基于GIS的滑坡地质灾害预警应急信息系统研究

基于GIS的滑坡地质灾害预警应急信息系统研究主要内容选题背景及研究意义国内外研究现状研究内容与技术路线研究区概况系统设计与实现结论与展望地质灾害是自然灾害的一种，是在地质作用下，地质自然环境恶化，造成人类生命财产损毁或人类赖以生存和发展的资源、环境发生严重破坏的现象或过程。常见的地质灾害形式主要有崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝和地面沉降。我国每年因滑坡、崩塌等斜坡变形破坏造成的损失高达30-50亿美元。滑坡是一种严重的边坡变形现象，它的发生一方面取决于边坡自身的基础条件，另一方面与边坡受到的应力作用有关。滑坡除了受自身的地质条件影响外，还受到地震、降雨、洪水以及人类活动等多种诱发因素的左右，其中暴雨诱发的滑坡占滑坡发生总数的90％左右。选题背景及研究意义（一）兰州市特殊的地质环境和岩土组成以及小时降雨量大、人类活动频繁等多种原因造成滑坡、崩塌时常发生。如果能够准确的计算滑坡的稳定性并且对滑坡进行较准确的预测和预报，就可以尽早采取防灾减灾措施和对策，使这类灾害造成的损失减少到最低程度。因此，开展崩塌、滑坡地质勘察、科学实验、监测预报及防治研究工作，尽量避免和减轻灾害损失，具有十分重要的现实意义和巨大的经济与社会效益；同时，对丰富和发展灾害预报预警理论，推动工程地质、环境地质和岩土力学向更高层次发展也具有重要的理论意义。选题背景及研究意义（二）国内外研究现状（一）滑坡预测预报研究滑坡预报预警研究是滑坡研究的核心问题，起步于20世纪60年代。它包括空间预报和时间预报两个方面，空间预报是确定不稳定斜坡所在位置，时间预报是在空间预报的基础上确定滑坡可能发生的时间。由于滑坡问题的复杂性，滑坡时间预报至今还是一个世界性的难题。几十年来，国内外许多滑坡专家潜心研究，不断探索实践，使滑坡预报的理论和方法有了较大的发展，纵观其发展过程大致可分为以下三个阶段。现象预报和经验式预报阶段位移——时间统计分析预报阶段综合预报模型及预报判据研究阶段国内外研究现状（二）滑坡危险性评价研究滑坡危险性区划研究在国外早就得到了深入研究与报导。美国、西欧国家自六十年代末、七十年代初就开始了以滑坡灾害为主体的地质灾害危险性区划研究；进入八十年代，很多国家和地区都开始了区域地质灾害危险性分区及预测问题的研究；自九十年代起，围绕国际减灾十年计划行动，北美及欧洲许多国家在原地质灾害危险性区划研究的基础上，开展了地质灾害危险性与土地利用立法的风险评价研究，把原来单纯的地质灾害危险性区划研究拓展到了综合减灾效益方面的系统研究。由于GIS技术的空间分析、制图功能和可视化的特点，GIS技术在滑坡危险性区划研究方面得到了快速发展，以GIS软件为技术平台的地质灾害危险性评价研究成为该领域未来研究的发展方向。国内外研究现状（三）GIS在地质灾害中的应用利用GIS系统来处理用户的数据；在GIS的基础上，利用它的开发函数库二次开发出用户专用的地理信息系统软件。目前，国内外利用地理信息系统在地质灾害研究中的应用大致有以下几个方面：地质灾害评价和管理地质灾害的危险性区划评价地质灾害易发程度分区地质灾害风险性分析地质灾害预警技术研究内容与技术路线主要研究内容建立研究样区滑坡灾害预警应急系统数据库，通过设置不同滑坡影响因子敏感性权重，利用GIS空间叠加统计分析达到分析预警的目的。阐述系统设计的原理，分析系统的组成模块与功能。在分析和总结现有滑坡的预警以及滑坡危险性评价理论和应用的基础上，研究与建立一套较为完整的基于GIS的滑坡地质灾害预警级别研究的方法体系和工作流程。根据目前各种地质灾害相关技术的发展，总结当前的工作，并对系统的发展进行了展望和制定继续研究的计划。