基于GIS 的西南地區(qū)泥石流災(zāi)害預(yù)警報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建

吳 倩 ，喬海濤 ，鄧剛楊 ，吉 磊 ，王曉瑋 ，劉敦龍

（1.四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都 610072；2.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225）

泥石流是山區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，運(yùn)動(dòng)過程中夾雜著大量泥沙石塊和巨礫等固體物質(zhì)的固液兩相流體，呈粘性層流或稀性紊流等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[1]。泥石流因其暴發(fā)突然、來勢(shì)兇猛和強(qiáng)大的侵蝕、搬運(yùn)、堆積和沖擊能力而具有極大的破壞性，嚴(yán)重威脅著山區(qū)水利水電、交通等工程設(shè)施和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全[2-3]。

我國(guó)西南地區(qū)幾乎全部為山區(qū)，受地質(zhì)構(gòu)造影響，山體陡峭且由儲(chǔ)量豐富的松散固體物質(zhì)組成。此外，森林覆蓋率較低，又多處于季風(fēng)氣候區(qū)，經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害[4]。近些年來，隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的不斷增強(qiáng)，人們對(duì)環(huán)境的持續(xù)破壞和自然資源的過度索取，使泥石流災(zāi)害愈加嚴(yán)重。暴發(fā)了如1953年9月西藏古鄉(xiāng)溝泥石流、2005年8月四川省瀘定縣海螺溝特大泥石流、2010年7月26日云南省貢山縣特大泥石流災(zāi)害，2010年8月13日四川省綿竹市清平鄉(xiāng)文家溝泥石流災(zāi)害。

泥石流災(zāi)害對(duì)西南山區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全已構(gòu)成嚴(yán)重威脅，長(zhǎng)期制約著當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，泥石流防災(zāi)減災(zāi)工作已迫在眉睫。然而，泥石流成因特別復(fù)雜，而且泥石流溝的數(shù)量多，危害面廣，治理成本很高，目前還無法進(jìn)行大規(guī)模的全面治理[5]。為了有效預(yù)防和減輕泥石流災(zāi)害造成的損失，泥石流預(yù)警報(bào)方面的研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

目前，泥石流預(yù)警報(bào)多采用降水統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法。然而由于下墊面環(huán)境條件的復(fù)雜性，難以建立統(tǒng)一的有效閾值，容易造成漏報(bào)和誤報(bào)，且較難建立實(shí)用的預(yù)報(bào)模型。本文基于水土耦合機(jī)制的思想，突破了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的模式，以泥石流啟動(dòng)機(jī)理為主線，以水土混合物的容重作為紐帶，以潛勢(shì)泥石流流域作為預(yù)報(bào)單元，開發(fā)構(gòu)建了西南地區(qū)泥石流災(zāi)害預(yù)警報(bào)系統(tǒng)，并先后在四川省氣象臺(tái)和國(guó)家氣象局氣象中心進(jìn)行了業(yè)務(wù)運(yùn)行，為西南地區(qū)的泥石流災(zāi)害預(yù)警報(bào)工作提供輔助決策，取得了很好的效果。

表1 泥石流預(yù)警等級(jí)與其對(duì)應(yīng)的混合物密度

1 預(yù)警報(bào)原理與方法

1.1 預(yù)警報(bào)原理簡(jiǎn)介

泥石流一般發(fā)生在較小的流域內(nèi)，小流域泥石流的形成過程通常包括兩個(gè)水土耦合過程：一是降水與坡面土體耦合以致部分坡面土體失穩(wěn)；二是流域徑流與失穩(wěn)土體耦合形成泥石流[6]。泥石流是具有一定容重的水土混合物，容重代表著泥石流含有固體物質(zhì)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體物質(zhì)總量越豐富，泥石流發(fā)生概率越高，因此可以通過水土混合物的容重值對(duì)泥石流發(fā)生的概率進(jìn)行預(yù)警報(bào)。系統(tǒng)基于這一理論，利用流域內(nèi)失穩(wěn)土體和徑流耦合后的混合物容重值進(jìn)行泥石流預(yù)報(bào)。自然界中的泥石流容重一般在1.1g/cm3-2.3g/cm3，將其劃分成泥石流容重參照區(qū)間（如表1）。根據(jù)水土混合物密度ρ 所落的參照區(qū)間，判斷泥石流發(fā)生的概率和預(yù)警等級(jí)，ρ 的最終表達(dá)式如下：

