汤立煌, 王　浩

(1.湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州　434020; 2.湖北省地质环境总站,湖北 武汉　430034)

0　引言

湖北省自2003年以来,利用武汉中心气象台提供的降雨数据,开展了地质灾害气象预警预报工作[1]。截止2012年,省级地质灾害气象预报预警共制作预报产品190份,发出预报产品162份,成功准确预报35次,累计发送预警短信5 000余条,通知省、市、县国土部门相关单位900余家,预警区域覆盖了全省地质灾害高发和易发地区。

随着湖北省现代化气象装备的快速发展,省内2 419个乡镇自动气象站和8部新一代多普勒天气雷达探测数据已经投入日常气象服务,短期精细化和短时突发性降水的预报服务能力得到明显提升,为进一步提高地质灾害气象预警预报的精度打下了良好的基础,基于GIS的地质灾害气象预报预警方法和自动化预警平台的建设成为可能。

1　地质灾害气象预警预报模型研究

要对某一区域,在未来一段时间内的地质灾害进行预报预警,就需要考虑与灾害密切相关的地质和降水条件,通过历史灾害资料统计分析后建立预报预警模型,并对模型涉及的降水与地质影响参数分地区进行精确估计。因此,本文在地质灾害气象预警预报模型研究上,着重从降雨量与地质灾害发生之间的关系及基于GIS的地质灾害气象预警模型两个方面开展研究工作。

1.1　降水与地质灾害的统计关系

地质灾害与地质环境的关系主要体现在地质灾害与坡度、坡向、岩性、构造等因子之间的紧密关系,分析同一因子不同区段(类型)对地质灾害发生的敏感性,从而确定出影响地质灾害发生的地质环境条件组合。

降水与地质灾害发生有着极其密切的关系,多年来很多专家学者都在研究降水引发地质灾害的成因机制,通过多种方法评价和预测降水成灾的问题。

笔者利用全省8 495处地质灾害调查记录,结合武汉市中心气象台提供的历史降雨资料,对全省各类地质灾害与降水之间的关系进行了统计分析,如表1所示[2]:

表1　各类地质灾害与降水致灾因素情况一览表Table 1　Schedule of kinds of geological hazards and factors of assessment of hazards

从表1可以看出,滑坡、崩塌、泥石流、不稳定斜坡地质灾害与降水有着较密切的关系:滑坡、泥石流灾害其成灾的外部主导因素是降水,约89.26%的滑坡、89.34%的泥石流调查点其成灾的主导因素是降水;约92.82%的不稳定斜坡可能失稳的因素与降水密切相关;约93.65%的崩塌调查点可能失稳的因素与降水有关;地面塌陷、地裂缝、地面沉降地质灾害的发生受降水因素影响较小。

1.2　基于GIS的地质灾害气象预警预报模型

地质灾害的形成往往是多种因素互相作用造成的,不同类型的地质灾害其形成条件也不尽相同,但大体上均与地质、地貌、水文、生态环境以及人类工程活动密切相关。因此,在建立地质灾害气象预警预报模型时,应从地形地貌、地层岩性、地质构造、植被条件、人类工程活动等影响因素出发,综合分析地质灾害与降水之间的关系,确定临界降雨量,建立适合本地区的地质灾害气象预警预报模型。

1.2.1模型因子的选择

本次研究主要选取地形地貌、地层岩性、地质构造及人类活动作为地质灾害气象预警预报的主要影响因子,利用GIS分别对地形地貌、地层岩性、地质构造、降雨型地质灾害图层进行单元剖分,并建立各自概率模型。

1.2.2信息量概率模型

地质灾害的发生具有不确定性和随机性。某一区域地质灾害发生的可能性,事实上是对地质灾害发生概率作出判断,概率值越大,发生地质灾害可能性就越大。把地形地貌、地层岩性、地质构造每一致灾单因素进行概率量化,每一单因素致灾的概率与该种因素致灾的频度有关。据此建立致灾因素概率模型为:

Y=a(g,r,s)×P(g,r,s)

式中:Y为发生概率；P为地质灾害发育频度；P(g,r,s)分别为地形地貌、地层岩性、地质构造因素影响下的地质灾害发育频度；a(g,r,s)分别为各因素概率系数。

降雨信息因素的概率量化,根据降雨量与崩滑流地质灾害发生情况进行对比分析,将降雨强度划分为5个等级。降水量<10 mm/d、10～25 mm/d时几乎不发生地质灾害；降水量>50 mm/d以上时,地质灾害发生概率急剧上升；降水量>100 mm/d以上时,高陡边坡、不稳定斜坡发生地质灾害概率达到极大值。

以单元危险性概率值(H)为基础,与降雨诱发地质灾害的发生概率进行耦合,得出某一降雨范围内地质灾害发生的概率。其模型为:

T=H+(α+β)·Y

式中:T为预报概率;H为危险性概率;Y为降雨因素的发生概率;α为当日降雨诱发地质灾害的权重系数;β为前期降雨诱发地质灾害的权重系数。

根据气象预报确定的降雨范围、降水强度和该范围内的地质灾害危险性概率,按预警预报模型计算评价,求得该范围内地质灾害风险性分区预报概率,按以下准则预报:①确定由降雨诱发的地质灾害临界易发区T值区间;②确定由降雨诱发的地质灾害易发区T值区间;③确定由降雨诱发的地质灾害极易发区T值区间;④根据前期和预报降雨情况分为久旱不雨、暴雨、特大暴雨、连续降雨等各种情况,调整相应参数,根据经验调整T值进行预报。

