衡陽山洪地質災害氣象預警系統的研發與應用

韓 波，成少麗，丁知明，丁國俊，洪自強5

(1.湖南省衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421000；2.湖南省衡南縣氣象局，湖南 衡南 421100；3.湖南省南岳區氣象局，湖南 南岳 421900；4.湖南省衡陽市防汛指揮部，湖南 衡陽 421000；5.湖南省衡陽市水文局，湖南 衡陽 421001)

?

衡陽山洪地質災害氣象預警系統的研發與應用

韓 波1，成少麗2，丁知明3，丁國俊4，洪自強5

(1.湖南省衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421000；2.湖南省衡南縣氣象局，湖南 衡南 421100；3.湖南省南岳區氣象局，湖南 南岳 421900；4.湖南省衡陽市防汛指揮部，湖南 衡陽 421000；5.湖南省衡陽市水文局，湖南 衡陽 421001)

衡陽受氣候和地理條件的影響，是湖南省內發生山洪、地質災害較多的地區之一，嚴重威脅人民群眾生命財產安全，制約全市社會經濟發展。該文介紹了衡陽山洪地質災害氣象預警系統(以下簡稱MGHWS)的研發與應用情況，并對其中的關鍵技術及其實現方法進行了分析與論述。系統的建成并投入應用，使國家“山洪項目建設”的綜合效益得到充分發揮，提高了衡陽應對由強降水所引發的山洪地質災害的監測、預警及服務能力，社會、經濟與生態效益顯著。

MGHWS；衡陽；山洪地質災害；監測預警

1 引言

衡陽位于湖南省中南部，總面積1.53 萬km2，轄4城區、衡陽縣、衡山縣、衡東縣、衡南縣、祁東縣、耒陽市、常寧市、南岳區共12個縣(市、區)，常住人口700多萬，是湖南省第二大城市。衡陽地形地貌復雜多樣，中部為盆地，四周丘崗山地環繞。境內水系發達，河流眾多，河長5 km或流域面積10 km2以上的江河溪流393條[1]。湘江在境內總長度266 km，一級支流有舂陵水、蒸水、耒水、洣水。衡陽屬亞熱帶季風氣候，年平均降雨量為1 339.3 mm，平均降水日數163.2 d。由于自然地理條件復雜，山丘河谷眾多，強降水極易引發小流域突發山洪和滑坡、泥石流等地質災害。據對20世紀洪災統計，衡陽受災面積2.67萬hm2以上的“全市性洪災年”，平均2.3 a一次[1]。根據國土部門數據，2000—2010年衡陽共發生地質災害392起，因災死亡52人。

近年來各級政府投入大量資金，用于衡陽山洪地質災害的防治。為充分發揮國家“山洪項目”的防災減災效益，提升山洪地質災害氣象監測、預警水平，保障全市人民群眾生命、財產安全，有效避免或減輕災害損失。2011年由衡陽市氣象局牽頭，聯合防指、水文、國土等部門，共同開展“衡陽山洪地質災害氣象預警系統”項目的研發。

2 系統設計與架構

2.1 設計目標

MGHWS的設計目標：通過整合衡陽氣象、水文、國土、水利等部門的資源，建設統一、規范的山洪地質災害數據庫，并以此為基礎進行山洪地質災害氣象風險預警指標體系研究。通過數值預報產品釋用，開展精細化(區域站)降水預報、地質災害氣象風險預警以及湘江流域洪澇指數預報研究，研發適合市、縣級使用的山洪地質災害氣象監測預警業務平臺。

2.2 系統架構

MGHWS采用C/S架構，由前臺主界面、后臺數據處理程序和數據庫平臺3部分組成。其中，前臺界面為系統主程序，運行在各使用單位的業務平臺上；3個后臺數據處理程序分別完成實況資料入庫、數據質量控制和山洪地質災害氣象等級預警計算，它們都運行在數據處理服務器中；數據庫平臺使用的是美國微軟公司的MSSQLServer2005數據庫系統，運行在氣象部門的數據庫服務器上，提供數據存儲及查詢服務。

2.3 山洪地質災害風險數據庫

衡陽市(縣)氣象部門通過暴雨洪澇災害風險普查，首次較為全面、系統、完整地收集、整理了衡陽山洪地質災害資料，統一了數據格式，完成了衡陽山洪地質災害風險數據庫建設，基于數據庫開展氣象災害風險預警研究并確定了山洪地質災害臨界指標體系。

