基于空间插值与典型滑坡体的滑坡灾害气象预警模型研究.pdf

第 卷第 期 年 月灾 害 学 赵卫东 冯子豪 吴兴付 等.基于空间插值与典型滑坡体的滑坡灾害气象预警模型研究.灾害学 ():.():/基于空间插值与典型滑坡体的滑坡灾害气象预警模型研究赵卫东 冯子豪 吴兴付 尹俊杰 季 斌(合肥工业大学 资源与环境工程学院 安徽 合肥 安徽省地质环境监测总站 安徽 合肥)摘 要:针对以往研究大多仅利用统计方法确定地质灾害预警临界雨量阈值 难以顾及不同滑坡体所具有地层、岩性等条件的不足 利用改进信息量模型构建安徽省滑坡灾害预警分区 通过耦合有效雨量和临界雨量获得全省 个典型滑坡点的临界雨量阈值 对其进行分区空间插值 并据此构建安徽省滑坡灾害气象预警模型 研究结果表明 该模型比现有预警模型的预警级别更准确 空间精度更高 克服了现有模型预警级别偏低 预报范围较宽泛的不足关键词:滑坡 空间插值 雨量阈值 气象预警模型 改进信息量模型中图分类号:文献标志码:文章编号:():/根据地质灾害预报预警对象不同 地质灾害预警模型可分为地质灾害的单体预警模型和区域预警模型 当前研究大多为地质灾害区域预警模型研究 对地质灾害单体预警模型 的研究相对较少 地质灾害区域气象预警模型 可分为三大类:第一代预警模型(隐式统计预警方法)、第二代预警模型(显式统计预警方法)和第三代预警模型(动力预警方法)目前大多数预警模型均把临界雨量阈值作为地质灾害预报预警的重要参数 确定临界雨量阈值的方法主要有三种:用统计分析方法分析临界雨量与发生降雨型滑坡之间的相关性 然后建立统计模型来描述某一区域滑坡是否发生以及发生数量与降雨量之间的数学关系 研究降雨入渗引发滑坡的物理过程 从降雨诱发滑坡的机理出发研究降雨入渗条件下滑坡体渗流场的变化特征及稳态特征 并结合与之对应的饱和 非饱和土体抗剪强度特征 采用无限斜坡稳定性模型来估计临界雨量 基于人工降雨试验研究临界降雨量与滑坡发生之间的关系 建立数学模型以确定临界雨量 由于地质灾害的发生具有非常明显的空间分异性 因此 对整个研究区域赋予相同的临界降雨量阈值显然不合适 通过对研究区进行合理分区 能够在很大程度上克服上述不足现有研究大多基于地质灾害易发分区构建地质灾害预警分区 目前已有诸多区域地质灾害易发性评价方法 主要包括逻辑回归模型、信息量模型、层次分析法、神经网络模型、综合指数法、模糊综合评价法等方法 这些方法均属于单一模型具有各自优缺点 近年来的研究表明 耦合两个或者多个模型用于地质灾害易发性分区评价可以克服单一模型的不足 提高地质灾害易发性分区精度 此外 将 技术运用到区域地质灾害预警研究中已成为当前研究的一个重要趋势但是结合 技术对单个滑坡体的稳定性评价和临界雨量阈值的研究还较少综上所述 在当前国内外地质灾害预报预警研究中 以第一代和第二代预警模型为主 而对第三代预警模型的研究仍处于探索与发展中 将单体地质灾害预警方法与 空间插值技术相结合应用到区域地质灾害预警研究中 是第三代预警模型的重要发展趋势之一 为此 本文拟利用安徽省 个典型滑坡体的历史降雨和岩土参数等数据 通过耦合典型滑坡体的临界雨量和临界稳态降雨量 确定上述典型滑坡体的临界雨量阈值并利用 空间内插技术 构建安徽省滑坡灾害区域预警模型收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金()安徽省公益性地质工作项目()第一作者简介:赵卫东()男 汉族 江西上高人 副教授 主要从事 技术在地质灾害气象预警中应用等方面研究.:通信作者:季斌()男 汉族 江苏泰兴人 讲师 主要从事 技术在地质灾害气象预警中应用等方面研究.:期赵卫东 等:基于空间插值与典型滑坡体的滑坡灾害气象预警模型研究 安徽省滑坡灾害预警分区构建选取高程、坡度等 个变量作为安徽省滑坡地质灾害预警分区评价因子 运用改进信息量模型对安徽省进行滑坡地质灾害易发性评价 并据此确定安徽省地质灾害预警分区 基于该预警分区和 个典型滑坡体的临界雨量阈值 利用 空间内插技术 构建安徽省滑坡灾害的区域预报预警模型 并使用安徽省近年发生滑坡的降雨量数据进行回溯 