运用GIS技术对河南省禹州市进行地质灾害气象预警研究

龚巍峥（河南省地质环境勘查院，河南 郑州　450051）

运用GIS技术对河南省禹州市进行地质灾害气象预警研究

龚巍峥
（河南省地质环境勘查院，河南 郑州450051）

运用GIS技术对河南省禹州市进行地质灾害预警研究和预测预报。研究从引发禹州市地质灾害的内因和外因入手，首先进行全市地质灾害易发性分区，其次在充分考虑降雨对地质灾害发生影响的基础上进行地质灾害气象预警分区，然后采用临界降雨量模型判据法在重点及次重点预警区开展地质灾害气象预警预报研究。

地质灾害；气象预警；临界降雨量判据；河南省禹州市

1　前言

河南省禹州市地质环境比较脆弱，崩塌、滑坡、地面塌陷等地质灾害频发，主要诱发因素为降雨，特别是强降雨、连阴雨或暴雨过后，发生历时短、速度快、危害大的突发性地质灾害，造成人员伤亡及财产损失。截止2015年底，该市因地质灾害已造成经济损失81 850.2万元，威胁人数22 940人，威胁财产43 420万元[1]。禹州市的社会经济发展与地质灾害的矛盾日益突出，开展地质灾害气象预警研究工作，找出一套适合禹州市的地质灾害气象预警方法，是有效避免突发性地质灾害造成人员伤亡和减少财产损失的手段之一，有利于促进当地政府实现防灾减灾的目标[2-3]。

禹州市位于河南省中部，总面积1 472km2，地处伏牛山余脉与豫东平原的过渡地带，除东部为平原外其他三面环山，地势西高东低，海拔90～1 150.5m，地貌类型复杂。区内属暖温带大陆性季风气候，四季分明，多旱、涝、风、雹等气象灾害，年平均气温在13.0～16.0℃之间，多年平均降水量659.25mm。禹州市属淮河流域，共有大小河流131条，大部为季节性河流，常年性河流较大的有颖河、北汝河支流、清泥河等。区内地层发育较好，出露地层除缺失志留系、泥盆系、古近系外，自早元古代—新生代均有出露，岩浆岩不发育。禹州市地处许昌—淮南地震带上，处于河南省地震裂度Ⅵ-Ⅶ度区，地震动峰值加速度为0.05～0.10g。地下水类型根据赋存特征分为第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐类裂隙岩溶水和基岩裂隙岩溶水四种[4]。区内对自然环境破坏较严重的人类工程活动主要有矿山开采、交通建设、建筑活动。

根据禹州市1∶50000地质灾害详细调查资料，禹州市地质灾害点共计105处，其中滑坡8处，崩塌2处，地面塌陷95处。地质灾害隐患点有68个，其中滑坡隐患10处，崩塌隐患4处，地面塌陷隐患54处。灾害多发生在矿区、乡镇、公路等人类活动集中区域[1]。

2　运用GIS技术进行地质灾害易发性分区

由于地质灾害具有随机性、模糊不确定性和复杂性等特点。评价采用定量、半定量方法，以已发生过的地质灾害为背景，根据调查做出现状评价，同时把地质环境条件细化为五个评价指标，并充分考虑降雨因素和人类工程经济活动及各种外营力条件变化影响做出预测性评价(见图1)[5]。

图1　地质灾害易发性分区评价指标体系图

在1∶50000比例尺地质灾害详细调查基础上，对全区进行了25m×25m的网格剖分，利用ArcGIS系统平台的空间叠加、统计以及分析计算功能，将研究区各评价单元数据按照权重分配结果进行信息叠加计算，得到地质灾害易发程度评价基图，然后综合考虑各种因素，人工进行局部修整、合并，得出禹州市地质灾害易发程度区划图，划分为高、中、低、不四个等级易发区(见图2)[6]。

图2　禹州市地质灾害易发性区划图

3　地质灾害气象预警系统

3.1技术路线

(1) 在地质灾害易发程度区划(内因)的基础上，进行地质灾害气象预警分区，同时确定地质灾害气象预警的分级。

(2) 对每个预警区内发生过的地质灾害事件与降雨过程的相关性进行统计分析，建立各预警区的地质灾害事件与临界过程降雨量的统计关系图，确定地质灾害事件在一定区域爆发的不同降雨过程临界值，作为预警判据。

(3) 当接收到市气象台发来的次日降雨量预报数据和预报雨量等值线图后，对每个预警区叠加分析，根据判据图初步判定发生地质灾害的可能性，从而得出各个地质灾害预警分区的预警等级结果。

