吴 倩 ，乔海涛 ，邓刚杨 ，吉 磊 ，王晓玮 ，刘敦龙

（1.四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都 610072；2.成都信息工程大学，四川 成都 610225）

泥石流是山区常见的一种地质灾害，运动过程中夹杂着大量泥沙石块和巨砾等固体物质的固液两相流体，呈粘性层流或稀性紊流等运动状态[1]。泥石流因其暴发突然、来势凶猛和强大的侵蚀、搬运、堆积和冲击能力而具有极大的破坏性，严重威胁着山区水利水电、交通等工程设施和人民群众的生命财产安全[2-3]。

我国西南地区几乎全部为山区，受地质构造影响，山体陡峭且由储量丰富的松散固体物质组成。此外，森林覆盖率较低，又多处于季风气候区，经常发生严重的泥石流灾害[4]。近些年来，随着人类社会经济活动的不断增强，人们对环境的持续破坏和自然资源的过度索取，使泥石流灾害愈加严重。暴发了如1953年9月西藏古乡沟泥石流、2005年8月四川省泸定县海螺沟特大泥石流、2010年7月26日云南省贡山县特大泥石流灾害，2010年8月13日四川省绵竹市清平乡文家沟泥石流灾害。

泥石流灾害对西南山区居民的生命财产安全已构成严重威胁，长期制约着当地的经济发展，泥石流防灾减灾工作已迫在眉睫。然而，泥石流成因特别复杂，而且泥石流沟的数量多，危害面广，治理成本很高，目前还无法进行大规模的全面治理[5]。为了有效预防和减轻泥石流灾害造成的损失，泥石流预警报方面的研究受到了国内外学者的广泛关注。

目前，泥石流预警报多采用降水统计预报方法。然而由于下垫面环境条件的复杂性，难以建立统一的有效阈值，容易造成漏报和误报，且较难建立实用的预报模型。本文基于水土耦合机制的思想，突破了传统统计预报的模式，以泥石流启动机理为主线，以水土混合物的容重作为纽带，以潜势泥石流流域作为预报单元，开发构建了西南地区泥石流灾害预警报系统，并先后在四川省气象台和国家气象局气象中心进行了业务运行，为西南地区的泥石流灾害预警报工作提供辅助决策，取得了很好的效果。

表1 泥石流预警等级与其对应的混合物密度

1 预警报原理与方法

1.1 预警报原理简介

泥石流一般发生在较小的流域内，小流域泥石流的形成过程通常包括两个水土耦合过程：一是降水与坡面土体耦合以致部分坡面土体失稳；二是流域径流与失稳土体耦合形成泥石流[6]。泥石流是具有一定容重的水土混合物，容重代表着泥石流含有固体物质的多少，是泥石流的重要特征值之一。水土混合物的容重越高，表明降雨造成的松散固体物质总量越丰富，泥石流发生概率越高，因此可以通过水土混合物的容重值对泥石流发生的概率进行预警报。系统基于这一理论，利用流域内失稳土体和径流耦合后的混合物容重值进行泥石流预报。自然界中的泥石流容重一般在1.1g/cm3-2.3g/cm3，将其划分成泥石流容重参照区间（如表1）。根据水土混合物密度ρ 所落的参照区间，判断泥石流发生的概率和预警等级，ρ 的最终表达式如下：

其中，ρ，ρw和 ρs分别是水土混合物、水体（ρw=1.0g/cm3）和土体颗粒密度（现场测试确定，经验取值ρs=2.6g/cm3），vs和vw分别是降雨作用下的失稳土体总量和径流总量。根据西南地区的下垫面数据（土壤类型、土地利用、植被指数等），结合非饱和土极限平衡方程、曼宁公式以及分布式水文模型GBHM，实时评估降雨作用下流域内失稳土体总量和径流总量[6]。然后，利用该公式计算出流域在某一时刻的水土混合物容重值ρ，将该值与表1 进行对照，从而发布相应的泥石流预警等级信息。

1.2 预警报方法实现

本文所采用的泥石流预警报方法是以泥石流流域为基本预报单元，实现了流域尺度上的泥石流预警报。该预警报方法已在四川汶川地震灾区进行了数值计算验证，该方法预报精度较高[7]，具有良好的推广应用前景。为了进一步推进该预警报方法在区域范围上的应用，更好的为西南地区的泥石流防灾减灾进行服务，本文采用前期研制出的潜势泥石流流域的判识方法[7-8]，利用GIS 技术提取西南地区具备发生泥石流可能性的小流域，作为潜势泥石流流域。以提取出来的潜势泥石流流域为预报单元，结合该泥石流预警报方法，实现了西南地区区域尺度上的泥石流预警报。潜势泥石流流域的判识方法的公式如下：

