基于組合權(quán)重的汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報模型

陶占盛，王新民，吳志強(qiáng)，楊 平，秦喜文

1.長春工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所，長春 100032

2.山西蘭花煤層氣有限公司，山西 晉城 048000

3.長春工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，長春 100032

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害屬于一種自然現(xiàn)象，主要包括崩塌、滑坡、泥石流等。中國是世界上發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，存在幾乎所有的地質(zhì)災(zāi)害類型。地質(zhì)災(zāi)害不僅給人類生命安全帶來威脅，而且對財產(chǎn)、環(huán)境、資源等具有破壞性［1］。據(jù)我國突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的分類統(tǒng)計，降雨誘發(fā)的滑坡、崩塌、泥石流占總發(fā)生量的65%，因此預(yù)測預(yù)報降雨誘發(fā)的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害是非常必要的。綜合分析國內(nèi)外研究與應(yīng)用狀況［2］，基于氣象因素的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)警理論原理有兩類：客觀的統(tǒng)計預(yù)報和主觀的專家經(jīng)驗判斷。筆者利用組合權(quán)重法，將客觀分析和專家經(jīng)驗有效結(jié)合，把地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級和降雨量等級進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，以期對汛期地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)報。

1 降雨與地質(zhì)災(zāi)害

發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的因素十分繁雜，就自然因素而言，主要有受特定地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和自然生態(tài)環(huán)境控制的因素。降雨異常的因素引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的幾率更大。如泥石流、滑坡發(fā)生的直接激發(fā)因素就是降雨（雨型、降雨總量和強(qiáng)度）。

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率與降雨量有著明顯的同步關(guān)系，對吉林省近6年降雨量與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時間和頻次分析［3］結(jié)果顯示，汛期是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)時段，說明降雨與發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的時間具有一致性。降雨及人類工程經(jīng)濟(jì)活動動力破壞因素產(chǎn)生的崩塌和滑坡有短時間的滯后性。

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率與降雨量在空間上也有較好的一致性，即雨量越大的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害越容易發(fā)生。強(qiáng)降雨、持續(xù)降雨相對比較集中的地區(qū)，往往是發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)。

通過降雨量與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時間和空間的一致性分析，可以對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行預(yù)報以及預(yù)警。

2 汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報模型

通過對汛期地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的收集、分析，筆者建立了對汛期地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報流程（圖1）。

2.1 易發(fā)區(qū)等級的劃分

根據(jù)分析研究區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的地質(zhì)條件、人類工程等影響因素，確定了地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)的評價指標(biāo)：災(zāi)害點(diǎn)密度、森林覆蓋率、降雨量、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體和人類活動等［4］。筆者將研究區(qū)域剖分成若于個單元格，提取每個單元格各評價指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。利用歸一化后的數(shù)據(jù)，建立地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分評價模型，用3種模型分別計算，得到研究區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級劃分圖，通過對模型計算結(jié)果的分析對比，剔除一些奇異單元格，再經(jīng)過專家鑒定得到最終的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級劃分圖。

2.2 前期有效降雨量的確定以及地質(zhì)災(zāi)害降雨量等級劃分

所謂前期有效降雨量，是指前期降雨進(jìn)入巖土體并一直滯留至研究當(dāng)天的雨量。國外學(xué)者對此已做過相應(yīng)的研究［5］，并提出了計算進(jìn)入巖土體雨量的經(jīng)驗公式：

圖1 汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報基本流程圖Fig.1 Basic flow chart of geological disasters forecasting in flood season

式中：ra0為當(dāng)天前期有效降雨量，mm；k為有效雨量系數(shù)，一般取0.84；rn為前第n天的降雨量，mm。盡管這一方法及k值是根據(jù)北美某地區(qū)的數(shù)據(jù)計算得到的，但在世界許多地方都有比較理想的檢驗效果［6］。

參照全國降雨量等級劃分標(biāo)準(zhǔn)（表1），統(tǒng)計研究區(qū)域歷年發(fā)生災(zāi)害點(diǎn)的前期降雨量資料，綜合分析前期降雨量和預(yù)報降雨量，可得到誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的降雨量等級表。

2.3 基于組合權(quán)重的汛期地質(zhì)災(zāi)害等級預(yù)報的確定

設(shè)降雨為地質(zhì)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素，基于組合權(quán)重綜合考慮易發(fā)區(qū)等級和降雨的等級，建立地質(zhì)災(zāi)害等級預(yù)警預(yù)報模型，確定了地質(zhì)災(zāi)害等級預(yù)報的模型公式：

式中：Bi取整數(shù)，為研究區(qū)該單元格地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報等級；ωi為權(quán)重，ωi∈［0，1］；Ri為第i單元格降雨地質(zhì)災(zāi)害等級；Di為第i單元格地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級；Ri，Di均為歸一化數(shù)據(jù)。

權(quán)重的確定是地質(zhì)災(zāi)害等級預(yù)報是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素，所以基于組合權(quán)重的汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報模型中權(quán)重的確定是至關(guān)重要的。首先，利用專家的經(jīng)驗結(jié)合實際分析情況，設(shè)定一個模糊的ωi取值范圍；其次，根據(jù)歷史發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害等級的數(shù)據(jù)，綜合考慮每個單元格的易發(fā)區(qū)等級Di和地質(zhì)災(zāi)害降雨等級Ri來驗證、調(diào)整、再驗證、再調(diào)整，直到和歷史地質(zhì)災(zāi)害等級擬合的效果達(dá)到95%吻合；最后確定出權(quán)重ωi與Di、Ri的對應(yīng)關(guān)系。

