基于GIS的天津市突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王爽，王晴，斯藹，劉振輝，李曉華

（1.天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，天津 300191；2.天津市財(cái)經(jīng)大學(xué)，天津 300222）

基于GIS的天津市突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王爽1，王晴2，斯藹1，劉振輝1，李曉華1

（1.天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，天津 300191；2.天津市財(cái)經(jīng)大學(xué)，天津 300222）

基于地質(zhì)災(zāi)害的多樣性及其變化的隨機(jī)性和非穩(wěn)定性特點(diǎn)，本文綜合利用數(shù)學(xué)算法和GIS技術(shù)，設(shè)計(jì)了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型，分析了誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的地形、地貌、氣象、水文等幾方面的因素，應(yīng)用地質(zhì)災(zāi)害顯式統(tǒng)計(jì)預(yù)警的基本原理，并通過確定性系數(shù)模型(CF)綜合分析了天津市地質(zhì)災(zāi)害分布與地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)因素的關(guān)系，更好的修訂了我市地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)模型。實(shí)踐證明，應(yīng)用基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)已在我市近幾年的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)中不斷完善，預(yù)警預(yù)報(bào)精度得到提高，防災(zāi)減災(zāi)效果明顯，對(duì)保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全發(fā)揮了重要作用。

地質(zhì)災(zāi)害；模型；預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)；防災(zāi)減災(zāi)

天津市地處華北平原東北部，地質(zhì)條件比較脆弱，地質(zhì)災(zāi)害以崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害為主，多次造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。自2004年，經(jīng)天津市人民政府批準(zhǔn)，天津市國(guó)土資源和房屋管理局與天津市氣象局聯(lián)合，開展了以大氣降雨為誘發(fā)因素的天津市汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)預(yù)警工作。該項(xiàng)工作的開展起到了一定的成效，但由于該預(yù)警預(yù)報(bào)模板采用單一的臨界雨量判據(jù)法，未考慮預(yù)警精度還受到所預(yù)警地區(qū)突發(fā)性地質(zhì)事件樣本數(shù)量、地質(zhì)環(huán)境發(fā)育現(xiàn)狀、地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性及區(qū)域人類工程活動(dòng)等諸多因素制約，而難于解釋地質(zhì)環(huán)境變化及地質(zhì)災(zāi)害成因?qū)︻A(yù)警工作的影響，在預(yù)警準(zhǔn)確性方面也亟待提高，針對(duì)此一系列問題，本文在以往工作基礎(chǔ)上，提出了基于GIS環(huán)境下的天津市突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)，課題的完成將有利于天津市地質(zhì)災(zāi)害的防治工作,有利于保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全及社會(huì)的穩(wěn)定。

1 天津市地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 預(yù)警預(yù)報(bào)模型設(shè)計(jì)流程[1]

天津市突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)模型設(shè)計(jì)綜合利用了GIS技術(shù)，過程包括地質(zhì)災(zāi)害影響因子評(píng)價(jià)和預(yù)警信息發(fā)布兩個(gè)階段。地質(zhì)災(zāi)害影響因子評(píng)價(jià)階段是對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的空間、時(shí)間及造成危害、損失可能性做出分析判斷的過程；評(píng)價(jià)結(jié)果發(fā)布是在評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上，借助信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果的可視化并通過當(dāng)?shù)仉娨暸_(tái)及其他媒介對(duì)外發(fā)布，流程如圖1所示。

圖1 災(zāi)害預(yù)報(bào)工作流程Fig.1 Disaster oforecast p rocess

1.2 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選與確定

天津市北部山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響因素龐雜，包括地貌、地層、地質(zhì)構(gòu)造（斷裂）、山坡坡度、高程、植被覆蓋率、水系、地震烈度、巖組類型、歷史地質(zhì)災(zāi)害影響（災(zāi)害點(diǎn)和災(zāi)害規(guī)模）、降雨量、人口密度和人類工程活動(dòng)分區(qū)等等，如果把上述因素均列入地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警評(píng)價(jià)，則將會(huì)得到龐大的指標(biāo)體系，這不僅增加評(píng)價(jià)工作量，而且還會(huì)沖淡主要指標(biāo)的作用。因此，本研究采用確定性系數(shù)模型進(jìn)行關(guān)鍵性信息選取。

1.2.1 確定性系數(shù)模型（CF）[2]

CF作為一個(gè)概率函數(shù)，最早由Shor t l i of ofe和Buchanan（1975）提出，由Heckerman（1986）進(jìn)行了改進(jìn)，其表示為下式：

其中：ppa是事件（地質(zhì)災(zāi)害）在數(shù)據(jù)類a中發(fā)生的條件概率，在實(shí)際災(zāi)害應(yīng)用時(shí)可以表示為代表數(shù)據(jù)類a的單元中存在的災(zāi)害面積與單元面積的比值；pps是事件在整個(gè)研究區(qū)中發(fā)生的先驗(yàn)概率，可以表示為整個(gè)研究區(qū)的災(zāi)害的面積與研究區(qū)面積的比值。

