龔巍崢（河南省地質(zhì)環(huán)境勘查院，河南 鄭州　450051）

運用GIS技術(shù)對河南省禹州市進行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警研究

龔巍崢
（河南省地質(zhì)環(huán)境勘查院，河南 鄭州450051）

運用GIS技術(shù)對河南省禹州市進行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警研究和預(yù)測預(yù)報。研究從引發(fā)禹州市地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)因和外因入手，首先進行全市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)，其次在充分考慮降雨對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生影響的基礎(chǔ)上進行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分區(qū)，然后采用臨界降雨量模型判據(jù)法在重點及次重點預(yù)警區(qū)開展地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報研究。

地質(zhì)災(zāi)害；氣象預(yù)警；臨界降雨量判據(jù)；河南省禹州市

1　前言

河南省禹州市地質(zhì)環(huán)境比較脆弱，崩塌、滑坡、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，主要誘發(fā)因素為降雨，特別是強降雨、連陰雨或暴雨過后，發(fā)生歷時短、速度快、危害大的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，造成人員傷亡及財產(chǎn)損失。截止2015年底，該市因地質(zhì)災(zāi)害已造成經(jīng)濟損失81 850.2萬元，威脅人數(shù)22 940人，威脅財產(chǎn)43 420萬元[1]。禹州市的社會經(jīng)濟發(fā)展與地質(zhì)災(zāi)害的矛盾日益突出，開展地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警研究工作，找出一套適合禹州市的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警方法，是有效避免突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害造成人員傷亡和減少財產(chǎn)損失的手段之一，有利于促進當(dāng)?shù)卣畬崿F(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)的目標(biāo)[2-3]。

禹州市位于河南省中部，總面積1 472km2，地處伏牛山余脈與豫東平原的過渡地帶，除東部為平原外其他三面環(huán)山，地勢西高東低，海拔90～1 150.5m，地貌類型復(fù)雜。區(qū)內(nèi)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，多旱、澇、風(fēng)、雹等氣象災(zāi)害，年平均氣溫在13.0～16.0℃之間，多年平均降水量659.25mm。禹州市屬淮河流域，共有大小河流131條，大部為季節(jié)性河流，常年性河流較大的有穎河、北汝河支流、清泥河等。區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較好，出露地層除缺失志留系、泥盆系、古近系外，自早元古代—新生代均有出露，巖漿巖不發(fā)育。禹州市地處許昌—淮南地震帶上，處于河南省地震裂度Ⅵ-Ⅶ度區(qū)，地震動峰值加速度為0.05～0.10g。地下水類型根據(jù)賦存特征分為第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽類裂隙巖溶水和基巖裂隙巖溶水四種[4]。區(qū)內(nèi)對自然環(huán)境破壞較嚴(yán)重的人類工程活動主要有礦山開采、交通建設(shè)、建筑活動。

根據(jù)禹州市1∶50000地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查資料，禹州市地質(zhì)災(zāi)害點共計105處，其中滑坡8處，崩塌2處，地面塌陷95處。地質(zhì)災(zāi)害隱患點有68個，其中滑坡隱患10處，崩塌隱患4處，地面塌陷隱患54處。災(zāi)害多發(fā)生在礦區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、公路等人類活動集中區(qū)域[1]。

2　運用GIS技術(shù)進行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)

由于地質(zhì)災(zāi)害具有隨機性、模糊不確定性和復(fù)雜性等特點。評價采用定量、半定量方法，以已發(fā)生過的地質(zhì)災(zāi)害為背景，根據(jù)調(diào)查做出現(xiàn)狀評價，同時把地質(zhì)環(huán)境條件細化為五個評價指標(biāo)，并充分考慮降雨因素和人類工程經(jīng)濟活動及各種外營力條件變化影響做出預(yù)測性評價(見圖1)[5]。

圖1　地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價指標(biāo)體系圖

在1∶50000比例尺地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查基礎(chǔ)上，對全區(qū)進行了25m×25m的網(wǎng)格剖分，利用ArcGIS系統(tǒng)平臺的空間疊加、統(tǒng)計以及分析計算功能，將研究區(qū)各評價單元數(shù)據(jù)按照權(quán)重分配結(jié)果進行信息疊加計算，得到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評價基圖，然后綜合考慮各種因素，人工進行局部修整、合并，得出禹州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃圖，劃分為高、中、低、不四個等級易發(fā)區(qū)(見圖2)[6]。

圖2　禹州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖

3　地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)

