區(qū)域性滑坡災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警初探

邱 曼 唐亞明 馮 衛(wèi) 李政國 魯 拓

1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)地質(zhì)勘查中心 新疆 烏魯木齊 830002

2.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心 陜西 西安 710054

3.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院 陜西 西安 710054

監(jiān)測預(yù)警作為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險減緩的重要措施之一。利用一個地區(qū)的滑坡易發(fā)區(qū)劃或危險區(qū)劃，確定預(yù)警靶區(qū)，再結(jié)合降雨臨界值，就可以設(shè)定不同的預(yù)警級別，在區(qū)域內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的雨量站，前期雨量加上預(yù)報雨量，就可進(jìn)行滑坡預(yù)警預(yù)報，無論是國外還是國內(nèi)的區(qū)域性降雨型滑坡監(jiān)測預(yù)警大體都是這個思路和做法[1]。從本世紀(jì)初開始，監(jiān)測預(yù)警工作在我國大陸地區(qū)逐漸開展，截至2012年，中國已有30個省、323個市、1880個縣建立了地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警體系[2]。但縱觀各級政府的預(yù)警系統(tǒng)，均存在預(yù)警靶區(qū)過大的問題。如國家級地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警，將全國劃分為74個三級區(qū)進(jìn)行預(yù)警；陜西省將全省劃分為23個易發(fā)區(qū)進(jìn)行預(yù)警[3]；陜西省合陽縣將全縣劃分為8個易發(fā)區(qū)進(jìn)行警[4]，延安市寶塔區(qū)將全區(qū)劃分為11個易發(fā)區(qū)進(jìn)行警[5]。從以上預(yù)警靶區(qū)的劃分可知，全國分為幾十個區(qū)，一個省分為幾十個區(qū)，一個市分為十幾個區(qū)，一個縣分為幾個區(qū)，其預(yù)警靶區(qū)面積都很大，一般只能通過汛期的天氣預(yù)報對公眾進(jìn)行警示作用。在這種情況下，即使對一個降雨區(qū)域發(fā)布了滑坡、泥石流警報，但卻不能在圖上表示出潛在滑坡和泥石流的具體位置，這就難以為處于危險境地的人們提供有效的警示，這個警報也是難以實(shí)施的。要提高區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的精度和準(zhǔn)確率，理論上來說有四種途徑:一是縮小預(yù)警靶區(qū)的面積(區(qū)劃精細(xì)化)；二是提高降雨臨界值與滑坡類型的匹配程度；三是提高監(jiān)測的有效性；四是提高隱患點(diǎn)的識別技術(shù)。本文試圖通過第一種和第二種途徑對地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警方法做一探討。

1 精細(xì)化滑坡區(qū)劃

本文采用的方法具體如下:(1)初步的易發(fā)區(qū)劃。通過研究滑坡發(fā)生頻率與地形統(tǒng)計規(guī)律，得出坡度、坡高的特定區(qū)間與滑坡易發(fā)性的對應(yīng)關(guān)系，利用GIS工具分析DEM數(shù)據(jù)，對坡度和坡高進(jìn)行分級和分區(qū)，二者疊加可以得到基于DEM的易發(fā)坡體識別圖(圖1a)。利用Quick Bird遙感數(shù)據(jù)，對斜坡段逐一進(jìn)行目視解譯，圈劃易發(fā)坡體；將上一步得到的DEM易發(fā)坡體識別圖與高精度遙感易發(fā)坡體識別圖像疊加，再一次進(jìn)行綜合分析、解譯和區(qū)劃，得到初步的易發(fā)區(qū)劃圖(圖1b)。(2)初步的危險區(qū)劃。在上述得到的易發(fā)區(qū)劃圖上，根據(jù)每個潛在不穩(wěn)定坡體特征、微地貌特征，以及滑移距離預(yù)測，逐一圈畫可能的威脅范圍。危險區(qū)應(yīng)包括易發(fā)坡體自身和其能影響到的坡下、坡上以及坡體周邊的范圍，這樣可得到初步的危險區(qū)劃圖(圖1c)。(3)初步的承災(zāi)體解譯。利用高精度的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，將承災(zāi)體劃分為較細(xì)的類別，包括高層建筑、多層建筑、普通民房、高速公路、普通公路、鐵路、旅游景點(diǎn)、公共場地、人員、車輛等。確定每個危險范圍內(nèi)承災(zāi)體的類型和數(shù)量并予以記錄。(4)野外核查。使用以上獲得的初步區(qū)劃圖為底圖進(jìn)行野外核查(圖1d)。重點(diǎn)核查并修正三方面的內(nèi)容:一是易發(fā)坡體界線；二是危險區(qū)界線；三是承災(zāi)體類型和數(shù)量。(5)最終區(qū)劃。根據(jù)野外核查的每個不穩(wěn)定坡體的危險性大小的量級、承災(zāi)體價值、時空概率和易損性，分別計算財產(chǎn)風(fēng)險和人員風(fēng)險。將計算結(jié)果予以分級，分為很高風(fēng)險VH、高風(fēng)險H、中風(fēng)險M、低風(fēng)險L、很低風(fēng)險VL共5級，相鄰的不穩(wěn)定坡體風(fēng)險級別予以合并和疊加得到整個區(qū)段的滑坡風(fēng)險區(qū)劃(圖1e)。