2.4 汛期地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報

基于組合權(quán)重的汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報模型的地質(zhì)災(zāi)害等級預(yù)報流程見圖2。

1）根據(jù)氣象臺對前期（一周）降雨量的實測值以及未來24h降雨量的預(yù)報值來確定每個單元格的地質(zhì)災(zāi)害降雨量的等級Ri。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害等級預(yù)報流程圖Fig.2 Class prediction flow chart of geological hazard

2）在易發(fā)區(qū)的數(shù)值等級劃分結(jié)果圖的基礎(chǔ)上，得到對應(yīng)單元格的易發(fā)區(qū)等級Di。

3）利用地質(zhì)災(zāi)害組合權(quán)重預(yù)警預(yù)報模型（公式（2））計算出該單元格的地質(zhì)災(zāi)害等級Bi。

4）預(yù)報，經(jīng)過專家分析會商發(fā)布地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報等級結(jié)果，包括地質(zhì)災(zāi)害可能發(fā)生的等級、時間、地區(qū)，以及給予公眾的預(yù)防措施。

預(yù)警產(chǎn)品等級劃分為5級（表2），對應(yīng)不同的色調(diào)，一般暖色調(diào)表示比較危險，冷色調(diào)表示比較安全。

3 實例研究

以吉林省為例檢驗汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報模型的有效性。吉林省氣候多變，地形地貌和地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害類型較多，分布廣泛。近年來，吉林省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)災(zāi)害發(fā)生頻繁，尤其是每年的汛期（5 -9月）。受強(qiáng)降雨等氣象因素的影響，泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害不斷發(fā)生，給人民群眾的生命財和生活帶來嚴(yán)重的損失，隨著社會的快速發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)的加快，地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)制約著部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

表1 全國降雨量等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standards of national rainfall

表2 預(yù)警產(chǎn)品等級及色標(biāo)Table 2 Level and color of warning products

結(jié)合吉林省地質(zhì)災(zāi)害的實際情況，經(jīng)過篩選確定7種評價指標(biāo)：森林覆蓋率、年平均降雨量、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體、災(zāi)害點(diǎn)密度、人類工程活動。因為參評各指標(biāo)值的量綱不同，量值相差懸殊，必須把影響地質(zhì)災(zāi)害各種危險性指標(biāo)量值進(jìn)行歸一化處理［7］。

本課題組建立了基于熵值法的地質(zhì)災(zāi)害可拓學(xué)評價模型、智能遺傳算法及其在地質(zhì)災(zāi)害危險性評價、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價閾回歸聯(lián)合聚類分析3種數(shù)學(xué)模型［8－9］，對吉林省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級進(jìn)行了劃分，并進(jìn)行3種數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果對比分析，剔除和合并一些奇異單元格，經(jīng)過專家鑒定得到了吉林省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分圖（圖3）。

圖3 吉林省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分圖Fig.3 Result of classifying disaster areas in Jilin Province

統(tǒng)計吉林省2004年到2009年歷年發(fā)生災(zāi)害點(diǎn)的前期降雨量資料，綜合分析前期降雨量和預(yù)報降雨量，得到誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的降雨量等級（表3）。

圖4 吉林省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)平臺界面Fig.4 Platform interface of geological hazard warning system in Jilin Province

表3 吉林省降雨地質(zhì)災(zāi)害等級分類表Table 3 Classification of geological hazard and rainfall level in Jilin Province

基于組合權(quán)重綜合考慮易發(fā)區(qū)等級和降雨的等級因素，對吉林省地質(zhì)災(zāi)害等級進(jìn)行預(yù)報，利用地質(zhì)災(zāi)害等級預(yù)報模型公式（2）可以計算出吉林省5 702（5km×5km）個單元格的地質(zhì)災(zāi)害等級Bi。其中：災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級Di為1 -4級，分別對應(yīng)非、低、中、高易發(fā)區(qū)；降雨地質(zhì)災(zāi)害等級Ri為1 -6級；災(zāi)害預(yù)報等級Bi為1 -5級；并開發(fā)了吉林省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)平臺［10－11］（圖4）。

筆者通過吉林省2008年7月18日的前3天降雨量的實測值計算出有效累計降雨量以及未來24 h降雨量的預(yù)報值，進(jìn)行了每個單元格的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生等級預(yù)報，其結(jié)果與當(dāng)時吉林省發(fā)布的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報結(jié)果區(qū)域重合率為93.25%。通過大量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，得到了基于組合權(quán)重的汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報的可行性模型。

4 結(jié)語

通過選定地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的評價指標(biāo)，劃分了研究區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級，將研究區(qū)域剖分為5 702個單元格，使劃分結(jié)果更加準(zhǔn)確精細(xì)。利用累計降雨量和預(yù)報降雨量確定出地質(zhì)災(zāi)害降雨量等級，確認(rèn)了降雨是汛期地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)的主要因素。建立基于組合權(quán)重的汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報模型，并結(jié)合吉林省以前的地質(zhì)災(zāi)害有關(guān)資料，對吉林省地質(zhì)災(zāi)害等級進(jìn)行了預(yù)報，預(yù)報結(jié)果的精準(zhǔn)率達(dá)到了93.25%，其預(yù)報結(jié)果是合理可行的，基于組合權(quán)重的汛期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報模型為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報提供了一種有效的方法，該預(yù)警預(yù)報模型具有一定的應(yīng)用價值和可推廣性。

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