衡阳山洪地质灾害气象预警系统的研发与应用

韩 波，成少丽，丁知明，丁国俊，洪自强5

(1.湖南省衡阳市气象局，湖南 衡阳 421000；2.湖南省衡南县气象局，湖南 衡南 421100；3.湖南省南岳区气象局，湖南 南岳 421900；4.湖南省衡阳市防汛指挥部，湖南 衡阳 421000；5.湖南省衡阳市水文局，湖南 衡阳 421001)



衡阳山洪地质灾害气象预警系统的研发与应用

韩 波1，成少丽2，丁知明3，丁国俊4，洪自强5

(1.湖南省衡阳市气象局，湖南 衡阳 421000；2.湖南省衡南县气象局，湖南 衡南 421100；3.湖南省南岳区气象局，湖南 南岳 421900；4.湖南省衡阳市防汛指挥部，湖南 衡阳 421000；5.湖南省衡阳市水文局，湖南 衡阳 421001)

衡阳受气候和地理条件的影响，是湖南省内发生山洪、地质灾害较多的地区之一，严重威胁人民群众生命财产安全，制约全市社会经济发展。该文介绍了衡阳山洪地质灾害气象预警系统(以下简称MGHWS)的研发与应用情况，并对其中的关键技术及其实现方法进行了分析与论述。系统的建成并投入应用，使国家“山洪项目建设”的综合效益得到充分发挥，提高了衡阳应对由强降水所引发的山洪地质灾害的监测、预警及服务能力，社会、经济与生态效益显著。

MGHWS；衡阳；山洪地质灾害；监测预警

1 引言

衡阳位于湖南省中南部，总面积1.53 万km2，辖4城区、衡阳县、衡山县、衡东县、衡南县、祁东县、耒阳市、常宁市、南岳区共12个县(市、区)，常住人口700多万，是湖南省第二大城市。衡阳地形地貌复杂多样，中部为盆地，四周丘岗山地环绕。境内水系发达，河流众多，河长5 km或流域面积10 km2以上的江河溪流393条[1]。湘江在境内总长度266 km，一级支流有舂陵水、蒸水、耒水、洣水。衡阳属亚热带季风气候，年平均降雨量为1 339.3 mm，平均降水日数163.2 d。由于自然地理条件复杂，山丘河谷众多，强降水极易引发小流域突发山洪和滑坡、泥石流等地质灾害。据对20世纪洪灾统计，衡阳受灾面积2.67万hm2以上的“全市性洪灾年”，平均2.3 a一次[1]。根据国土部门数据，2000—2010年衡阳共发生地质灾害392起，因灾死亡52人。

近年来各级政府投入大量资金，用于衡阳山洪地质灾害的防治。为充分发挥国家“山洪项目”的防灾减灾效益，提升山洪地质灾害气象监测、预警水平，保障全市人民群众生命、财产安全，有效避免或减轻灾害损失。2011年由衡阳市气象局牵头，联合防指、水文、国土等部门，共同开展“衡阳山洪地质灾害气象预警系统”项目的研发。

2 系统设计与架构

2.1 设计目标

MGHWS的设计目标：通过整合衡阳气象、水文、国土、水利等部门的资源，建设统一、规范的山洪地质灾害数据库，并以此为基础进行山洪地质灾害气象风险预警指标体系研究。通过数值预报产品释用，开展精细化(区域站)降水预报、地质灾害气象风险预警以及湘江流域洪涝指数预报研究，研发适合市、县级使用的山洪地质灾害气象监测预警业务平台。

2.2 系统架构

MGHWS采用C/S架构，由前台主界面、后台数据处理程序和数据库平台3部分组成。其中，前台界面为系统主程序，运行在各使用单位的业务平台上；3个后台数据处理程序分别完成实况资料入库、数据质量控制和山洪地质灾害气象等级预警计算，它们都运行在数据处理服务器中；数据库平台使用的是美国微软公司的MSSQLServer2005数据库系统，运行在气象部门的数据库服务器上，提供数据存储及查询服务。

2.3 山洪地质灾害风险数据库

衡阳市(县)气象部门通过暴雨洪涝灾害风险普查，首次较为全面、系统、完整地收集、整理了衡阳山洪地质灾害资料，统一了数据格式，完成了衡阳山洪地质灾害风险数据库建设，基于数据库开展气象灾害风险预警研究并确定了山洪地质灾害临界指标体系。

