地质灾害预警预报模型设计与应用.pdf

Journal of Engineering Geology 工程地质学报 1004 - 9665 /2008 /16 320342206 地质灾害预警预报模型设计与应用 3 刘兴权 ① 姜群鸥 ① 战金艳 ② ① 中南大学地学与环境工程学院 长沙 410083 ② 北京师范大学环境学院 北京 100875 摘 要 基于地质灾害的多样性及其变化的随机性和非稳定性特点,本文综合利用数学算法和GIS技术,设计了地质灾害预 警模型,分析了诱发地质灾害的地形、 地貌、 气象、 水文等几方面的因素,并根据这些因素的特点,选取不同的样本对其进行量 化处理,运用主成分分析法,计算了各个因素导致地质灾害发生的权重指数及各监测站点的易发级别。在此基础上,基于GIS 技术、 采用泰森多边形法等将站点的易发级别转换成面的易发级别,运用日降雨量、 降雨强度等指标计算出地质灾害发生的 概率,通过区域化易发等级图与降雨图的叠加分析,采用地质气象偶合方法,实现了地质灾害预测。在某省案例区的研究表 明,本研究设计的地质灾害预警模型具有较高的预警精度预警结果80符合实际情况。 关键词 地质灾害 模型 预警 主成分分析法 中图分类号 P694 文献标识码A DESIGN AND APPL ICATI ON OF GEO - HAZARD EARLY - WARNING MODEL L I U Xingquan ① J I ANG Qun′ou ① ZHAN Jinyan ② ①School of Geoscience Environm ent Engineering, Central South University, Changsha 410083 ②School of Environm ent, Beijing Nor m al University, Beijing 100875 Abstract This paper presents a design of a geo - hazard earlywarningmodel .It can analyze the influence factors including terrain, physiognomy, hydrology, etc.It is based on the featuresof variety, randomicity and variability of geo - hazards and use the map algebra and GIS technologies .Considering the features of influential factors, the principal components are selected to quantitatively identify and measure the influence of each factor . And then the levels of potential hazards are calculated by the data and infor mation collected from the station. On this basis, using the Thiessen interpolation , the surface data are generated with the levels of hazards according to the site - based hazards ination. Based on the daily effective rainfall and intensity records, the occurrence of probability of geo - hazard is calculated. After overlaying the levelmap of hazards, the surface data with the levels of hazards and with rainfallmap, the occurrence of geo - hazard can be predicted based on theweather confidence and the functionality of geo - hazard earlywarningmodel can be realized.The case study in Guangdong province shows that the geo - hazard early warning model can predict the occurrence of geo - hazardswith high spatial resolution. The framework itself is logic while the predicted results are reliable.So in some sense, this could be ex2 tended to other case studies .The research results in Guangdong are bearing more significance for the guideline of 3收稿日期 2007 - 05 - 16;收到修改稿日期 2007 - 07 - 22. 