湖北省地質災害氣象預警平臺研究

湯立煌, 王　浩

(1.湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州　434020; 2.湖北省地質環境總站,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據,開展了地質災害氣象預警預報工作[1]。截止2012年,省級地質災害氣象預報預警共制作預報產品190份,發出預報產品162份,成功準確預報35次,累計發送預警短信5 000余條,通知省、市、縣國土部門相關單位900余家,預警區域覆蓋了全省地質災害高發和易發地區。

隨著湖北省現代化氣象裝備的快速發展,省內2 419個鄉鎮自動氣象站和8部新一代多普勒天氣雷達探測數據已經投入日常氣象服務,短期精細化和短時突發性降水的預報服務能力得到明顯提升,為進一步提高地質災害氣象預警預報的精度打下了良好的基礎,基于GIS的地質災害氣象預報預警方法和自動化預警平臺的建設成為可能。

1　地質災害氣象預警預報模型研究

要對某一區域,在未來一段時間內的地質災害進行預報預警,就需要考慮與災害密切相關的地質和降水條件,通過歷史災害資料統計分析后建立預報預警模型,并對模型涉及的降水與地質影響參數分地區進行精確估計。因此,本文在地質災害氣象預警預報模型研究上,著重從降雨量與地質災害發生之間的關系及基于GIS的地質災害氣象預警模型兩個方面開展研究工作。

1.1　降水與地質災害的統計關系

地質災害與地質環境的關系主要體現在地質災害與坡度、坡向、巖性、構造等因子之間的緊密關系,分析同一因子不同區段(類型)對地質災害發生的敏感性,從而確定出影響地質災害發生的地質環境條件組合。

降水與地質災害發生有著極其密切的關系,多年來很多專家學者都在研究降水引發地質災害的成因機制,通過多種方法評價和預測降水成災的問題。

筆者利用全省8 495處地質災害調查記錄,結合武漢市中心氣象臺提供的歷史降雨資料,對全省各類地質災害與降水之間的關系進行了統計分析,如表1所示[2]:

表1　各類地質災害與降水致災因素情況一覽表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、不穩定斜坡地質災害與降水有著較密切的關系:滑坡、泥石流災害其成災的外部主導因素是降水,約89.26%的滑坡、89.34%的泥石流調查點其成災的主導因素是降水;約92.82%的不穩定斜坡可能失穩的因素與降水密切相關;約93.65%的崩塌調查點可能失穩的因素與降水有關;地面塌陷、地裂縫、地面沉降地質災害的發生受降水因素影響較小。

1.2　基于GIS的地質災害氣象預警預報模型

地質災害的形成往往是多種因素互相作用造成的,不同類型的地質災害其形成條件也不盡相同,但大體上均與地質、地貌、水文、生態環境以及人類工程活動密切相關。因此,在建立地質災害氣象預警預報模型時,應從地形地貌、地層巖性、地質構造、植被條件、人類工程活動等影響因素出發,綜合分析地質災害與降水之間的關系,確定臨界降雨量,建立適合本地區的地質災害氣象預警預報模型。

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、地質構造及人類活動作為地質災害氣象預警預報的主要影響因子,利用GIS分別對地形地貌、地層巖性、地質構造、降雨型地質災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

地質災害的發生具有不確定性和隨機性。某一區域地質災害發生的可能性,事實上是對地質災害發生概率作出判斷,概率值越大,發生地質災害可能性就越大。把地形地貌、地層巖性、地質構造每一致災單因素進行概率量化,每一單因素致災的概率與該種因素致災的頻度有關。據此建立致災因素概率模型為:

Y=a(g,r,s)×P(g,r,s)

式中:Y為發生概率；P為地質災害發育頻度；P(g,r,s)分別為地形地貌、地層巖性、地質構造因素影響下的地質災害發育頻度；a(g,r,s)分別為各因素概率系數。

降雨信息因素的概率量化,根據降雨量與崩滑流地質災害發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時幾乎不發生地質災害；降水量>50 mm/d以上時,地質災害發生概率急劇上升；降水量>100 mm/d以上時,高陡邊坡、不穩定斜坡發生地質災害概率達到極大值。

以單元危險性概率值(H)為基礎,與降雨誘發地質災害的發生概率進行耦合,得出某一降雨范圍內地質災害發生的概率。其模型為:

T=H+(α+β)·Y

式中:T為預報概率;H為危險性概率;Y為降雨因素的發生概率;α為當日降雨誘發地質災害的權重系數;β為前期降雨誘發地質災害的權重系數。

根據氣象預報確定的降雨范圍、降水強度和該范圍內的地質災害危險性概率,按預警預報模型計算評價,求得該范圍內地質災害風險性分區預報概率,按以下準則預報:①確定由降雨誘發的地質災害臨界易發區T值區間;②確定由降雨誘發的地質災害易發區T值區間;③確定由降雨誘發的地質災害極易發區T值區間;④根據前期和預報降雨情況分為久旱不雨、暴雨、特大暴雨、連續降雨等各種情況,調整相應參數,根據經驗調整T值進行預報。