式中，H 为流域相对高度，A 为流域面积。符合该公式条件的小流域均可以判定为潜势泥石流流域。

本文利用ArcGIS 空间分析中的水文分析工具对西南地区的潜势泥石流流域进行提取，其基本流程如下：

（1）河网数据的提取：基于西南地区的DEM 数据（数字高程模型），依次利用洼地填充、水流方向、汇流累积、河网计算和河网连接等工具，生成河网连接数据，并利用河网矢量化工具，将河网连接数据转成矢量数据，作为河网数据（字段GRID_CODE 表示不同的河段）。其中，河网计算中的上游汇水面积阈值取0.3Km2，即汇水面积超过0.3km2，则认为是河流。

（2）流域数据的提取：使用集水区域工具，以河网连接数据作为输入，生成栅格类型的集水区域数据，并转成矢量数据，使用融合工具按GridCode 字段进行融合，即可得到西南地区的流域数据。

（3）潜势泥石流流域的判识：以西南地区未经填洼的DEM 数据以及上述生成的河网数据、流域数据作为输入，利用潜势泥石流流域判识模型，判断出具备发生泥石流可能性的流域，将其作为潜势泥石流流域。

（4）潜势泥石流流域数据的生成：利用ArcGIS 的属性表连接工具，将流域数据中的GridCode 字段与步骤（3）潜势泥石流流域的upriverid 字段进行连接，仅保留匹配项，导出数据并按照riverid 字段进行融合生成最终的潜势泥石流流域数据。

2 预警报系统的构建

2.1 系统总体设计

系统需对西南地区的所有潜势泥石流流域的泥石流发生概率和预警等级进行计算，涉及的下垫面数据处理、力学模型和分布式水文模型运算（Fortran 语言编写）等较为复杂繁琐，必须考虑到系统的运算效率问题。为此，本文采用混合编程、数据库与ArcGIS Engine 等技术手段进行系统开发，充分发挥各自技术的优势，解决预报时效性问题。系统利用C#调用GIS 空间分析功能模块作前、后数据处理，利用C#调用Fortran 可执行文件进行泥石流预警报运算，采用文本文件实现数据共享与参数传递。系统的总体结构包括数据输入、数据预处理、预报运算和结果展示4 大模块，各模块之间通过用户操作界面进行交互。系统的总体结构如图1 所示。

图1 系统体系结构

2.2 系统功能模块

系统主界面如图2 所示，主要包括功能区、图层控制区、地图浏览区、地图打印区、状态栏5 个部分。系统除了泥石流预警报功能之外，还对一些常用的GIS 功能进行了扩展和集成，主要包括泥石流预警报、地图浏览工具、基础管理、图层右键和视图输出等五大模块。系统功能模块组织如图3 所示。

2.3 系统工作流程

该系统的工程流程如下：（1）通过系统界面设置预报方式，包括预报时效（如预报未来24 小时）和起报时间等；（2）根据设定的起报时间，选取相应的实况降水数据（如气象局提供的QPE 产品），利用前期有效降水衰减公式和GIS 空间分析功能计算出西南地区在起报时刻的土体残余含水量；（3）同样根据设定的起报时间，选取相应的逐小时预报降水数据（如气象局提供的QPF 产品），利用GIS 空间分析功能计算出西南地区在预报时效内，每个小时的预报降水量；（4）将处理获得的西南地区的土体残余含水量和预报降水作为输入动态数据，结合下垫面的静态数据（上述预警报方法所需的基础数据），调用分布式水文模型，对每条潜势泥石流流域的水土混合物容重进行计算，并结合表1 实现泥石流发生概率和预警等级的量化；（5）根据每条潜势泥石流流域的泥石流预警等级，利用不同的颜色进行渲染并展示在GIS 地图上，依次用会蓝、黄、橙、红表示预警等级越来越高。

图2 系统的主界面

图3 系统功能模块组织

3 结束语

针对西南地区泥石流灾害量多面广、治理困难且防治工程成本高等一系列现实问题，本文基于水土耦合机制的思想，突破了传统统计预报的模式，以泥石流启动机理为主线，以水土混合物的容重作为纽带，以提取出的潜势泥石流流域作为预报单元，提出了区域尺度上的泥石流预警报方法，并采用混合编程、数据库与GIS 二次开发等多种技术手段，开发构建了西南地区泥石流灾害预警报系统。为了检验该系统的实时性和准确率等各方面的性能，先后在四川省气象台和国家气象局气象中心进行了部署和业务运行，为西南地区的泥石流灾害预警报工作提供辅助决策，取得了很好的效果，得到了国家气象中心的一致认可。后续，我们将继续改进并升级系统的预警报核心算法模块，使系统的准确率和实时性不断优化与完善。