2　地质灾害气象预警系统设计

2.1　系统结构

湖北省地质灾害气象预警预报系统建设主要包括信息管理模块和气象预警模块[3-7]。信息管理模块是实现对信息数据的有效管理,主要包括地质灾害数据库、降雨量数据库、预警预报成果数据库等;气象预警模块实现预警预报模型的构建、预警预报的分析。预警预报系统结构图(图1)如下:

图1　湖北省地质灾害气象预警预报系统结构图Fig.1　Structure diagram of alarm prediction system of geological disaster in Hubei

信息管理模块实现对地质灾害基本情况信息、雨量监测数据、雨量预报数据、预警预报成果数据的存储、查询、统计等功能。气象预警模块实现地质灾害气象预警预报自动分析并生成当日预警预报成果。

2.2　模型构建方法

预警预报模型采用的是“地质灾害致灾因素的概率量化模型”,根据地质环境基础条件建立地形地貌、地层岩性、地质构造信息概率模型;进一步建立地质灾害风险性分区;再根据一定的预报预警判据,对预报降雨数据以及前期降雨数据进行分析处理,计算出将要预报的降雨诱发地质灾害的空间范围,并判定危险性程度;最后形成以地质灾害预报预警图及文字说明的方式进行表达的预警预报成果:

(1) 在湖北省8 495处地质灾害点中,提取与大气降雨密切相关的滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害,统计分析灾害发生当日及前期降雨之间的关系。

(2) 利用GIS按照1∶100 000高斯投影平面直角坐标系,将湖北省按照行政区进行剖分,形成2 km×2 km的剖分单元。

(3) 建立单因子信息量概率模型,将地形地貌、地层岩性、地质构造三因素进行单元剖分,与地质灾害剖分单元分别进行叠加计算分析构建三者的信息量概率模型。

(4) 将地形地貌、地层岩性、地质构造三者的信息量概率剖分单元进行叠加计算生成危险性分区。

(5) 建立预警预报模型,将危险性分区与降雨(预报与前期降雨)信息剖分单元进行叠加计算生成当日预警预报分区。

(6) 预警预报等级划分,对预警预报模型计算结果进行评价,按划分准则划分预警预报等级。

湖北省地质灾害气象预警预报模型图(图2)如下:

图2　湖北省地质灾害预警预报模型图Fig.2　Model diagram of alarm prediction system of geological disaster in Hubei

3　系统应用

本次地质灾害气象预警平台建设,以武汉市为研究对象开展相关工作。系统采用1∶50 000基础地理底图、地质图和构造图,降雨量数据来源于武汉市98个自动观测站和5个人工观测站的历史数据。

3.1　预警预报分析

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,将降雨量划分为5个等级。降水量<10 mm/d、10～25 mm/d时几乎不发生地质灾害；降水量>50 mm/d以上时,地质灾害发生概率急剧上升；降水量>100 mm/d以上时,高陡边坡、不稳定斜坡发生地质灾害概率达到极大值。

通过收集武汉市近年气象资料与降雨型地质灾害发生情况,统计分析后得到武汉市不同降雨等级地质灾害发生概率,见表2。

表2　不同降雨等级地质灾害发生概率取值表Table 2　Value table of occurrence probability of geological disaster in rainfall grade

3.1.2预警预报分析

Y的取值根据表3计算结果获得;因武汉市降雨型地质灾害样本量较少,除对这些样本进行分析计算外,α和β值的确定还经过大量模拟数据的分析测算,并参考湖北省省级预警预报模型(武汉市及其周边鄂东南、鄂东北地区判据模型)进行多次调查并与实际结果对比推测确定(表4)。

表3　降雨因素的发生概率Y取值表Table 3　Y value table of occurrence probability of rainfall factors

α权重取值(预报雨量):0.7。

表4　前期降雨诱发地质灾害的权重系数取值表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,系统共计完成武汉市地质灾害气象风险预警157期产品制作,其中达到预警发布级别6期,均为三级预警(黄色预警);未达到预警发布级别151期,其中四级预警80期,小于四级预警70期。

根据湖北省国土资源厅提供的地质灾害应急调查数据显示(表5),2013年汛期(5—9月)武汉市因降雨诱发崩滑流地质灾害4起,成功预报2起。

表5　2013年度武汉市汛期地质灾害反馈信息表Table 5　Feedback information of geological disaster in flood season of 2013

4　结论

(1) 从影响地质灾害发生的背景条件出发,利用全省8 495个地质灾害数据以及1950—2012年全省实测降雨量为研究对象,完成了降水与地质灾害之间的耦合关系研究,保证了统计结果的可靠性和实用性。

(2) 在分析研究湖北省地质环境背景的基础上,从影响地质灾害发生的主要地质因素出发,建立了地质灾害气象预警预报模型,模型设计较为合理。

(3) 利用GIS技术和数据库技术,完成了湖北省地质灾害气象预警系统的分析、设计、软件编码及软件测试,并结合新一代多普勒天气雷达和自动气象站数据,在武汉市地质灾害气象预警实践应用中得到较好的验证,提高了全省地质灾害气象预警预报的精度。

(4) 降雨数据的预测精度是地质灾害气象预警预报的首要条件,建议进一步加密预警预报时段,从当前的24 h地质灾害气象预警预报,逐步向12 h、6 h甚至2 h预报发展。

参考文献：

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