2　地質災害氣象預警系統設計

2.1　系統結構

湖北省地質災害氣象預警預報系統建設主要包括信息管理模塊和氣象預警模塊[3-7]。信息管理模塊是實現對信息數據的有效管理,主要包括地質災害數據庫、降雨量數據庫、預警預報成果數據庫等;氣象預警模塊實現預警預報模型的構建、預警預報的分析。預警預報系統結構圖(圖1)如下:

圖1　湖北省地質災害氣象預警預報系統結構圖Fig.1　Structure diagram of alarm prediction system of geological disaster in Hubei

信息管理模塊實現對地質災害基本情況信息、雨量監測數據、雨量預報數據、預警預報成果數據的存儲、查詢、統計等功能。氣象預警模塊實現地質災害氣象預警預報自動分析并生成當日預警預報成果。

2.2　模型構建方法

預警預報模型采用的是“地質災害致災因素的概率量化模型”,根據地質環境基礎條件建立地形地貌、地層巖性、地質構造信息概率模型;進一步建立地質災害風險性分區;再根據一定的預報預警判據,對預報降雨數據以及前期降雨數據進行分析處理,計算出將要預報的降雨誘發地質災害的空間范圍,并判定危險性程度;最后形成以地質災害預報預警圖及文字說明的方式進行表達的預警預報成果:

(1) 在湖北省8 495處地質災害點中,提取與大氣降雨密切相關的滑坡、崩塌、泥石流等地質災害,統計分析災害發生當日及前期降雨之間的關系。

(2) 利用GIS按照1∶100 000高斯投影平面直角坐標系,將湖北省按照行政區進行剖分,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、地質構造三因素進行單元剖分,與地質災害剖分單元分別進行疊加計算分析構建三者的信息量概率模型。

(4) 將地形地貌、地層巖性、地質構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。

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

(6) 預警預報等級劃分,對預警預報模型計算結果進行評價,按劃分準則劃分預警預報等級。

湖北省地質災害氣象預警預報模型圖(圖2)如下:

圖2　湖北省地質災害預警預報模型圖Fig.2　Model diagram of alarm prediction system of geological disaster in Hubei

3　系統應用

本次地質災害氣象預警平臺建設,以武漢市為研究對象開展相關工作。系統采用1∶50 000基礎地理底圖、地質圖和構造圖,降雨量數據來源于武漢市98個自動觀測站和5個人工觀測站的歷史數據。

3.1　預警預報分析

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時幾乎不發生地質災害；降水量>50 mm/d以上時,地質災害發生概率急劇上升；降水量>100 mm/d以上時,高陡邊坡、不穩定斜坡發生地質災害概率達到極大值。

通過收集武漢市近年氣象資料與降雨型地質災害發生情況,統計分析后得到武漢市不同降雨等級地質災害發生概率,見表2。

表2　不同降雨等級地質災害發生概率取值表Table 2　Value table of occurrence probability of geological disaster in rainfall grade

3.1.2預警預報分析

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

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

α權重取值(預報雨量):0.7。

表4　前期降雨誘發地質災害的權重系數取值表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,系統共計完成武漢市地質災害氣象風險預警157期產品制作,其中達到預警發布級別6期,均為三級預警(黃色預警);未達到預警發布級別151期,其中四級預警80期,小于四級預警70期。

根據湖北省國土資源廳提供的地質災害應急調查數據顯示(表5),2013年汛期(5—9月)武漢市因降雨誘發崩滑流地質災害4起,成功預報2起。

表5　2013年度武漢市汛期地質災害反饋信息表Table 5　Feedback information of geological disaster in flood season of 2013

4　結論

(1) 從影響地質災害發生的背景條件出發,利用全省8 495個地質災害數據以及1950—2012年全省實測降雨量為研究對象,完成了降水與地質災害之間的耦合關系研究,保證了統計結果的可靠性和實用性。

(2) 在分析研究湖北省地質環境背景的基礎上,從影響地質災害發生的主要地質因素出發,建立了地質災害氣象預警預報模型,模型設計較為合理。

(3) 利用GIS技術和數據庫技術,完成了湖北省地質災害氣象預警系統的分析、設計、軟件編碼及軟件測試,并結合新一代多普勒天氣雷達和自動氣象站數據,在武漢市地質災害氣象預警實踐應用中得到較好的驗證,提高了全省地質災害氣象預警預報的精度。

(4) 降雨數據的預測精度是地質災害氣象預警預報的首要條件,建議進一步加密預警預報時段,從當前的24 h地質災害氣象預警預報,逐步向12 h、6 h甚至2 h預報發展。

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