(4) 国土部门、气象部门及传播媒体联合对外发布灾害预警信息[2-3]。

3.2预警对象、类型及时段

根据禹州市地质灾害发育情况及危害程度，确定预警对象主要为崩塌、滑坡、地面塌陷(加剧)等灾害。预警类型为空间预警。预警时段采用24小时短期预警：当日20时至次日20时。

3.3预警等级

根据《国土资源部和中国气象局关于联合开展地质灾害气象预报预警工作协议》，预报等级统一划分为5级，一级为可能性很小，二级为可能性较小，三级为可能性较大，四级为可能性大，五级为可能性很大。其中三级在预报中为注意级，四级在预报中为预警级，五级在预报中为警报级[7]。

根据实际需求，基于气象条件作为诱发因素，结合禹州市地质灾害发生的可能性和考虑其发生的影响程度，将禹州市地质灾害气象预报划分为如下5个等级(见表1)。

表1　禹州市地质灾害气象预报等级划分

3.4预警区划

在地质灾害易发分区的基础上，把禹州市分为4个地质灾害预警区(见图3)，Ⅰ级预警区为地质灾害气象重点预警区，Ⅱ级预警区为地质灾害气象次重点预警区，Ⅲ级预警区为地质灾害气象一般预警区，Ⅳ级预警区为地质灾害气象次一般预警区。Ⅲ级预警区主要为地质灾害发育较少的丘陵、岗地地区；Ⅳ级预警区主要为地势平坦的冲洪积平原，工程地质条件较好，降雨对其影响不大，不易发生地质灾害；Ⅲ、Ⅳ级预警区地质灾害气象预报预警等级一般达不到三级，因此对Ⅲ、Ⅳ级预警区不进行地质灾害气象预警预报，仅对Ⅰ级预警区和Ⅱ级预警区进行气象预警预报。

图3　禹州市地质灾害气象预警区划图

将禹州市地质灾害气象预警分区图与地理底图、行政区划图叠加，并进行统计分析，得出禹州市地质灾害气象预警分区表(见表2)。

Ⅰ级预警区为重点地质灾害气象预警区，区内工程地质条件较差，地形地貌复杂，坡度较陡，植被发育差，人口密集，人类工程活动频繁，是地质灾害高发区，遇到强降雨或者连续降雨要加强气象预警工作，完善群测群防体系，对重点地段要及时的巡查和预警，以便更好地减灾防灾。Ⅱ级预警区为次重点地质灾害气象预警区，广阔分布在低山、丘陵区，区内工程地质条件相对较差，局部岩层风化严重，节理、裂隙发育，地形地貌复杂，是地质灾害相对高发区，完善群测群防体系，在暴雨及连阴雨等天气要加强地质灾害气象预警工作，重点地段做好巡防和监测工作，以便出现险情及时处理[2-3]。

表2　禹州市地质灾害气象预警分区

4　地质灾害预警判据

4.1理论认识

由于缺乏对地质灾害单体的监测数据，故本次着重研究诱发降雨量和地质灾害发生之间的函数关系，从而建立汛期地质灾害气象预警判据：

(1) 崩塌、滑坡与泥石流是在斜坡地带产生的，其分布、形成、发展受地质环境条件控制，具明显的地质分带性。数学模型研究中，地质环境条件的控制性作用，已在预警区划中得到充分体现。

(2) 崩塌、滑坡与泥石流在形成机理上存在很大差异，但在时空分布上，往往互为伴生或互为因果。比如：在大型斜坡地带，由分水岭至坡脚方向可依次发生崩塌、滑坡、坡面泥石流；泥石流沟谷两侧可发生崩塌、滑坡；大型崩塌、滑坡可堰塞沟谷，诱发泥石流；一次高强度的降雨过程可同时诱发崩塌、滑坡、泥石流等诸灾种。根据禹州市地质灾害积累数据较少的实际情况，本次工作将降雨诱发的崩塌、滑坡作为同一的地质灾害事件来考虑。

(3) 在同一预警小区内，不同的降雨量值(地质灾害发生的降雨量临界值，下同)诱发不同规模、不同数量的地质灾害。

(4) 将地质灾害量级(数量、规模)随降雨量值增大的过程，视为地质灾害气象过程，过程中的地质灾害事件看作地质灾害气象事件。

(5) 高量级的地质灾害气象事件，由低量级的地质灾害气象过程为其储备物质和能量，地质灾害气象过程具连续性；高量级的地质灾害气象事件，也可由高强度的降雨激发产生，地质灾害气象过程同时具突变性。

4.2判据确定原则与资料依据

根据有限资料积累和历史经验，突发性地质灾害不但与当日激发降雨量有关，且与前期过程降雨量关系密切，本次工作选定1～30日30个过程降雨量数据进行统计分析，以期建立一个地区诱发突发性地质灾害事件的两种临界雨量判据：当日激发雨量判据和前期过程降雨量判据。

