基于組合權重的汛期地質災害預警預報模型

陶占盛，王新民，吳志強，楊 平，秦喜文

1.長春工業大學應用數學研究所，長春 100032

2.山西蘭花煤層氣有限公司，山西 晉城 048000

3.長春工業大學基礎科學學院，長春 100032

0 引言

地質災害屬于一種自然現象，主要包括崩塌、滑坡、泥石流等。中國是世界上發生地質災害最嚴重的國家之一，存在幾乎所有的地質災害類型。地質災害不僅給人類生命安全帶來威脅，而且對財產、環境、資源等具有破壞性［1］。據我國突發性地質災害的分類統計，降雨誘發的滑坡、崩塌、泥石流占總發生量的65%，因此預測預報降雨誘發的突發地質災害是非常必要的。綜合分析國內外研究與應用狀況［2］，基于氣象因素的地質災害區域預警理論原理有兩類：客觀的統計預報和主觀的專家經驗判斷。筆者利用組合權重法，將客觀分析和專家經驗有效結合，把地質災害易發區等級和降雨量等級進行有機地結合，以期對汛期地質災害進行更準確的預報。

1 降雨與地質災害

發生地質災害的因素十分繁雜，就自然因素而言，主要有受特定地形地貌、地質構造和自然生態環境控制的因素。降雨異常的因素引發地質災害的幾率更大。如泥石流、滑坡發生的直接激發因素就是降雨（雨型、降雨總量和強度）。

地質災害的發生頻率與降雨量有著明顯的同步關系，對吉林省近6年降雨量與地質災害發生的時間和頻次分析［3］結果顯示，汛期是地質災害多發時段，說明降雨與發生地質災害的時間具有一致性。降雨及人類工程經濟活動動力破壞因素產生的崩塌和滑坡有短時間的滯后性。

地質災害的發生頻率與降雨量在空間上也有較好的一致性，即雨量越大的區域地質災害越容易發生。強降雨、持續降雨相對比較集中的地區，往往是發生地質災害最嚴重的地區。

通過降雨量與地質災害發生的時間和空間的一致性分析，可以對地質災害的發生進行預報以及預警。

2 汛期地質災害預警預報模型

通過對汛期地質災害數據的收集、分析，筆者建立了對汛期地質災害的預報流程（圖1）。

2.1 易發區等級的劃分

根據分析研究區發生地質災害點的地質條件、人類工程等影響因素，確定了地質災害危險性分區的評價指標：災害點密度、森林覆蓋率、降雨量、地形地貌、地質構造、巖土體和人類活動等［4］。筆者將研究區域剖分成若于個單元格，提取每個單元格各評價指標相關數據，并將數據進行歸一化處理。利用歸一化后的數據，建立地質災害易發區劃分評價模型，用3種模型分別計算，得到研究區域的地質災害易發區等級劃分圖，通過對模型計算結果的分析對比，剔除一些奇異單元格，再經過專家鑒定得到最終的地質災害易發區等級劃分圖。

2.2 前期有效降雨量的確定以及地質災害降雨量等級劃分

所謂前期有效降雨量，是指前期降雨進入巖土體并一直滯留至研究當天的雨量。國外學者對此已做過相應的研究［5］，并提出了計算進入巖土體雨量的經驗公式：

圖1 汛期地質災害預報基本流程圖Fig.1 Basic flow chart of geological disasters forecasting in flood season

式中：ra0為當天前期有效降雨量，mm；k為有效雨量系數，一般取0.84；rn為前第n天的降雨量，mm。盡管這一方法及k值是根據北美某地區的數據計算得到的，但在世界許多地方都有比較理想的檢驗效果［6］。

參照全國降雨量等級劃分標準（表1），統計研究區域歷年發生災害點的前期降雨量資料，綜合分析前期降雨量和預報降雨量，可得到誘發地質災害發生的降雨量等級表。

2.3 基于組合權重的汛期地質災害等級預報的確定

設降雨為地質災害的主要誘發因素，基于組合權重綜合考慮易發區等級和降雨的等級，建立地質災害等級預警預報模型，確定了地質災害等級預報的模型公式：

式中：Bi取整數，為研究區該單元格地質災害預報等級；ωi為權重，ωi∈［0，1］；Ri為第i單元格降雨地質災害等級；Di為第i單元格地質災害易發區等級；Ri，Di均為歸一化數據。

權重的確定是地質災害等級預報是否準確的關鍵因素，所以基于組合權重的汛期地質災害預警預報模型中權重的確定是至關重要的。首先，利用專家的經驗結合實際分析情況，設定一個模糊的ωi取值范圍；其次，根據歷史發生地質災害等級的數據，綜合考慮每個單元格的易發區等級Di和地質災害降雨等級Ri來驗證、調整、再驗證、再調整，直到和歷史地質災害等級擬合的效果達到95%吻合；最后確定出權重ωi與Di、Ri的對應關系。

