基于GIS 的山地地质灾害气象预警研究——以广西陆川县为例

何娜，潘宏坚，吴秋菊

广西地质环境监测站，广西 南宁 530000

地质灾害气象预警是防灾减灾的第一道防线，也是有效防止、减轻山地地质灾害造成危害的重要举措。开展地质灾害气象预警研究能最大限度地减少因灾人员伤亡和财产损失，保障人民群众的生命财产安全。

我国地质灾害气象预警工作已开展了10 多年[1]，各省区市多采用内/外动力耦合成因理论地质灾害的气象预警模型，筛选核心内/外动力地质作用指标、降雨预警指标，构建相应的预警指标体系。然后，根据不同指标所起的作用，按照专家经验进行排序，确定其指标权重值，再通过加权计算得出预警等级。

广西陆川县地处丘陵地带，在陆川县应用该类预警模型开展地质灾害气象预警尚有短板，如在短临强降雨情况下对雨量的取值要求不够明确等。研究小组在陆川县1∶5 万地质灾害详细调查成果的基础上[2]，采取内因和外因相结合的方法，首先对该县山地地质灾害各影响因素进行相关分析，选取控制和影响山地地质灾害发生的主要因素，建立对应的数学模型，并对数学模型进行定量计算[3]，绘制山地地质灾害易发程度区划图。然后，通过进一步分析地质灾害与降雨的关系，提出地质灾害发生的降雨量阈值，划分在不同降雨条件下各地质灾害易发区的气象预警等级，最终生成陆川县山地地质灾害气象预警区划图。

1 研究区概况

陆川县位于广西东南部，县域面积1 551 km2，整体地势大致为东、西两面高、中间低。属南亚热带海洋性季风气候，夏季多暴雨、易洪涝，春秋少雨多旱，多年平均气温为21.7℃。根据玉林市气象局统计数据，该县年平均降雨量为1 893.5 mm，最大年降雨量为3 037 mm（1981年），最小年降雨量为1 019.4 mm（2007 年）；降雨多集中在汛期（4—9 月），约占年降雨量的79.9%；最长连续降雨天数为20 天（1973年），过程雨量为284.8 mm；最长连续无雨天数为82 天（1958 年）；历年最大日降雨量为430 mm（2006 年），最大24 h 降雨量为623.1 mm。

陆川县地貌以构造剥蚀低山丘陵为主，分布有沉积岩、岩浆岩、变质岩3 大类岩石；区域上位于云开隆起带的西北部—博白凹陷带的东北部，地质构造复杂；地下水类型包括松散岩类孔隙水、纯碳酸盐岩裂隙溶洞水、碳酸岩夹碎屑岩溶洞裂隙水、半固结碎屑岩孔隙裂隙水、花岗岩风化带网状裂隙水、基岩裂隙水等6 种。

陆川县1∶5 万地质灾害详细调查资料显示，县内滑坡、崩塌、不稳定斜坡、坡面泥石流山地地质灾害共315处，其中，滑坡126处，崩塌82处，坡面泥石流2处，不稳定斜坡105 处；共有山地地质灾害隐患点205处，其中滑坡66处，崩塌55处，不稳定斜坡84 处。

2 地质灾害易发性区划研究

2.1 易发区划分方法

地质灾害的易发程度区域划分是一个复杂的多元系统。目前定性分析和定量评价是国内外通用的区划方法，其中定量评价是主流趋势[4-6]。此次陆川县地质灾害易发性区划研究首先对山地地质灾害发育特点进行定性分析，再利用GIS 技术进行定量分析，从而得出易发性区域划分方案，具体方法如下。

（1）根据山地地质灾害发育特点，选定山地地质灾害发生的主要控制因素和影响因素；通过定性评价，建立各种主要因素的优势范围，再依据定性评价结果对单因素评价进行分区和划分等级，并对单因素评价进行赋值。

