基于ＧＩＳ的山区高速公路雨量信息管理系统

彭仁涛　申镇豪

摘要：泥石流、滑坡等地质灾害是影响山区高速公路运营安全的主要因素之一，而它们的主要诱发因素之一是强降雨过程，因此在雨季常常发生大量的泥石流、滑坡灾害。本文利用GIS技术建立了山区高速公路雨量信息管理系统的技术框架，用以对雨情的分析以确保行车安全。并将其应用到对西昌-田房高速公路的管理上，为该高速公路的安全运营提供决策支持。

关键词：高速公路；地理信息系统；降雨量；管理系统

西部山区地形陡峻，地质条件复杂，由于泥石流、滑坡等造成的公路断道和交通事故时有发生，严重影响了高速公路的行车安全和运营[1]。对作为串联系统的交通干线而言，危害极大，一处断道，全线瘫痪。如何在高速公路的运营中，对沿线的泥石流、滑坡等灾害进行有效的预测和预防，这是我国西部山区高等级公路建设和运营面临的重大课题之一。

泥石流和滑坡的诱发主要因素之一是强降雨过程，因此在雨季，常常引发大量的泥石流、滑坡灾害。

研究表明：泥石流并不一定在一次暴雨过程结束以后才发生，而往往在暴雨过程中由于短时间内强集中降水诱发形成。当日雨量达140毫米以上的暴雨过程中，如若出现1小时、3小时和6小时最大降水分别为40毫米、80毫米和100毫米以上就会诱发泥石流发生。而当日雨量达300毫米以上时，若出现1小时、3小时和6小时最大降水量分别为60毫米、100毫米和200毫米以上，会诱发形成较重或严重的泥石流。1988年5月21日发生在闽北地区的一次严重泥石流，就是在特大暴雨过程中，1小时最大降水量达68.7毫米，4小时20分内最大雨量达141.7毫米的情况下形成的。通常认为泥石流的发生与前期有较长时间的降水有关。在先有较长时间降水的情况下，由于土层含水饱和，径流系数加大，汇流时间缩短，使地表滑动力和内水压力加大，又遇突发性强暴雨，就更容易发生泥石流。但调查分析还认为，即使前期少雨的情况下，短时间内强集中暴雨同样也可以诱发泥石流，只是在这种情况下，暴雨的强度比前者要大。因此，汛期季节是泥石流发生的主要季节。并且我国西南诸省区地处第一台阶和第二台阶，长期处于地壳上隆过程之中，地震活动频繁、地形切割剧烈、地质结构复杂、岩土体支离破碎，再加上西南地区降水量和强度较大，因而泥石流、滑坡发育强烈[2]。因此对高速公路沿线的降雨量进行及时有效的分析，可以预测泥石流、滑坡地质灾害的发生，从而减轻其对高速公路运营安全的影响。

目前GIS技术在道路安全[3]、地质灾害管理[4]、滑坡泥石流防灾减灾[5]的研究中得到了广泛的应用。本文结合 GIS平台强大的空间数据存储、管理、分析等功能，建立了山区高速公路雨量信息管理系统的技术结构框架，并将其应用到对西昌-田房高速公路的管理上。

1系统总体设计

在本系统中所面对的主要问题是降雨量对公路沿线存在泥石流、滑坡地质灾害的工点的稳定性影响分析。我们可以通过对高速公路沿线已有年份的雨量记录的存储和分析来预测降雨量，还可以通过高速公路沿线的雨量站来获得实时监测的雨量数据，从而分析不同雨量条件下泥石流和滑坡发生的概率，并对雨天高速公路的行车安全提出建议。系统构架及功能设计如下（图1）。

2系统所需数据资料

在进行雨量信息的管理中，需要大量的信息数据作决策支持，下面将信息源共分为5大类：

（1）高速公路线路资料包括线路位置、出入口设置、工程形式、沿线泥石流和滑坡分布及工程形式等；

（2）地质背景资料包括灾害体的物质成分、结构、构造、地层等方面的基础地质资料；

（3）水文地质资料包括河流的水文观测资料、地下水类型及水位随季节的变化特征，为灾害防治研究过程中水的优化管理提供基础数据；

（4）与道路相关的地质灾害安全信息指发生地质灾害的位置、该位置的灾害形式和原因、发生灾害较多的位置、不同的灾害类型在空间上分布、灾害发生量在空间上随时间的分布、交通量在道路上的分布等；

（5）雨量资料包括高速公路沿线雨量站的位置信息和雨量数据。

3 实例简介

西昌(黄联关)-田房高速公路起于已建成的西昌泸沽-黄联关高速公路止点，基本与成都至昆明铁路并行，经德昌、甸沙关、米易、盐边、攀枝花金江镇、仁和、止于田房，全长221.9km。线路在安宁河河谷和金沙江两岸布线，沿线山高坡陡，沟谷迂回，为典型山区地形。安宁河谷为南北向深大断裂形成的地堑河谷、活动断裂，地震活动频繁，容易诱发泥石流和滑坡。全线共分布72条泥石流沟、典型滑坡23处。

