吳 倩 ，喬海濤 ，鄧剛楊 ，吉 磊 ，王曉瑋 ，劉敦龍

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

泥石流是山區(qū)常見的一種地質(zhì)災害，運動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動狀態(tài)[1]。泥石流因其暴發(fā)突然、來勢兇猛和強大的侵蝕、搬運、堆積和沖擊能力而具有極大的破壞性，嚴重威脅著山區(qū)水利水電、交通等工程設施和人民群眾的生命財產(chǎn)安全[2-3]。

我國西南地區(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，又多處于季風氣候區(qū)，經(jīng)常發(fā)生嚴重的泥石流災害[4]。近些年來，隨著人類社會經(jīng)濟活動的不斷增強，人們對環(huán)境的持續(xù)破壞和自然資源的過度索取，使泥石流災害愈加嚴重。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害，2010年8月13日四川省綿竹市清平鄉(xiāng)文家溝泥石流災害。

泥石流災害對西南山區(qū)居民的生命財產(chǎn)安全已構(gòu)成嚴重威脅，長期制約著當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展，泥石流防災減災工作已迫在眉睫。然而，泥石流成因特別復雜，而且泥石流溝的數(shù)量多，危害面廣，治理成本很高，目前還無法進行大規(guī)模的全面治理[5]。為了有效預防和減輕泥石流災害造成的損失，泥石流預警報方面的研究受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注。

目前，泥石流預警報多采用降水統(tǒng)計預報方法。然而由于下墊面環(huán)境條件的復雜性，難以建立統(tǒng)一的有效閾值，容易造成漏報和誤報，且較難建立實用的預報模型。本文基于水土耦合機制的思想，突破了傳統(tǒng)統(tǒng)計預報的模式，以泥石流啟動機理為主線，以水土混合物的容重作為紐帶，以潛勢泥石流流域作為預報單元，開發(fā)構(gòu)建了西南地區(qū)泥石流災害預警報系統(tǒng)，并先后在四川省氣象臺和國家氣象局氣象中心進行了業(yè)務運行，為西南地區(qū)的泥石流災害預警報工作提供輔助決策，取得了很好的效果。

表1 泥石流預警等級與其對應的混合物密度

1 預警報原理與方法

1.1 預警報原理簡介

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泥石流發(fā)生的概率進行預警報。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行泥石流預報。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)生的概率和預警等級，ρ 的最終表達式如下：

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)場測試確定，經(jīng)驗取值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，實時評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，利用該公式計算出流域在某一時刻的水土混合物容重值ρ，將該值與表1 進行對照，從而發(fā)布相應的泥石流預警等級信息。

1.2 預警報方法實現(xiàn)

本文所采用的泥石流預警報方法是以泥石流流域為基本預報單元，實現(xiàn)了流域尺度上的泥石流預警報。該預警報方法已在四川汶川地震災區(qū)進行了數(shù)值計算驗證，該方法預報精度較高[7]，具有良好的推廣應用前景。為了進一步推進該預警報方法在區(qū)域范圍上的應用，更好的為西南地區(qū)的泥石流防災減災進行服務，本文采用前期研制出的潛勢泥石流流域的判識方法[7-8]，利用GIS 技術提取西南地區(qū)具備發(fā)生泥石流可能性的小流域，作為潛勢泥石流流域。以提取出來的潛勢泥石流流域為預報單元，結(jié)合該泥石流預警報方法，實現(xiàn)了西南地區(qū)區(qū)域尺度上的泥石流預警報。潛勢泥石流流域的判識方法的公式如下：

式中，H 為流域相對高度，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泥石流流域。

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

（1）河網(wǎng)數(shù)據(jù)的提?。夯谖髂系貐^(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，則認為是河流。

（2）流域數(shù)據(jù)的提?。菏褂眉畢^(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 字段進行融合，即可得到西南地區(qū)的流域數(shù)據(jù)。

（3）潛勢泥石流流域的判識：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，利用潛勢泥石流流域判識模型，判斷出具備發(fā)生泥石流可能性的流域，將其作為潛勢泥石流流域。

（4）潛勢泥石流流域數(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）潛勢泥石流流域的upriverid 字段進行連接，僅保留匹配項，導出數(shù)據(jù)并按照riverid 字段進行融合生成最終的潛勢泥石流流域數(shù)據(jù)。

2 預警報系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)需對西南地區(qū)的所有潛勢泥石流流域的泥石流發(fā)生概率和預警等級進行計算，涉及的下墊面數(shù)據(jù)處理、力學模型和分布式水文模型運算（Fortran 語言編寫）等較為復雜繁瑣，必須考慮到系統(tǒng)的運算效率問題。為此，本文采用混合編程、數(shù)據(jù)庫與ArcGIS Engine 等技術手段進行系統(tǒng)開發(fā)，充分發(fā)揮各自技術的優(yōu)勢，解決預報時效性問題。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)行文件進行泥石流預警報運算，采用文本文件實現(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)預處理、預報運算和結(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 個部分。系統(tǒng)除了泥石流預警報功能之外，還對一些常用的GIS 功能進行了擴展和集成，主要包括泥石流預警報、地圖瀏覽工具、基礎管理、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)界面設置預報方式，包括預報時效（如預報未來24 小時）和起報時間等；（2）根據(jù)設定的起報時間，選取相應的實況降水數(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 空間分析功能計算出西南地區(qū)在起報時刻的土體殘余含水量；（3）同樣根據(jù)設定的起報時間，選取相應的逐小時預報降水數(shù)據(jù)（如氣象局提供的QPF 產(chǎn)品），利用GIS 空間分析功能計算出西南地區(qū)在預報時效內(nèi)，每個小時的預報降水量；（4）將處理獲得的西南地區(qū)的土體殘余含水量和預報降水作為輸入動態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合下墊面的靜態(tài)數(shù)據(jù)（上述預警報方法所需的基礎數(shù)據(jù)），調(diào)用分布式水文模型，對每條潛勢泥石流流域的水土混合物容重進行計算，并結(jié)合表1 實現(xiàn)泥石流發(fā)生概率和預警等級的量化；（5）根據(jù)每條潛勢泥石流流域的泥石流預警等級，利用不同的顏色進行渲染并展示在GIS 地圖上，依次用會藍、黃、橙、紅表示預警等級越來越高。

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

針對西南地區(qū)泥石流災害量多面廣、治理困難且防治工程成本高等一系列現(xiàn)實問題，本文基于水土耦合機制的思想，突破了傳統(tǒng)統(tǒng)計預報的模式，以泥石流啟動機理為主線，以水土混合物的容重作為紐帶，以提取出的潛勢泥石流流域作為預報單元，提出了區(qū)域尺度上的泥石流預警報方法，并采用混合編程、數(shù)據(jù)庫與GIS 二次開發(fā)等多種技術手段，開發(fā)構(gòu)建了西南地區(qū)泥石流災害預警報系統(tǒng)。為了檢驗該系統(tǒng)的實時性和準確率等各方面的性能，先后在四川省氣象臺和國家氣象局氣象中心進行了部署和業(yè)務運行，為西南地區(qū)的泥石流災害預警報工作提供輔助決策，取得了很好的效果，得到了國家氣象中心的一致認可。后續(xù)，我們將繼續(xù)改進并升級系統(tǒng)的預警報核心算法模塊，使系統(tǒng)的準確率和實時性不斷優(yōu)化與完善。