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摘要：目前地質(zhì)災(zāi)害研究領(lǐng)域的難點(diǎn)是地質(zhì)和氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作，地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū)每年用于災(zāi)后重建的資金數(shù)目不小。如果能夠建立有效的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，就能減輕災(zāi)害給該區(qū)域人口造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此提出基于信息量法的地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型研究。地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型建立首先要進(jìn)行災(zāi)害評(píng)價(jià)分區(qū)的建立，將災(zāi)害的評(píng)價(jià)分區(qū)按照實(shí)際情況進(jìn)行劃分之后，就可以基于劃分結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值計(jì)算，推導(dǎo)出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值的計(jì)算公式，模型建立完畢。設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比傳統(tǒng)常用的向量預(yù)警模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)警模型與該模型的預(yù)警效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該模型比傳統(tǒng)模型的預(yù)警精度更高，耗費(fèi)的預(yù)警時(shí)間也更短。

關(guān)鍵詞：信息量法；地質(zhì)災(zāi)害；氣象風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型；評(píng)價(jià)分區(qū)；災(zāi)害因子

作為地質(zhì)災(zāi)害和氣象風(fēng)險(xiǎn)頻發(fā)的國家，深知地質(zhì)災(zāi)害和氣象風(fēng)險(xiǎn)所帶來的安全隱患，在災(zāi)害高發(fā)地區(qū)生活的人民飽受災(zāi)害威脅。大部分地質(zhì)災(zāi)害的誘因都包括降水災(zāi)害。對(duì)降水災(zāi)害的預(yù)測(cè)是對(duì)其他地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)的前提，建立災(zāi)害預(yù)警模型可以在一定時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)到災(zāi)害的發(fā)生并發(fā)出預(yù)警，讓災(zāi)害波及的人們及時(shí)地作出防范或組織撤離[1]。地質(zhì)災(zāi)害和氣象風(fēng)險(xiǎn)是容易孕育災(zāi)害環(huán)境和導(dǎo)致災(zāi)害的因子共同作用的結(jié)果，孕災(zāi)環(huán)境和災(zāi)害因子決定了災(zāi)害發(fā)生的可能性，而災(zāi)害的規(guī)模大小是由承載災(zāi)害的防御災(zāi)害能力決定的。同樣的災(zāi)害發(fā)生在防御力低的地區(qū)，造成的損失一定比防御力高的地區(qū)要大。在災(zāi)害發(fā)生的過程中，人們比較關(guān)注災(zāi)害發(fā)生的可能性，隨著科技的發(fā)展，對(duì)災(zāi)害的防御已經(jīng)逐漸從災(zāi)害發(fā)生后的重建轉(zhuǎn)變?yōu)闉?zāi)害發(fā)生前的預(yù)防[2]。災(zāi)害預(yù)警模型的建立已經(jīng)不是新鮮的話題，文獻(xiàn)中很多模型的優(yōu)勢(shì)值得我們借鑒，而劣勢(shì)也是我們應(yīng)該著重優(yōu)化的地方。

1地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型建立

1.1建立災(zāi)害評(píng)價(jià)分區(qū)