该数据库由5部分组成，分别是基础信息库：存储衡阳地理信息数据、预警指标体系、衡阳监测站网(国家站、区域站、水文站等)分布、山洪地质灾害负责人等基础信息；气候资料库：保存衡阳9个国家站、254个区域站的历史和实时观测资料；地质灾情库：存储国土部门提供的衡阳境内地质结构、地质灾害隐患点信息、40 a地质灾害历史资料；预警信息库：水文洪涝预报、精细化降水预报、山洪地质灾害预警等信息。另外，根据业务需要，从水利部门获取了湘江衡阳段及其一级支流流域边界、水土分布及植被覆盖信息以及衡阳境内12个水文站2000—2012年的水文监测数据，扩增了水文水情库。

2.4 开发工具

MGHWS使用的是原Borland公司的Delphi6.0编程开发的，作为一种面向对象的可视化的快速应用开发(RAD)工具，Delphi特别适合数据库编程开发，缩短系统研发周期。本项目的GIS开发工具则是MapX，MapX是一个基于ActiveX(OCX)技术的可编程控件，可以集成在VB、Delphi、VC等可视化开发环境中，为开发人员提供了一个快速、易用、功能强大的地图化组件[2]。在项目开发中，使用了MapX的地图控制、动态图元加载、空间分析和数据绑定等技术，来完成系统GIS应用需求。

3 研究方法与预警指标

3.1 研究思路

当前国内应用较多的地质灾害预警方法，可分为现象监测预报法、数理统计预报法、非线性系统论预报法和地球内外动力耦合法[3]。同时，国内外大量研究都证明，山洪地质灾害的发生，与前期累计降雨量、降水强度、降水持续时间及间隔有密切的关系，尤其是与暴雨频次具有很好的一致性。地质灾害气象预警指标应综合考虑前期降雨特征和所有过程降雨动态特征量，包括最新日雨量、时段雨量、累积雨量、雨强、降雨持续时间等。本系统使用基于数理统计预报法原理的临界降雨量预报法。

3.2 灾害风险区划

衡阳山洪地质灾害易发风险区划分主要依据历史上灾害发生的数量、地点、规模、危害程度及隐患点分布等，并结合各县(市、区)和流域降水区域特征。衡阳山洪灾害分布于各县(市、区)，常宁的塔山、春陵水、耒阳耒水流域，祁东县的中西部，衡东县洣水流域，衡阳县蒸水流域，衡山涓水及南岳山区是山洪灾害的多发区域[1]。地质灾害具有发生数量多、分布范围广的特点。其中，灾害发生次数以耒阳市最多(87次)、其次是衡东县(72次)、常宁市(60次)、衡阳市区最少(5次)；人员伤亡最严重的是耒阳市、祁东县、衡东县，经济损失最严重的为常宁市和耒阳市；灾害隐患点以耒阳、常宁、祁东和衡阳县分布最多。参考衡阳地质灾害防治规划，我们将地质灾害风险程度划分为3个区域，依次为：高易发区(耒阳、常宁、衡阳县)；中易发区(祁东、衡东、南岳)；低易发区(衡山、衡南、衡阳市区)。

3.3 预警等级

根据衡阳山洪地质灾害的的成因、特点及影响程度，并参照中国局的相关业务规范，将山洪地质灾害气象风险等级划分为4级，即Ⅳ级(灾害发生有一定风险，注意级)、Ⅲ级(灾害发生风险较高，注意级)、Ⅱ级(灾害发生风险高、预警级)、Ⅰ级(灾害发生风险很高、警报级)， 依次用蓝色、黄色、橙色、红色表示。从衡阳实际情况出发，确定Ⅲ级以上为预警信息发布级，地质灾害预警由气象与国土部门联合会商后共同对外发布，山洪灾害预警由气象、水文部门提出建议，经防指会商后对外发布。

3.4 预警指标

通过统计分析衡阳历史山洪灾害发生时的雨情、水情资料、灾害程度和态势以及损失情况，结合本地区的气候特性、地形地质条件等因素，参照衡阳市防汛应急预案，确定衡阳地区可能发生山洪灾害气象风险的阈值为：单站或面雨量(分行政、流域)1 h降水≥20 mm(山洪多发区为1 h降水≥15 mm)，其对应的预警指标见(表1)。