资料依据主要有三个方面：

(1) 禹州市已开展的地质灾害调查资料。

(2) 禹州市近年来开展的汛期地质灾害应急调查资料。

(3) 禹州市气象局提供的多年逐日降雨量资料。

4.3不同降雨过程代表数据

禹州市气象局系统对日降雨量(Q)的预报和统计是按每日20时到次日20时计算。比如，8月3日降雨量是指8月2日20时到8月3日20时产生的降雨量，预警判据亦采用同步记时方式，若地质灾害发生在当日12时以后，基本可对应于1日(当日)过程降雨量t1；若灾害事件发生在20时以后的夜间，则对应于当日和前一日(2日)过程降雨量t2更符合实际。因此，本次工作选定的数据代表性时段为日(24小时)，代表性数据记做：

4.4 临界和过程降雨量预警判据图的建立

通过收集的资料建立历史降雨量数据库和降雨诱发的地质灾害空间数据库，反演出已发生地质灾害的降雨量临界值及前期连续降雨过程临界值初级数据，得出各对应临界过程降雨量的统计值，并按多年出现的频率结合其他因素人为进行适当调整，以此作为地质灾害气象预警判据基本数据，最终确定出各预警区Q1，Q2，Q3，……，Q28，Q29，Q30的预警判据图(见图4)[8]。

图4　地质灾害气象预警判据模式

图中A区：不发布预报区；B区：预报发布区；C区：警报发布区；Qα线：预报临界线(Ⅱ、Ⅲ级分界线)；Qβ线：警报临界线(Ⅳ、Ⅴ级分界线)。

横坐标为时间t (1≤t≤30日)，纵坐标为过程降雨量Q(mm)，得出Qα、Qβ两条地质灾害事件发生的临界降雨量曲线[9]。当实况过程降雨量曲线Q(t)位于判据图的不同位置时，将给出不同的预警结果：

Q(t)＜Qα时，过程降雨量曲线位于A区，规定预警等级为一、二级；

Qα≤Q(t)＜Qβ时，过程降雨量曲线位于B区，规定预警等级为三、四级；

Q(t)≥Qβ时，过程降雨量曲线位于C区，规定预警等级为五级。

4.5各预警区预警判据

根据计算出的数据，参考类似地质环境气象条件资料进行对比，制作出Ⅰ级预警区和Ⅱ级预警区的预警判据图(见图5、图6)。图中α线：预报临界线(Ⅱ、Ⅲ级分界线)；β线：警报临界线(Ⅳ、Ⅴ级分界线)。

图5　禹州市Ⅰ级预警区地质灾害气象预警预判判据模式

图6　禹州市Ⅱ级预警区地质灾害气象预警预判判据模式

根据计算出的当日的综合有效降雨量，对Ⅰ、Ⅱ级预警区采用图5和图6的地质灾害气象预警判据模式图来确定Ⅰ、Ⅱ级预警区的预警等级，根据预警等级进行地质灾害气象预警预报，重点地段进行巡查和加强监测，以便更好的达到减灾防灾的目的。

5　结语

禹州市地质灾害气象预警方法研究是当地政府实施防灾减灾工作取得的有效成果。禹州市地质灾害气象预报预警系统的建立，可以积极指导当地群测群防工作的开展。在地质灾害易发性分区的基础上，进行地质灾害气象预警分区，对重点区和次重点预警区采用临界降雨量进行模型预判，理论上实现了禹州市的地质灾害气象预警预报研究[2-3]。本次研究在禹州市是一项开创性、探索性工作，该预警预报模型系统的可靠性还需要进一步验证，有必要进行更深一步的研究和完善。

[1]龚巍峥,郭东兴,邢书源,等.河南省禹州市1∶5万地质灾害详细调查报告[R].郑州:河南省地质环境规划设计院有限公司,2015.

[2]丁伟翠,杨强,王爱军,等.应用GIS技术对甘肃省灵台县地质灾害气象预警的研究[J].中国地质,2010,37(4):1199-1207.

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[4]张贤良.河南禹州地质灾害区划与安全性评价[J].地质装备, 2012(8):37-39.

[5]郑长远.层次分析法在地质灾害调查评价中的应用[D].北京:中国地质大学,2013.

[6]徐媛.基于GIS的互助县地质灾害易发性评价研究[D].北京:中国地质大学,2013.

[7]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.

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[9]焦星东,罗勇平,孙忠强.基于Mapgis技术的地质灾害气象预警系统研究[J].中国安全生产科学技术,2010,6(4):103-108.

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

河南省国土资源厅2013年度两权价款项目(编号：豫招2014-231-13)。