湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警平臺(tái)研究

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(duì),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(tái)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(bào)工作[1]。截止2012年,省級(jí)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)預(yù)警共制作預(yù)報(bào)產(chǎn)品190份,發(fā)出預(yù)報(bào)產(chǎn)品162份,成功準(zhǔn)確預(yù)報(bào)35次,累計(jì)發(fā)送預(yù)警短信5 000余條,通知省、市、縣國(guó)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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動(dòng)氣象站和8部新一代多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)投入日常氣象服務(wù),短期精細(xì)化和短時(shí)突發(fā)性降水的預(yù)報(bào)服務(wù)能力得到明顯提升,為進(jìn)一步提高地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)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(bào)預(yù)警方法和自動(dòng)化預(yù)警平臺(tái)的建設(shè)成為可能。

1　地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)模型研究

要對(duì)某一區(qū)域,在未來一段時(shí)間內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)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(jì)分析后建立預(yù)報(bào)預(yù)警模型,并對(duì)模型涉及的降水與地質(zhì)影響參數(shù)分地區(qū)進(jìn)行精確估計(jì)。因此,本文在地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)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(gè)方面開展研究工作。

1.1　降水與地質(zhì)災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)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(duì)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(jī)制,通過多種方法評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)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(tái)提供的歷史降雨資料,對(duì)全省各類地質(zhì)災(zāi)害與降水之間的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(bào)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(dòng)密切相關(guān)。因此,在建立地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)模型時(shí),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(dòng)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(bào)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(dòng)作為地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)的主要影響因子,利用GIS分別對(duì)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(jìn)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(jī)性。某一區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性,事實(shí)上是對(duì)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(jìn)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(jìn)行對(duì)比分析,將降雨強(qiáng)度劃分為5個(gè)等級(jí)。降水量<10 mm/d、10～25 mm/d時(shí)幾乎不發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害；降水量>50 mm/d以上時(shí),地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率急劇上升；降水量>100 mm/d以上時(shí),高陡邊坡、不穩(wěn)定斜坡發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害概率達(dá)到極大值。

以單元危險(xiǎn)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(jìn)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(bào)概率;H為危險(xiǎn)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(bào)確定的降雨范圍、降水強(qiáng)度和該范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性概率,按預(yù)警預(yù)報(bào)模型計(jì)算評(píng)價(jià),求得該范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性分區(qū)預(yù)報(bào)概率,按以下準(zhǔn)則預(yù)報(bào):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(bào)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(yàn)調(diào)整T值進(jìn)行預(yù)報(bào)。

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

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(bào)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(bào)成果數(shù)據(jù)庫等;氣象預(yù)警模塊實(shí)現(xiàn)預(yù)警預(yù)報(bào)模型的構(gòu)建、預(yù)警預(yù)報(bào)的分析。預(yù)警預(yù)報(bào)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(bào)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(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害基本情況信息、雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、雨量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、預(yù)警預(yù)報(bào)成果數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)等功能。氣象預(yù)警模塊實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)自動(dòng)分析并生成當(dāng)日預(yù)警預(yù)報(bào)成果。

2.2　模型構(gòu)建方法

預(yù)警預(yù)報(bào)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(jìn)一步建立地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性分區(qū);再根據(jù)一定的預(yù)報(bào)預(yù)警判據(jù),對(duì)預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)以及前期降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,計(jì)算出將要預(yù)報(bào)的降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的空間范圍,并判定危險(xiǎn)性程度;最后形成以地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警圖及文字說明的方式進(jìn)行表達(dá)的預(yù)警預(yù)報(bào)成果:

(1) 在湖北省8 495處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)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(jì)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(jìn)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(jìn)行單元剖分,與地質(zhì)災(zāi)害剖分單元分別進(jìn)行疊加計(jì)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(jìn)行疊加計(jì)算生成危險(xiǎn)性分區(qū)。

(5) 建立預(yù)警預(yù)報(bào)模型,將危險(xiǎn)性分區(qū)與降雨(預(yù)報(bào)與前期降雨)信息剖分單元進(jìn)行疊加計(jì)算生成當(dāng)日預(yù)警預(yù)報(bào)分區(qū)。

(6) 預(yù)警預(yù)報(bào)等級(jí)劃分,對(duì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),按劃分準(zhǔn)則劃分預(yù)警預(yù)報(bào)等級(jí)。

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

圖2　湖北省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)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(tái)建設(shè),以武漢市為研究對(duì)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(gè)自動(dòng)觀測(cè)站和5個(gè)人工觀測(cè)站的歷史數(shù)據(jù)。

3.1　預(yù)警預(yù)報(bào)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(gè)等級(jí)。降水量<10 mm/d、10～25 mm/d時(shí)幾乎不發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害；降水量>50 mm/d以上時(shí),地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率急劇上升；降水量>100 mm/d以上時(shí),高陡邊坡、不穩(wěn)定斜坡發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害概率達(dá)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(jì)分析后得到武漢市不同降雨等級(jí)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率,見表2。

表2　不同降雨等級(jí)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(bào)分析

Y的取值根據(jù)表3計(jì)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(duì)這些樣本進(jìn)行分析計(jì)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(cè)算,并參考湖北省省級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)模型(武漢市及其周邊鄂東南、鄂東北地區(qū)判據(jù)模型)進(jìn)行多次調(diào)查并與實(shí)際結(jié)果對(duì)比推測(cè)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(bào)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(jì)完成武漢市地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警157期產(chǎn)品制作,其中達(dá)到預(yù)警發(fā)布級(jí)別6期,均為三級(jí)預(yù)警(黃色預(yù)警);未達(dá)到預(yù)警發(fā)布級(jí)別151期,其中四級(jí)預(yù)警80期,小于四級(jí)預(yù)警70期。

根據(jù)湖北省國(guó)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(bào)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(gè)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)以及1950—2012年全省實(shí)測(cè)降雨量為研究對(duì)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(jì)結(jié)果的可靠性和實(shí)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(bào)模型,模型設(shè)計(jì)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(jì)、軟件編碼及軟件測(cè)試,并結(jié)合新一代多普勒天氣雷達(dá)和自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù),在武漢市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警實(shí)踐應(yīng)用中得到較好的驗(yàn)證,提高了全省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)的精度。

(4) 降雨數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)精度是地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)的首要條件,建議進(jìn)一步加密預(yù)警預(yù)報(bào)時(shí)段,從當(dāng)前的24 h地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào),逐步向12 h、6 h甚至2 h預(yù)報(bào)發(fā)展。

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