計(jì)算出每一數(shù)據(jù)層的CF后，需要將不同數(shù)據(jù)層的CF進(jìn)行合并。假定要合并兩個(gè)數(shù)據(jù)層的CF分別為x和y，合并后的結(jié)果為z，合并公式如下式：

1.2.2 關(guān)鍵影響因子確定

根據(jù)公式（2）將各因子數(shù)據(jù)層進(jìn)行合并，合并的字段為CF值。首先將其中兩個(gè)因子數(shù)據(jù)層進(jìn)行合并形成一新的數(shù)據(jù)層，然后與第3個(gè)因子數(shù)據(jù)層進(jìn)行合并，直到所有數(shù)據(jù)層均合并完為止。為使合并結(jié)果易于解釋，將合并的圖層的CF字段值進(jìn)行分類，分為5個(gè)級(jí)別。劃分標(biāo)準(zhǔn)與每一級(jí)別的意義如表1所示。

據(jù)上式計(jì)算得到的每個(gè)因子圖層疊加后分段的百分比的變化量，見圖2。

由圖2可見，各因子對(duì)于災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)率有所不同，根據(jù)下式（3），計(jì)算每個(gè)圖層因子的相對(duì)貢獻(xiàn)大小，計(jì)算結(jié)果見表2。

根據(jù)表2，由于地層、地震烈度和人口密度3個(gè)因子的相對(duì)貢獻(xiàn)值較小、不足1，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的代表性原則，將其從評(píng)價(jià)指標(biāo)中去除。選定地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、降雨量等其它11項(xiàng)指標(biāo)作為研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害（崩塌、滑坡和泥石流）影響因子。

1.3 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害影響因子權(quán)重的確定

將篩選出的影響因子劃分成四部分，即發(fā)育因子（歷史地質(zhì)災(zāi)害）、基礎(chǔ)因子（水系、高程、地貌、植被覆蓋、地質(zhì)構(gòu)造、山坡坡度、巖組類型）、易損因子（人類工程活動(dòng)）以及激發(fā)因子（降雨量）。發(fā)育因子、基礎(chǔ)因子和易損因子聯(lián)合作為研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育基礎(chǔ)因子，進(jìn)行研究區(qū)預(yù)警區(qū)劃判定，然后結(jié)合激發(fā)因子進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警判定。

表1 CF穩(wěn)定性級(jí)別劃分Table 1 Division o of the CF va lue g rade

圖2 各因子圖層CF值疊加后分段百分比的變化量Fig.2 Variation oof subsection percentages a ofter superposition o of the CF va lues o of various ofactors

表2 因子貢獻(xiàn)率分析Table 2 The ofactor ana lysis o of contribution rate

1.3.1 評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

將上述定性指標(biāo)量化，采用5分法賦值，實(shí)現(xiàn)定性指標(biāo)的量化。在此基礎(chǔ)之上，將量化后的指標(biāo)做歸一化處理，則各類因子等級(jí)劃分見表3～6：

表3 發(fā)育因子選取及賦值Table 3 Se lection and assignm en to of the grow th ofactors

表4 基礎(chǔ)因子選取及賦值Table 4 Se lection and assignm en t o of the basic ofacto rs

表5 易損因子選取及賦值Table 5 Se lection and assignm ento of the vu lne rab le ofacto rs

表6 激發(fā)因子選取及賦值Table 6 Se lection and assignm ento of the stim u lating ofactors

1.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)

采用層次分析法[3]進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的賦值。在咨詢相關(guān)專家的基礎(chǔ)上，給出了準(zhǔn)則層發(fā)育因子（B1）、基礎(chǔ)因子（B2）、易損因子（B3）和激發(fā)因子（B4）對(duì)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警（A）的判斷矩陣（表7）。

(1)發(fā)育因子評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

發(fā)育因子（B1）下設(shè)災(zāi)害點(diǎn)（C1）和災(zāi)害規(guī)模等級(jí)（C2）兩項(xiàng)指標(biāo)（表8）。結(jié)合表3可知，災(zāi)害點(diǎn)（C1）和災(zāi)害規(guī)模等級(jí)（C2）的權(quán)重分別為0.1和0.05。

(2)基礎(chǔ)因子評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

基礎(chǔ)因子（B2）下設(shè)地形地貌（C3）、高程（C4）、地面坡度（C5）、工程巖組（C6）、地質(zhì)構(gòu)造（C7）、植被覆蓋（C8）和水系（C9）6項(xiàng)指標(biāo)（表9）。表7羅列了基礎(chǔ)因子指標(biāo)的判斷矩陣及其最終權(quán)重值。

(3)易損因子評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

由表5可得，人類工程活動(dòng)（C10）的權(quán)重即為易損因子權(quán)重（B3），為0.11。

(4)激發(fā)因子評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

由表6可得，降雨量（C11）的權(quán)重即為激發(fā)因子權(quán)重（B4），為0.25。

1.4 地質(zhì)災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)

