域,地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布概率大,地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)值小的區(qū)域,地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布概率少,即地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)值的大小能夠反映歷史地質(zhì)災(zāi)害的多少,因此,地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)值能夠反映地質(zhì)背景環(huán)境條件的優(yōu)劣。
3.3模型計(jì)算方法
在顯式統(tǒng)計(jì)模型中,以地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)值、災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日降雨量、前期有效降雨量作為輸入因子,以歷史地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際發(fā)生情況(數(shù)量)作為輸出因子,采用多元線性回歸或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,建立地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警計(jì)算模型,從而確定預(yù)警等級(jí)。
顯式統(tǒng)計(jì)模型的通用函數(shù)為
T=f(G,R0,Rp)(3)
式中:T為預(yù)警指數(shù),據(jù)此確定地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等級(jí);R0為當(dāng)日降雨量,指地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日降雨量,預(yù)警分析時(shí)為預(yù)報(bào)雨量;Rp為前期有效降雨量,指在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前的有效降雨量[15]。
本文對(duì)基于內(nèi)外動(dòng)力耦合成因理論的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警顯式統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行了改進(jìn)。首先,在選擇地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)值時(shí),考慮地質(zhì)災(zāi)害的地球內(nèi)外動(dòng)力耦合作用成因理論,選取關(guān)鍵內(nèi)外動(dòng)力作用因子;其次,在預(yù)警指數(shù)模型構(gòu)建上,選用7天有效降雨量和當(dāng)日降雨量?jī)蓚€(gè)降雨量指標(biāo)作為地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因子,運(yùn)用地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)與誘發(fā)因子(有效降雨量和當(dāng)日降雨量)分別相乘的判據(jù)模型,得到預(yù)警指標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境本底條件與誘發(fā)因子的物理耦合關(guān)系。最后,在預(yù)警指數(shù)模型建立過(guò)程中,地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)值與誘發(fā)因子均采用數(shù)學(xué)歸一化范式,方便建立預(yù)警等級(jí)。預(yù)警指數(shù)表達(dá)式為
T1=G′R′[KG-30x]c(4)
T2=G′R′[KG-30x]p(5)
式中:T1為7天有效雨量預(yù)警指數(shù);T2為當(dāng)日預(yù)報(bào)降雨量預(yù)警指數(shù);G′為地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)歸一化值;R′[KG-30x]c為7天有效降雨量歸一化值;R′[KG-30x]p為當(dāng)日降雨量歸一化值。
有效7天降雨量采取地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的前7天降雨量(含預(yù)報(bào)雨量)進(jìn)行計(jì)算。其表達(dá)式為
Rc=R0+αR1+α2R2+…+αnRn(6)
式中:Rc為7天有效降雨量;Rn為前期n+1天累計(jì)降雨量,為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前的累計(jì)降雨量,一般取有效降雨量(n=6);αn為前n+1天累計(jì)降雨量權(quán)重。
3.4預(yù)警等級(jí)
建立模型之后,需要根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的災(zāi)害點(diǎn)和降雨數(shù)據(jù)確定模型具體等級(jí)。首先對(duì)地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)圖層、7天有降效雨量圖層進(jìn)行歸一化,然后將歸一化的地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)圖層與有效降雨量圖層相乘可以得到預(yù)警模型等級(jí)圖。地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)圖層采用線性歸一化。
有效降雨量圖層的歸一化需要根據(jù)不同研究區(qū)的往年降雨量進(jìn)行分析,而且在進(jìn)行預(yù)警的時(shí)候需要從7天有降效雨量和當(dāng)日降雨量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)進(jìn)行考慮(表3),因此,需要進(jìn)行不同的歸一化。將歸一化的地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)圖層與歸一化的降雨量圖層進(jìn)行相乘得到預(yù)警指數(shù),運(yùn)用GIS平臺(tái)中的自然間斷分級(jí)方法進(jìn)行分級(jí),即可以得到預(yù)警模型等級(jí)圖(圖10)。
紅色預(yù)警,表示地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性很大;橙色預(yù)警,表示地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性大;黃色預(yù)警,表示地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性較大;藍(lán)色預(yù)警,表示地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性較小。不同區(qū)域的預(yù)警模型等級(jí)見(jiàn)表4。
4模型校驗(yàn)
模型確立之后,需要選取災(zāi)害點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)。本文選取2004年5月22日發(fā)生在天山北麓吉木薩爾
縣大有鄉(xiāng)賈家灣村的滑坡災(zāi)害和2011年6月22日發(fā)生在準(zhǔn)噶爾地區(qū)克鐵公路S201省道134 km+50 m處的滑坡災(zāi)害,對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)。分別求出這兩個(gè)災(zāi)害點(diǎn)的有降效雨量圖層和當(dāng)日降雨量圖層,并將兩個(gè)圖層進(jìn)行歸一化,將歸一化后的有效降雨量圖層和地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)圖層相乘,求出災(zāi)害點(diǎn)所在位置預(yù)警指數(shù);根據(jù)預(yù)警模型等級(jí)范圍,判斷是否滿足預(yù)警,只要其中有一個(gè)值滿足預(yù)警范圍,就說(shuō)明該地區(qū)需要進(jìn)行預(yù)警。
2004年5月22日發(fā)生在天山北麓的滑坡災(zāi)害有效降雨量圖層(圖11)中,滑坡災(zāi)害點(diǎn)對(duì)應(yīng)的7天預(yù)警指數(shù)為0459,對(duì)應(yīng)紅色預(yù)警,因此,證明該點(diǎn)的預(yù)警是有效的。2011年6月22日發(fā)生在準(zhǔn)噶爾地區(qū)的滑坡災(zāi)害有效降雨量圖層(圖12)中,滑坡災(zāi)害點(diǎn)對(duì)應(yīng)的7天預(yù)警指數(shù)為0335,對(duì)應(yīng)紅色預(yù)警,因此,證明該點(diǎn)的預(yù)警也是有效的。
5結(jié)語(yǔ)
(1)新疆是中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育嚴(yán)重的地區(qū)之一,地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警是有效減輕該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害造成損失的重要手段,其核心是研究氣象條件與地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的時(shí)空關(guān)系,即地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警模型。新疆在歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特別是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下持續(xù)強(qiáng)烈上升,溝谷深切,降水比較豐沛,特殊的地質(zhì)地貌條件導(dǎo)致內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用強(qiáng)烈,控制著地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育。
(2)基于地質(zhì)災(zāi)害的地球內(nèi)外動(dòng)力耦合作用成因理論,建立了新疆地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警區(qū)劃,并優(yōu)選內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用指標(biāo),再依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),確定各類要素權(quán)重及其地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)。
(3)利用地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺(tái),構(gòu)建了基于內(nèi)外動(dòng)力耦合成因理論的新疆地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警乘積范式的顯式統(tǒng)計(jì)模型,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行歷史地質(zhì)災(zāi)害校驗(yàn),獲得了較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果。
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