陶占盛，王新民，吳志強(qiáng)，楊 平，秦喜文

1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所，長(zhǎng)春 100032

2.山西蘭花煤層氣有限公司，山西 晉城 048000

3.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 100032

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害屬于一種自然現(xiàn)象，主要包括崩塌、滑坡、泥石流等。中國(guó)是世界上發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，存在幾乎所有的地質(zhì)災(zāi)害類型。地質(zhì)災(zāi)害不僅給人類生命安全帶來(lái)威脅，而且對(duì)財(cái)產(chǎn)、環(huán)境、資源等具有破壞性［1］。據(jù)我國(guó)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的分類統(tǒng)計(jì)，降雨誘發(fā)的滑坡、崩塌、泥石流占總發(fā)生量的65%，因此預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)降雨誘發(fā)的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害是非常必要的。綜合分析國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用狀況［2］，基于氣象因素的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)警理論原理有兩類：客觀的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)和主觀的專家經(jīng)驗(yàn)判斷。筆者利用組合權(quán)重法，將客觀分析和專家經(jīng)驗(yàn)有效結(jié)合，把地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級(jí)和降雨量等級(jí)進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，以期對(duì)汛期地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。

1 降雨與地質(zhì)災(zāi)害

發(fā)生地質(zhì)災(zāi)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(zhì)構(gòu)造和自然生態(tài)環(huán)境控制的因素。降雨異常的因素引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的幾率更大。如泥石流、滑坡發(fā)生的直接激發(fā)因素就是降雨（雨型、降雨總量和強(qiáng)度）。

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率與降雨量有著明顯的同步關(guān)系，對(duì)吉林省近6年降雨量與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間和頻次分析［3］結(jié)果顯示，汛期是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)時(shí)段，說(shuō)明降雨與發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的時(shí)間具有一致性。降雨及人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)動(dòng)力破壞因素產(chǎn)生的崩塌和滑坡有短時(shí)間的滯后性。

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)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(qū)域地質(zhì)災(zāi)害越容易發(fā)生。強(qiáng)降雨、持續(xù)降雨相對(duì)比較集中的地區(qū)，往往是發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)。

通過(guò)降雨量與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間和空間的一致性分析，可以對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行預(yù)報(bào)以及預(yù)警。

2 汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)模型

通過(guò)對(duì)汛期地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的收集、分析，筆者建立了對(duì)汛期地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)流程（圖1）。

2.1 易發(fā)區(qū)等級(jí)的劃分

根據(jù)分析研究區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的地質(zhì)條件、人類工程等影響因素，確定了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)：災(zāi)害點(diǎn)密度、森林覆蓋率、降雨量、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體和人類活動(dòng)等［4］。筆者將研究區(qū)域剖分成若于個(gè)單元格，提取每個(gè)單元格各評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。利用歸一化后的數(shù)據(jù)，建立地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分評(píng)價(jià)模型，用3種模型分別計(jì)算，得到研究區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級(jí)劃分圖，通過(guò)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的分析對(duì)比，剔除一些奇異單元格，再經(jīng)過(guò)專家鑒定得到最終的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級(jí)劃分圖。

2.2 前期有效降雨量的確定以及地質(zhì)災(zāi)害降雨量等級(jí)劃分

所謂前期有效降雨量，是指前期降雨進(jìn)入巖土體并一直滯留至研究當(dāng)天的雨量。國(guó)外學(xué)者對(duì)此已做過(guò)相應(yīng)的研究［5］，并提出了計(jì)算進(jìn)入巖土體雨量的經(jīng)驗(yàn)公式：

圖1 汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)基本流程圖Fig.1 Basic flow chart of geological disasters forecasting in flood season

式中：ra0為當(dāng)天前期有效降雨量，mm；k為有效雨量系數(shù)，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(jù)北美某地區(qū)的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的，但在世界許多地方都有比較理想的檢驗(yàn)效果［6］。

參照全國(guó)降雨量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)（表1），統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域歷年發(fā)生災(zāi)害點(diǎn)的前期降雨量資料，綜合分析前期降雨量和預(yù)報(bào)降雨量，可得到誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的降雨量等級(jí)表。

2.3 基于組合權(quán)重的汛期地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)預(yù)報(bào)的確定

設(shè)降雨為地質(zhì)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素，基于組合權(quán)重綜合考慮易發(fā)區(qū)等級(jí)和降雨的等級(jí)，建立地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)模型，確定了地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)預(yù)報(bào)的模型公式：

式中：Bi取整數(shù)，為研究區(qū)該單元格地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)等級(jí)；ωi為權(quán)重，ωi∈［0，1］；Ri為第i單元格降雨地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)；Di為第i單元格地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級(jí)；Ri，Di均為歸一化數(shù)據(jù)。