通過以上步驟可獲取比例尺為1:2.5萬的滑坡風(fēng)險區(qū)劃圖，在此精度下，單個風(fēng)險分區(qū)是以斜坡段來劃分的，其面積多在幾km2以下，其精度有了很大的提高。

圖1 區(qū)域精度圖

2 不同類型滑坡降雨臨界值

本次以延安市寶塔區(qū)為研究對象，該區(qū)內(nèi)主要發(fā)育黃土滑坡，且降雨入滲誘發(fā)黃土滑坡的模式可分為緩慢下滲誘發(fā)型、下滲阻滯誘發(fā)型和下滲貫通誘發(fā)型三種，根據(jù)統(tǒng)計分析，對每類模式均確定了相應(yīng)的降雨臨界值。一旦降雨，第一種情況是在節(jié)理裂隙孔洞不發(fā)育、黃土體相對完整的斜坡地帶，降雨主要通過緩慢下滲的方式而誘發(fā)黃土滑坡(緩慢下滲型)；第二種情況是黃土體內(nèi)的各種節(jié)理裂隙形成了降雨下滲的優(yōu)勢通道，水沿滲流通道集中快速入滲。裂隙前延頂端受到阻滯而誘發(fā)滑坡(下滲阻滯型)。第三種情況是在節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)展的坡體上，出現(xiàn)上下裂隙貫通的情況，此時集中的強(qiáng)降雨即可對斜坡造成破壞(下滲貫通型)。在此，我們要考慮降雨類型(雨程、雨量)與滑坡類型(入滲破壞模式)的耦合關(guān)系，如短歷時強(qiáng)降雨，就不易觸發(fā)緩慢下滲型滑坡，而容易觸發(fā)下滲貫通型滑坡；長歷時小降雨，不易觸發(fā)下滲貫通型滑坡，而容易觸發(fā)緩慢下滲型滑坡；因此這三種模式的降雨臨界值表達(dá)式均應(yīng)成為預(yù)警指標(biāo)，且之間是“或”的關(guān)系，即只要滿足其中之一即可發(fā)生某種類型的黃土滑坡，就可設(shè)定預(yù)警級別，并且以達(dá)到者先預(yù)警。

據(jù)此我們設(shè)定了第一類預(yù)警指標(biāo)R0為當(dāng)日降雨量，臨界值為10mm、30mm、50mm；第二類預(yù)警指標(biāo)R總為當(dāng)日及前15日累計雨量，其臨界值為10mm、43mm、100mm；第三類預(yù)警指標(biāo)P為滑坡發(fā)生概率，其計算公式為:

式中R1為前1日降雨量，R2為前2日降雨量，R3為前3日降雨量)，其臨界值為25%、50%、75%。計算公式。

3 預(yù)警判據(jù)模型及算例

以下以研究區(qū)內(nèi)某點(diǎn)為例進(jìn)行預(yù)警判據(jù)模型的算例說明，其降雨數(shù)據(jù)選取2019年5月1日～31日的真實(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，則可以進(jìn)行期間任一天的預(yù)警級別計算。如要對5月27日這一天進(jìn)行預(yù)警，計算過程如下。

第一類預(yù)警指標(biāo)為當(dāng)日降雨量，5月27日的當(dāng)日降雨量R0=31.0mm，落在了表1的30～50mm區(qū)間，達(dá)到II級預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。

第二類預(yù)警指標(biāo)為當(dāng)日及前15日累計雨量。

R總=31.0+0+2.0+0+0+0+0+0+0+0+0+3.5+0+12.4+6.8=55.7mm落在了43～100mm區(qū)間內(nèi)，也達(dá)到II級預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)[5]。

