梁國(guó)軍

(廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，廣西 南寧 530023)

0 引言

降雨是地質(zhì)災(zāi)害的觸發(fā)因素，根據(jù)降雨量進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)可以較大減少地質(zhì)災(zāi)害損失[1]。在分析大量地質(zhì)災(zāi)害資料和氣象資料的基礎(chǔ)上，探討了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與汛期降水過程及其動(dòng)態(tài)特征之間的關(guān)系，建立了一定地質(zhì)環(huán)境特征條件下地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的氣象模式和預(yù)報(bào)系統(tǒng)[2-8]。文章將以地質(zhì)環(huán)境背景、災(zāi)點(diǎn)實(shí)地調(diào)查結(jié)果等條件為基礎(chǔ)，根據(jù)過去氣象資料和未來預(yù)報(bào)降雨量，試著建立地質(zhì)災(zāi)害的氣象預(yù)警預(yù)報(bào)模型，確定降雨致災(zāi)臨界雨量對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。為大化瑤族自治縣(以下簡(jiǎn)稱大化縣)防災(zāi)減災(zāi)工作提供重要理論依據(jù)。

1 地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)思路

1)利用“3S”技術(shù)[遙感技術(shù)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)]，配合野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作，確定區(qū)域內(nèi)各類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的類型、數(shù)量、位置、規(guī)模及影響范圍，完成地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ)資料收集工作。

2)根據(jù)調(diào)查和資料收集的結(jié)果，選取可能影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的各種因素，建立基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)，編制相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)和圖層，主要包括地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫(kù)、坡度圖、高差圖、地貌圖、殘坡積土厚度分布圖、工程地質(zhì)巖組類型圖、地質(zhì)構(gòu)造形跡圖、降雨分布圖、人類活動(dòng)強(qiáng)度分布圖等。

3)對(duì)該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害及其影響因素進(jìn)行了相關(guān)分析，選擇了控制和影響地質(zhì)災(zāi)害的主要因素，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量計(jì)算，生成該區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃圖。

4)根據(jù)歷史資料，確定地質(zhì)災(zāi)害與降水因子之間的關(guān)系，得到地質(zhì)災(zāi)害的臨界降雨指數(shù)。

5)在對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度進(jìn)行區(qū)劃的基礎(chǔ)上，根據(jù)歷史地質(zhì)災(zāi)害與各類降雨條件下降水的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量分析，確定各易發(fā)分區(qū)在各類降雨條件下地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)等級(jí)。

6)據(jù)據(jù)氣象預(yù)報(bào)確定的降雨范圍、降雨持續(xù)時(shí)間、降雨強(qiáng)度以及各地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害臨界雨量指數(shù)，可以對(duì)該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。

7)根據(jù)今后發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害事件，不斷修訂和完善地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)、降雨臨界值和地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)等級(jí)等。

2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃

2.1 易發(fā)區(qū)劃分的方法

1)首先，根據(jù)大化縣地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特征(主要指崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害)，確定控制和影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要因素(n個(gè)主要因素)，參與地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)；以定性評(píng)價(jià)方法建立各參評(píng)因素的優(yōu)勢(shì)范圍，并根據(jù)定性評(píng)價(jià)結(jié)果將單因素評(píng)價(jià)分區(qū)劃分為4個(gè)等級(jí)，賦單因素評(píng)價(jià)值(Yi)。

2)采用專家打分法確定各因素權(quán)重值(Wi)。

3)在GIS平臺(tái)上進(jìn)行多因素“疊加分析(overlay)”，根據(jù)各參與因素將大化縣劃分為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性不同的區(qū)域。

4)根據(jù)各分區(qū)單因素評(píng)價(jià)得分及各因素權(quán)重值，采用加權(quán)的方法計(jì)算各分區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)值(R)。按地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)得分的高低，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)。

2.2 評(píng)價(jià)因素選取及單因素區(qū)劃

根據(jù)工作區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生發(fā)育特征，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因素總體結(jié)構(gòu)見圖1。單因素選取及評(píng)價(jià)賦值標(biāo)準(zhǔn)見表1。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因素結(jié)構(gòu)圖

表1 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評(píng)價(jià)中各參評(píng)因素賦值標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重分配

