吉林敦化泥石流災(zāi)害區(qū)域預(yù)警系統(tǒng)研究

張熠斌，王延亮，劉傳深，王立春，朱寶臣，齊 斌，宋金紅

(1.吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，吉林長(zhǎng)春 130021;2.敦化市國(guó)土資源局，吉林敦化 133700;3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130118)

0 引言

目前，針對(duì)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警，大多基于從災(zāi)害發(fā)生的降雨條件入手，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色理論、可拓學(xué)、回歸分析法等理論，對(duì)泥石流災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警［1-4］。

上述方法大多只以降雨量作為研究對(duì)象，沒有考慮誘發(fā)泥石流地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的植被覆蓋率、溝谷松散物儲(chǔ)量、山坡坡度和流域面積等諸多因素，且只能對(duì)泥石流溝作整體研究，在單一泥石流溝的預(yù)報(bào)預(yù)警方面，預(yù)測(cè)精度往往不高。泥石流的發(fā)生除受降水條件限制外，地質(zhì)環(huán)境條件對(duì)泥石流的發(fā)生與否影響也較為重要［5-6］。因此，建立基于地質(zhì)環(huán)境條件與氣象因素相耦合的泥石流預(yù)報(bào)預(yù)警模型是十分必要的，開發(fā)相應(yīng)的預(yù)報(bào)預(yù)警軟件系統(tǒng)也是當(dāng)務(wù)之急。

功效系數(shù)法［7-8］在多目標(biāo)規(guī)劃的基礎(chǔ)之上，可對(duì)多個(gè)指標(biāo)從不同側(cè)面進(jìn)行綜合定量分析與評(píng)價(jià)，并為各指標(biāo)確定上限(滿意值)和下限(不允許值)，計(jì)算各指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)值，再經(jīng)加權(quán)計(jì)算總功效系數(shù)值，進(jìn)而評(píng)價(jià)被研究對(duì)象的綜合狀況。該方法能較客觀的預(yù)測(cè)泥石流發(fā)生概率，預(yù)報(bào)精度較高。

1 功效系數(shù)法預(yù)報(bào)預(yù)警

敦化市地質(zhì)環(huán)境條件較為復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育。根據(jù)縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃成果，全市共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)160處，主要類型為泥石流、崩塌，威脅人口2000余人，威脅資產(chǎn)2389.50萬元。每年汛期受降雨影響，地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生。本文選取敦化境內(nèi)四條典型泥石流溝為研究對(duì)象，建立了基于功效系數(shù)法的預(yù)報(bào)預(yù)警流程。泥石流溝特征見表1。

表1 敦化典型泥石流溝特征表Table 1 Characteristics of Dunhua typical debris flow

1.1 前期有效降雨量

根據(jù)敦化泥石流發(fā)生特點(diǎn)及實(shí)際監(jiān)測(cè)情況，選取當(dāng)天及前三天的降雨量作為雨量值分析數(shù)據(jù)。由于地表徑流、水分蒸發(fā)等因素的影響，使得進(jìn)入巖土體的雨量小于實(shí)際記錄雨量，即前期降雨量不能全部對(duì)泥石流的發(fā)生產(chǎn)生影響，故在分析降雨量時(shí)，采用前期有效降雨量的概念。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(guó)外學(xué)者對(duì)此已作過相應(yīng)的研究［9］，并提出了經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:Pz——前期有效降雨量;

Pi——第 i日降雨量;

k——降雨影響常數(shù)，一般取0.7～0.8。

1.2 功效系數(shù)法預(yù)報(bào)預(yù)警基本原理概述

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分

本文選取敦化地區(qū)境內(nèi)四處較為典型的泥石流溝為研究對(duì)象，按《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定為依據(jù)，以泥石流溝的溝谷松散物儲(chǔ)量(C)、山坡坡度(E)、前三天有效降雨量(F)、植被覆蓋率(G)、相對(duì)高差(H)、流域面積(I)、當(dāng)日降雨量(J)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析。建立了預(yù)警等級(jí)與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系，并確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)的滿意值和不允許值(表2)。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與預(yù)警等級(jí)關(guān)系及滿意值和不允許值Table 2 The Relationship of evaluation and warning grade，and satisfaction and not allowed value of evaluation