验证该模型的适用性和可靠性 安徽省滑坡影响因素分析对安徽省滑坡的形成条件、灾害特征和发生机理等进行综合分析 并同时考虑数据可获得性选取高程、坡度、坡向、地形起伏度、工程地质岩组、多年平均降雨量等 个因子进行安徽省滑坡易发性评价 经初步的数据处理发现断裂带、道路、河流水系等因子对模型构建影响很小 因此忽略不计 为了进一步确定影响安徽省滑坡灾害的主导因素 按自然断点法分别将安徽省的 个因子划分等级 结果如表 所示将截至 年有坐标记录的安徽全省 个滑坡点分别投影到安徽省高程分级图、坡度分级图、坡向分布图、工程地质岩组分布图、地形起伏度分布图和多年平均降雨分布图上(图)并统计高程、坡度等影响因子不同分级中的滑坡点分布频率 如图 所示 个滑坡点主要包括土质和岩质滑坡 其中大别山区和皖南山区以岩质滑坡为主 从图 和图 中可以看出 安徽省滑坡点的分布与高程、坡度、坡向、岩性、地形起伏度和多年平均降雨量之间均具有较为密切的关系其中 大部分滑坡点主要分布在高程 坡度 坡向为阳坡 地层岩性为坚硬较坚硬岩 地形起伏度较小 多年平均降雨量为 的地区表 安徽省滑坡影响因子等级划分影响因子自然断点法划分等级高程/坡度/坡向平面()()()()()()()()()()工程地质岩组坚硬岩较坚硬岩软质岩土质体地形起伏度/多年平均降雨量/图 安徽省滑坡影响因子与滑坡点分布关系图(审图号:()号 底图无修改 下同)灾 害 学 卷图 安徽省滑坡影响因子与滑坡点分布关系柱状图 安徽省滑坡预警分区构建为进一步定量化表达上述 个评价因子对安徽省滑坡灾害的影响程度 将 个滑坡灾害点作为正样本 并采用随机生成方法 在非滑坡区域随机生成 个点作为负样本 对 个评价因子和是否发生滑坡之间进行相关分析 结果如表 所示相关分析结果表明 滑坡发生与高程、坡度、地表起伏度、工程地质岩组、多年平均降雨显著相关 而与坡向相关性较小 最后 进行逻辑回归分析 得出各评价因子的回归系数 各评价因子的回归系数分别除回归系数之和 得到相应的因子指标权重 结果如表 所示由于本文基于栅格数据和改进信息量模型构建安徽省滑坡灾害预警分区 因此 首先需要确定栅格单元格尺寸 利用李军等提出的经验公式计算出安徽省 万图幅滑坡灾害易发性评价研究的适宜栅格大小为 利用 软件的栅格重采样功能将各评价因子的栅格图层分辨率统一至该尺寸 其次 分别统计影响滑坡的 个评价因子在全省范围内的各子类面积和落入各子类分布范围内的滑坡点数量 并按照信息量模型计算各评价因子的子类信息量值 结果如表 所示 表 中 为研究区范围内的评价单元总数 为研究区内包含滑坡点的评价单元总数 为包含某单个评价因子的单元数 为包含某单个评价因子的单元内发生滑坡的单元数利用 软件的栅格计算功能 将表 中的权重系数乘以表 中的信息量值 并取对数后求和即可得到每个单元格的改进信息量值 利用自然断点法对改进信息量值进行分区 并将安徽省滑坡灾害易发性评价结果划分为非易发区、低易发区、中易发区和高易发区 级(图)表 滑坡发生与各评价因子相关分析结果相关性分析高程坡度坡向地表起伏度工程地质岩组多年平均降雨是否发生滑坡 显著性 表 评价因子权重值评价因子高程坡度坡向地表起伏度工程地质岩组多年平均降雨回归系数 指标权重 期赵卫东 等:基于空间插值与典型滑坡体的滑坡灾害气象预警模型研究表 影响因子信息量计算结果表影响因素分类/信息量高程/坡度/岩性土质体 较坚硬岩 坚硬岩 软质岩 多年平均降雨/坡向平面()()()()()()()()()()地表起伏度/图 基于改进信息量模型的安徽省滑坡地质灾害易发分区图 滑坡预警分区效果评价为了评价上述安徽省滑坡灾害易发分区的效果 根据逻辑回归模型、信息量模型分别制作基于单一模型构建的安徽省滑坡地质灾害易发性分区图 并对三种模型的分区效果进行对比评价结果表明 种模型的评价结果总体相似 但不同易发性分区的面积和滑坡点个数有一定差异 根据受试者工作特征曲线()计算曲线下方面积()对三种模型的评价结果进行精度验证评价结果如图 所示 评价结果表明 改进信息量模型()值为 高于信息量模型()的 和逻辑回归模型()的 改进信息量模型的评价精度更高 此外 