河南省汛期地质灾害气象预警技术研究

井书文，方林，关健

(河南省地质环境监测院,郑州 450016)

河南省汛期地质灾害气象预警技术研究

井书文，方林，关健

(河南省地质环境监测院,郑州 450016)

为了提高地质灾害防治能力，河南省开展了汛期地质灾害气象预警技术研究，研究从区域预警的角度，依据全面性、时效性、适用性、可替换性等原则选取了预警评价因子，采用了单元内地质条件具有一致性的斜坡单元作为预警评价单元，采用统计学的方法来研究全省地质灾害影响因素潜势度，分析地质灾害与降雨的关系，建立地质灾害与降雨关系模型，从而建设汛期地质灾害气象预警系统。

地质灾害；气象预警；因子；斜坡单元；雨量

1 引言

为了加强地质灾害防治的基础性工作，提高政府部门对地质灾害的监测预警及应急处置能力，避免和最大限度地减轻地质灾害给人民生命财产造成的损失，河南省大力开展了汛期地质灾害气象预警技术研究。

2003年，中国地质环境监测院研制了第一代国家级地质灾害气象预警系统：主要是采用临界降雨量判据图(α～β线)方法，根据地质灾害样本与降雨量统计关系确定了预警区的临界雨量判据作为预警等级发布的依据。2008年，中国地质环境监测院研发完成了基于显示统计方法的第二代国家级地质灾害预警系统。

为了提升河南省汛期地质灾害气象预警能力和水平，保证及时有效地向可能发生地质灾害区域的公众和相关部门发出防灾预报预警信息，为公众防灾自救和政府防灾管理提供科学依据，最大限度地减少地质灾害造成的人员伤亡和财产损失，河南省开展了新一代汛期地质灾害气象预警技术研究：从区域预警的角度，采用统计学的方法来研究全省地质灾害影响因素潜势度，分析地质灾害与降雨的关系，建立地质灾害与降雨关系模型，从而建设汛期地质灾害气象预警系统。

2 河南省地质灾害概况

河南省是我国地质灾害多发省份之一，境内有太行山、伏牛山、桐柏山、大别山四大山脉，横跨长江、淮河、黄河、海河四大流域，地质环境条件复杂，自然变异强烈，独特的自然地理条件和地质环境背景造成了一系列地质灾害。根据2 177个有详细时间记录的突发性地质灾害记录，河南省地质灾害集中发生在6月～9月4个月份，占总样本数的89.25%，与河南省汛期出现月份相吻合，突发性地质灾害与汛期降雨有极强的相关性。

3 地质灾害气象预警技术路线

地质环境条件是地质灾害发生的内部因素，气象条件是地质灾害的外因和触发机制。在省级尺度上从地质灾害产生的机理分析出发，开展统计分析，将统计结果与机理研究结合起来。通过分析河南省历史上发生地质灾害的分布、种类及所处的地质环境条件，确定地质灾害敏感性因子，从而针对不同气象条件，分析雨量因子，开展预警预报模型的方法研究，最终分区建立不同的预警模型，确定预警等级。

4 模型建立

合理的选择地质环境影响因子、建立科学的分析方法，并针对不同气象条件，分析雨量因子，开展预警预报模型的方法研究，最终建立预警模型。

(1) 地质环境影响因子图层编制

充分考虑到影响地质灾害发生的地质环境背景、历史地质灾害点分布、社会经济及人类工程活动等因素，依据全面性、时效性、适用性、可替换性等原则，论证选取了海拔高度、地貌类型、年均降雨量、地面坡度、地层岩性、地质构造、岩土体、植被分布、水系分布、交通道路分布、村庄分布以及矿山分布等共计11个因子图层作为预警区的评价因子。

(2) 斜坡单元剖分建立基本预警单位

地质灾害区域预报预警是对一定区域在一定时间段内发生地质灾害的等级进行预报预警，以自然斜坡为基本预警单元，具有在单元内地质条件一致性的优点，提供了地质灾害预警判据的可靠基础。

(3) 地质灾害影响相关关系

为综合考虑每个预警单元内的地形地貌、地质因素、植被及人类活动等地质环境因子，分析各因素对崩滑流等地质灾害发生的敏感性，研究中引入了潜势度的概念。经过对河南省历史灾害数据的统计分析，结合地质环境影响因子数据，综合计算得出各评价因子对于地质灾害发生的权重贡献。

(4) 雨量数据处理

在进行地质灾害气象预警工作时，引发地质灾害的降雨因子由前期降雨量和预报降雨量组成。

本次预警模型构建选取有效降雨量Rc和预报雨量Rp作为雨量因子：有效降雨量用一段时间的当天降雨量分别乘以有效降雨系数得到。

为了确定哪一降雨因子与地质灾害的发生关系密切，通过逐日地质灾害发生的次数与地质灾害发生前15 d的降雨因子的相关分析，经统计，地质灾害的发生与前7 d累积降雨量的相关性系数达0.9以上，而与8 d到15 d的累积降雨量相关性差。因此，在河南省汛期地质灾害气象风险预警系统中，n取值为7。

(5) 地质灾害气象预警模型建立

本系统采用多元线性回归预测模型作为预警模型，选取“地质灾害潜势度”(G)作为地质环境条件因素的综合指标；“有效降雨量”Rc和“预报降雨量”Rp作为降雨诱发因素的指标；以G、Rc、Rp作为输入量，以历史地质灾害点的实际发生情况作为输出量，开展统计分析，建立显式统计的预警模型:

T=f(G,RC,Rp)

