基于GIS的天津市突发性地质灾害预警预报系统设计与实现

王爽，王晴，斯蔼，刘振辉，李晓华

（1.天津市地质环境监测总站，天津 300191；2.天津市财经大学，天津 300222）

基于GIS的天津市突发性地质灾害预警预报系统设计与实现

王爽1，王晴2，斯蔼1，刘振辉1，李晓华1

（1.天津市地质环境监测总站，天津 300191；2.天津市财经大学，天津 300222）

基于地质灾害的多样性及其变化的随机性和非稳定性特点，本文综合利用数学算法和GIS技术，设计了地质灾害预警模型，分析了诱发地质灾害的地形、地貌、气象、水文等几方面的因素，应用地质灾害显式统计预警的基本原理，并通过确定性系数模型(CF)综合分析了天津市地质灾害分布与地质环境基础因素的关系，更好的修订了我市地质灾害预警预报模型。实践证明，应用基于GIS的地质灾害预警预报系统已在我市近几年的地质灾害气象预警预报中不断完善，预警预报精度得到提高，防灾减灾效果明显，对保护人民生命财产安全发挥了重要作用。

地质灾害；模型；预警预报系统；防灾减灾

天津市地处华北平原东北部，地质条件比较脆弱，地质灾害以崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害为主，多次造成人员伤亡和财产损失。自2004年，经天津市人民政府批准，天津市国土资源和房屋管理局与天津市气象局联合，开展了以大气降雨为诱发因素的天津市汛期地质灾害气象预报预警工作。该项工作的开展起到了一定的成效，但由于该预警预报模板采用单一的临界雨量判据法，未考虑预警精度还受到所预警地区突发性地质事件样本数量、地质环境发育现状、地质环境稳定性及区域人类工程活动等诸多因素制约，而难于解释地质环境变化及地质灾害成因对预警工作的影响，在预警准确性方面也亟待提高，针对此一系列问题，本文在以往工作基础上，提出了基于GIS环境下的天津市突发性地质灾害预警预报系统设计及验证实现，课题的完成将有利于天津市地质灾害的防治工作,有利于保障人民生命财产安全及社会的稳定。

1 天津市地质灾害预警预报系统设计

1.1 预警预报模型设计流程[1]

天津市突发性地质灾害预警预报模型设计综合利用了GIS技术，过程包括地质灾害影响因子评价和预警信息发布两个阶段。地质灾害影响因子评价阶段是对地质灾害发生的空间、时间及造成危害、损失可能性做出分析判断的过程；评价结果发布是在评价结果的基础上，借助信息技术，实现评价结果的可视化并通过当地电视台及其他媒介对外发布，流程如图1所示。

图1 灾害预报工作流程Fig.1 Disaster oforecast p rocess

1.2 突发性地质灾害评价指标的筛选与确定

天津市北部山区地质灾害影响因素庞杂，包括地貌、地层、地质构造（断裂）、山坡坡度、高程、植被覆盖率、水系、地震烈度、岩组类型、历史地质灾害影响（灾害点和灾害规模）、降雨量、人口密度和人类工程活动分区等等，如果把上述因素均列入地质灾害预警评价，则将会得到庞大的指标体系，这不仅增加评价工作量，而且还会冲淡主要指标的作用。因此，本研究采用确定性系数模型进行关键性信息选取。

1.2.1 确定性系数模型（CF）[2]

CF作为一个概率函数，最早由Shor t l i of ofe和Buchanan（1975）提出，由Heckerman（1986）进行了改进，其表示为下式：

其中：ppa是事件（地质灾害）在数据类a中发生的条件概率，在实际灾害应用时可以表示为代表数据类a的单元中存在的灾害面积与单元面积的比值；pps是事件在整个研究区中发生的先验概率，可以表示为整个研究区的灾害的面积与研究区面积的比值。

计算出每一数据层的CF后，需要将不同数据层的CF进行合并。假定要合并两个数据层的CF分别为x和y，合并后的结果为z，合并公式如下式：

1.2.2 关键影响因子确定

根据公式（2）将各因子数据层进行合并，合并的字段为CF值。首先将其中两个因子数据层进行合并形成一新的数据层，然后与第3个因子数据层进行合并，直到所有数据层均合并完为止。为使合并结果易于解释，将合并的图层的CF字段值进行分类，分为5个级别。划分标准与每一级别的意义如表1所示。

据上式计算得到的每个因子图层叠加后分段的百分比的变化量，见图2。

由图2可见，各因子对于灾害发生的贡献率有所不同，根据下式（3），计算每个图层因子的相对贡献大小，计算结果见表2。

根据表2，由于地层、地震烈度和人口密度3个因子的相对贡献值较小、不足1，根据评价指标的代表性原则，将其从评价指标中去除。选定地形地貌、地质构造、降雨量等其它11项指标作为研究区地质灾害（崩塌、滑坡和泥石流）影响因子。

1.3 突发性地质灾害影响因子权重的确定

将筛选出的影响因子划分成四部分，即发育因子（历史地质灾害）、基础因子（水系、高程、地貌、植被覆盖、地质构造、山坡坡度、岩组类型）、易损因子（人类工程活动）以及激发因子（降雨量）。发育因子、基础因子和易损因子联合作为研究区地质灾害发育基础因子，进行研究区预警区划判定，然后结合激发因子进行地质灾害预警判定。

表1 CF稳定性级别划分Table 1 Division o of the CF va lue g rade

图2 各因子图层CF值叠加后分段百分比的变化量Fig.2 Variation oof subsection percentages a ofter superposition o of the CF va lues o of various ofactors