由于该高速公路位于凉山彝族自治州和攀枝花市境内，沿线降水充沛，汛期降水量在800~1200mm之间。不但沿线降水丰沛，而且相当集中，夏半年降水量占全年降水量的比例高达90%以上，故该高速公路在雨季发生泥石流、滑坡的几率很高。2004年汛期在该高速公路西昌至攀枝花段所在的地区已发生过几场较严重的泥石流（腊鹅沟对岸的大户村沟，以及德昌县宽裕乡境内的几条沟)，2005年则直接在两个工点发生了泥石流，即海子沟(K50＋662.5)和碾子沟(K44+620)，事实说明西攀地区泥石流灾害形势仍然是十分严峻的。

根据高速公路雨量信息管理系统的需要，在雨量信息数据库的基础上，系统主要包括以下功能：

（1）雨量查询包括通过多种方式查询降雨量信息、雨量站的信息；

（2）泥石流临界雨量的查询包括根据多种方法推求临界雨量，以及对国内现有一些地区的泥石流临界雨量统计值的查询；

（3）泥石流滑坡预报包括由预报降雨量来预报暴雨泥石流滑坡区域性发生情况，和确定暴雨泥石流滑坡区域性活跃度；

（4）行车安全建议指通过对降雨量和泥石流、滑坡的综合分析，对雨天高速公路的行车安全提出建议，如加强巡查线路，限制行车速度，情况严重时可以直接封锁公路；

（5）专题制图包括由已知的降雨量数据，结合线路位置，生成雨量分布图。

此外，借鉴课题组开发的“铁路铁路防洪安全警戒体系[6]”，我们提出了建立“山区高速公路雨量警戒制”。

雨量警戒制是在临界雨量的基础上所提出来的，所谓临界雨量是指降雨量低于这个数值时，一般来说不会发生山地水害自然事件；而当降雨量超过这个数值时，水害事件发生的可能性较大。通过对高速公路沿线的泥石流、滑坡的临界雨量的计算，再综合沿线汛期雨情的自然特征分区、沿线的地质地貌条件及地质灾害分布特点、线路状况及抗洪能力、并结合行政区划，对高速公路进行警戒区段的划分。在同一个警戒区段，雨量警戒值是相等的，这样就便于管理。

在实际操作中，可以根据气象台的雨量预报或者现场监视的雨量情况，对每个警戒区段的行车安全进行指导。可以按照“注意警戒”、“危急警戒”、“封锁道路”三级状态进行汛期行车指导。而这三级状态的警戒雨量值是水害发生的临界降水条件和工程应用需要相协调所制定的。以下分别对其进行说明：

（1）注意警戒进入该状态的基本条件：灾害尚未发生或基本没有发生，有一定的提前量。这时，需要有关部门派出冒雨巡查人员，并通知车辆慢行。

（2）危急警戒进入该状态的基本条件：灾害开始发生，基本没有提前量。这时，要继续派出冒雨巡查人员，并限制行车速度和限制进入高速公路的车辆数。

（3）封锁道路进入该状态的基本条件：水害事件已经危害线路；灾害性强降雨正在发生，连续降雨充分并继续降大雨；灾害可能大面积发生。这时，需要封锁道路进行检查，并排除险情后才能解除封锁。

4结束语

应用GIS技术建立山区高速公路雨量信息管理系统是目前最有效的泥石流、滑坡灾害的防治手段，是灾害防治中重要的非工程措施，可以为灾害的预测提供决策支持。该系统对泥石流滑坡的活动性分析，以及指导安全行车有关键作用。

参考文献：

[1]吴兴华,姚令侃.基于GIS的西攀高速公路沿线滑坡灾害管理[J].四川测绘,2006,29(2):89-93.

[2]廖育民.地质灾害预报预警与应急指挥及综合防治实务全书 [M].哈尔滨：哈尔滨地图出版社,2003.39-48.

[3]王卫东,刘武成.基于GIS的公路地质灾害信息管理与决策支持系统[J].中南大学学报(自然科学版),2003,34(3):302-305.

[4]金晓媚,刘金韬.地质灾害管理信息系统[J].灾害学,1999,14(2):78-81.

[5]李发斌,崔鹏,周爱霞.RS和GIS在滑坡泥石流防灾减灾中的应用[J].灾害学,2004,19(4):18-24.

[6]杨明,姚令侃,华明.汛期安全行车雨量警戒制管理信息系统[J].路基工程,2003(2):1-3.