2.3 評(píng)價(jià)因素權(quán)重的確定

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)點(diǎn)密度、地貌類型、地形坡度、相對(duì)高差、殘坡積層厚度、工程地質(zhì)巖組、降雨、人類工程活動(dòng)特征等8個(gè)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重得分，計(jì)算各因素的算術(shù)平均值作為該因素的權(quán)重(表1)，總權(quán)重值為1。

2.4 基于GIS的信息量疊加

利用ArcGIS系統(tǒng)空間分析功能，對(duì)參與評(píng)價(jià)的8張單因素圖進(jìn)行疊加分析(Analysis Tools-> Overlay-> INTERSECT)，得到1564個(gè)具有疊加屬性的不同分區(qū)。

2.5 易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)及易發(fā)區(qū)的劃分

采用加權(quán)的方法計(jì)算各分區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)值，其數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中：R為評(píng)價(jià)單元內(nèi)綜合評(píng)價(jià)值；Wi為評(píng)價(jià)單元內(nèi)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；Yi為評(píng)價(jià)單元內(nèi)評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)值；n為評(píng)價(jià)單元內(nèi)評(píng)價(jià)因子的數(shù)量。

在上述疊加分區(qū)的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS系統(tǒng) “字段計(jì)算(Data Management Tools->Fields-> Calculate Field)” 功能，根據(jù)式(1)和表1中列出的各因素權(quán)重值，計(jì)算出11 215個(gè)分區(qū)各自的綜合評(píng)價(jià)值。為便于對(duì)易發(fā)區(qū)進(jìn)行分類，根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行漸變顏色劃分(圖2)。

圖2 大化縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度綜合評(píng)價(jià)值區(qū)劃圖

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)得分，劃分地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)。本次采用突變點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)定。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，以突變點(diǎn)作為易發(fā)程度分區(qū)的邊界值，并將區(qū)域劃分為4個(gè)不同等級(jí)的高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)。

同時(shí)，對(duì)大化縣縣境北部的小面積巖溶區(qū)出現(xiàn)的巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害，采用定性—半定量相結(jié)合的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，參考中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《1∶5萬巖溶地面塌陷調(diào)查規(guī)范(送審稿)》，具體評(píng)價(jià)方法步驟如下：

第一步 從影響巖溶塌陷的“巖-土-水”相互作用分析，確定單因素對(duì)易發(fā)性的影響程度(表2)。根據(jù)大化縣巖溶區(qū)的特征，其灰?guī)r巖溶發(fā)育程度中等，土層厚1～45 m，雙層結(jié)構(gòu)，巖性上部為顆粒較小的黏土層，下部為顆粒較粗的砂土、砂礫石層，地下水年水位埋深2～5 m，均在基巖面以上波動(dòng)，年水位變幅2～10 m，已有的塌陷坑密度<2個(gè)/10 km2，按照就高原則，各級(jí)只要有一個(gè)滿足即定為該級(jí)別，大化縣巖溶區(qū)基巖、土層、地下水、已有塌陷對(duì)巖溶塌陷的影響分別評(píng)為“中、中、中、低”。

表2 巖溶塌陷主要影響因素

第二步 根據(jù)基巖巖溶發(fā)育程度和第四系覆蓋層特征，綜合評(píng)價(jià)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖溶塌陷易發(fā)性的影響程度(表3)。大化縣巖溶區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)巖溶塌陷易發(fā)性的影響程度為“中”。

表3 地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)易發(fā)性的影響

第三步 根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水對(duì)易發(fā)性的影響程度、現(xiàn)有塌陷坑(土洞)密度進(jìn)行巖溶塌陷易發(fā)性定性評(píng)價(jià)(表4)，巖溶塌陷易發(fā)性分為高易發(fā)性、中易發(fā)性及低易發(fā)性三個(gè)等級(jí)。根據(jù)以上論述，大化縣巖溶區(qū)各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)巖溶塌陷的影響如下：地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響為中，地下水影響為中，塌陷坑密度為低。

表4 巖溶塌陷易發(fā)性評(píng)價(jià)

綜上所述，大化縣的巖溶區(qū)劃分為地面塌陷中易發(fā)區(qū)，大化縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)圖見圖3。