本文进一步统计了基于改进信息量模型的各个易发分区中的滑坡点数量 统计结果表明 研究区内滑坡高易发区面积为 占研究区总面积的 分 布 滑 坡 点 个 占 总 滑 坡 点 的 滑坡点密度为 个/中易发区面积为 占研究区总面积的 分布滑坡点 个 占总滑坡点的 滑坡点密度为 个/低易发区和非易发区面积较大 但滑坡点分布很少 这进一步表明基于改进信息量模型构建的安徽省滑坡灾害易发分区更能客观地反映安徽省滑坡灾害易发分布情况 因此 本文采用改进信息量模型构建安徽省滑坡灾害预警分区灾 害 学 卷图 种模型评价结果的 曲线 安徽省滑坡灾害气象预警模型构建 典型滑坡体临界雨量阈值模型构建降雨是诱发滑坡的直接外因 滑坡一般会在一次降雨过程中或之后发生 也可能会在连续降雨多日后发生 因此 滑坡的发生不仅与当日雨量有关 而且还与前期雨量有关 本文采用有效降雨量统计模型计算使滑坡体发生失稳的有效雨量 使用的雨量数据为离该滑坡体最近雨量站的五日降雨量数据(为当日雨量和前 雨量累计值)此外 通过野外调查取样等工作获取了典型滑坡体的岩性等相关参数 利用临界稳态降雨量公式分别计算出典型滑坡体的临界雨量值(/)()()式中:为饱和时土层的水力扩散系数(/)为坡度角()为上坡汇水面积()为流宽()为重力加速度 为土层厚度()为包含了扎入基底滑移面的植被根系加固作用在内的土的有效内聚力 为土的容积密度 为水的容积密度 为土的内摩擦角()重力加速度 取 /水的容积密度 取 /利用上述两种方法分别计算出的部分滑坡体的临界雨量阈值相近 但各自存在一定不足 如有效降雨量统计模型在统计结果上呈现出总体偏大的特征 而稳定性评价模型的计算结果总体偏小 为了充分利用两种计算方法的各自优势 采用加权叠加方法对两个模型进行耦合 进而基于临界降雨量阈值构建出安徽省典型滑坡体的气象预警模型首先 利用有效降雨量统计模型计算出 个典型滑坡灾害点的 有效降雨量 并利用式()计算出导致每个滑坡体失稳的临界雨量 其次对有效降雨量和临界雨量进行求和并取平均值得到耦合临界雨量 计算结果如表 所示 个典型滑坡灾害点是根据滑坡失稳由降雨造成、滑坡规模较大、对人民群众生命财产安全危害较大、有灾害发生时的雨量站记录数据(同时应满足:雨量站与滑坡点直线距离不超过 且雨量站与滑坡点必须位于山脊线同一侧)、发生年代在 年以后、所选的典型滑坡体能够基本覆盖安徽省不同地质环境背景等选取原则从安徽省地质环境监测总站的历年地质灾害数据库中筛选所得 该表中部分站点由于岩土参数试验结果还没有测试出来或周边缺失雨量站点等原因导致临界雨量或有效降雨量缺失时 则耦合临界雨量直接采用临界雨量或有效降雨量表 临界雨量计算结果点号 临界雨量/有效降雨量/耦合临界雨量/期赵卫东 等:基于空间插值与典型滑坡体的滑坡灾害气象预警模型研究续表 预警分区的临界雨量阈值及预警级别确定由于具有不同地质环境背景地区的滑坡孕育条件和产生机理不同 滑坡点的数量及其临界雨量阈值必然存在较大差异 因此利用安徽省滑坡预警分区图 按照预警分区、和 分别对安徽省滑坡临界雨量进行分区空间插值 确定各个分区的临界雨量阈值 上述预警分区是利用评价因子的栅格图层数据叠加形成 出现部分破碎的小分区 因此 对上述小分区进行合并 并把栅格图层转化为预警分区矢量图 根据上述滑坡预警分区 对 个典型滑坡灾害点的耦合临界雨量阈值采用克里金法进行分区空间插值处理 得到不同预警分区内的耦合临界雨量阈值 并通过自然断点法把每个预警分区的耦合临界雨量阈值分为 个级别进行显示(图)图 安徽省滑坡临界雨量分区阈值图基于上述临界雨量插值结果 按照等距区分方法 在高、中、低 个预警分区内分别再划分出 子分区 并确定其临界雨量及对应的预警等级(表)例如 当高易发区的 子分区内某地的当日预报雨量分别达到 、和 时 该地区相应发布地质灾害黄色、橙色和红色预警表 各预警分区预警标准预警分区子分区预警等级临界雨量/高易发区黄色 橙色(红色()黄色 橙色(红色()黄色 橙色(红色()中易发区黄色 橙色(红色()黄色 橙色(红色()黄色 橙色(红色()低易发区黄色 橙色(红色()黄色 橙色(红色()黄色 