建立災(zāi)害評(píng)級(jí)分區(qū)的數(shù)據(jù)來源應(yīng)該為預(yù)警地區(qū)的歷年災(zāi)害數(shù)據(jù)，通過訪問調(diào)查、查看當(dāng)?shù)氐臑?zāi)害志和網(wǎng)上查詢等方式，查閱數(shù)據(jù)包括該地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害常發(fā)的地點(diǎn)，災(zāi)害發(fā)生的歷史過程。資料在當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源局或環(huán)境監(jiān)測(cè)院都能查到。除了這兩種常見的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之外還需要一些矢量數(shù)據(jù)，具體如表1所示。如表1所示，地質(zhì)災(zāi)害和氣象風(fēng)險(xiǎn)的制約因素是非常復(fù)雜的，因此對(duì)數(shù)據(jù)的全面掌握是建立預(yù)警模型非常重要的一步。研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境越復(fù)雜，所需要的數(shù)據(jù)就越全面。信息量法正是由數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法，將信息量法運(yùn)用在預(yù)警模型中可以清晰地反映出地質(zhì)條件對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響。信息變量用I表示，使用的數(shù)據(jù)越多，預(yù)測(cè)的地質(zhì)災(zāi)害結(jié)果就越接近實(shí)際情況。信息變量的計(jì)算公式如下：（1）公式（1）中的x為地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，x1到x7分別對(duì)應(yīng)表1中的7種數(shù)據(jù)，y為關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害的函數(shù)。P（y/x1-7）為變量條件下，各地質(zhì)變化引起災(zāi)害的概率，計(jì)算出的I值若為正數(shù)表明該變量有利于災(zāi)害y發(fā)生，數(shù)值越大證明y災(zāi)害的破壞力越大，I值若為負(fù)數(shù)則情況相反。當(dāng)Ii為每個(gè)變量都提供信息量的時(shí)候，公式（1）則可以根據(jù)實(shí)際情況變形為：（2）進(jìn)行信息量法的評(píng)價(jià)分區(qū)，將災(zāi)害評(píng)價(jià)的區(qū)域按照地質(zhì)條件分區(qū)，作為生態(tài)環(huán)境的敏感性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的指標(biāo)。在地震多發(fā)帶上的地區(qū)就要將地質(zhì)環(huán)境作為主要因子，將地震災(zāi)害的敏感程度在評(píng)價(jià)中作為評(píng)價(jià)優(yōu)先級(jí)。而處于地勢(shì)低洼地區(qū)的主要災(zāi)害因子應(yīng)為降水。地質(zhì)災(zāi)害的外部成因大部分為氣候變化，內(nèi)部成因?yàn)榈刭|(zhì)內(nèi)部變化、水文因素和一些地形地貌的變化。其中地質(zhì)變化有大部分原因是人為采礦、挖煤等活動(dòng)。在災(zāi)害因子選取的時(shí)候要注意科學(xué)性和全面性，災(zāi)害因子必須可以全面展現(xiàn)地質(zhì)特征和環(huán)境特征[3]。地質(zhì)特征選擇模型建立地區(qū)最常見的地質(zhì)特征，也要重點(diǎn)突出歷史上經(jīng)常發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域的地質(zhì)特征，水文因子在因子選取時(shí)經(jīng)常被忽略，但事實(shí)上，水文植被等在當(dāng)?shù)氐臓顟B(tài)，在災(zāi)害發(fā)生時(shí)候的影響是巨大的。根據(jù)上述文字描述和公式（1）、（2）的計(jì)算，在每個(gè)單元的評(píng)價(jià)因子與信息量I的關(guān)系，將研究區(qū)域的I的災(zāi)害發(fā)生分為五個(gè)等級(jí)，分別為發(fā)生概率高、很高、一般、較低、低。計(jì)算出每個(gè)敏感分區(qū)的災(zāi)害面積，和災(zāi)害面積占總區(qū)域的百分比，統(tǒng)計(jì)各災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)的歷史災(zāi)害發(fā)生頻率，將數(shù)據(jù)結(jié)果保存下來，以便風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值計(jì)算。