地质环境条件地质灾害预警应急地质灾害发育特征气象水文灾害形成条件灾害发育与分布水文地质地层岩性地形地貌地质构造与区域稳定性预警体系的建立地质灾害危险性评价GIS空间分析灾害影响因素地质灾害资料搜集与调查结论人类工程活动影响因子权重的确定应急预案地形地貌地质构造地层岩性人为因素自然因素灾害类型及特征降雨灾害规模等级模型设置与计算建立灾害数据库研究灾害发生机理预报、监测数据输出预警等级研究技术路线研究区概况（一）兰州市是甘肃省省会城市，位于北纬35°34′20″～37°07′07″，东经102°35′58″～104°34′29″之间，是我国陆域版图的几何中心，有“陆都心脏”之说，在大西北处于“座中四连”的独特位置。兰州现辖城关、七里河、西固、安宁、红古区和永登、榆中、皋兰三县，全市总面积1.31万km2，其中市区面积1631.6km2，建成城区面积180km2。总人口308.11万人，其中，市区人口199.15万人，非农业人口180.27万人，农业人口127.84万人，城镇人口263.61万人，乡村人口44.5万人。居住着汉、回、藏、东乡、裕固、撒拉等38个民族。境内干线公路、县乡公路、市区城市道路较为发达，交通便利。研究区地理位置示意图研究区概况（二）兰州市地处我国黄土高原西部，区内山高坡陡沟壑密布，山地、半山地占85%，受南北两山地形的控制城市用地非常紧张，其城区人口与建筑密度己远大于国内同类城市，造成城市人口与建筑蚕食坡地，切割坡脚，破坏了滑坡或斜坡的稳定性。近些年由于人口的急剧增加、城市建设的迅速发展和人类活动的加剧，每年地质灾害都造成人员伤亡和财产损失，其发生频度与危害性，居全国各大城市之首，并且，随着城市的发展，与坡争地的现象会愈来愈突出，兰州市地质灾害将会越来越活跃。滑坡（坍塌）是兰州市区最严重的地质灾害类型之一。兰州市区各地地质灾害分布数量图兰州市滑坡、崩塌爆发频率图0.05.010.015.020.025.030.035.0百分比（％）百分比6.93.410.310.331.010.33.43.424.117.26.93.41月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月研究区概况（三）灾害特征：兰州滑坡、崩塌主要发育在黄土、第三系砂泥岩、砂砾岩地层中。各类地质灾害均与人类活动密切相关，尤其是滑坡、崩塌及不稳定斜坡的分布呈现出明显的区域性。滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地质灾害活动频繁，一般在雨季、冻融季节均有发生，同时受人类工程活动作用明显。系统设计需求分析总体设计系统目标系统结构设计•系统数据库设计•系统框架设计功能设计系统浏览查询功能系统数据管理预警模块应急指挥及灾情评估模块系统输出模块系统目标以GIS技术支持的、为解决地质灾害信息处理相关技术问题的专题应用型信息系统;提供兰州市辖区内地质灾害灾情动态和实时灾情评价、危险性区划等地质灾害预警信息成果;为政府部门开展地质灾害预警、应急、防治提供决策服务。系统功能框架图灾害监测预警评估模块变形监测数据灾害应急分析指挥模块灾害信息浏览查询模块天气降水信息地质灾害分布信息位移监测、气象预报数据人口分布信息区域水文地质信息其他实地调查数据地图影像数据GIS的空间分析系统成果输出模块DEM数据二维空间分析三维可视化联动灾害机理模拟预测模型、灾害评估模型空间数据库系统设计与实现系统浏览查询功能地名查询灾害点名查询综合查询拉框查询二三维交互查询查询结果路网查询系统数据管理为维护数据安全、方便系统数据更新用户及权限管理地质灾害数据管理影响因子数据管理结果数据管理数据管理的数据列表预警模块（一）预警指标临界值降雨指数R滑坡发生概率P预警方法预警等级预警模块（二）临界降雨指数R假设临界值降雨指数R，降雨诱发区域滑坡临界值表达式为R1=-0.68R3+76，定义研究区临界值降雨指数R为：R=R1+0.68RL3–76其中，RL3为前三日（前三日中包括当日）降雨量之和，当R≥0时，滑坡将有可能发生；当R＜0时，滑坡基本不会发生。（注：李媛《区域降雨型滑坡预报预警方法研究》）预警模块（三）滑坡发生概率L滑坡发生的可能性有多大，通过降雨诱发滑坡发生概率及滑坡危险性概率的结合来确定。