基金项目国家自然科学基金编号 70503025与中国科学院知识创新工程方向性项目编号 KSCX2 - Y W - N - 039 . 第一作者简介刘兴权,从事GIS应用系统的研究. Email lxq0818263. net preventing and controlling the occurrences of geo - hazards . Key words Geo - hazard, Model, Early - warning, PCA 1引 言 1996～2002年,广东省共发生地质灾害248 次,死亡615人,受伤721人,直接经济损失25亿多 元,特别是在汛期,受气象因素的影响,崩塌、 滑坡、 泥石流等突发性地质灾害频繁发生,严重制约着许 多地区的经济发展,对人类的生命安全造也成了巨 大威胁 [1 ]。 20世纪90年代以来,尤其是联合国将地质灾 害纳入“ 国际减灾十年计划 ” 后,地质灾害日益受到 各国的关注和重视,研究方法上也取得了很大进 展。遥感、 地理信息系统以及数学、 力学、 非线性科 学等一些新的理论、 技术和方法不断被引入到地质 灾害预报预警研究中 [2～4 ]。其中使用较多且较成功 的方法有现象监测预报法、 数理统计预报法、 非线性 系统理论预报法和地球内外动力耦合法等。浙江省 运用统计方法分析了地质灾害与降雨量、 降雨强度 的关系,确定了有效降雨量、 临界降雨量的阀值,建 立了区域滑坡灾害的宏观预警模型 [5 ]。辽宁省将 Logistic回归模型和前期有效降雨量引入到地质灾 害预警领域,结合泥石流灾害危险性评价,形成了一 套泥石流灾害多元信息耦合预警体系 [6 ]。国外对 于地质灾害的研究具有代表性的是美国地质调查局 USGS联合美国国家气象服务中心USNWS建立 的一套滑坡灾害实时预报系统,其基本原理是在考 虑临界降雨强度和持续时间的基础上,综合分析地 质地形条件及降雨的空间分布 [7 ]。 以往的这些地质灾害的研究,大部分只考虑了 降雨量,没有考虑地形地貌的影响,有些虽然考虑了 地形地貌的影响,但是一般采用的方法是将孕灾因 子图层进行叠加分析。现实中,每个孕灾因子对地 质灾害的影响都不是均衡的,简单叠加分析出来的 危险性并不是十分可靠的,很难达到真正意义上的 具有较高时空分辨率的预报预警。笔者认为应该深 入分析各孕灾因子与地质灾害的关系,再与诱灾因 子偶合,逐步提高预报预警的针对性、 准确性及及时 性。 广东省是一个地质灾害高发区,其发灾具有点 多面广、 规模小、 危害严重等特点。究其原因主要是 由广东省特有的地形条件和气候条件决定的 [8 ]。 其地势北高南低,境内山地、 丘陵分布较广,占总面 积的76. 3 ,这种低山丘陵区恰是地质灾害多发的 地貌类型。气候方面受印度洋孟加拉湾和太平洋输 入的水汽,形成暴雨的水汽、 动力、 热力条件都很充 分,全省平均降水量多在1500～2000mm,南岭南侧 的迎风坡佛冈一带降水在2000mm以上, 6～10月 台风常伴随暴雨、 特大暴雨,形成以佛冈和阳江的暴 雨中心区。在山区,暴雨常诱发崩塌、 滑坡、 泥石流 等突发性地质灾害。因此,要综合考虑孕灾因子和 诱灾因子对广东省地质灾害的影响。 2 地质灾害预警模型设计 2. 1 预警模型设计的基本步骤 地质灾害预警模型的设计综合利用了GIS技术 与地图代数的相关算法,具体包括如下几个步骤 1分析诱发地质灾害的地形、 地貌、 气象、 水文等 几个方面的因素,并根据这些因素的特点将其量化 处理。2选取广东省发生地质灾害的典型样本, 运用主成分分析法,计算各个因素引发地质灾害的 权重指数,及广东省各监测站点的易发级别。3 基于GIS技术,采用泰森多边形插值方法将站点的 易发级别转换成面的易发级别。4运用日降雨量 和降雨强度计算出地质灾害发生的概率。5将易 发区等级图与降雨图进行叠加分析,采用地质气象 耦合方法,进行地质灾害的预测。 2. 2 预警模型孕灾因子主成分分析模型 2. 2. 1 孕灾因子的选择 地质灾害的爆发与它所在的地质环境有着密切 的关系,要根据广东省各地质灾害内在影响因素与 地质灾害关系的理论分析,采用主成分分析法赋予 各因素以权重值,再对各权重系数进行相关数学运 算,从而得到地质灾害易发等级的定量依据。运用 此方法,首先要建立合理的评价指标体系,在地质灾 害的危险性区划中,选择合理的评价预测指标是至 关重要的。 依据广东省的地质环境特点,选择了5个主要 因子地形、 地貌、 地层岩性,地质构造、 水系流域。 