表1 衡阳山洪灾害气象风险预警指标

地质灾害的发生与降水方式存在着因果关系。间断性降水，地质灾害形成的机率较少；连续性降水，因地表水持续对斜坡的不断渗透，地质灾害形成的机率明显增大。根据对衡阳地质灾害资料与前期累计雨量的相关性统计，得出地质灾害发生与前3～5 d累积雨量相关性最好[5]。进一步分析月地质灾害数与不同量级降水间关系后，发现6—8月出现日80 mm以上降水时地质灾害发生频率最高。因此，MGHWS将日降水≥80 mm设为衡阳地质灾害预警阀值。衡阳诱发降水型地质灾害的气象预警指标为：前4 d(含当日降雨)累计雨量与1～6 h精细化降水预报雨量之和，并设计了二维综合判别表(表2)。

表2 衡阳地质灾害气象风险预警等级表

注：∑RJ=∑R4d+Ry(∑RJ为预警临界值，∑R4d为前4 d累计雨量，Ry为1-6 h降水预报)

4 系统功能与特点

MGHWS综合运用计算机通信、地理信息和数据库技术，依托衡阳气象灾害监测站网，通过与防指、水文部门共享信息，实现全市山洪地质灾害监测点数据的实时采集与监控；系统分别依据衡阳山洪和地质灾害临界雨量指标，实时预警全市山洪灾害或制作发布1 h、3 h、6 h地质灾害气象风险等级和24 h、48 h、72 h湘江衡阳段气象洪涝指数预报。下面介绍系统的主要功能与特点。

4.1 实时监控功能

MGHWS的实时监控由气象监测、水文水情监测和面雨量(山洪)监控3个模块组成。气象监测模块：能够实时获取并在GIS地图上显示，衡阳地区9个国家站、254个区域站的降水、温度、风等实况数据，一旦达到气象灾害(暴雨、高温、低温、大风) 标准或山洪预警阈值，系统将通过闪烁和声音2种方式报警；水文水情监测模块：能够从水文部门获取并显示衡阳境内湘江流域水系各水文站的实时水情数据(水位、流量)，并对达到或超警戒水位进行报警；面雨量监控模块：可以按衡阳行政区划(县、市、区)或流域(湘江衡阳段及其一级支流舂陵水、耒水、洣水和蒸水等)，监控并统计任意时段的面雨量，当面雨量达到山洪预警阈值时系统自动报警，提醒值班人员密切关注雨情，做好山洪灾害预警发布。

图1 MGHWS气象站网实时监控界面

4.2 预警预报功能

MGHWS的预警预报功能由衡阳地质灾害气象等级预警和湘江流域(衡阳境内)洪涝指数预报两个模块提供。地质灾害预警模块：根据衡阳地质灾害气象等级预警模型的计算结果，以图形(GIS底图)或表格两种方式，显示地质灾害预警信息(包括：预警时次、地质灾害种类，灾害发生地点以及灾害风险等级)，并生成预警服务产品(决策和公共服务产品)。湘江流域洪涝指数预报模块：依据山洪地质灾害风险数据库存储的，湘江上、中游及其一级支流舂陵水、耒水、洣水和蒸水的集水边界，在参考前期流域水文情况以及面雨量预报后，开展湘江流域(上、中游)的72 h气象洪涝强度指数预报。

图2 MGHWS山洪地质灾害气象等级预警界面

4.3 查询统计功能

MGHWS的查询统计功能包含区域站统计、气候资料查询、水文数据检索和地质灾害统计等模块，以衡阳山洪灾害库为支撑，通过采用优化SQL语句、创建索引、建立视图等数据库编程技术，来提高数据查询、检索的速度与效率。区域站统计模块：提供查询衡阳区域站从建站至今，任意时段的降水、温度、湿度、风、气压等实况和历史数据；气候资料查询模块：能够统计衡阳9个国家站30 a(1981—2010)气候资料，包含云量、气压、气温、降水、风、天气现象等要素的历年、平均和累年值；水文数据检索和地质灾害统计模块：分别用于检索衡阳境内12个水文监测站2000—2013年的水文资料以及衡阳地区40 a(1970—2010)发生的各类地质灾害信息。TGMWS的所有查询统计结果，除了用表格方式显示外，均支持打印或导出成Word或Execl格式的文档。