(2)單項(xiàng)功效系數(shù)

在表2所示的泥石流預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，沿溝松散物儲(chǔ)量、前三天有效降雨量、相對(duì)高差、流域面積和當(dāng)日降雨量的單項(xiàng)功效系數(shù)值按式(2)計(jì)算:

植被覆蓋率的單項(xiàng)功效系數(shù)值按式(3)計(jì)算:

山坡坡度的單項(xiàng)功效系數(shù)值按式(4)計(jì)算:

式(2)、(3)、(4)中，g1i、g2i、g3i為單項(xiàng)功效系數(shù)。xi、xyi、xni分別為第 i(i=1，2，…，m)個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值、滿意值、不允許值。xmin、xmax、xnmin、xnmax分別為下限值、上限值、上限不允許值、下限不允許值。

(3)總體功效系數(shù)

被評(píng)價(jià)對(duì)象的總功效系數(shù)值按式(5)計(jì)算:

式中:G——總功效系數(shù);

gi——單項(xiàng)功效系數(shù);

ωi——權(quán)重系數(shù)。

(4)最優(yōu)組合賦權(quán)理論確定權(quán)重

權(quán)重系數(shù)是評(píng)價(jià)指標(biāo)重要程度的一個(gè)量化標(biāo)準(zhǔn)，量化值越大，說明評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度越高，它的合理性將直接影響泥石流預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)確與否。最優(yōu)組合賦權(quán)理論以多個(gè)對(duì)象的多個(gè)屬性為研究對(duì)象，且在多個(gè)決策參與者組成的群決策模型下，將幾種單一模型的權(quán)重進(jìn)行協(xié)調(diào)取優(yōu)的一種方法［10-11］。本文將偏好比率法和熵值法進(jìn)行優(yōu)化組合，以求實(shí)現(xiàn)權(quán)重的確定滿足主觀判斷以及客觀分析的組合最優(yōu)化。

(5)預(yù)警等級(jí)劃分

參照文獻(xiàn)［12］的相關(guān)研究，將總功效系數(shù)值作為判別泥石流等級(jí)的主要依據(jù)，并以此劃分了如表3所示的泥石流預(yù)警等級(jí)判別表。

表3 泥石流預(yù)警等級(jí)劃分表Table 3 Warning classification value of debris flow

2 自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

系統(tǒng)基于GIS技術(shù)、多線程技術(shù)、數(shù)據(jù)庫和XML等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了降雨量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和泥石流災(zāi)害的自動(dòng)預(yù)報(bào)預(yù)警，設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)健。

2.1 實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)獲取

敦化市國(guó)土資源局和敦化市氣象局聯(lián)合在18個(gè)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)建立了26個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站，并開發(fā)了敦化市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)獲取氣象信息，更好的監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害。區(qū)域自動(dòng)監(jiān)測(cè)站通過移動(dòng)通訊公司的通用分組無線服務(wù)技術(shù)(GPRS)，定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到氣象局內(nèi)部SQL數(shù)據(jù)庫，完成氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。敦化市國(guó)土資源局通過建立虛擬專用網(wǎng)絡(luò)連接，借助客戶端程序，訪問氣象局內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，獲取各種氣象信息。自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)由氣象平臺(tái)生成的降雨文件，實(shí)時(shí)獲取各災(zāi)害點(diǎn)的降雨量值。

2.2 開發(fā)環(huán)境和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文選用MapGIS為地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，運(yùn)用C#和VB編碼。按照系統(tǒng)聚散程度和耦合程度，結(jié)合組件式軟件開發(fā)相關(guān)技術(shù)要求，先后設(shè)計(jì)開發(fā)了工作空間控件(Work Space Ctl)、地圖操作控件(Map Operation Ctl)、空間查詢控件(Spatial Query Ctl)、降雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控件(Rain Monitor Ctl)、泥石流預(yù)報(bào)預(yù)警控件(Debris Flows Warning Ctl)和數(shù)據(jù)管理控件(Data Management Ctl)，各控件之間可通過接口互相通信。最后在.Net環(huán)境下集成了系統(tǒng)應(yīng)用。圖1為系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Graphic of system framework