該數據庫由5部分組成，分別是基礎信息庫：存儲衡陽地理信息數據、預警指標體系、衡陽監測站網(國家站、區域站、水文站等)分布、山洪地質災害負責人等基礎信息；氣候資料庫：保存衡陽9個國家站、254個區域站的歷史和實時觀測資料；地質災情庫：存儲國土部門提供的衡陽境內地質結構、地質災害隱患點信息、40 a地質災害歷史資料；預警信息庫：水文洪澇預報、精細化降水預報、山洪地質災害預警等信息。另外，根據業務需要，從水利部門獲取了湘江衡陽段及其一級支流流域邊界、水土分布及植被覆蓋信息以及衡陽境內12個水文站2000—2012年的水文監測數據，擴增了水文水情庫。

2.4 開發工具

MGHWS使用的是原Borland公司的Delphi6.0編程開發的，作為一種面向對象的可視化的快速應用開發(RAD)工具，Delphi特別適合數據庫編程開發，縮短系統研發周期。本項目的GIS開發工具則是MapX，MapX是一個基于ActiveX(OCX)技術的可編程控件，可以集成在VB、Delphi、VC等可視化開發環境中，為開發人員提供了一個快速、易用、功能強大的地圖化組件[2]。在項目開發中，使用了MapX的地圖控制、動態圖元加載、空間分析和數據綁定等技術，來完成系統GIS應用需求。

3 研究方法與預警指標

3.1 研究思路

當前國內應用較多的地質災害預警方法，可分為現象監測預報法、數理統計預報法、非線性系統論預報法和地球內外動力耦合法[3]。同時，國內外大量研究都證明，山洪地質災害的發生，與前期累計降雨量、降水強度、降水持續時間及間隔有密切的關系，尤其是與暴雨頻次具有很好的一致性。地質災害氣象預警指標應綜合考慮前期降雨特征和所有過程降雨動態特征量，包括最新日雨量、時段雨量、累積雨量、雨強、降雨持續時間等。本系統使用基于數理統計預報法原理的臨界降雨量預報法。

3.2 災害風險區劃

衡陽山洪地質災害易發風險區劃分主要依據歷史上災害發生的數量、地點、規模、危害程度及隱患點分布等，并結合各縣(市、區)和流域降水區域特征。衡陽山洪災害分布于各縣(市、區)，常寧的塔山、春陵水、耒陽耒水流域，祁東縣的中西部，衡東縣洣水流域，衡陽縣蒸水流域，衡山涓水及南岳山區是山洪災害的多發區域[1]。地質災害具有發生數量多、分布范圍廣的特點。其中，災害發生次數以耒陽市最多(87次)、其次是衡東縣(72次)、常寧市(60次)、衡陽市區最少(5次)；人員傷亡最嚴重的是耒陽市、祁東縣、衡東縣，經濟損失最嚴重的為常寧市和耒陽市；災害隱患點以耒陽、常寧、祁東和衡陽縣分布最多。參考衡陽地質災害防治規劃，我們將地質災害風險程度劃分為3個區域，依次為：高易發區(耒陽、常寧、衡陽縣)；中易發區(祁東、衡東、南岳)；低易發區(衡山、衡南、衡陽市區)。

3.3 預警等級

根據衡陽山洪地質災害的的成因、特點及影響程度，并參照中國局的相關業務規范，將山洪地質災害氣象風險等級劃分為4級，即Ⅳ級(災害發生有一定風險，注意級)、Ⅲ級(災害發生風險較高，注意級)、Ⅱ級(災害發生風險高、預警級)、Ⅰ級(災害發生風險很高、警報級)， 依次用藍色、黃色、橙色、紅色表示。從衡陽實際情況出發，確定Ⅲ級以上為預警信息發布級，地質災害預警由氣象與國土部門聯合會商后共同對外發布，山洪災害預警由氣象、水文部門提出建議，經防指會商后對外發布。

3.4 預警指標

通過統計分析衡陽歷史山洪災害發生時的雨情、水情資料、災害程度和態勢以及損失情況，結合本地區的氣候特性、地形地質條件等因素，參照衡陽市防汛應急預案，確定衡陽地區可能發生山洪災害氣象風險的閾值為：單站或面雨量(分行政、流域)1 h降水≥20 mm(山洪多發區為1 h降水≥15 mm)，其對應的預警指標見(表1)。