2.4 汛期地質災害的預報

基于組合權重的汛期地質災害預警預報模型的地質災害等級預報流程見圖2。

1）根據氣象臺對前期（一周）降雨量的實測值以及未來24h降雨量的預報值來確定每個單元格的地質災害降雨量的等級Ri。

圖2 地質災害等級預報流程圖Fig.2 Class prediction flow chart of geological hazard

2）在易發區的數值等級劃分結果圖的基礎上，得到對應單元格的易發區等級Di。

3）利用地質災害組合權重預警預報模型（公式（2））計算出該單元格的地質災害等級Bi。

4）預報，經過專家分析會商發布地質災害的預報等級結果，包括地質災害可能發生的等級、時間、地區，以及給予公眾的預防措施。

預警產品等級劃分為5級（表2），對應不同的色調，一般暖色調表示比較危險，冷色調表示比較安全。

3 實例研究

以吉林省為例檢驗汛期地質災害預警預報模型的有效性。吉林省氣候多變，地形地貌和地質條件復雜，地質災害類型較多，分布廣泛。近年來，吉林省地質災害易發區災害發生頻繁，尤其是每年的汛期（5 -9月）。受強降雨等氣象因素的影響，泥石流、滑坡等地質災害不斷發生，給人民群眾的生命財和生活帶來嚴重的損失，隨著社會的快速發展和基礎建設的加快，地質災害已經制約著部分地區經濟的快速發展。

表1 全國降雨量等級劃分標準Table 1 Classification standards of national rainfall

表2 預警產品等級及色標Table 2 Level and color of warning products

結合吉林省地質災害的實際情況，經過篩選確定7種評價指標：森林覆蓋率、年平均降雨量、地形地貌、地質構造、巖土體、災害點密度、人類工程活動。因為參評各指標值的量綱不同，量值相差懸殊，必須把影響地質災害各種危險性指標量值進行歸一化處理［7］。

本課題組建立了基于熵值法的地質災害可拓學評價模型、智能遺傳算法及其在地質災害危險性評價、地質災害風險評價閾回歸聯合聚類分析3種數學模型［8－9］，對吉林省地質災害易發區等級進行了劃分，并進行3種數學模型計算結果對比分析，剔除和合并一些奇異單元格，經過專家鑒定得到了吉林省地質災害易發區劃分圖（圖3）。

圖3 吉林省地質災害易發區劃分圖Fig.3 Result of classifying disaster areas in Jilin Province

統計吉林省2004年到2009年歷年發生災害點的前期降雨量資料，綜合分析前期降雨量和預報降雨量，得到誘發地質災害發生的降雨量等級（表3）。

圖4 吉林省地質災害預警預報系統平臺界面Fig.4 Platform interface of geological hazard warning system in Jilin Province

表3 吉林省降雨地質災害等級分類表Table 3 Classification of geological hazard and rainfall level in Jilin Province

基于組合權重綜合考慮易發區等級和降雨的等級因素，對吉林省地質災害等級進行預報，利用地質災害等級預報模型公式（2）可以計算出吉林省5 702（5km×5km）個單元格的地質災害等級Bi。其中：災害易發區等級Di為1 -4級，分別對應非、低、中、高易發區；降雨地質災害等級Ri為1 -6級；災害預報等級Bi為1 -5級；并開發了吉林省地質災害預警預報系統平臺［10－11］（圖4）。

筆者通過吉林省2008年7月18日的前3天降雨量的實測值計算出有效累計降雨量以及未來24 h降雨量的預報值，進行了每個單元格的地質災害發生等級預報，其結果與當時吉林省發布的地質災害預報結果區域重合率為93.25%。通過大量數據進行驗證，得到了基于組合權重的汛期地質災害預警預報的可行性模型。

4 結語

通過選定地質災害易發區的評價指標，劃分了研究區域的地質災害易發區等級，將研究區域剖分為5 702個單元格，使劃分結果更加準確精細。利用累計降雨量和預報降雨量確定出地質災害降雨量等級，確認了降雨是汛期地質災害誘發的主要因素。建立基于組合權重的汛期地質災害預警預報模型，并結合吉林省以前的地質災害有關資料，對吉林省地質災害等級進行了預報，預報結果的精準率達到了93.25%，其預報結果是合理可行的，基于組合權重的汛期地質災害預警預報模型為地質災害預警預報提供了一種有效的方法，該預警預報模型具有一定的應用價值和可推廣性。

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