圖3 大化縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)圖

3 臨界降水指標(biāo)的確定

降雨是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的最主要誘發(fā)因素，降雨對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，以往眾多學(xué)者從降水歷時(shí)、降雨量和降水強(qiáng)度等方面對(duì)滑坡預(yù)報(bào)開展過研究。受現(xiàn)有降雨資料的限制，本次工作主要采用當(dāng)日降水強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

當(dāng)日降水強(qiáng)度與滑坡、崩塌關(guān)系統(tǒng)計(jì)表見表5，據(jù)此繪制折線圖4。圖4顯示了隨著降水強(qiáng)度的增加，滑坡和崩塌發(fā)生的數(shù)量呈強(qiáng)階式增多，2處高臺(tái)階分別出現(xiàn)在50 mm和120 mm，其中，日降水強(qiáng)度從50 mm增至60 mm，滑坡、崩塌由24處增至53處，滑坡、崩塌總數(shù)增29處，日降水強(qiáng)度從120 mm增至130 mm，滑坡、崩塌總數(shù)劇增28處。故日降水強(qiáng)度50 mm和120 m可作為臨界降雨量閥值。

表5 滑坡崩塌數(shù)量與日降雨量之間關(guān)系統(tǒng)計(jì)

圖4 滑坡、崩塌數(shù)量與日降雨量關(guān)系折線圖

4 地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)

4.1 降水閥值及危險(xiǎn)性等級(jí)劃分

根據(jù)第4.3節(jié)的統(tǒng)計(jì)分析，可把降水危險(xiǎn)性劃分為3個(gè)等級(jí)：高危險(xiǎn)性、中危險(xiǎn)性、低危險(xiǎn)性，分別對(duì)應(yīng)50 mm和120 m兩個(gè)降雨量閥值(表6)。

表6 誘發(fā)滑坡、崩塌的降水閥值及危險(xiǎn)性等級(jí)劃分

4.2 預(yù)警預(yù)報(bào)等級(jí)的劃分

根據(jù)降雨量的強(qiáng)度，調(diào)查區(qū)分為4個(gè)預(yù)警等級(jí)：藍(lán)色預(yù)警區(qū)(Ⅰ)和黃色預(yù)警區(qū)(Ⅱ)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性分別為“小”和“較小”；橙色預(yù)警區(qū)(Ⅲ)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大；紅色預(yù)警區(qū)(Ⅳ)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性大。

參照區(qū)內(nèi)浦北、靈山、平南縣等縣份詳查中預(yù)警等級(jí)劃分依據(jù)，結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際，大化縣預(yù)警區(qū)等級(jí)劃分見表7，將降雨量危險(xiǎn)等級(jí)和災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級(jí)進(jìn)行疊加，分別得出低危險(xiǎn)性、中危險(xiǎn)性、高危險(xiǎn)性降雨閥值對(duì)應(yīng)的預(yù)警區(qū)劃圖。

表7 大化縣預(yù)警區(qū)等級(jí)劃分

4.3 預(yù)警預(yù)報(bào)信息的發(fā)布

根據(jù)氣象部門未來24 h的降雨預(yù)報(bào)資料和前期的實(shí)際降雨資料，結(jié)合各地質(zhì)災(zāi)害區(qū)的易發(fā)等級(jí)，分析判斷發(fā)生降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的空間范圍和可能性，確定地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)等級(jí)(圖5)。這個(gè)任務(wù)可以通過參考圖5來快速完成。

圖5 大化縣不同降雨量地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)劃圖

編制地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)報(bào)告，應(yīng)當(dāng)按規(guī)定程序報(bào)送政府，并在預(yù)報(bào)范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一公告。對(duì)于三級(jí)以上發(fā)布預(yù)報(bào)，其中Ⅱ級(jí)為注意級(jí)，Ⅲ級(jí)為預(yù)警級(jí)，Ⅳ級(jí)為警報(bào)級(jí)。

1)當(dāng)發(fā)生臺(tái)風(fēng)特大暴雨天氣(或3 h降雨量≥100 mm或6 h降雨量>80 mm)時(shí)，所有地質(zhì)災(zāi)隱患點(diǎn)進(jìn)入到警報(bào)級(jí)，在接到警報(bào)后，縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)國(guó)土資源系統(tǒng)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)村屯的防災(zāi)責(zé)任人與監(jiān)測(cè)責(zé)任人以及應(yīng)急小分隊(duì)成員進(jìn)入地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)立即組織地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)受威脅人員或位于居住于高陡邊坡下的人員撤離至安全地帶，并做好地質(zhì)災(zāi)害防御和搶險(xiǎn)工作。