5 关健技术

5.1 斜坡单元

传统地质灾害预警单元多采用单元网格剖分法，单元预警数据的分析判断缺少地质条件一致性的支持。斜坡单元作为预警评价单元，可以与地质环境条件紧密联系，综合体现各类控制或影响因素的作用，使评价结果更接近于实际。

斜坡单元建立在现有地形基础上，通过山脊线、山谷线及河流组合进行划分，与工程地质、地质灾害研究对象是一致的。斜坡单元是滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害发育的基本单元，并且在各类控制或影响因素中，河流和沟谷的发育阶段对地质灾害形成具有明显的控制作用。斜坡单元内部条件具有最大均一性，同时斜坡单元之间存在明显差异性。斜坡单元是区域到点预报预警的重要桥梁，在预报预警中起到基础性作用。

斜坡单元剖分的获取方式经过多次论证，采取了基于DEM数据的地表水文分析，包括正反地形无洼地DEM的生成、水流方向的提取、汇流累积量的计算、河网的生成、集水流域的生成等关键步骤，其基本原理是利用正反地形分别提取山谷线和山脊线(分别对应于汇水线和分水线)，把生成的集水流域与反向集水流域融合，再经后期处理人工修改不合理的单元，最终得到的由汇水线与分水线所组成的区域即为斜坡单元(图1)。经过对河南全省的DEM数据提取、剖分，最终河南省共剖分斜坡单元108 817个。

图1 斜坡单元剖分流程图

5.2 分区因子与地质灾害相关性研究

分区因子的选择、相关性判断是预警模型建立的数据基础。通过对河南省近10 a来有效地质灾害数据的统计分析，取得各因子的权重数值。

(1) 分区因子量化

本项目采用广泛使用的确定系数模型(CF)对地质环境影响因子图层进行量化。某单元格的每个因子的CF值直接代表了该因子对地质灾害多发与否的贡献值。CF函数具体表示为：

式中,PPa为事件(地质灾害)在数据a类中发生的条件概率，应用时为数据类a中存在的地质灾害个数与数据类a面积的比值；PPs为地质灾害在整个研究区A中发生的先验概率，可以表示为整个研究区的地质灾害的个数与研究区面积的比值(图2)。

图2 地貌类型CF值样例

(2) 分区因子权重确定

确定性系数(CF)实现了地质灾害各影响因子的定量化表达，采用基于CF的多因子叠加权重法，通过各因子之间的CF值数学统计计算，确定各因子之间相对权重的大小(表1)。为使合并结果易于解释，将合并后的CF值进行分类。

x和y为要合并因子的CF值;Z为合并后的结果。

随后根据下式计算各因子权重，得出每个因子的相对贡献大小：

计算出每个因子图层的相对贡献大小以后，经归一化后得到各因子的权重：

(3) 分区潜势度计算

潜势度计算运用综合指数法进行计算：

表1 河南省各预警区因子权重值示例

将参与计算的斜坡预警单元，按以上公式分别计算潜势度。对各区潜势度的计算结果，采取统一的概率量化指标，并结合研究实际，对潜势度分级划分，形成河南省潜势度分布图。

图3为潜势度计算结果与灾害密度对比，显示地质灾害灾害密度随潜势度增大而增大，经过一系列验证，证明了潜势度充分体现出了地质环境的优劣程度。

图3 潜势度计算结果与灾害点密度对比图

6 主要成果

(1) 系统分析研究了河南省突发性地质灾害与地形地貌、工程地质岩性、地质构造、植被、交通、水系、区域降雨等因素的关系，从而确定了以上地质环境因素是河南省突发性地质灾害发生的重要孕育因素。

(2) 采用斜坡单元为预警对象研制地质灾害气象预警软件，清晰的反映了地质灾害发生与斜坡坡面的关系，其对预警结果的应急响应定位也更具有针对性，对提高预警准确程度和科学管理意义重大。

(3) 系统采用多元线性回归统计对潜势度、前期降雨及预报降雨进行计算，生成预警等级。模型以地质灾害潜势度为基本概率，以非线性特征考虑潜势度与降雨耦合作用带来的概率增量，具有实际应用上的意义。

[1] 刘传正.重大地质灾害防治理论与实践[M].北京：科学出版社，2009.

[2] 刘艳辉.中国地质灾害气象预警模型研究[J].工程地质学报，2015,23(4):738-746.

[3] 殷坤龙.滑坡灾害风险分析[M].北京:科学出版社,2010.

STUDYONMETEOROLOGICALEARLYWARNINGTECHNOLOGYOFGEOLOGICALHAZARDSINFLOODSEASONINHENANPROVINCE

JING Shu-wen，FANG Lin，GUAN Jian

(Henan Province Geological Environment Monitoring Institute,Zhengzhou 450016，China)

In order to improve the ability of geological disaster prevention and control, Henan Province carried out the meteorological early warning technology of geological disasters in flood season. From the perspective of regional early warning, the early warning evaluation factor was selected according to the principle of comprehensiveness, timeliness, applicability and substitutability. The geological conditions of the unit with the consistency of the slope unit as an early warning evaluation unit, the use of statistical methods to study the province’s geological hazards affecting the potential of the degree of analysis of the relationship between geological disasters and rainfall, the establishment of geological hazard and rainfall relationship model, thus Construction of Meteorological Early Warning System for Geological Hazards in Flood Season.

geological disaster；weather warning；factor；ramp unit；rainfall

1006-4362(2017)03-0101-04

2017-03-31改回日期2017-04-30

P429

A

井书文(1973- )，男，工程师，河南郑州人,主要从事水文地质、工程地质、环境地质调查研究工作。E-mail:zzjsw@163.com