當(dāng)?shù)玫揭粋€(gè)地區(qū)的激發(fā)因子（降雨量）預(yù)報(bào)數(shù)值時(shí)，導(dǎo)入本研究區(qū)預(yù)警區(qū)劃，就可以根據(jù)多項(xiàng)因子綜合分析計(jì)算出的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的預(yù)警預(yù)報(bào)數(shù)值（表10），作為預(yù)警指標(biāo)使用[4，5]。

表7 因子AHP評(píng)價(jià)判斷矩陣Table 7 AHP app raisa lm atrix o of pa ram e te r

表8 發(fā)育因子指標(biāo)AHP評(píng)價(jià)判斷矩陣Table 8 AHP app raisa lm atrix oof grow th ofactor param eter

表9 基礎(chǔ)因子指標(biāo)AHP評(píng)價(jià)判斷矩陣Table 9 AHP app raisa lm atrix o of basic ofacto r pa ram eter

表10 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)等級(jí)劃分表Table 10 Forecast-warning grade o of geo-hazard

2 預(yù)警預(yù)報(bào)案例分析

以GIS為技術(shù)平臺(tái)，將上述評(píng)價(jià)因子數(shù)字化（編圖采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1/10萬(wàn)數(shù)字化地形圖作為底圖）。在此基礎(chǔ)之上，按1 km×1 km，將評(píng)價(jià)區(qū)劃分成850個(gè)柵格，每一個(gè)柵格中對(duì)應(yīng)的各因子屬性賦值及權(quán)重賦值，運(yùn)用GIS的空間疊加功能，實(shí)現(xiàn)了天津市突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的分層次遞進(jìn)模型的定量研究和空間可視化。

以2011年7月29日的降雨數(shù)據(jù)為例進(jìn)行預(yù)測(cè)[6]，預(yù)測(cè)結(jié)果（圖3）顯示，預(yù)警等級(jí)較高的地帶多分布在地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)內(nèi)，并且基本上與降雨量有著正相關(guān)。預(yù)警結(jié)果顯示，未來1日地質(zhì)災(zāi)害三級(jí)預(yù)警區(qū)主要分布在下營(yíng)、官莊及別山一帶，發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害機(jī)率較大，需要引起關(guān)注，當(dāng)天通過媒體向公眾及有關(guān)部門進(jìn)行了匯報(bào)。后期經(jīng)實(shí)地調(diào)查[7]，7月30日，在下營(yíng)馬營(yíng)公路、小東溝村西鄉(xiāng)間公路和盤山東麓磚薊公路沿線等地，不同程度地發(fā)生塊石崩落，與預(yù)測(cè)結(jié)果基本相符，說明評(píng)價(jià)模型具有一定的可行性。

3 結(jié)論與討論

圖3 天津市北部山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)圖Fig.3 Geo-hazard early w arning in northern m ountain area o of Tian jin p rovince

本文所采用基于GIS的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)模型，從研究結(jié)論來看，其結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，說明此研究結(jié)果具有一定的可行性，且在近幾年的天津市突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)工作過程中得到了檢驗(yàn)，通過不斷的實(shí)踐完善了預(yù)警模型，提高了預(yù)報(bào)精度，政府部門對(duì)地質(zhì)災(zāi)害防治決策能力有了加強(qiáng)，對(duì)保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全發(fā)揮了十分重要的作用。

[1]劉興權(quán)，姜群鷗，戰(zhàn)金艷.地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)模型設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16（3）：342-347.

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Abstract:Based on the ofeaturesoof variety and variability oofgeo-hazards,and using themap algebra and GIS technologies,the authors design a geo-hazard early warningmodel,and analyze the inofluence ofactorsoof geo-hazard including terrain,physiognomy,hydrology etc,and ofind out the relationship between the geo-hazard distribution and geo-environmental ofactorsoof Tianjin City.Thewarning system hasbeen playing a considerable importantaction to protect liofe and property oof human ofor resentyears.

Keywords:geo-hazard；early warningmodel;oforecastsystem;disaster reduction

Design and Im p lementation oof the EarlyW arning and Forecast System oof Tianjin AbruptGeologicalHazard Based on GIS

WANG Shuang1,WANGQing2,SIAi1,LIU Zhen-Hui1,LIXiao-Hua1
（1.Generalgeologicalenvironmentalmonitoring station oof Tianjin City,Tianjin 300191,China；2.Tianjin University oof Finance&Econom ics,Tianjin 300222,China)

P694

A

1672－4135（2012）03－0206-05

2012-03-02

天津市科委科技計(jì)劃項(xiàng)目：天津市地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)及應(yīng)用（07ZCGYSF03300）；天津市國(guó)土房管局科技項(xiàng)目：天津市汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究（06-16）

王爽（1979-），女，碩士，工程師，2005年畢業(yè)于吉林大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事天津市突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，Email：bofji1@yahoo.cn。