安徽省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)方法研究

王博，趙付明，程宏超，徐禮文

(安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽 合肥 230001)

0 引言

安徽省位于華東腹地，地勢(shì)南高北低，地質(zhì)條件復(fù)雜，地貌類(lèi)型多樣，受自然及人工活動(dòng)影響，突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害頻繁。截至2018年底，全省共有地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)3977處，威脅5.17萬(wàn)人,威脅財(cái)產(chǎn)25.7億元(1)安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，王博，程宏超，徐禮文等， 2018年安徽省地質(zhì)災(zāi)害汛后核查報(bào)告，2018年。。每年汛期持續(xù)強(qiáng)降雨和臺(tái)風(fēng)影響期間，都有大量地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。2016年8月8—11日，受臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”影響，安徽皖南山區(qū)和大別山區(qū)北部普降暴雨和特大暴雨，淮河以南有377個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水量超過(guò)100mm，霍山及舒城等地有5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過(guò)300mm，同期全省共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害242起，災(zāi)害數(shù)接近當(dāng)年發(fā)生災(zāi)害總數(shù)的40%，直接經(jīng)濟(jì)損失1.14億元，占當(dāng)年總直接經(jīng)濟(jì)損失的83.48%。

安徽省地質(zhì)災(zāi)害成因包括內(nèi)在因素和外在因素兩個(gè)方面，內(nèi)在因素包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、植被覆蓋、水文地質(zhì)等；外在因素包括人為因素和自然因素，人為因素包括開(kāi)挖坡腳，挖填土石等，自然因素包括暴雨、地震等，其中降水是導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要引發(fā)因素。只有處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)或接近臨界穩(wěn)定狀態(tài)地質(zhì)體，在外因誘導(dǎo)下才會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害[1]。從安徽省多年地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，降水與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生關(guān)系最為密切，是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要引發(fā)因素，強(qiáng)降水期也是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)期[2]。

1 地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)方法

安徽省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警模型的設(shè)計(jì)因地制宜，以網(wǎng)格剖分的致災(zāi)因子與地質(zhì)環(huán)境因子為主要研究對(duì)象，參考國(guó)內(nèi)已經(jīng)成功應(yīng)用的預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)[3]，充分考慮安徽省地災(zāi)形成背景條件、地質(zhì)災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)等，選取年均降雨量、地層巖性、地震動(dòng)峰值加速度、地貌、地形坡度、水系等因子[4]進(jìn)行量化、確定權(quán)重，計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格單元的潛勢(shì)度。然后按照權(quán)重疊加分析各網(wǎng)格單元內(nèi)的潛勢(shì)度值；選取預(yù)報(bào)降雨量和有效降雨量作為雨量因子。采用多元回歸的統(tǒng)計(jì)方法，建立地質(zhì)災(zāi)害形成背景、降雨因子與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量之間的多元線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)顯式[5]統(tǒng)計(jì)預(yù)警模型。

2 地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型建設(shè)

2.1 潛勢(shì)度計(jì)算

(1)因子量化

采用CF確定性系數(shù)模型[6]對(duì)選取的各因子圖層進(jìn)行量化。采用確定性系數(shù)函數(shù)，將各影響因子進(jìn)行了同區(qū)間[-1，1]的歸一化，該方法將各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行了同區(qū)間歸一化，并可合并計(jì)算。計(jì)算公式為：

(1)

式中：PPa為地質(zhì)災(zāi)害在a類(lèi)數(shù)據(jù)中發(fā)生的條件概率，具體表示為a類(lèi)數(shù)據(jù)中地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)與因子圖層分區(qū)a面積的比值；PPs為地質(zhì)災(zāi)害在全省范圍A中發(fā)生的先驗(yàn)概率，具體表示為全省地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)與全省面積的比值。CF值域?yàn)閇-1，1]，正值代表地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生確定性增長(zhǎng)，地質(zhì)環(huán)境條件差；負(fù)值代表地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的確定性的降低，地質(zhì)環(huán)境條件好；CF值接近于0，說(shuō)明地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的確定性居中，不能確定地質(zhì)環(huán)境條件的優(yōu)劣。

(2)因子權(quán)重確定

采用基于CF的多因子疊加確定權(quán)重法[7]。計(jì)算步驟如下：

①各因子圖層CF值合并。Z值表示影響因子CF值合并值，通過(guò)將參與評(píng)價(jià)的地質(zhì)災(zāi)害各影響因子逐一合并計(jì)算，可以表達(dá)各因子綜合貢獻(xiàn)值。假定要合并的兩個(gè)CF值分別為x和y，合并后的結(jié)果為Z。合并公式為：

(2)

將合并后的CF值劃分為5個(gè)級(jí)別，分別表示對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)為小、較小、不定、較大和大(表1)。