查圖位于紅色預(yù)警區(qū)的村莊，應(yīng)立即組織防災(zāi)監(jiān)測(cè)負(fù)責(zé)人和搶險(xiǎn)隊(duì)員進(jìn)入地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)地區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)和可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)后立即報(bào)警，組織群眾躲避危險(xiǎn)，做好地質(zhì)災(zāi)害防治救援工作。

位于橙色預(yù)警區(qū)的村莊。鄉(xiāng)鎮(zhèn)村屯的防災(zāi)責(zé)任人與監(jiān)測(cè)責(zé)任人，在接到警報(bào)后，進(jìn)入地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情立即報(bào)警、組織群眾避險(xiǎn)并做好地質(zhì)災(zāi)害防御和搶險(xiǎn)工作。

2)當(dāng)日降雨量>120 mm(或3 h降雨量≥50 mm或6 h時(shí)降雨量≥80 mm)時(shí)，所有地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)入到預(yù)警級(jí)，縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)國(guó)土資源系統(tǒng)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)村屯的防災(zāi)責(zé)任人與監(jiān)測(cè)責(zé)任人，在接到警報(bào)后，應(yīng)立即組織地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)受威脅人員或位于居住于高邊坡下的人員撤離至安全地帶。

位于紅色預(yù)警區(qū)的村莊?？h鄉(xiāng)鎮(zhèn)國(guó)土資源系統(tǒng)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)村屯的防災(zāi)責(zé)任人與監(jiān)測(cè)責(zé)任人，在接到警報(bào)后，進(jìn)入地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)做好地質(zhì)災(zāi)害防范工作，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情立即報(bào)警、組織群眾避險(xiǎn)并做好地質(zhì)災(zāi)害防御和搶險(xiǎn)工作。

位于橙色預(yù)警區(qū)的村莊。鄉(xiāng)鎮(zhèn)村屯的防災(zāi)責(zé)任人與監(jiān)測(cè)責(zé)任人，在接到警報(bào)后，進(jìn)入地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情立即報(bào)警、組織群眾避險(xiǎn)并做好地質(zhì)災(zāi)害防御和搶險(xiǎn)工作。

3)當(dāng)日降雨量50～120 mm時(shí)，所有地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)入到注意級(jí)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)村屯的防災(zāi)責(zé)任人與監(jiān)測(cè)責(zé)任人，在接到警報(bào)后，應(yīng)立即加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的監(jiān)測(cè)工作，并做好防范工作，組織穩(wěn)定性差的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)受威脅人員或位于居住于高邊坡下的人員撤離至?xí)簳r(shí)撤離至安全地帶。

位于在橙色預(yù)警區(qū)的村莊。鄉(xiāng)鎮(zhèn)村屯的防災(zāi)責(zé)任人與監(jiān)測(cè)責(zé)任人，在接到警報(bào)后，進(jìn)入地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情立即報(bào)警、組織群眾避險(xiǎn)并做好地質(zhì)災(zāi)害防御和搶險(xiǎn)工作。

5 結(jié)語

大化縣面積大，地形地貌變化大，區(qū)內(nèi)降雨量變化較大。目前收集到的降雨量資料只是到鄉(xiāng)一級(jí)的站點(diǎn)，調(diào)查大多數(shù)災(zāi)害點(diǎn)發(fā)生的具體時(shí)間難以確定，使得在工作區(qū)內(nèi)，降雨與地質(zhì)災(zāi)害之間的關(guān)系不能從災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間段進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。由于以上不足，使得本次統(tǒng)計(jì)的臨界降雨量可能存在一定的偏差。本預(yù)警體系尚未接受實(shí)際檢驗(yàn)，有待于在后續(xù)工作中進(jìn)一步完善。

建議在每個(gè)地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)建立3～5處雨量站，深入研究降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的深層次原因。通過以上工作，積累第一手資料，總結(jié)成功預(yù)防的經(jīng)驗(yàn)，分析存在的問題，不斷提高地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)確性。