表1 衡陽山洪災害氣象風險預警指標

地質災害的發生與降水方式存在著因果關系。間斷性降水，地質災害形成的機率較少；連續性降水，因地表水持續對斜坡的不斷滲透，地質災害形成的機率明顯增大。根據對衡陽地質災害資料與前期累計雨量的相關性統計，得出地質災害發生與前3～5 d累積雨量相關性最好[5]。進一步分析月地質災害數與不同量級降水間關系后，發現6—8月出現日80 mm以上降水時地質災害發生頻率最高。因此，MGHWS將日降水≥80 mm設為衡陽地質災害預警閥值。衡陽誘發降水型地質災害的氣象預警指標為：前4 d(含當日降雨)累計雨量與1～6 h精細化降水預報雨量之和，并設計了二維綜合判別表(表2)。

表2 衡陽地質災害氣象風險預警等級表

注：∑RJ=∑R4d+Ry(∑RJ為預警臨界值，∑R4d為前4 d累計雨量，Ry為1-6 h降水預報)

4 系統功能與特點

MGHWS綜合運用計算機通信、地理信息和數據庫技術，依托衡陽氣象災害監測站網，通過與防指、水文部門共享信息，實現全市山洪地質災害監測點數據的實時采集與監控；系統分別依據衡陽山洪和地質災害臨界雨量指標，實時預警全市山洪災害或制作發布1 h、3 h、6 h地質災害氣象風險等級和24 h、48 h、72 h湘江衡陽段氣象洪澇指數預報。下面介紹系統的主要功能與特點。

4.1 實時監控功能

MGHWS的實時監控由氣象監測、水文水情監測和面雨量(山洪)監控3個模塊組成。氣象監測模塊：能夠實時獲取并在GIS地圖上顯示，衡陽地區9個國家站、254個區域站的降水、溫度、風等實況數據，一旦達到氣象災害(暴雨、高溫、低溫、大風) 標準或山洪預警閾值，系統將通過閃爍和聲音2種方式報警；水文水情監測模塊：能夠從水文部門獲取并顯示衡陽境內湘江流域水系各水文站的實時水情數據(水位、流量)，并對達到或超警戒水位進行報警；面雨量監控模塊：可以按衡陽行政區劃(縣、市、區)或流域(湘江衡陽段及其一級支流舂陵水、耒水、洣水和蒸水等)，監控并統計任意時段的面雨量，當面雨量達到山洪預警閾值時系統自動報警，提醒值班人員密切關注雨情，做好山洪災害預警發布。

圖1 MGHWS氣象站網實時監控界面

4.2 預警預報功能

MGHWS的預警預報功能由衡陽地質災害氣象等級預警和湘江流域(衡陽境內)洪澇指數預報兩個模塊提供。地質災害預警模塊：根據衡陽地質災害氣象等級預警模型的計算結果，以圖形(GIS底圖)或表格兩種方式，顯示地質災害預警信息(包括：預警時次、地質災害種類，災害發生地點以及災害風險等級)，并生成預警服務產品(決策和公共服務產品)。湘江流域洪澇指數預報模塊：依據山洪地質災害風險數據庫存儲的，湘江上、中游及其一級支流舂陵水、耒水、洣水和蒸水的集水邊界，在參考前期流域水文情況以及面雨量預報后，開展湘江流域(上、中游)的72 h氣象洪澇強度指數預報。

圖2 MGHWS山洪地質災害氣象等級預警界面

4.3 查詢統計功能

MGHWS的查詢統計功能包含區域站統計、氣候資料查詢、水文數據檢索和地質災害統計等模塊，以衡陽山洪災害庫為支撐，通過采用優化SQL語句、創建索引、建立視圖等數據庫編程技術，來提高數據查詢、檢索的速度與效率。區域站統計模塊：提供查詢衡陽區域站從建站至今，任意時段的降水、溫度、濕度、風、氣壓等實況和歷史數據；氣候資料查詢模塊：能夠統計衡陽9個國家站30 a(1981—2010)氣候資料，包含云量、氣壓、氣溫、降水、風、天氣現象等要素的歷年、平均和累年值；水文數據檢索和地質災害統計模塊：分別用于檢索衡陽境內12個水文監測站2000—2013年的水文資料以及衡陽地區40 a(1970—2010)發生的各類地質災害信息。TGMWS的所有查詢統計結果，除了用表格方式顯示外，均支持打印或導出成Word或Execl格式的文檔。