其中，ρ，ρw和 ρs分別是水土混合物、水體（ρw=1.0g/cm3）和土體顆粒密度（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確定，經(jīng)驗(yàn)取值ρs=2.6g/cm3），vs和vw分別是降雨作用下的失穩(wěn)土體總量和徑流總量。根據(jù)西南地區(qū)的下墊面數(shù)據(jù)（土壤類型、土地利用、植被指數(shù)等），結(jié)合非飽和土極限平衡方程、曼寧公式以及分布式水文模型GBHM，實(shí)時(shí)評(píng)估降雨作用下流域內(nèi)失穩(wěn)土體總量和徑流總量[6]。然后，利用該公式計(jì)算出流域在某一時(shí)刻的水土混合物容重值ρ，將該值與表1 進(jìn)行對(duì)照，從而發(fā)布相應(yīng)的泥石流預(yù)警等級(jí)信息。

1.2 預(yù)警報(bào)方法實(shí)現(xiàn)

本文所采用的泥石流預(yù)警報(bào)方法是以泥石流流域?yàn)榛绢A(yù)報(bào)單元，實(shí)現(xiàn)了流域尺度上的泥石流預(yù)警報(bào)。該預(yù)警報(bào)方法已在四川汶川地震災(zāi)區(qū)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證，該方法預(yù)報(bào)精度較高[7]，具有良好的推廣應(yīng)用前景。為了進(jìn)一步推進(jìn)該預(yù)警報(bào)方法在區(qū)域范圍上的應(yīng)用，更好的為西南地區(qū)的泥石流防災(zāi)減災(zāi)進(jìn)行服務(wù)，本文采用前期研制出的潛勢(shì)泥石流流域的判識(shí)方法[7-8]，利用GIS 技術(shù)提取西南地區(qū)具備發(fā)生泥石流可能性的小流域，作為潛勢(shì)泥石流流域。以提取出來的潛勢(shì)泥石流流域?yàn)轭A(yù)報(bào)單元，結(jié)合該泥石流預(yù)警報(bào)方法，實(shí)現(xiàn)了西南地區(qū)區(qū)域尺度上的泥石流預(yù)警報(bào)。潛勢(shì)泥石流流域的判識(shí)方法的公式如下：

式中，H 為流域相對(duì)高度，A 為流域面積。符合該公式條件的小流域均可以判定為潛勢(shì)泥石流流域。

本文利用ArcGIS 空間分析中的水文分析工具對(duì)西南地區(qū)的潛勢(shì)泥石流流域進(jìn)行提取，其基本流程如下：

（1）河網(wǎng)數(shù)據(jù)的提取：基于西南地區(qū)的DEM 數(shù)據(jù)（數(shù)字高程模型），依次利用洼地填充、水流方向、匯流累積、河網(wǎng)計(jì)算和河網(wǎng)連接等工具，生成河網(wǎng)連接數(shù)據(jù)，并利用河網(wǎng)矢量化工具，將河網(wǎng)連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成矢量數(shù)據(jù)，作為河網(wǎng)數(shù)據(jù)（字段GRID_CODE 表示不同的河段）。其中，河網(wǎng)計(jì)算中的上游匯水面積閾值取0.3Km2，即匯水面積超過0.3km2，則認(rèn)為是河流。

（2）流域數(shù)據(jù)的提取：使用集水區(qū)域工具，以河網(wǎng)連接數(shù)據(jù)作為輸入，生成柵格類型的集水區(qū)域數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)成矢量數(shù)據(jù)，使用融合工具按GridCode 字段進(jìn)行融合，即可得到西南地區(qū)的流域數(shù)據(jù)。

（3）潛勢(shì)泥石流流域的判識(shí)：以西南地區(qū)未經(jīng)填洼的DEM 數(shù)據(jù)以及上述生成的河網(wǎng)數(shù)據(jù)、流域數(shù)據(jù)作為輸入，利用潛勢(shì)泥石流流域判識(shí)模型，判斷出具備發(fā)生泥石流可能性的流域，將其作為潛勢(shì)泥石流流域。

（4）潛勢(shì)泥石流流域數(shù)據(jù)的生成：利用ArcGIS 的屬性表連接工具，將流域數(shù)據(jù)中的GridCode 字段與步驟（3）潛勢(shì)泥石流流域的upriverid 字段進(jìn)行連接，僅保留匹配項(xiàng)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)并按照riverid 字段進(jìn)行融合生成最終的潛勢(shì)泥石流流域數(shù)據(jù)。