綜合一、二、三類預(yù)警指標(biāo)的預(yù)警結(jié)果，該點(diǎn)5月27日的預(yù)警級別為II級，為需要向公眾發(fā)布的預(yù)警級別。

4 監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)

監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)應(yīng)是一個集成了調(diào)查、評價、監(jiān)測、預(yù)警等各方面功能的綜合系統(tǒng)。

(1)監(jiān)測信息集成模型。包括降雨量監(jiān)測、滑坡專業(yè)、簡易監(jiān)測、人工巡查四部分。由于監(jiān)測設(shè)備和數(shù)據(jù)采集軟件不同，形成Access、PostgreSQL、SQL Server多種數(shù)據(jù)源。

(2)預(yù)警模型。根據(jù)表1的預(yù)警判據(jù)開發(fā)預(yù)警模型。首先需將各比例尺風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果集成到系統(tǒng)中；其次需要開發(fā)一個降雨量插值軟件，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)雨量信息的隨意獲取；再利用降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別計算當(dāng)日降雨量、當(dāng)日及前15日降雨量、滑坡發(fā)生概率這三個預(yù)警指標(biāo)；最后利用計算所得的預(yù)警指標(biāo)，根據(jù)設(shè)定好的預(yù)警判據(jù)，進(jìn)行預(yù)警級別的判定，形成預(yù)警結(jié)果圖。

(3)Web發(fā)布模型。系統(tǒng)本身運(yùn)行于縣級國土資源局內(nèi)網(wǎng)，用于地質(zhì)災(zāi)害管理之需。

(4)應(yīng)急管理模型。隨時根據(jù)降雨量進(jìn)行預(yù)警級別的自動計算。當(dāng)計算結(jié)果為I級、II級預(yù)警時，應(yīng)及時通過外網(wǎng)發(fā)布預(yù)警靶區(qū)，啟動相應(yīng)的行政管理程序。

根據(jù)以上的信息系統(tǒng)設(shè)計，利用三維瀏覽器下的iTelluro Globe Engine平臺，開發(fā)了“延安市寶塔區(qū)滑坡監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)”，應(yīng)用該系統(tǒng)可隨時對轄區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)進(jìn)行滑坡預(yù)警級別的判定。如對延安市寶塔區(qū)城區(qū)及周邊區(qū)域2019年7月17日20:00點(diǎn)至18日20:00點(diǎn)的滑坡進(jìn)行預(yù)警。對延安市寶塔區(qū)城區(qū)2019年7月17日20:00點(diǎn)至18日20:00點(diǎn)的滑坡進(jìn)行預(yù)警，可得如圖2所示的預(yù)警結(jié)果圖，該圖的比例尺為1:2.5萬，預(yù)警面積約100km2，單個預(yù)警靶區(qū)的面積多在1km2以下，基本能夠滿足應(yīng)急避讓等預(yù)防要求。

圖2 寶塔區(qū)及周邊預(yù)警結(jié)果圖

5 結(jié)論及討論

(1)傳統(tǒng)的GIS柵格計算方法適用于較大區(qū)域的滑坡區(qū)劃，不利于在較小區(qū)域內(nèi)提高預(yù)警精度。通過高精度DEM和Quick Bird遙感等多信息源，識別潛在的滑坡易發(fā)坡體，初步圈畫滑坡的危險區(qū)界線，進(jìn)行承災(zāi)體解譯，再逐一通過野外核查進(jìn)行驗證、修正或取消，形成符合比例尺精度要求的風(fēng)險區(qū)劃圖，可提供較之傳統(tǒng)方法更為精細(xì)化的預(yù)警靶區(qū)。

(2)在國家級、省級、市級的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警之后，縣級預(yù)警應(yīng)有與之相適應(yīng)的預(yù)警精度，即單個的預(yù)警靶區(qū)應(yīng)足夠小，以便縣級政府能夠有針對性地采取預(yù)防措施。一般而言，大區(qū)域預(yù)警的面積在103km2量級以上，適用于縣級以上行政區(qū)，比例尺可≤1:5萬，單個預(yù)警靶區(qū)可在幾十km2乃至上千km2；中小區(qū)域預(yù)警的面積在102km2量級以下，適用于重點(diǎn)城鎮(zhèn)(含縣城)及以下行政區(qū)，比例尺應(yīng)≥1:2.5萬，單個預(yù)警靶區(qū)應(yīng)在幾km2以下。