（2）采用专家打分法确定各因素权重值。

（3）在GIS 平台上进行多因素叠加分析，利用各分区单因素评价得分及各因素权重值，采用加权的方法计算各分区地质灾害易发性综合评价值。

（4）根据各参评因素综合评价值对陆川县全境进行山地地质灾害易发程度分区，对交界带不合理的区域进行人为调整、归并。

2.2 评价因素选取及单因素区划

选取的评价因子应能反映研究区山地地质灾害的发育特点和孕灾条件。此次研究以滑坡、崩塌、不稳定斜坡、坡面泥石流等山地地质灾害的易发性作为目标层；选取发育因子（地质灾害现状发育特征）、基础因子（基础地质环境条件）和诱发因子（地质灾害诱发因素）构成准则层，即二级评判因子；根据研究区地质灾害发育特征、形成条件和影响因素的综合分析，选取地质灾害发育因子、地貌类型、地形坡度、工程地质岩组、风化层厚度、地质构造、人类工程活动、多年平均降雨量等对地质灾害易发性影响较为明显的8 个因子构成措施层，即三级评判因子。

2.3 评价因素权重确定

研究小组在对8 个评价因子权重打分的基础上，计算出各评价因素平均值，作为该因子的权重[7]（见表1）。

2.4 基于GIS 的信息量叠加

此次研究利用ArcGIS 系统的空间分析功能，将8 个参与易发程度评价的单因素图做叠加分析，得出带有叠加属性的不同分区。

2.5 易发性综合评价及易发区划分

此次研究采用加权的方法计算各分区地质灾害易发性综合评价值，建立的数学模型如下。

式（1）中，R为评价单元综合评分值；Yi为评价单元内评价因子的权重；Wi为评价单元内评价因子的标准值；n为评价单元内评价因子的数量。

在以上叠加分区的基础上，研究小组利用ArcGIS 系统的“字段计算”功能，按式（1）和表1 所列各要素权重值，计算各分区的综合评分值。再根据综合评分值的高低进行易发程度划分，采用突变点法确定分区界线。

研究小组经过统计分析，最终确定的界线值为：1.00～1.59 为不易发，1.60～2.05 为低易发，2.06～2.55 为中易发，2.56～3.40 为高易发，分别对应不易发区、低易发区、中易发区和高易发区4 个不同等级[8]。其中，不易发区主要位于马坡镇西部、温泉镇中部、乌石镇中部、清湖镇北部、古城镇南部；低易发区主要位于珊罗镇、米场镇、大桥镇、横山镇、清湖镇、古城镇等；中易发区主要位于平乐镇、米场镇、沙坡镇、温泉镇、横山镇、乌石镇、古城镇；高易发区主要位于马坡镇、沙坡镇、横山镇、乌石镇。

表1 陆川县山地地质灾害易发程度评价中各参评因素赋值标准及权重分配表

3 山地地质灾害气象预警设计

3.1 山地地质灾害气象预警的思路

（1）利用“3S”技术[9]，在地质灾害详细调查成果的基础上辅助野外地质灾害调查，确定研究区内各种地质灾害的位置、数量、类型、规模及其影响范围，完成基础资料收集。

（2）通过分析调查资料，选取可能影响山地地质灾害发生的各种因素，建立基于GIS 的地质灾害信息系统，编制相应的空间数据库和图层，主要包括地质灾害空间数据库、地貌图、坡度图、工程地质岩组类型图、残坡积土层厚度分布图、地质图、地质构造图、人类工程活动强度图、降雨分布图等。

（3）分析研究区的地质灾害及其影响因素，对控制和影响地质灾害发生的主要因素进行选取、确定，进而建立相应的数学模型，对数学模型开展定量计算，生成陆川县地质灾害易发程度区划图。