4.4 指導演示功能

MGHWS的指導演示功能，分為指導產品瀏覽和風險區劃演示兩部分。其中，指導產品瀏覽模塊：自動檢索MICAPS資料和省臺產品服務器， 方便用戶瀏覽中央氣象臺、湖南省氣象臺的強對流落區、降水、城鎮天氣等相關指導產品，以及省臺的暴雨、地質災害預警信號。為市(縣)局業務值班人員，制作發布轄區山洪地質災害預警提供參考。而風險區劃演示模塊則收集、存儲了衡陽地質災害風險區劃、衡陽山洪、泥石流災害易發區分布、地質災害重點防治區、湘江流域水系(衡陽段)分布等圖表信息，方便進行演示、匯報及制作氣象服務產品。

5 推廣與應用情況

MGHWS于2012年5月完成系統研發，首先在衡陽市、縣兩級氣象部門投入業務運行。在經過近1 a的應用檢驗和修改完善后，從2013年初開始陸續推廣到衡陽市、縣(區)防指、國土、水利、水文、農業和南岳機場等職能部門或單位使用。2013年10月系統被安裝到衡陽警備區應急指揮平臺中，用于警備區防汛搶險和森林防火。

2012年6月10日，氣象臺預報未來24 h全市將出現大范圍強降水，而前期已經歷較長時間的降水，MGHWS對衡陽市部分鄉鎮發出地質災害風險預警(3個鄉鎮Ⅳ級預警、15個鄉鎮Ⅲ級預警)，氣象與國土部門聯合會商后，共同發布了地質災害預警信號。11日衡陽大部分地區出現大到暴雨，部分鄉鎮發生地質災害。據國土部門事后調查，在祁東縣歸陽鎮、步云橋及河洲鎮發生較大面積山體滑坡。衡東、衡山、常寧、耒陽等縣(市)個別鄉鎮也出現山體滑坡。經對比檢驗MGHWS預警的絕大部分鄉鎮均發生不同程度地質災害(準確率接近85%)。由于預警及時、準備充分，在此次暴雨災害中，全市沒有出現人員傷亡和大的經濟損失。

2013年夏季長時間持續高溫少雨，全市出現了較嚴重的干旱災害。氣象部門密切監控旱情發展，抓住一切有利天氣條件，適時開展人工增雨作用。

根據MGHWS的監測顯示，人影作業影響區域普降小到中雨，局部大到暴雨。每次增雨作業都取得了明顯效果，極大緩解了衡陽旱情，取得了顯著的經濟和社會效益。據市防指測算，因此產生的直接經濟效益達3.4億元，間接經濟效益在10億元以上。

6 結語與討論

①經過近2 a的業務應用證明，MGHWS能使政府和相關部門及時、準確、全面獲得全市監測站點氣象和水文實況，預警由降水所引發的山洪地質災害。為政府制定科學的應急處理方案提供參考，減輕災害造成的人員傷亡及財產損失，社會、經濟與生態效益明顯。此外，MGHWS在地質災害預警研究、災情統計評估和氣候資料開發利用等方面具有使用價值。

②山洪地質災害氣象風險預警研究，在國內外氣象界都是一個難點和熱點，目前還處在探索試驗階段，沒有成熟的模式或經驗可供使用。MGHWS的預警模型參考了國內外的研究成果，根據衡陽氣候地質特點，建立了致災臨界雨量值和預警指標體系。由于系統運行時間不長，預警的準確率和科學性都還有待今后的實踐檢驗。同時，衡陽現有監測站網數量偏少、分布也不盡合理，存在監控盲點，數據失真現象比較多，也影響了系統的監測預警效果。

[1] 夏先華. 衡陽市山洪災害成因及防治措施[J].湖南水利水電， 2009，(05)：57-58.

[2] 劉光. 地理信息系統二次開發教程[M]. 北京：清華大學出版社，2007：423.

[3] 宮清華，黃光慶，郭敏. 地質災害預報預警的研究現狀及發展趨勢[J]. 世界地質，2006，25(3)：296-299.

[4] 劉傳正， 溫銘生， 唐燦. 中國地質災害氣象預警初步研究[J] . 地質通報， 2004， 23 (4) ：303-309.

[5] 周益平，陳濤. 衡陽市降水型地質災害潛勢預報預警方法初探[J]. 防災科技學院學報， 2010(4)：57-61.

2014-07-31

韓波(1974—)，男，工程師，主要從事氣象信息與裝備保障工作。

衡陽市科技局2011年社會發展科技支撐項目(2011Ks12)；湖南省氣象局2013年科研課題(No.201331)。

1003-6598(2015)03-0043-05

TP311

B