橙色(红色()安徽省滑坡灾害气象预警模型应用研究 为了对本文提出的安徽省滑坡灾害气象预警模型的有效性和适用性进行评价 利用安徽省已发生滑坡的发生时间和降雨量等数据对该模型的应用效果进行评价 首先 从安徽省地质环境监测总站收集了 年发生的 个滑坡点记录 同时向安徽省气象局搜集了离上述滑坡点最近雨量站的降雨量数据 利用该模型对近两年的滑坡发生情况进行回溯预警 对上述数据进行整理和分析 得到有完整降雨量、发生时间和地点记录的滑坡点 个 利用这 个滑坡点数据对预警模型进行回溯验证 验证结果如表 所示 从该表中可以看出 预警模型的总体预警准确率为 空报率为 安徽省现有预警模型的准确率为 空报率为 这表明本模型的预警准确率与现有模型相近 但空报率显著优于现有模型 本模型的总体预警效果良好灾 害 学 卷表 年安徽省滑坡预报预警统计表预警分区预警子分区滑坡点个数成功预警滑坡个数子分区预警准确率/预警分区预警准确率/总体准确率/高易发区中易发区低易发区 /为进一步评价该预警模型在某一具体预报时间的时空预警精度 以 年 月 日发生的 起滑坡灾害为例进行评价(图)从图 中可以看出 月 日当天发生的 起滑坡灾害均在本模型的预警范围之内 其中 个滑坡点落入黄色预警区 个滑坡点落入红色预警区 当天的模型预警准确率为 漏报率为 尽管有 个滑坡点未能发布最高的红色预警 但至少成功发布了黄色预警 这表明本预警模型具有良好的滑坡灾害时空预警能力 能够较好满足安徽省滑坡地质灾害高时空分辨率预警应用需求图 年 月 日预警图综上所述 现有安徽省预报预警模型考虑的影响因素相对单一 仅考虑了降雨量对滑坡灾害的影响 而本文提出的模型综合考虑了高程、坡度、坡向、地形起伏度、工程地质岩组、多年平均降雨量等 个因子对滑坡灾害的影响 因此 该模型不仅在总体预警效果上略优于安徽省现有模型 特别是其漏报率显著低于现有模型 其发布的滑坡灾害预警等级更加准确 未来可通过增加典型滑坡灾害点的数量进一步提高模型预报精度本文研究成果可为安徽省现行滑坡地质灾害气象预警模型提供重要参考 该模型能够适用于安徽省境内的区域地质灾害气象预警工作 其建模方法对全国其他省市的区域地质灾害气象预警工作也具有一定参考价值 结论与讨论本文以安徽省滑坡地质灾害为研究对象 探讨了安徽省滑坡灾害的发育现状和影响因素 并在此基础上利用耦合逻辑回归系数的信息量模型对安徽省滑坡灾害进行了易发性评价 并据此建立滑坡灾害预警分区 本文的主要成果和结论如下:()对安徽省现有滑坡灾害及降雨量等相关数据的统计分析表明 影响安徽省滑坡发生的主要因素为多年平均降雨量、工程地质岩组、地表起伏度、坡度、高程等 基于上述评价因子和逻辑回归系数的改进信息量模型构建的安徽省滑坡易发分区能够有效反映安徽省滑坡灾害的易发程度 基于该易发分区构建的安徽省滑坡预警分区较为合理()通过有机耦合有效降雨量统计模型和稳定性评价模型确定了 个典型滑坡体的耦合临界雨量阈值 并据此利用 分区空间插值方法构建了安徽省滑坡灾害气象预警模型 确定了安徽省不同预警分区的临界降雨量阈值 这表明本文提出的构建区域滑坡灾害气象模型的方法可行()利用安徽省现有滑坡灾害点及降雨量等数据 对安徽省滑坡灾害气象预警模型应用效果的研究表明 与安徽省现有地质灾害气象预警模型相比该预警模型不仅在总体预警效果上略优于安徽省现有模型 特别是其漏报率显著低于现有模型 其发布的滑坡灾害预警等级更加准确 较大程度克服了现有模型预警级别偏低、预警范围较宽泛的不足参考文献:.():.:.():.():.():曹颖.单体滑坡灾害风险评价与预警预报:以万州区塘角 号滑坡为例.武汉:中国地质大学.郭雨非.单体滑坡预报预警系统研究:以峡口滑坡为例.北京:中国地质大学(北京)刘传正 刘艳辉 温铭生 等.中国地质灾害区域预警方法与应用.工程地质学报 ():(下转第 页)灾 害 学 卷 .:“”.“”.:(上接第 页)梁润娥 李忠社 苗高建 等.区域地质灾害气象预警模型研究现状与展望.安全与环境工程 ():李环禹 陈朝晖 范文亮 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