2.3 數(shù)據(jù)組織和預(yù)報(bào)預(yù)警

系統(tǒng)通過掃描監(jiān)控目錄，實(shí)時(shí)獲取氣象平臺(tái)生成的降雨文件，根據(jù)降雨文件特征，自動(dòng)獲取當(dāng)日降雨文件、前一天降雨文件、前兩天降雨文件和前三天降雨文件。為了避免系統(tǒng)下次啟動(dòng)時(shí)，重新遍歷監(jiān)控目錄，加快系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，將獲取的降雨文件組織為XML文件(預(yù)警降雨XML文件)，同時(shí)，將降雨量值寫入MDB數(shù)據(jù)庫，以便系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。完全獲取某一泥石流溝的當(dāng)日降雨量、前一天降雨量、前兩天降雨量和前三天降雨量后，系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)預(yù)警。當(dāng)預(yù)警等級(jí)達(dá)到三級(jí)、四級(jí)或五級(jí)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)聲，相應(yīng)的易發(fā)區(qū)(或?yàn)?zāi)害點(diǎn))開始閃爍，并調(diào)用群策群防數(shù)據(jù)庫，搜索并獲取群策群防員和災(zāi)害點(diǎn)等相關(guān)信息，供決策者參閱。圖2為系統(tǒng)流程圖。

圖2 系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警流程圖Fig.2 Automatic warning flow chart of system

2.4 系統(tǒng)集成

在完成系統(tǒng)架構(gòu)和控件開發(fā)的基礎(chǔ)上，在.Net環(huán)境下集成了系統(tǒng)，系統(tǒng)主界面由菜單、工具欄、圖層管理面板、降雨文件監(jiān)控面板、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)面板和地圖視圖窗口組成(圖3)。系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)降雨文件監(jiān)控、自動(dòng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、圖形參數(shù)和屬性編輯、信息查詢、評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)管理、預(yù)警文件管理等功能。在地圖視圖窗口中，既可實(shí)時(shí)查看災(zāi)害點(diǎn)周圍當(dāng)日氣象信息，又可查看各災(zāi)害點(diǎn)和易發(fā)區(qū)詳細(xì)信息，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有新的降雨文件生成時(shí)，更新地圖視圖窗口中的區(qū)域自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站的氣象信息，并執(zhí)行自動(dòng)預(yù)警。

對(duì)于預(yù)警等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值，系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)配的策略，可通過系統(tǒng)提供的設(shè)置對(duì)話框進(jìn)行自定義設(shè)置，以加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性;對(duì)于各評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值及其滿意值和不允許值，可通過評(píng)價(jià)指標(biāo)管理功能進(jìn)行自定義設(shè)置，以加強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性。

圖3 系統(tǒng)主界面Fig.3 Main dialog of system

3 結(jié)束語

本文基于GIS技術(shù)和組件式軟件開發(fā)等技術(shù)，結(jié)合功效系數(shù)法，設(shè)計(jì)并開發(fā)了敦化典型泥石流地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)健，預(yù)警精度較高。

(1)功效系數(shù)法以多目標(biāo)規(guī)劃原理為基礎(chǔ)，可對(duì)多個(gè)指標(biāo)從不同側(cè)面進(jìn)行綜合定量分析與評(píng)價(jià)，能較客觀的反映泥石流發(fā)生的概率，預(yù)測(cè)精度較高。

(2)自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)與氣象平臺(tái)的有機(jī)結(jié)合，使氣象信息監(jiān)測(cè)和地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)預(yù)報(bào)預(yù)警一體化，提高了用戶體驗(yàn);在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)分布圖上實(shí)時(shí)更新區(qū)域自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站獲取的氣象信息，體現(xiàn)了“一張圖”的理念。

(3)采用多線程、XML文件等技術(shù)，加快了系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警的速度;預(yù)警等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)指標(biāo)等相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)配置，在一定程度上，提高了系統(tǒng)預(yù)警的準(zhǔn)確度;基于組件式技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性、重用性和開放性，便于系統(tǒng)維護(hù)。

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