3.1技術(shù)路線

(1) 在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃(內(nèi)因)的基礎(chǔ)上，進行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分區(qū)，同時確定地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的分級。

(2) 對每個預(yù)警區(qū)內(nèi)發(fā)生過的地質(zhì)災(zāi)害事件與降雨過程的相關(guān)性進行統(tǒng)計分析，建立各預(yù)警區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害事件與臨界過程降雨量的統(tǒng)計關(guān)系圖，確定地質(zhì)災(zāi)害事件在一定區(qū)域爆發(fā)的不同降雨過程臨界值，作為預(yù)警判據(jù)。

(3) 當(dāng)接收到市氣象臺發(fā)來的次日降雨量預(yù)報數(shù)據(jù)和預(yù)報雨量等值線圖后，對每個預(yù)警區(qū)疊加分析，根據(jù)判據(jù)圖初步判定發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性，從而得出各個地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分區(qū)的預(yù)警等級結(jié)果。

(4) 國土部門、氣象部門及傳播媒體聯(lián)合對外發(fā)布災(zāi)害預(yù)警信息[2-3]。

3.2預(yù)警對象、類型及時段

根據(jù)禹州市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況及危害程度，確定預(yù)警對象主要為崩塌、滑坡、地面塌陷(加劇)等災(zāi)害。預(yù)警類型為空間預(yù)警。預(yù)警時段采用24小時短期預(yù)警：當(dāng)日20時至次日20時。

3.3預(yù)警等級

根據(jù)《國土資源部和中國氣象局關(guān)于聯(lián)合開展地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警工作協(xié)議》，預(yù)報等級統(tǒng)一劃分為5級，一級為可能性很小，二級為可能性較小，三級為可能性較大，四級為可能性大，五級為可能性很大。其中三級在預(yù)報中為注意級，四級在預(yù)報中為預(yù)警級，五級在預(yù)報中為警報級[7]。

根據(jù)實際需求，基于氣象條件作為誘發(fā)因素，結(jié)合禹州市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性和考慮其發(fā)生的影響程度，將禹州市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報劃分為如下5個等級(見表1)。

表1　禹州市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報等級劃分

3.4預(yù)警區(qū)劃

在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)的基礎(chǔ)上，把禹州市分為4個地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警區(qū)(見圖3)，Ⅰ級預(yù)警區(qū)為地質(zhì)災(zāi)害氣象重點預(yù)警區(qū)，Ⅱ級預(yù)警區(qū)為地質(zhì)災(zāi)害氣象次重點預(yù)警區(qū)，Ⅲ級預(yù)警區(qū)為地質(zhì)災(zāi)害氣象一般預(yù)警區(qū)，Ⅳ級預(yù)警區(qū)為地質(zhì)災(zāi)害氣象次一般預(yù)警區(qū)。Ⅲ級預(yù)警區(qū)主要為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育較少的丘陵、崗地地區(qū)；Ⅳ級預(yù)警區(qū)主要為地勢平坦的沖洪積平原，工程地質(zhì)條件較好，降雨對其影響不大，不易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害；Ⅲ、Ⅳ級預(yù)警區(qū)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警等級一般達不到三級，因此對Ⅲ、Ⅳ級預(yù)警區(qū)不進行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報，僅對Ⅰ級預(yù)警區(qū)和Ⅱ級預(yù)警區(qū)進行氣象預(yù)警預(yù)報。

圖3　禹州市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)劃圖

將禹州市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分區(qū)圖與地理底圖、行政區(qū)劃圖疊加，并進行統(tǒng)計分析，得出禹州市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分區(qū)表(見表2)。

Ⅰ級預(yù)警區(qū)為重點地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)，區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件較差，地形地貌復(fù)雜，坡度較陡，植被發(fā)育差，人口密集，人類工程活動頻繁，是地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，遇到強降雨或者連續(xù)降雨要加強氣象預(yù)警工作，完善群測群防體系，對重點地段要及時的巡查和預(yù)警，以便更好地減災(zāi)防災(zāi)。Ⅱ級預(yù)警區(qū)為次重點地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)，廣闊分布在低山、丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件相對較差，局部巖層風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理、裂隙發(fā)育，地形地貌復(fù)雜，是地質(zhì)災(zāi)害相對高發(fā)區(qū)，完善群測群防體系，在暴雨及連陰雨等天氣要加強地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警工作，重點地段做好巡防和監(jiān)測工作，以便出現(xiàn)險情及時處理[2-3]。

表2　禹州市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分區(qū)

4　地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警判據(jù)