地形中坡度是主要影响因素,基于地形图提供的坡 343163 刘兴权等地质灾害预警预报模型设计与应用 度信息,对每个单元进行了分类,坡度小于60 时, 地质灾害爆发的频度随着坡度增大而增大,大于 60时,却会明显的降低;地貌中,根据广东省地质环 境监测总站统计的5种不同地貌类型已发生的地质 灾害,其频度依次由湿地、 平原、 台地向丘陵、 山地增 大;地层岩性的软硬决定了地质灾害的频度,其频度 依次由极软岩、 软岩、 较软岩、 较坚硬岩、 坚硬岩依次 减少;构造因素中,地质灾害发育频度依次由断裂密 集带、 紧密褶皱带向次紧密褶皱带、 宽缓褶皱带减 少;对灾害和水系流域的关系进行统计分析发现,在 流域的上游区域,水系河流的周边区域,山势陡峭, 容易发生地质灾害,在中下游区域,随着地势的平 坦,地质灾害的发生机会也就减少。根据广东省多 年实地调查地质灾害发生的地质环境方面的经验, 确定了预警模型孕灾因子概率取值表 1 。 表1 预警模型孕灾因子概率取值表 Table 1 The probability value of gestating factors 孕灾因子类型名称概率取值 地形类型 平地 缓坡 较陡坡 陡坡 0. 1 0. 2 0. 8 0. 4 地貌类型 湿地 平原 台地 丘陵 山地 0. 09 0. 12 0. 12～0. 24 0. 24～0. 36 0. 54～0. 84 地层岩性 坚硬岩 较坚硬岩 较软岩 软岩 极软岩 0. 12 0. 24 0. 48 0. 618 0. 09 地质构造 宽缓褶皱带 次紧密褶皱带 紧密褶皱带 断裂密集带 0. 15 0. 35 0. 45 0. 68 水域类别 上游 中游 下游 0. 36 0. 24 0. 09 2. 2. 2 模型分析 地质灾害的成因复杂,要想获得较好的预测效 果,要求样本数据尽可能准确,样本数据需要既具有 典型性又具有普遍性。以广州省发生的地质灾害点 数据为样本,选择了80个曾经发生过2次以上地质 灾害的样本点,每个样本点获取5个孕灾因子。 一般情况下,由于各孕灾因子的单位不同,直接 进行计算,不具有可比性,因此,分析时首先需进行 标准化处理,计算公式如下 yij xij- xj /S j 其中,xj 1 n ∑ n i 1 xij,为每一列指标的平均值。xij 为 第i个 样 本 的 第j个 孕 灾 因 子。Sj ∑ n i 1 x ij - xj 2 n -1 ,为每一列指标的均方差 。 根据标准化处理后的取样值计算5个孕灾因子 的相关系数矩阵,进而求取各特征值 λ和特征向量 Ai,再求取各孕灾因子的贡献率和累计贡献率表 2 。 表2 预警模型相关矩阵的特征值和累计贡献率 Table 2 The eigenvalue and cumulate weight 12345 特征值2. 0141. 8751. 1020. 0109. 8710 - 17 累计贡献率0. 4030. 7780. 9981. 001. 00 发现前3个主成分的累计贡献率达到99. 8 , 因此选取前3种主成分,并计算出相应的特征向量 表3 ,结果显示第一主成分与地形坡度、 地貌有很 大的正相关性,这两个因素主要代表的是地质灾害 点的地形地貌状况。第二主成分则与地层岩性、 地 质构造有很大的正相关性,该主成分代表了地质灾 害点的地质条件。第三主成分与水域有较大的相关 性,可以认为是代表地质灾害点水文状况的主成分。 表3 预警模型相关矩阵前三个主成分的特征向量 Table 3 The eigenvector of the preceding three principal components 地形地貌地层岩性 地质构造水域 第一主成分0. 8150. 8920. 1440. 375- 0. 584 第二主成分0. 206- 0. 4000. 9870. 8890. 473 第三主成分0. 4700. 2090. 031- 0. 5450. 860 根据这5个孕灾因子的贡献率,对省内3000个 地质灾害点进行综合评价,将评价值作为易发等级 划分的标准。由于各主成分反映原始信息量的作用 不同,因此计量样本的评价值的地位也有区别,即所 占的权重也是不等的,自然可以用各个主成分的贡 献率Ki来作为相对应的权值。那么,样本的综合评 443Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2008 价值的计算式为 Z ∑ k i 1 KiFi 其中,Fi AiYi, Ai为特征值λi的特征向量, Yi为标 准化后的列向量, Ki为第i个主成分的贡献率。 计算分析80个样本的综合评价值,发现重大危 害等级的综合评价值最高,范围在0. 85～0. 98之 间,较大的处于0. 63～0. 85之间,一般的等级是在 0. 37～0. 63之间,根据以上的统计范围,将3000个 地质灾害点的危害等级也分为3个高度易发区、 中 度易发区、 低度易发区,其中高易发区的综合评价值 对应重大危害等级的范围,中易发区的对应在较大 危害等级的范围,低易发区的对应一般危害等级的 范围。依据这些等级,应用工程地质类比法对地质 环境条件相同的地区进行类比外推,形成广东省地 质灾害危险性区划图图 1 。 图1 广东省地质灾害危险性区划图 Fig . 1 Geo - hazard zone of breaking out easily 1.低易发区; 2.中易发区; 3.高易发区 2. 