定义滑坡发生指数L为：其中Z=B0R1+B1R2+B2R3+…+BnRn+ε′L——观测量相对于某一事件的发生概率ε′——修正系数ε′为考虑地质、地貌等因素后，计算滑坡指数的修正系数。根据兰州市滑坡危险性区划结果，即根据危险性概率划分的各单元格的滑坡危险等级，确定ε′修正值。zzeeL1预警模型（四）其中，D-危险度Wi-滑坡因子自权重Wi’-滑坡因子互权重Ui-滑坡因子iiiiUWWD'81影响滑坡因素权重影响因素权重量级划分严重（A）得分中等（B）得分轻微（C）得分一般（D）得分1地层岩性0.15泥岩、砂页岩、千枚岩、砂板岩、煤系地层、断层角砾岩、凝灰岩、软硬相间地层40堆积层、泥灰岩30单一岩性碳酸盐岩、砂岩10岩浆岩类12斜坡结构类型0.15顺向层状结构斜坡、崩滑残留体斜坡40斜向层状结构斜坡；土质斜坡30逆向层状结构斜坡；水平层状地层斜坡10横向层状地层斜坡；岩浆岩类斜坡13坡度（度）0.1030-454020-303045102014降雨（三日最大降雨量）0.151004050-1003020-50102015新构造活动与地震0.08强烈抬升区，活动断裂发育，地震活动强烈，地震烈度≥9度40抬升区，活动断裂发育，地震活动强烈，地震烈度7-9度30相对稳定区，地震烈度7度10稳定区，地震烈度微弱16坡高（m）0.0730040300-10030100-50105017人类工程活动0.10坡脚边坡开挖量大；人工爆破震动大；矿业开采及其他涵洞开挖活动强烈40坡脚边坡开挖量大；人工爆破震动大；矿业开采及其他涵洞开挖活动较强烈30坡脚边坡开挖量小；人工爆破震动微弱；矿业开采及其他涵洞开挖活动较轻微10坡脚边坡开挖量小或无；无人工爆破震动；矿业开采及其他涵洞开挖活动轻微18斜坡变形破坏特征0.2存在不稳定斜坡变形体；正在活动的滑坡存在40具备复活条件的滑坡存在30已稳定的死滑坡存在10无滑坡现象1注：引自《兰州市城市环境地质问题调查与空间数据库建设报告》预警方法通过历史纪录雨量和预报雨量，计算降雨临界指数。根据降雨临界指数确定研究区是否有滑坡发生的可能；如果降雨临界指数R＞0，计算每个单元格滑坡发生指数。根据每个单元格滑坡发生指数，确定滑坡可能发生的地点和滑坡发生的可能性大小，划定预警预报区域和等级；确定5级和4级预警隐患点；发布预警结果，同时结合预警区群测群防网络体系，直接通知监测责任人，做好防灾、避灾准备。预报预警流程图前期降雨量临界降雨指数R确定5级和4级预警隐患点计算每个单元格滑坡发生概率划定预报区域及预报等级确定预警方式及发布预警结果无需预报R0R≥0ε′预测降雨量甘肃地质灾害气象预报等级预报等级可能性发生情况防灾建议一级可能性很小天气以无降水为主，或5mm的降水。二级可能性较小由5～15mm的稳定性降水引起，遇年久的房屋或工程，也可能引起地质灾害。三级(注意级)可能性较大由15mm混合性降水引起，造成交通中断，部分山体滑坡，造成一定的损失。灾害易发区和危险区域内的人做好避让、撤离准备，加强对危险点的巡查。四级(预警级)可能性大暴雨、强对流天气造成山体滑坡、局地引发泥石流等地质灾害，经济损失严重，有人员伤亡。防灾应急队伍应该做好抢险救灾准备，危险点人员撤离，财产转移，重要设施加以保护。五级(警报级)可能性很大由局地特大暴雨引发的巨大灾害，造成人员伤亡和特大的经济损失（发布3～6h的地质灾害天气警报）。质灾害危险体影响范围内的人员立即撤离，抢险援救队伍待命。注：王锡稳，张铁军，冯军等，《甘肃地质灾害气象等级预报研究》滑坡预警等级划分预警分析应急指挥及灾情评估模块地质灾害应急评估模块主要以研究区的地质灾害防治工作所产生的资料为信息源，及时掌握灾害位置、范围等相关信息，在应急指挥过程中能直观生动地显示发生灾害地区的三维环境及人口和工矿居民地分布情况，以辅助灾害救助决策。在全面地了解灾害点地形概况的基础上，根据灾害点位置，依托城市道路网等空间数据，提供最佳救助路径、群众撤离灾区方案、以及救灾物资分配运送方案，最终形成一个