（4）结合历史成果资料，确定降雨与地质灾害的关系，提出地质灾害发生的临界降雨指标（降雨阈值）。

（5）根据地质灾害易发程度区划，分析各易发分区在不同降雨条件下历史地质灾害与降雨的关系，建立数学模型并开展定量分析，确定在不同降雨条件下各地质灾害易发区的气象预警等级。

（6）根据气象部门预报确定的降雨范围、强度、时间和各地质灾害区的降雨量阈值来预警该区域地质灾害发生的风险大小。

（7）根据地质灾害事件发生的频率、规模及危害程度，对地质灾害易发程度分区、降雨量临界值、地质灾害气象预警等级等不断修正和完善。

3.2 临界降雨量的确定

在统计学上，引发崩塌、滑坡、坡面泥石流、不稳定斜坡等山地地质灾害的雨强参数中均存在着一个临界值[10-13]。当降雨强度达到或超过此临界值时，山地地质灾害发生的数量将大大增加。临界降雨指标的确定，主要依据以往发生的山地地质灾害和当日降雨强度的关联性来获取。

此次研究主要依据前24 h 累计降雨量进行山地地质灾害气象预警。从诱发灾害的降雨量角度出发，通过建立统计模型，定量分析各级降雨量下诱发地质灾害的频次，进而确定危险性降雨临界值。

在陆川县已经发生的315 处山地地质灾害中，除了4 处属于岩质，其余的311 处均为土质。根据野外调查资料统计，地质灾害区内碎屑岩分布区、岩浆岩分布区、变质岩分布区所发育的山地地质灾害分布密度无明显差异（见表2），故临界降雨量可以不按地层岩性分别进行确定。

根据陆川县山地地质灾害数量与前24 h 降雨量关系统计数据，在前24 h 累计降雨量为100mm、160mm处，山地地质灾害发生数量有较明显的增加，但增幅不大；当前24 h 累计降雨量超过250mm时，山地地质灾害发生数量急剧增加，260 mm 处的山地地质灾害发生数比250 mm 处增加了110 处（1.77 倍），说明此时已经发生群发型山地地质灾害。因此，此次研究将前24 h 累计降雨量100 mm、160 mm、250 mm 确定为该县山地地质灾害致灾的临界降雨量值。

表2 陆川县各工程地质岩组区发育的山地地质灾害统计表

3.3 预警等级的划分

依据100 mm、160 mm 这2 个降雨量临界值，将地质灾害易发区划分成3个降水危险性等级，即低危险性、中危险性、高危险性。（由于250 mm 为发生群发型地质灾害的阈值，故把该阈值合并到＞160 mm 高危险性降水等级中。）

在此基础上，按下式计算各地质灾害易发分区的致灾信息量值。

式（2）中，Li为不同等级降雨条件下各易发分区提供的致灾信息量值；Ni为不同等级降雨条件下各易发分区发生地质灾害的数量；Si为各分区面积；N0为研究区山地地质灾害总数量；S0为研究区总面积。

结果显示，高易发区的致灾信息量值在-0.33～1.44 之间；中易发区的致灾信息量值在-4.45～0.6 之间；低易发区的致灾信息量值在-4.93～-0.74 之间；不易发区的致灾信息量值在-2.39～0 之间。