1.2風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值計(jì)算

對(duì)于山體滑坡和泥石流等易發(fā)生在土質(zhì)松散，降水量大地區(qū)的災(zāi)害。水是激發(fā)災(zāi)害的主要因子，自然中水的構(gòu)成有降雨、降雪。還有冰山融化和河流決堤等。除了特殊的地區(qū)擁有冰山，大部分地區(qū)的自然水還是其他幾項(xiàng)來源，河流決堤的大部分原因也是過度的降水造成的。因此可以將激發(fā)災(zāi)害的因子固定為降水因素。降水在土地中下滲后，固定被植被吸收多少、蒸發(fā)量為多少，剩余的降水量和是否構(gòu)成災(zāi)害需要有效的降水量公式計(jì)算：Q代表有效的降水量，Q1為泥石流或滑坡等由降雨量大引起的災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日的降水量，K為災(zāi)害衰減的系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究成果，K的取值不能超過1，在0.8~1之間最好。檢測(cè)當(dāng)日的降雨量在測(cè)試軟件上轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，將I進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之后，得到敏感值的計(jì)算公式：（4）S代表柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的敏感值，minI和maxI是I的最大值和最小值，由公式（3）和公式（4）可得，最終災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警公式為：（5）R為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值，根據(jù)該區(qū)域的R值平均值，確定災(zāi)害預(yù)警五個(gè)等級(jí)的R值取值區(qū)間，建立地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型[5]。模型建立之后不能直接投入預(yù)警工作的使用，要使用歷史數(shù)據(jù)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃?。查詢預(yù)警地區(qū)的歷史災(zāi)害發(fā)生的數(shù)據(jù)，代入數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的預(yù)警檢測(cè)。根據(jù)預(yù)警值計(jì)算結(jié)果，確定模型的實(shí)用性。采用信息量法評(píng)價(jià)的地質(zhì)災(zāi)害的敏感程度，有利于總結(jié)該地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害的主要影響因素，將I進(jìn)行歸一化處理建立的預(yù)警模型計(jì)算公式比傳統(tǒng)的預(yù)警模型相比簡單的多[6]，將模型等級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)是最合理的劃分方式，適應(yīng)大部分地區(qū)。與傳統(tǒng)方法相比，柵格劃分的預(yù)警精度更精確，理論上預(yù)警的準(zhǔn)確率能達(dá)到85%以上。

2實(shí)驗(yàn)

本文使用matlabR2021平臺(tái)進(jìn)行仿真預(yù)警實(shí)驗(yàn)，輸入模擬原始?xì)庀髷?shù)據(jù)，包括最基本的降水、氣溫變化等情況等。進(jìn)行對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型與本文設(shè)計(jì)的模型相比，預(yù)警效果的優(yōu)劣。

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

使用原始輸入的數(shù)據(jù)參考某中部地區(qū)的實(shí)際氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，模擬原始的氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的模擬結(jié)果如表2所示。表2結(jié)冰情況一欄，1表示沒有結(jié)冰，-1表示當(dāng)天結(jié)冰了。在相同的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警測(cè)試，采用國家通用的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)作為實(shí)驗(yàn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用向量預(yù)警模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)警模型和本文設(shè)計(jì)的預(yù)警模型分別進(jìn)行五次災(zāi)害預(yù)警仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的精確系數(shù)，精確系數(shù)越高，表明對(duì)災(zāi)害的預(yù)警越準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，為了避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偶然性，進(jìn)行五次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，五次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果皆是本文設(shè)計(jì)的預(yù)警模型的精度系數(shù)大于另外兩種模型的預(yù)警精度，精度系數(shù)在4.5~6之間。通用的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)為4以上，完全符合標(biāo)準(zhǔn)。向量預(yù)警模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)警模型的預(yù)警精度系數(shù)在3~4之間，最高的系數(shù)還未達(dá)到通用標(biāo)準(zhǔn)，無法做到有效的災(zāi)害預(yù)警。預(yù)警精度系數(shù)可以證明預(yù)警模型的預(yù)警的準(zhǔn)確程度，在災(zāi)害預(yù)測(cè)中，預(yù)測(cè)時(shí)間的長短也很重要，在災(zāi)害發(fā)生時(shí)進(jìn)行預(yù)警的時(shí)間越快，越能夠給災(zāi)害防治工作留下更充分的準(zhǔn)備時(shí)間，因此，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的時(shí)間短的預(yù)警模型更具有優(yōu)勢(shì)。如圖2所示，向量預(yù)警模型的預(yù)警時(shí)間約為15s~20s之間，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)警模型的預(yù)警時(shí)間在15s左右，在日常危害較小的氣象災(zāi)害預(yù)警中可以做到有效預(yù)警，但如果是急性災(zāi)害突然發(fā)生，預(yù)警所用的時(shí)間就略長。本文設(shè)計(jì)的預(yù)警模型預(yù)警時(shí)間在5次實(shí)驗(yàn)中都保持在5s以下，比其他兩種預(yù)警模型節(jié)省了將近10s的時(shí)間。10s足夠人員撤離并帶走一定的重要財(cái)產(chǎn)，有效的保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

3結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型應(yīng)用了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的效率。但本文的降水空間分辨率的樣本采集不夠豐富，在日后的工作中希望可以加入樣本的種類，提高模型的預(yù)警實(shí)用性。

作者:蔡佳君 單位:中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所