4.1理論認識

由于缺乏對地質(zhì)災(zāi)害單體的監(jiān)測數(shù)據(jù)，故本次著重研究誘發(fā)降雨量和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生之間的函數(shù)關(guān)系，從而建立汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警判據(jù)：

(1) 崩塌、滑坡與泥石流是在斜坡地帶產(chǎn)生的，其分布、形成、發(fā)展受地質(zhì)環(huán)境條件控制，具明顯的地質(zhì)分帶性。數(shù)學(xué)模型研究中，地質(zhì)環(huán)境條件的控制性作用，已在預(yù)警區(qū)劃中得到充分體現(xiàn)。

(2) 崩塌、滑坡與泥石流在形成機理上存在很大差異，但在時空分布上，往往互為伴生或互為因果。比如：在大型斜坡地帶，由分水嶺至坡腳方向可依次發(fā)生崩塌、滑坡、坡面泥石流；泥石流溝谷兩側(cè)可發(fā)生崩塌、滑坡；大型崩塌、滑坡可堰塞溝谷，誘發(fā)泥石流；一次高強度的降雨過程可同時誘發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等諸災(zāi)種。根據(jù)禹州市地質(zhì)災(zāi)害積累數(shù)據(jù)較少的實際情況，本次工作將降雨誘發(fā)的崩塌、滑坡作為同一的地質(zhì)災(zāi)害事件來考慮。

(3) 在同一預(yù)警小區(qū)內(nèi)，不同的降雨量值(地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的降雨量臨界值，下同)誘發(fā)不同規(guī)模、不同數(shù)量的地質(zhì)災(zāi)害。

(4) 將地質(zhì)災(zāi)害量級(數(shù)量、規(guī)模)隨降雨量值增大的過程，視為地質(zhì)災(zāi)害氣象過程，過程中的地質(zhì)災(zāi)害事件看作地質(zhì)災(zāi)害氣象事件。

(5) 高量級的地質(zhì)災(zāi)害氣象事件，由低量級的地質(zhì)災(zāi)害氣象過程為其儲備物質(zhì)和能量，地質(zhì)災(zāi)害氣象過程具連續(xù)性；高量級的地質(zhì)災(zāi)害氣象事件，也可由高強度的降雨激發(fā)產(chǎn)生，地質(zhì)災(zāi)害氣象過程同時具突變性。

4.2判據(jù)確定原則與資料依據(jù)

根據(jù)有限資料積累和歷史經(jīng)驗，突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害不但與當(dāng)日激發(fā)降雨量有關(guān)，且與前期過程降雨量關(guān)系密切，本次工作選定1～30日30個過程降雨量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以期建立一個地區(qū)誘發(fā)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害事件的兩種臨界雨量判據(jù)：當(dāng)日激發(fā)雨量判據(jù)和前期過程降雨量判據(jù)。

資料依據(jù)主要有三個方面：

(1) 禹州市已開展的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查資料。

(2) 禹州市近年來開展的汛期地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查資料。

(3) 禹州市氣象局提供的多年逐日降雨量資料。

4.3不同降雨過程代表數(shù)據(jù)

禹州市氣象局系統(tǒng)對日降雨量(Q)的預(yù)報和統(tǒng)計是按每日20時到次日20時計算。比如，8月3日降雨量是指8月2日20時到8月3日20時產(chǎn)生的降雨量，預(yù)警判據(jù)亦采用同步記時方式，若地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在當(dāng)日12時以后，基本可對應(yīng)于1日(當(dāng)日)過程降雨量t1；若災(zāi)害事件發(fā)生在20時以后的夜間，則對應(yīng)于當(dāng)日和前一日(2日)過程降雨量t2更符合實際。因此，本次工作選定的數(shù)據(jù)代表性時段為日(24小時)，代表性數(shù)據(jù)記做：

4.4 臨界和過程降雨量預(yù)警判據(jù)圖的建立

通過收集的資料建立歷史降雨量數(shù)據(jù)庫和降雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫，反演出已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的降雨量臨界值及前期連續(xù)降雨過程臨界值初級數(shù)據(jù)，得出各對應(yīng)臨界過程降雨量的統(tǒng)計值，并按多年出現(xiàn)的頻率結(jié)合其他因素人為進行適當(dāng)調(diào)整，以此作為地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警判據(jù)基本數(shù)據(jù)，最終確定出各預(yù)警區(qū)Q1，Q2，Q3，……，Q28，Q29，Q30的預(yù)警判據(jù)圖(見圖4)[8]。