4.4 指导演示功能

MGHWS的指导演示功能，分为指导产品浏览和风险区划演示两部分。其中，指导产品浏览模块：自动检索MICAPS资料和省台产品服务器， 方便用户浏览中央气象台、湖南省气象台的强对流落区、降水、城镇天气等相关指导产品，以及省台的暴雨、地质灾害预警信号。为市(县)局业务值班人员，制作发布辖区山洪地质灾害预警提供参考。而风险区划演示模块则收集、存储了衡阳地质灾害风险区划、衡阳山洪、泥石流灾害易发区分布、地质灾害重点防治区、湘江流域水系(衡阳段)分布等图表信息，方便进行演示、汇报及制作气象服务产品。

5 推广与应用情况

MGHWS于2012年5月完成系统研发，首先在衡阳市、县两级气象部门投入业务运行。在经过近1 a的应用检验和修改完善后，从2013年初开始陆续推广到衡阳市、县(区)防指、国土、水利、水文、农业和南岳机场等职能部门或单位使用。2013年10月系统被安装到衡阳警备区应急指挥平台中，用于警备区防汛抢险和森林防火。

2012年6月10日，气象台预报未来24 h全市将出现大范围强降水，而前期已经历较长时间的降水，MGHWS对衡阳市部分乡镇发出地质灾害风险预警(3个乡镇Ⅳ级预警、15个乡镇Ⅲ级预警)，气象与国土部门联合会商后，共同发布了地质灾害预警信号。11日衡阳大部分地区出现大到暴雨，部分乡镇发生地质灾害。据国土部门事后调查，在祁东县归阳镇、步云桥及河洲镇发生较大面积山体滑坡。衡东、衡山、常宁、耒阳等县(市)个别乡镇也出现山体滑坡。经对比检验MGHWS预警的绝大部分乡镇均发生不同程度地质灾害(准确率接近85%)。由于预警及时、准备充分，在此次暴雨灾害中，全市没有出现人员伤亡和大的经济损失。

2013年夏季长时间持续高温少雨，全市出现了较严重的干旱灾害。气象部门密切监控旱情发展，抓住一切有利天气条件，适时开展人工增雨作用。

根据MGHWS的监测显示，人影作业影响区域普降小到中雨，局部大到暴雨。每次增雨作业都取得了明显效果，极大缓解了衡阳旱情，取得了显著的经济和社会效益。据市防指测算，因此产生的直接经济效益达3.4亿元，间接经济效益在10亿元以上。

6 结语与讨论

①经过近2 a的业务应用证明，MGHWS能使政府和相关部门及时、准确、全面获得全市监测站点气象和水文实况，预警由降水所引发的山洪地质灾害。为政府制定科学的应急处理方案提供参考，减轻灾害造成的人员伤亡及财产损失，社会、经济与生态效益明显。此外，MGHWS在地质灾害预警研究、灾情统计评估和气候资料开发利用等方面具有使用价值。

②山洪地质灾害气象风险预警研究，在国内外气象界都是一个难点和热点，目前还处在探索试验阶段，没有成熟的模式或经验可供使用。MGHWS的预警模型参考了国内外的研究成果，根据衡阳气候地质特点，建立了致灾临界雨量值和预警指标体系。由于系统运行时间不长，预警的准确率和科学性都还有待今后的实践检验。同时，衡阳现有监测站网数量偏少、分布也不尽合理，存在监控盲点，数据失真现象比较多，也影响了系统的监测预警效果。

[1] 夏先华. 衡阳市山洪灾害成因及防治措施[J].湖南水利水电， 2009，(05)：57-58.

[2] 刘光. 地理信息系统二次开发教程[M]. 北京：清华大学出版社，2007：423.

[3] 宫清华，黄光庆，郭敏. 地质灾害预报预警的研究现状及发展趋势[J]. 世界地质，2006，25(3)：296-299.

[4] 刘传正， 温铭生， 唐灿. 中国地质灾害气象预警初步研究[J] . 地质通报， 2004， 23 (4) ：303-309.

[5] 周益平，陈涛. 衡阳市降水型地质灾害潜势预报预警方法初探[J]. 防灾科技学院学报， 2010(4)：57-61.

2014-07-31

韩波(1974—)，男，工程师，主要从事气象信息与装备保障工作。

衡阳市科技局2011年社会发展科技支撑项目(2011Ks12)；湖南省气象局2013年科研课题(No.201331)。

1003-6598(2015)03-0043-05

TP311

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