地质灾害气象风险预警及气象格点数据在预警中的应用

王平波，游 情

（1.山西省地质环境监测中心，山西 太原 030024；2.广州金汀信息科技有限公司，广东 广州 510670）

1 引言

山西省地处黄土高原区，地形高差大，山高坡陡，沟壑纵横，自然地质环境条件较差，崩塌、滑坡、泥石流地质灾害较发育，特别是由于经济发展的需求，人类工程活动愈加强烈，修路切坡、削坡建房等造成边坡失稳，引发崩塌、滑坡地质灾害时有发生，由此带来了一定的经济损失及人员伤亡，严重影响了当地居民的正常生活，地质灾害已成为影响人民生命财产安全和阻碍当地经济发展的重要因素。

针对山西省地质灾害危害严重的现状，按照全国《地质灾害防治条例》的要求及原国土资源部、国家气象局的统一部署，原山西省国土资源厅与山西省气象局于2004年起，每年汛期（6—9月）联合开展全省地质灾害气象风险预警预报工作，通过开展地质灾害气象风险预警工作，对提高全民的防灾减灾意识，减轻以降水为主要诱因的崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害造成的经济损失与人员伤亡，具有非常重要的意义。

2 地质灾害气象风险预警方法

2.1 预警等级划分

地质灾害气象风险预警涉及的灾种是因气象因素引发的崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害。地质灾害气象风险预警是通过对不同地区降水与崩塌、滑坡、泥石流的统计研究，找出不同地区降水诱发崩塌、滑坡、泥石流的临界值，建立相应的预警模型，对降水诱发崩塌、滑坡、泥石流的可能性作出判断。

预警等级是未来一段时间内，某区域发生地质灾害风险的一种量度，根据地质灾害气象风险预警的相关规范[1]，预警等级共分为四级级别：Ⅰ级红色预警、Ⅱ级橙色预警、Ⅲ级黄色预警、Ⅳ级蓝色预警，如表1所示。

表1 地质灾害气象风险预警等级划分表

2.2 预警方法

山西省地质灾害气象预警预报工作从2004年开始至今，经过了手工判据预报及预警模型预报两个阶段。2004—2007年以手工预报、人工判据为主，2008年以后采用预警预报模型进行预报。

2．2．1 人工判据法（临界降雨量判据法）

应用地貌分析法，根据地形地貌格局、气候分带、地层岩性、地质构造等地质环境条件和降雨型崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的发生情况进行预警区域划分，山西省共划分为11个地质灾害风险预警区。收集预警区内已发生的崩塌、滑坡、泥石流地质灾害点的相关资料，并进行整理与登记，然后向气象台收集这些地质灾害点发生当日及前15日的降水量情况，建立临界降雨量模板判据，如图1所示。图1中α线和β线为地质灾害预警等级划分界线，横坐标为过程降水量的统计天数，纵坐标为对应的过程降水量，散点为对应过程降水量统计天数和过程降水量数值发生的地质灾害事件。根据前期实际降雨量和未来24 h预报降雨量，对每个预警区叠加分析，初步判定发生降雨型地质灾害的可能性。最后，结合地质环境、生态环境和人类活动方式、强度等指标进行综合判断，对未来24 h降雨过程诱发地质灾害的空间分布进行预报。

图1 标准临界降水判据模板

2．2．2 预警预报模型法

2008年山西省地质环境监测中心与广州云金地数码科技有限公司合作开发了地质灾害风险预警信息系统，建立了地质灾害气象风险预警模型，实现了山西省地质灾害气象风险预警工作自动化，预警成果自动生成（可进行人工干预）、自动入库、出图，与气象台实现专线资料传输、可视化会商，山西省地质灾害气象风险预警工作迈上了一个新台阶。

山西省地质灾害预警信息系统利用先进的网络技术、数据库技术和地理信息系统（GIS）技术，对地质灾害的影响因素进行动态抽取和空间叠加分析，将空间数据的属性数据进行模糊（Fuzzy）和信息优化（Optimize）处理，利用模糊人工神经网络模型和预先建立的样本库数据计算每一个灾害分析单元的失稳系数，从而建立起“模糊人工神经网络地质灾害预警模型”，利用历史和预报降雨量数据结合已经建立的灾害预警分析模型进行预警预报分析。

山西省地质灾害气象预警系统运行以来，大幅提高了工作效率和预警准确度，在复杂的天气条件下能在最短的时间内及时发出预警，对当地政府地质灾害防治工作起到了重要的指导作用。该模型具有自学习功能，随着每年地质灾害隐患排查后全省地质灾害数据库的更新及用户参数的调整，该模型会同步进行自我更新完善，不断提高预报准确率。

2.3 预警发布

山西省地质灾害风险预警成果如图2所示，它的发布渠道主要是电视、网站和手机短信，预警产品制作完成后，三级以下预警级别通过山西省地质灾害信息网发布；有三级及三级以上预警级别时，及时与气象台会商，预警结果除在山西省地质灾害信息网发布外，在山西卫视新闻之后的天气预报节目中发布，同时利用预警短信群发功能给地质灾害防治管理人员及群测群防人员发送预警短信。

2.4 预警流程

山西省地质灾害气象风险预警流程如图3所示。

图2 地质灾害气象风险预警网成果发布图

图3 山西省地质灾害风险预警流程图

3 气象格点数据在地质灾害风险预警中的应用

2018年山西省地质灾害气象风险预警系统将预测降水量站点数据改为气象格点数据进行地质灾害预警分析[3]，气象格点数据建立的标准为5 km，全省格网数为11 868个。气象格点数据的应用主要通过增加预测降水量的点密度，提高地质灾害风险预警的精度。

3.1 总体架构

系统采用数据服务层、业务逻辑层、表现层三层体系结构，系统设计与实现采用面向对象的软件设计方法和组件开发技术。在数据服务层，以Oracle大型关系型数据库存储数据，用ArcGIS进行空间数据管理和服务，以ArcEngine为客户端开发工具。在业务逻辑层，以GIS应用组件、灾害预警模型算法组件、版本自动更新组件、用户管理组件、数据访问组件等为基础进行开发，利用Micrοsοft的WebService和ASP.NET包装和表现组件，最后使用IIS进行Web服务。

3.2 格点预报数据分析技术流程

山西省格点预报数据预警分析技术流程如图4所示。

图4 山西省格点预报数据预警分析流程图

3.3 算法

克里金方法（Kriging），是以南非矿业工程师KRIGE.D G（克里格）名字命名的一项实用空间估计技术，是地质统计学的重要组成部分，也是地质统计学的核心。

3.4 应用功能

利用气象格点数据进行地质灾害气象风险预警的应用功能有雨量数据融合管理系统和格点预报融合分析系统，具体功能如表2、表3所示。

表2 雨量数据融合管理功能表

4 结论

地质灾害气象风险预警涉及的灾种主要有崩塌、滑坡、泥石流突发性地质灾害；预警等级分为四级，一级红色——预警地质灾害风险很大，二级橙色预警——地质灾害风险大，三级黄色预警——地质灾害风险较大，四级蓝色——预警地质灾害风险较小。地质灾害气象风险预警的方法有人工判据法和预警模型法，人工判据法的关键是确定不同降雨过程临界值作为预警判据，通过人工分析，对地质灾害发生的可能性作出预测和判定。预警模型法实现了预警工作自动化，在复杂的天气条件下能在最短的时间及时发出预警。利用气象格点数据进行地质灾害风险预警是在预警模型法的基础上，将预测站点数据改为预测格网数据，通过增加预测降水量的点密度，从而提高了地质灾害风险预警的精度。

表3 格点预报融合分析功能表