表2 因子贡献率分析Table 2 The ofactor ana lysis o of contribution rate

1.3.1 评价等级划分

将上述定性指标量化，采用5分法赋值，实现定性指标的量化。在此基础之上，将量化后的指标做归一化处理，则各类因子等级划分见表3～6：

表3 发育因子选取及赋值Table 3 Se lection and assignm en to of the grow th ofactors

表4 基础因子选取及赋值Table 4 Se lection and assignm en t o of the basic ofacto rs

表5 易损因子选取及赋值Table 5 Se lection and assignm ento of the vu lne rab le ofacto rs

表6 激发因子选取及赋值Table 6 Se lection and assignm ento of the stim u lating ofactors

1.3.2 评价指标赋权

采用层次分析法[3]进行指标权重的赋值。在咨询相关专家的基础上，给出了准则层发育因子（B1）、基础因子（B2）、易损因子（B3）和激发因子（B4）对地质灾害预警（A）的判断矩阵（表7）。

(1)发育因子评价指标权重

发育因子（B1）下设灾害点（C1）和灾害规模等级（C2）两项指标（表8）。结合表3可知，灾害点（C1）和灾害规模等级（C2）的权重分别为0.1和0.05。

(2)基础因子评价指标权重

基础因子（B2）下设地形地貌（C3）、高程（C4）、地面坡度（C5）、工程岩组（C6）、地质构造（C7）、植被覆盖（C8）和水系（C9）6项指标（表9）。表7罗列了基础因子指标的判断矩阵及其最终权重值。

(3)易损因子评价指标权重

由表5可得，人类工程活动（C10）的权重即为易损因子权重（B3），为0.11。

(4)激发因子评价指标权重

由表6可得，降雨量（C11）的权重即为激发因子权重（B4），为0.25。

1.4 地质灾害综合评价

当得到一个地区的激发因子（降雨量）预报数值时，导入本研究区预警区划，就可以根据多项因子综合分析计算出的地质灾害发生的预警预报数值（表10），作为预警指标使用[4，5]。

表7 因子AHP评价判断矩阵Table 7 AHP app raisa lm atrix o of pa ram e te r

表8 发育因子指标AHP评价判断矩阵Table 8 AHP app raisa lm atrix oof grow th ofactor param eter

表9 基础因子指标AHP评价判断矩阵Table 9 AHP app raisa lm atrix o of basic ofacto r pa ram eter

表10 地质灾害预警预报等级划分表Table 10 Forecast-warning grade o of geo-hazard

2 预警预报案例分析

以GIS为技术平台，将上述评价因子数字化（编图采用国家标准1/10万数字化地形图作为底图）。在此基础之上，按1 km×1 km，将评价区划分成850个栅格，每一个栅格中对应的各因子属性赋值及权重赋值，运用GIS的空间叠加功能，实现了天津市突发性地质灾害预警的分层次递进模型的定量研究和空间可视化。

以2011年7月29日的降雨数据为例进行预测[6]，预测结果（图3）显示，预警等级较高的地带多分布在地质灾害高易发区内，并且基本上与降雨量有着正相关。预警结果显示，未来1日地质灾害三级预警区主要分布在下营、官庄及别山一带，发生崩塌、滑坡等地质灾害机率较大，需要引起关注，当天通过媒体向公众及有关部门进行了汇报。后期经实地调查[7]，7月30日，在下营马营公路、小东沟村西乡间公路和盘山东麓砖蓟公路沿线等地，不同程度地发生块石崩落，与预测结果基本相符，说明评价模型具有一定的可行性。

3 结论与讨论

图3 天津市北部山区地质灾害预测图Fig.3 Geo-hazard early w arning in northern m ountain area o of Tian jin p rovince

本文所采用基于GIS的突发性地质灾害预警预报模型，从研究结论来看，其结果与实际情况基本相符，说明此研究结果具有一定的可行性，且在近几年的天津市突发性地质灾害气象预警预报工作过程中得到了检验，通过不断的实践完善了预警模型，提高了预报精度，政府部门对地质灾害防治决策能力有了加强，对保护人民生命财产安全发挥了十分重要的作用。

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[5]殷坤龙.滑坡灾害预警预报[M].中国地质大学出版社. 2004，1.

[6]天津市地质环境监测总站.天津市地质灾害预警预报系统研究[R].2009.

[7]天津市地质环境监测总站.天津市蓟县2011年汛期地质灾害巡查报告[R].2011.

Abstract:Based on the ofeaturesoof variety and variability oofgeo-hazards,and using themap algebra and GIS technologies,the authors design a geo-hazard early warningmodel,and analyze the inofluence ofactorsoof geo-hazard including terrain,physiognomy,hydrology etc,and ofind out the relationship between the geo-hazard distribution and geo-environmental ofactorsoof Tianjin City.Thewarning system hasbeen playing a considerable importantaction to protect liofe and property oof human ofor resentyears.

Keywords:geo-hazard；early warningmodel;oforecastsystem;disaster reduction

Design and Im p lementation oof the EarlyW arning and Forecast System oof Tianjin AbruptGeologicalHazard Based on GIS

WANG Shuang1,WANGQing2,SIAi1,LIU Zhen-Hui1,LIXiao-Hua1
（1.Generalgeologicalenvironmentalmonitoring station oof Tianjin City,Tianjin 300191,China；2.Tianjin University oof Finance&Econom ics,Tianjin 300222,China)

P694

A

1672－4135（2012）03－0206-05

2012-03-02

天津市科委科技计划项目：天津市地质灾害预警预报技术及应用（07ZCGYSF03300）；天津市国土房管局科技项目：天津市汛期地质灾害气象预警预报系统研究（06-16）

王爽（1979-），女，硕士，工程师，2005年毕业于吉林大学环境工程专业，现主要从事天津市突发性地质灾害监测预警工作，Email：bofji1@yahoo.cn。