3 预警模型诱灾因子的相关分析 降雨是诱发地质灾害的一个主要因素,降雨强 度、 降雨时间和降雨量都与地质灾害的发生有着密 切的联系。降雨诱发的地质灾害有下列特点第一, 区域性。一般在数百至数千平方公里内出现。第 二,群发性。崩塌、 滑坡、 泥石流等灾种在某一区域 呈群体出现。第三,暴发性。滑坡特别是泥石流的 发生具有突然暴发性,宏观上完好的山体会突然滑 塌或“ 奔流 ” 。第四,后续性。大型滑坡一般出现在 降雨过程后期甚至降雨结束后数天。第五,成灾大, 造成重大人员伤亡和各种财产损失。因此,研究降 雨型地质灾害发生的可能性,具有重大的现实意义。 对于降雨对地质灾害的影响, Brand E W根据 香港地区滑坡研究资料,提出了以小时降雨量作为 发生灾害性滑坡的临界暴雨强度值 [9 ] ,丛威青等提 出了有效降雨量 [6 ] ,本文采用的是降雨强度、 五日 累积降雨量和日降雨量。降雨强度采用的是小时降 雨量所决定的降雨强度系数来表征图 2 。小时降 雨量决定了降雨的大小,大到暴雨是地质灾害的直 接导火索,小时降雨量在40～60期间,危险性比较 大,将导致很多地点发生灾害, 20～40期间,危险性 一般,只有一定数量的地点爆发灾害,小于20,爆发 地质灾害的可能性就很小了。 图2 降雨强度系数和雨量的关系图 Fig . 2 The relation bet ween rain intensity coefficient and rainfall 降雨模型如下 R R0 3λ 其中,R代表的是降雨危险度指数, R0代表的是日 降雨量或者五日降雨量,λ代表的是降雨强度系数。 日降雨量和五日累积降雨量的研究,需要先根 据经验确定触发雨量的临界值。通过对1993～ 2003年广东省气象站点的降雨量的统计分析,发现 不同的日降雨量和前5日累计降雨量诱发地质灾害 的可能性也不同。根据降雨强度和以往地质灾害爆 发的次数,分析计算出降雨危险指数的临界值,依据 这些范围划定了降雨危险等级表 4 。 2. 4 预警预报分析 根据气象部门未来24h的降雨和前面5d的累 积降雨量值,可以得到每个区的降雨量危险性等级, 将降雨量危险性等级和易发区等级进行叠加,叠加 结果见表5,得到地质灾害的预报等级,根据国土 资源部和中国气象局关于联合地质灾害气象预报预 警工作协议 将地质灾害预警分为5个等级,不同 543163 刘兴权等地质灾害预警预报模型设计与应用 的等级运用不同的颜色表示预警专题。 表4 区域性地质灾害的5d、 日触发雨量及其危险指数阀值及危害等级 Table 4 The threshold value and hazard grades of five - day rainfall、day rainfall and danger value 降雨量 危害等级 日降雨量/mm日降雨危险指数五日降雨量/mm五日降雨危险指数灾害发生特征 Ⅰ300222可能性很大 表5 地质灾害预警等级划分表 Table 5 Early - warning grade table 易发 程度 降雨危险性等级 ⅠⅡⅢⅣⅤ 高2级预警区2级预警区3级预警区4级预警区5级预警区 中1级预警区2级预警区3级预警区3级预警区4级预警区 低1级预警区1级预警区1级预警区2级预警区2级预警区 以2005年7月30号降雨为例进行了预测,预 测结果图 3 显示,预警等级较高的地带多分布在 地质灾害高易发区内,并且与降雨量有着正比关系。 其中的四级预报区是在西江两岸封开 郁南 德 庆 云安滑坡高易发亚区,当天的降雨量超过 100mm。将该方法应用于广东省2005年6～9月份 的降雨数据和地质环境数据,发现预警结果80符 合实际情况,因此,该方法具有一定的可行性和可信 度,可以应用于案例区地质灾害的预测预报工作中, 并将对广东省的防灾减灾工作提供有价值的指导。 图3广东省地质灾害预测图 Fig . 3 Geo - hazard earlywarning in Guangdong province 643Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2008 3 结论与讨论 本文综合利用地图代数和GIS技术,分别从地 质环境和降雨两个方面分析了地质灾害潜在的危险 性和动态变化可能诱发的危险性,并设计了地质灾 害预警模型。在案例区广东省的研究表明,该模型 具有较高的预警精度预警结果80符合实际情 况 , 该模型预报预警结果具有对于广东省开展的 地质灾害预报与预防有实际的指导意义。 不过,地质灾害气象预报工作,是一项系统而复 杂的工作,要提高预报的准确度,不仅需要大量的样 本数据、 灾害数据及其历史资料做补充,同时还需要 继续完善预报预警模型的模糊识别能力,提高模型 整体的模拟能力。本文设计的地质灾害预报模型提 供了一种比较好的概念框架,还需要在更多区域开 展试验研究。 参考文献 [1 ] 刘会平,潘安定,王艳丽,骆丽芳.广东省地质灾害防治与对策 [J ].自然灾害学报, 2004, 132 101～105. 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