表1 CF級(jí)別劃分表

根據(jù)式(2)合并各因子CF值，結(jié)果用Zall表示，用Zall-i(i=1，2，…，5)表示各級(jí)別所占的分段百分比。

②計(jì)算各段Z值的變化量。根據(jù)式(3)逐步疊加合并各影響因子(某因子除外)，合并結(jié)果用某因子Z某因子表示，合并后各級(jí)別的分段百分比分別用Z某因子-i(i=1，2，…，5)表示。通過(guò)此步驟也可排除重復(fù)因子的貢獻(xiàn)。

ΔZ某因子=Zall-i-Z某因子-i

(3)

式中：ΔZ某因子-i—某因子合并計(jì)算后分段貢獻(xiàn)值；Zall-i—所有因子合并計(jì)算后分段結(jié)果值；Z某因子-i—其他所有因子合并計(jì)算后分段結(jié)果值(除該影響因子外)；i—CF分段級(jí)別，i=1，2，…，5。

③計(jì)算各個(gè)因子相對(duì)貢獻(xiàn)

Wj為單個(gè)因子的相對(duì)貢獻(xiàn)，計(jì)算公式為：

(4)

式中：Wj—第j個(gè)評(píng)價(jià)因子的相對(duì)貢獻(xiàn)；ΔZ—某因子-i—某因子分段貢獻(xiàn)值；i—CF分段級(jí)別，i=1，2，…，5。

④計(jì)算各個(gè)因子權(quán)重

得出各個(gè)因子的相對(duì)貢獻(xiàn)以后，用式(5)計(jì)算各因子的權(quán)重：

(5)

式中：αj—第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；Wj—第j個(gè)評(píng)價(jià)因子的相對(duì)貢獻(xiàn)；

各因子權(quán)重的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 因子權(quán)重值(部分)

(3)潛勢(shì)度計(jì)算

潛勢(shì)度計(jì)算運(yùn)用綜合指數(shù)法[8]進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(6)

式中：G—地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度；Aj—單因子CF值；αj—單因子的權(quán)重；n—評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)。

(4)潛勢(shì)度計(jì)算結(jié)果校驗(yàn)

將歷史災(zāi)害點(diǎn)的分布情況與本次潛勢(shì)度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，校驗(yàn)得出的潛勢(shì)度值是否能夠反映該區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境條件的優(yōu)劣。結(jié)果顯示，計(jì)算得出的潛勢(shì)度值隨地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)密度增大而增大，與該區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景條件相符(圖1)。

1—0.00～0.19;2—0.19～0.36;3—0.36～0.53;4—0.53～0.71;5—0.71～1.00;6—?dú)v史災(zāi)害點(diǎn);7—行政邊界圖1 安徽省地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度計(jì)算結(jié)果與歷史災(zāi)害點(diǎn)分布情況對(duì)比圖

2.2 雨量數(shù)據(jù)處理

本系統(tǒng)降雨量數(shù)據(jù)由前期降雨量和預(yù)報(bào)降雨量組成。前期降雨量由氣象部門(mén)的實(shí)況降雨數(shù)據(jù)庫(kù)中直接獲取，數(shù)據(jù)來(lái)源為氣象部門(mén)分布在全省的人工和自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)站。安徽省氣象臺(tái)為本系統(tǒng)提供了預(yù)報(bào)降雨量數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)建立的預(yù)警模型雨量因子包含有效降雨量Rc和預(yù)報(bào)雨量Rp。

以地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前n日的單日降雨量分別乘以有效降雨系數(shù)得到有效降雨量。以直線(xiàn)遞減形式[9]確定有效降雨系數(shù)：取當(dāng)天降雨量的有效降雨量系數(shù)為1，取30天有效降雨系數(shù)為0，計(jì)算公式如下：

(7)

式中：Rc—有效降雨量；Ro—當(dāng)天降雨量；Rn—n日前降雨量；n—經(jīng)過(guò)的天數(shù)。

預(yù)報(bào)雨量Rp直接參與模型計(jì)算。

2.3 預(yù)警模型

(1)多元線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)模型

本系統(tǒng)預(yù)警模型選取多元線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)模型[10]，以“有效降雨量”Rc和“預(yù)報(bào)降雨量”Rp作為降雨引發(fā)因素指標(biāo)，以“地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度”G作為地質(zhì)環(huán)境條件綜合指標(biāo)；將G、Rc、Rp作為輸入量，建立多元線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)模型，建立函數(shù)如下：

T=f(G，Rc，Rp)

(8)

式中：T—危險(xiǎn)性指數(shù)，反映了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性大??；G—地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度，反映了地質(zhì)環(huán)境背景條件的優(yōu)劣；Rc—有效降雨量；Rp—預(yù)報(bào)降雨量；

(2)預(yù)警模型方程

預(yù)警區(qū)的回歸模型方程為：

T=-1.082+6.123G+0.017Rc+0.077Rp

(9)