2 預(yù)警報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需對(duì)西南地區(qū)的所有潛勢(shì)泥石流流域的泥石流發(fā)生概率和預(yù)警等級(jí)進(jìn)行計(jì)算，涉及的下墊面數(shù)據(jù)處理、力學(xué)模型和分布式水文模型運(yùn)算（Fortran 語言編寫）等較為復(fù)雜繁瑣，必須考慮到系統(tǒng)的運(yùn)算效率問題。為此，本文采用混合編程、數(shù)據(jù)庫(kù)與ArcGIS Engine 等技術(shù)手段進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，充分發(fā)揮各自技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，解決預(yù)報(bào)時(shí)效性問題。系統(tǒng)利用C#調(diào)用GIS 空間分析功能模塊作前、后數(shù)據(jù)處理，利用C#調(diào)用Fortran 可執(zhí)行文件進(jìn)行泥石流預(yù)警報(bào)運(yùn)算，采用文本文件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與參數(shù)傳遞。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、預(yù)報(bào)運(yùn)算和結(jié)果展示4 大模塊，各模塊之間通過用戶操作界面進(jìn)行交互。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)主界面如圖2 所示，主要包括功能區(qū)、圖層控制區(qū)、地圖瀏覽區(qū)、地圖打印區(qū)、狀態(tài)欄5 個(gè)部分。系統(tǒng)除了泥石流預(yù)警報(bào)功能之外，還對(duì)一些常用的GIS 功能進(jìn)行了擴(kuò)展和集成，主要包括泥石流預(yù)警報(bào)、地圖瀏覽工具、基礎(chǔ)管理、圖層右鍵和視圖輸出等五大模塊。系統(tǒng)功能模塊組織如圖3 所示。

2.3 系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)的工程流程如下：（1）通過系統(tǒng)界面設(shè)置預(yù)報(bào)方式，包括預(yù)報(bào)時(shí)效（如預(yù)報(bào)未來24 小時(shí)）和起報(bào)時(shí)間等；（2）根據(jù)設(shè)定的起報(bào)時(shí)間，選取相應(yīng)的實(shí)況降水?dāng)?shù)據(jù)（如氣象局提供的QPE 產(chǎn)品），利用前期有效降水衰減公式和GIS 空間分析功能計(jì)算出西南地區(qū)在起報(bào)時(shí)刻的土體殘余含水量；（3）同樣根據(jù)設(shè)定的起報(bào)時(shí)間，選取相應(yīng)的逐小時(shí)預(yù)報(bào)降水?dāng)?shù)據(jù)（如氣象局提供的QPF 產(chǎn)品），利用GIS 空間分析功能計(jì)算出西南地區(qū)在預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，每個(gè)小時(shí)的預(yù)報(bào)降水量；（4）將處理獲得的西南地區(qū)的土體殘余含水量和預(yù)報(bào)降水作為輸入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合下墊面的靜態(tài)數(shù)據(jù)（上述預(yù)警報(bào)方法所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)），調(diào)用分布式水文模型，對(duì)每條潛勢(shì)泥石流流域的水土混合物容重進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合表1 實(shí)現(xiàn)泥石流發(fā)生概率和預(yù)警等級(jí)的量化；（5）根據(jù)每條潛勢(shì)泥石流流域的泥石流預(yù)警等級(jí)，利用不同的顏色進(jìn)行渲染并展示在GIS 地圖上，依次用會(huì)藍(lán)、黃、橙、紅表示預(yù)警等級(jí)越來越高。

圖2 系統(tǒng)的主界面

圖3 系統(tǒng)功能模塊組織

3 結(jié)束語

針對(duì)西南地區(qū)泥石流災(zāi)害量多面廣、治理困難且防治工程成本高等一系列現(xiàn)實(shí)問題，本文基于水土耦合機(jī)制的思想，突破了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的模式，以泥石流啟動(dòng)機(jī)理為主線，以水土混合物的容重作為紐帶，以提取出的潛勢(shì)泥石流流域作為預(yù)報(bào)單元，提出了區(qū)域尺度上的泥石流預(yù)警報(bào)方法，并采用混合編程、數(shù)據(jù)庫(kù)與GIS 二次開發(fā)等多種技術(shù)手段，開發(fā)構(gòu)建了西南地區(qū)泥石流災(zāi)害預(yù)警報(bào)系統(tǒng)。為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確率等各方面的性能，先后在四川省氣象臺(tái)和國(guó)家氣象局氣象中心進(jìn)行了部署和業(yè)務(wù)運(yùn)行，為西南地區(qū)的泥石流災(zāi)害預(yù)警報(bào)工作提供輔助決策，取得了很好的效果，得到了國(guó)家氣象中心的一致認(rèn)可。后續(xù)，我們將繼續(xù)改進(jìn)并升級(jí)系統(tǒng)的預(yù)警報(bào)核心算法模塊，使系統(tǒng)的準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性不斷優(yōu)化與完善。