權(quán)重的確定是地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)預(yù)報(bào)是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素，所以基于組合權(quán)重的汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)模型中權(quán)重的確定是至關(guān)重要的。首先，利用專家的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合實(shí)際分析情況，設(shè)定一個(gè)模糊的ωi取值范圍；其次，根據(jù)歷史發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)的數(shù)據(jù)，綜合考慮每個(gè)單元格的易發(fā)區(qū)等級(jí)Di和地質(zhì)災(zāi)害降雨等級(jí)Ri來(lái)驗(yàn)證、調(diào)整、再驗(yàn)證、再調(diào)整，直到和歷史地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)擬合的效果達(dá)到95%吻合；最后確定出權(quán)重ωi與Di、Ri的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.4 汛期地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)

基于組合權(quán)重的汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)模型的地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)預(yù)報(bào)流程見(jiàn)圖2。

1）根據(jù)氣象臺(tái)對(duì)前期（一周）降雨量的實(shí)測(cè)值以及未來(lái)24h降雨量的預(yù)報(bào)值來(lái)確定每個(gè)單元格的地質(zhì)災(zāi)害降雨量的等級(jí)Ri。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)預(yù)報(bào)流程圖Fig.2 Class prediction flow chart of geological hazard

2）在易發(fā)區(qū)的數(shù)值等級(jí)劃分結(jié)果圖的基礎(chǔ)上，得到對(duì)應(yīng)單元格的易發(fā)區(qū)等級(jí)Di。

3）利用地質(zhì)災(zāi)害組合權(quán)重預(yù)警預(yù)報(bào)模型（公式（2））計(jì)算出該單元格的地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)Bi。

4）預(yù)報(bào)，經(jīng)過(guò)專家分析會(huì)商發(fā)布地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)等級(jí)結(jié)果，包括地質(zhì)災(zāi)害可能發(fā)生的等級(jí)、時(shí)間、地區(qū)，以及給予公眾的預(yù)防措施。

預(yù)警產(chǎn)品等級(jí)劃分為5級(jí)（表2），對(duì)應(yīng)不同的色調(diào)，一般暖色調(diào)表示比較危險(xiǎn)，冷色調(diào)表示比較安全。

3 實(shí)例研究

以吉林省為例檢驗(yàn)汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)模型的有效性。吉林省氣候多變，地形地貌和地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害類型較多，分布廣泛。近年來(lái)，吉林省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)災(zāi)害發(fā)生頻繁，尤其是每年的汛期（5 -9月）。受強(qiáng)降雨等氣象因素的影響，泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害不斷發(fā)生，給人民群眾的生命財(cái)和生活帶來(lái)嚴(yán)重的損失，隨著社會(huì)的快速發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)的加快，地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)制約著部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

表1 全國(guó)降雨量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standards of national rainfall

表2 預(yù)警產(chǎn)品等級(jí)及色標(biāo)Table 2 Level and color of warning products

結(jié)合吉林省地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)篩選確定7種評(píng)價(jià)指標(biāo)：森林覆蓋率、年平均降雨量、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體、災(zāi)害點(diǎn)密度、人類工程活動(dòng)。因?yàn)閰⒃u(píng)各指標(biāo)值的量綱不同，量值相差懸殊，必須把影響地質(zhì)災(zāi)害各種危險(xiǎn)性指標(biāo)量值進(jìn)行歸一化處理［7］。

本課題組建立了基于熵值法的地質(zhì)災(zāi)害可拓學(xué)評(píng)價(jià)模型、智能遺傳算法及其在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)閾回歸聯(lián)合聚類分析3種數(shù)學(xué)模型［8－9］，對(duì)吉林省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級(jí)進(jìn)行了劃分，并進(jìn)行3種數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，剔除和合并一些奇異單元格，經(jīng)過(guò)專家鑒定得到了吉林省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分圖（圖3）。

圖3 吉林省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分圖Fig.3 Result of classifying disaster areas in Jilin Province

統(tǒng)計(jì)吉林省2004年到2009年歷年發(fā)生災(zāi)害點(diǎn)的前期降雨量資料，綜合分析前期降雨量和預(yù)報(bào)降雨量，得到誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的降雨量等級(jí)（表3）。

圖4 吉林省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)平臺(tái)界面Fig.4 Platform interface of geological hazard warning system in Jilin Province

表3 吉林省降雨地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)分類表Table 3 Classification of geological hazard and rainfall level in Jilin Province