在顯著性水平sig<0.05情況下，查t檢驗(yàn)臨界值表知t>t0.05，G、Rc、Rp均對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生情況有顯著影響。根據(jù)F統(tǒng)計(jì)量的F顯著性水平sig=0.05，查F檢驗(yàn)表知F>Fsig，可知回歸方程是顯著的，其結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

(3)預(yù)警等級(jí)確定

預(yù)警等級(jí)分為四級(jí)，等級(jí)由強(qiáng)到弱依次為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)[11]，分別表示降水致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)很高、高、較高和有一定風(fēng)險(xiǎn)，其中一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)分別對(duì)應(yīng)自然資源部門(mén)發(fā)布的地質(zhì)災(zāi)害紅色、橙色和黃色預(yù)警。當(dāng)?shù)刭|(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等級(jí)達(dá)到三級(jí)以上時(shí)，由各級(jí)自然資源、氣象部門(mén)聯(lián)合向社會(huì)發(fā)布。

T值反映了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性大小，是地質(zhì)環(huán)境背景條件、有效雨量和預(yù)報(bào)雨量綜合作用的度量。運(yùn)用安徽省歷史地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)據(jù)以及近年來(lái)地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)預(yù)警模型進(jìn)行試運(yùn)算，確定不同預(yù)警分區(qū)地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)T值分段值(表3)。

表3 預(yù)警等級(jí)劃分表

3 預(yù)警預(yù)報(bào)工作流程

每日15：00前后，安徽省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)采集72h的預(yù)報(bào)雨量及過(guò)程雨量，每日15:00～16：00，在預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品制作過(guò)程中，與氣象、水利等部門(mén)以及有關(guān)市自然資源主管部門(mén)會(huì)商，必要時(shí)與中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院進(jìn)行會(huì)商，根據(jù)會(huì)商結(jié)果，利用安徽省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)自動(dòng)分析或在必要時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，制作初步預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品。地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息經(jīng)省廣播電臺(tái)、報(bào)紙、省自然資源廳網(wǎng)站等媒體向社會(huì)公眾發(fā)布，并通過(guò)傳真、短信等方式將地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)送到達(dá)預(yù)警級(jí)別地區(qū)的市、縣政府和自然資源主管部門(mén)、以及地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)責(zé)任人和監(jiān)測(cè)人員。

4 預(yù)警結(jié)果反饋信息收集

依據(jù)有關(guān)工作要求，對(duì)黃色預(yù)警區(qū)域，安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“總站”)立即通知預(yù)警區(qū)內(nèi)市級(jí)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站技術(shù)人員，深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)警信息的跟蹤查驗(yàn)，對(duì)災(zāi)害體變形情況、地表水及地下水動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行觀(guān)測(cè)記錄，填寫(xiě)地質(zhì)災(zāi)害校驗(yàn)反饋信息表報(bào)送總站地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警室[12]。橙色(含橙色)以上預(yù)警由總站派出技術(shù)人員進(jìn)行野外現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)與調(diào)查，并及時(shí)將校驗(yàn)結(jié)果報(bào)送總站地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警室(圖2)。

1—黃色預(yù)警：可能性較大;2—橙色預(yù)警：可能性大;3—紅色預(yù)警：可能性很大;4—發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)圖2 安徽省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)圖(2019年5月25日20:00—2019年5月26日20:00)

5 結(jié)語(yǔ)

安徽省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)選取多元回歸模型，在分析研究安徽省地質(zhì)災(zāi)害形成地質(zhì)背景條件基礎(chǔ)上，結(jié)合前期雨量和預(yù)報(bào)雨量等雨量因子，自動(dòng)生成地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。通過(guò)兩年多的實(shí)踐證實(shí)：系統(tǒng)方便靈活、可操作性強(qiáng)、預(yù)警預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率滿(mǎn)足使用要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2018年安徽省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)投入使用以來(lái)，預(yù)警預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)89.57%，而過(guò)去五年平均準(zhǔn)確率為83.21%，預(yù)警預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率明顯提高。比如：2019年5月25日20:00—2019年5月26日20:00，系統(tǒng)預(yù)報(bào)江淮南部、沿江及江南北部地區(qū)黃色預(yù)警，其中大別山區(qū)南部和沿江西部橙色預(yù)警。比照后期災(zāi)情統(tǒng)計(jì)結(jié)果，發(fā)生災(zāi)害點(diǎn)密度與預(yù)警預(yù)報(bào)級(jí)別擬合度很高，預(yù)警預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性較好,少數(shù)發(fā)生地災(zāi)點(diǎn)在預(yù)警區(qū)之外，是由于降水預(yù)報(bào)偏差，實(shí)況雨帶向南范圍擴(kuò)大所致。下一步，將利用不斷豐富的歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)和預(yù)警結(jié)果反饋信息進(jìn)一步修正預(yù)警預(yù)報(bào)模型，以期進(jìn)一步提高地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警精度。