圖4　地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警判據(jù)模式

圖中A區(qū)：不發(fā)布預(yù)報區(qū)；B區(qū)：預(yù)報發(fā)布區(qū)；C區(qū)：警報發(fā)布區(qū)；Qα線：預(yù)報臨界線(Ⅱ、Ⅲ級分界線)；Qβ線：警報臨界線(Ⅳ、Ⅴ級分界線)。

橫坐標(biāo)為時間t (1≤t≤30日)，縱坐標(biāo)為過程降雨量Q(mm)，得出Qα、Qβ兩條地質(zhì)災(zāi)害事件發(fā)生的臨界降雨量曲線[9]。當(dāng)實況過程降雨量曲線Q(t)位于判據(jù)圖的不同位置時，將給出不同的預(yù)警結(jié)果：

Q(t)＜Qα?xí)r，過程降雨量曲線位于A區(qū)，規(guī)定預(yù)警等級為一、二級；

Qα≤Q(t)＜Qβ時，過程降雨量曲線位于B區(qū)，規(guī)定預(yù)警等級為三、四級；

Q(t)≥Qβ時，過程降雨量曲線位于C區(qū)，規(guī)定預(yù)警等級為五級。

4.5各預(yù)警區(qū)預(yù)警判據(jù)

根據(jù)計算出的數(shù)據(jù)，參考類似地質(zhì)環(huán)境氣象條件資料進行對比，制作出Ⅰ級預(yù)警區(qū)和Ⅱ級預(yù)警區(qū)的預(yù)警判據(jù)圖(見圖5、圖6)。圖中α線：預(yù)報臨界線(Ⅱ、Ⅲ級分界線)；β線：警報臨界線(Ⅳ、Ⅴ級分界線)。

圖5　禹州市Ⅰ級預(yù)警區(qū)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)判判據(jù)模式

圖6　禹州市Ⅱ級預(yù)警區(qū)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)判判據(jù)模式

根據(jù)計算出的當(dāng)日的綜合有效降雨量，對Ⅰ、Ⅱ級預(yù)警區(qū)采用圖5和圖6的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警判據(jù)模式圖來確定Ⅰ、Ⅱ級預(yù)警區(qū)的預(yù)警等級，根據(jù)預(yù)警等級進行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報，重點地段進行巡查和加強監(jiān)測，以便更好的達到減災(zāi)防災(zāi)的目的。

5　結(jié)語

禹州市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警方法研究是當(dāng)?shù)卣畬嵤┓罏?zāi)減災(zāi)工作取得的有效成果。禹州市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)的建立，可以積極指導(dǎo)當(dāng)?shù)厝簻y群防工作的開展。在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)的基礎(chǔ)上，進行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分區(qū)，對重點區(qū)和次重點預(yù)警區(qū)采用臨界降雨量進行模型預(yù)判，理論上實現(xiàn)了禹州市的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報研究[2-3]。本次研究在禹州市是一項開創(chuàng)性、探索性工作，該預(yù)警預(yù)報模型系統(tǒng)的可靠性還需要進一步驗證，有必要進行更深一步的研究和完善。

[1]龔巍崢,郭東興,邢書源,等.河南省禹州市1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查報告[R].鄭州:河南省地質(zhì)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計院有限公司,2015.

[2]丁偉翠,楊強,王愛軍,等.應(yīng)用GIS技術(shù)對甘肅省靈臺縣地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的研究[J].中國地質(zhì),2010,37(4):1199-1207.

[3]丁偉翠,楊強,王愛軍,等.隴東黃土區(qū)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警方法與應(yīng)用——以涇川縣為例[J].地球信息科學(xué)學(xué)報,2011,13(6): 811-818.

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A Study of Geological Hazards Meteorological
Early-warning in Yuzhou City of Henan Province Based on GIS

GONG Wei-zheng
(Henan Province Geological Exploration Institute, Zhengzhou 450051, China)

Using the GIS technology in Yuzhou city of Henan province , the early-warning of geological hazards and forecast. Research are caused by the internal and external causes of geological hazards in Yuzhou city. First of all, the city's geological hazards prone area. Secondly, in full consideration of meteorological early-warning of geological hazards partition based on the rainfall of geological hazards. Then the model of the critical rainfall criterion method to carry out geological hazards weather forecast and earlywarning research in emphasis and focus on the areas of early-warning.

geological hazards; meteorological early-warning; criteria of effective progress precipitation; Yuzhou city of Henan province

TP316

A

1007-9386(2016)03-0058-05

2016-05-30

河南省國土資源廳2013年度兩權(quán)價款項目(編號：豫招2014-231-13)。