基于組合權(quán)重綜合考慮易發(fā)區(qū)等級(jí)和降雨的等級(jí)因素，對(duì)吉林省地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)進(jìn)行預(yù)報(bào)，利用地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)預(yù)報(bào)模型公式（2）可以計(jì)算出吉林省5 702（5km×5km）個(gè)單元格的地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)Bi。其中：災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級(jí)Di為1 -4級(jí)，分別對(duì)應(yīng)非、低、中、高易發(fā)區(qū)；降雨地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)Ri為1 -6級(jí)；災(zāi)害預(yù)報(bào)等級(jí)Bi為1 -5級(jí)；并開(kāi)發(fā)了吉林省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)平臺(tái)［10－11］（圖4）。

筆者通過(guò)吉林省2008年7月18日的前3天降雨量的實(shí)測(cè)值計(jì)算出有效累計(jì)降雨量以及未來(lái)24 h降雨量的預(yù)報(bào)值，進(jìn)行了每個(gè)單元格的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生等級(jí)預(yù)報(bào)，其結(jié)果與當(dāng)時(shí)吉林省發(fā)布的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)結(jié)果區(qū)域重合率為93.25%。通過(guò)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得到了基于組合權(quán)重的汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)的可行性模型。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)選定地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，劃分了研究區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級(jí)，將研究區(qū)域剖分為5 702個(gè)單元格，使劃分結(jié)果更加準(zhǔn)確精細(xì)。利用累計(jì)降雨量和預(yù)報(bào)降雨量確定出地質(zhì)災(zāi)害降雨量等級(jí)，確認(rèn)了降雨是汛期地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)的主要因素。建立基于組合權(quán)重的汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)模型，并結(jié)合吉林省以前的地質(zhì)災(zāi)害有關(guān)資料，對(duì)吉林省地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)進(jìn)行了預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果的精準(zhǔn)率達(dá)到了93.25%，其預(yù)報(bào)結(jié)果是合理可行的，基于組合權(quán)重的汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)模型為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)提供了一種有效的方法，該預(yù)警預(yù)報(bào)模型具有一定的應(yīng)用價(jià)值和可推廣性。

（References）：

［1］Abdou S，Savoy J.Statistical and Comparative Evalua－tion of Various Indexing and Search Models［J］.Lecture Notes in Computer Science，2006，4182：362－373.

［2］Haruyama M，Kitamura R.An Eva－luation Method by the Quantifieation Theory for the Risk Degree of Landslidese Caused by Rainfall［C］//Proc 4th Int Landslides.Toronto：［s.n.］，1984：435－440.

［3］Carrara A.Multivariate Models for Landslide Hazard Evaluation［J］.Mathematical Geology，1983，15（3）：403－426.

［4］姚學(xué)祥，徐晶，薛建軍，等.基于降水量的全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)預(yù)報(bào)模式［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2005，16（4）：97－102.Yao Xuexiang，Xu Jing，Xue Jianjun，et al.A Potential Forecast Model for Geological Related Disasters Based on Precipitation［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2005，16（4）：97－102.

［5］Morteza N O，Richard L S，Shu G，et al.California Simulation of Evapotranspiration of Applied Water and Agricultural Energy Use in California［J］.Journal of Integrative Agriculture，2013，20（8）：43－51.

［6］陳豫英，趙光平，王紅英.寧夏汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)預(yù)警模型研究［J］.災(zāi)害學(xué)，2005，20（3）：25－28.Chen Yuying，Zhao Guangping，Wang Hongying.The Early Warning Model of Weather Forecast of the Geological Calamity in Flood Season of Ningxia is Studied［J］.Journal of Catastrophology，2005，20（3）：25－28.

［7］Qin Xiwen，Wang Xinmin，Tao Zhansheng.Comparison of Determining Index Weight Methods on Geological Disaster Evaluation［C］//18th International Conference on Geoinformatics.Beijing：Beijing Normal University，2010：1－4.

［8］Wang Xinmin，Tao Zhansheng，Qin Xiwen.Evaluation of Geological Disaster with Extenics Based on Entropy Method［J］.Lecture Notes in Computer Science，2010，6330：708－715.

［9］張海燕，王新民，尹慧，等.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)閾回歸聯(lián)合聚類分析［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2011，41（2）：529－535.Zhang Haiyan， Wang Xinmin，Yin Hui，et al.Threshold Regressive Model and Cluster Analysis of Sediment－Related Disaster［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2011，41（2）：529－535.

［10］張桂榮，殷坤龍，劉禮領(lǐng)，等.基于WEBGIS和實(shí)時(shí)降雨信息的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)［J］.巖土力學(xué)，2005，26（8）：1312－1317.Zhang Guirong，Yin Kunlong，Liu Liling.et al.A Real－Time Regional Geological Hazard Warning System in Terms of WEBGIS and Rainfall［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26（8）：1312－1317.

［11］李海峰，高德政.基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］.四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，26（3）：178－180.Li Haifeng，Gao Dezheng.Design and Development of Geological Hazards Information Management System Based on GIS［J］.Acta Geological Sichuan，2006，26（3）：178－180.