依据不同等级降雨条件下各地质灾害易发区的信息量值，研究小组将陆川县的地质灾害气象预警划分为4 个等级（见表3、表4）。

表3 预警等级划分标准表

根据地质灾害气象预警等级计算结果，研究小组划分出高危险性、中危险性、低危险性降水等级山地地质灾害气象预警区（见表5）。

4 山地地质灾害气象预警模型应用

2018年5 月10日16时，玉林市气象台提供陆川县未来24h 降雨预报：陆川县北部及中部为大雨。陆川县前期24h 实际降雨量在1.7～101.9 mm 之间。地质灾害气象预警组结合当地地质环境条件进行分析，联合该县自然资源主管部门、气象部门、电视台发布5 月10日20 时至11 日20 时陆川县米场镇、沙湖镇、沙坡镇、温泉镇、大桥镇、横山镇、乌石镇等地的地质灾害气象预警等级为黄色预警。5 月10 日22 时至次日1 时陆川县中部出现了暴雨到特大暴雨天气，地质灾害气象预警组在收到雨量站的预报短信后，实时监测雨情变化情况，及时将温泉镇、大桥镇、横山镇地质灾害预警级别升级为橙色预警，总计发出短信4 436条，通知撤离受地质灾害威胁住户131 人。温泉镇在此次强对流天气中共发生15 处突发性山地地质灾害，共造成23 间房屋不同程度损坏，直接经济损失约19 万元。由于提升预警等级及时，避免了人员伤亡，极大地减少了财产损失。

5 山地地质灾害气象预警应用建议

从上述山地地质灾害气象预警案例来看，该预警模型及预警系统具有一定的可靠性。下一步将根据发生的地质灾害事件，对地质灾害易发分区、降雨临界值、地质灾害气象预警等级等进行不断的修正和完善。为进一步提高预警水平，研究小组提出以下建议。

（1）增加降雨量自动监测站密度。陆川县域面积不大，地形地貌、岩土体工程地质性质差异却较大，降雨分布不均。由于县境内降雨量自动监测站建网较晚，站点偏少，山地丘陵区站点密度低，根据时段降雨量与地质灾害发生关系分析的结果容易出现偏差。

（2）进一步精确降雨量阈值。此次研究仅提出陆川县山地地质灾害发生前24 h 临界降雨量值，在预警区划上提出100 mm、160 mm、250mm 等3 个前24 h 降雨量阈值，初步对研究区进行了山地地质灾害气象预警区划。由于临界降雨量与实际降雨量可能存在一定的偏差，局部降雨量相差较大的地段的偏差更大，因而有待进一步检验与完善。

（3）建立信息共享机制。建立不同部门（如气象、水文、水利、自然资源等部门）的雨量监测资料共享机制，以确定各个地质灾害发生时的雨量及雨强，有利于深入研究降雨与地质灾害发生的耦合关系。

（4）增设土壤含水率监测站。降雨致地质灾害发生与土体含水率息息相关，因此在地质灾害易发区应增设土壤含水率监测站，依据土壤含水率、塑性指标的变化进行临灾预警。

表4 陆川县地质灾害易发区地质灾害气象预警等级划分表

表5 各级危险性降水等级下陆川县山地地质灾害气象预警区划表

（5）及时、准确上报地质灾害信息。地质灾害监测员应及时上报地质灾害发生信息，以便充分积累第一手资料，分析存在的问题，总结成功预防的经验，逐步修正评价参数与评价模型，以及不同地形地貌区和不同岩性区的降雨临界值，不断提高地质灾害气象预警的准确性，为地质灾害防治提供基础保障。

（6）开展降雨触发地质灾害的临界值试验。在山地地质灾害多发、高发的地区，根据不同的地形地貌、风化残积土体性质、植被特征的组合关系分别开展降雨触发地质灾害的临界值试验，以掌握降雨强度、降雨持续时间与各深度段土壤含水率达到塑限、液限之间的关系，从而获取各地段准确的低危险性降水、中等危险性降水、高危险性降水的阈值，为开展精细化地质灾害预警工作提供可能。

6 结语

地质灾害气象预警研究目前尚处于初级阶段，涉及面广、技术难度大，基础资料、科学依据和工作经验等方面均有待提升。陆川县山地地质灾害发育，在研究全国及各省区市的地质灾害气象模型的基础上，建立适宜陆川县的地质灾害气象预警系统，能有效降低人员伤亡和财产损失。通过制作预警产品并实际发布，检验结果显示预警效果良好，验证该地质灾害气象预警方法有效、可行，该预警模型及预警系统具有可靠性，可为丘陵地区开展地质灾害气象预警的研究提供理论依据。