基于地震和干旱监测的泥石流发育区灾害早期动态预测方法

摘要

本发明公开了一种基于地震和干旱监测的泥石流发育区灾害早期动态预测方法，解决了现有技术中存在的泥石流灾害早期预警技术不够成熟，不利于人们对泥石流进行防治的问题。该基于地震和干旱监测的泥石流发育区灾害早期动态预测方法，包括以下步骤：搜集泥石流预测区域及该区域附近的历史地震活动情况、长序列降雨资料和地形资料；确定泥石流预测区域所属的典型泥石流发育区，结合典型泥石流发育区的泥石流发育与地震活动和干旱的耦合关系分析得出泥石流发育与地震活动和干旱的相关性；根据计算得出的地震活动和干旱对泥石流发育的影响判定泥石流的易发程度。通过上述方案，本发明达到了对泥石流进行准确预测的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种灾害预测方法，具体地说，是涉及一种基于地震和干旱监 测的泥石流发育区灾害早期动态预测方法。

背景技术

众所周知，泥石流是指在山区或者其他沟谷深壑，地形险峻的地区，因为 暴雨暴雪或其他自然灾害引发的山体滑坡并携带有大量泥沙以及石块的特殊洪 流。由于泥石流具有突然性和流速快、流量大、物质容量大的特点，其破坏力 较强，一经发生，会给人民的生命财产造成无法弥补的损失。因此，人们迫切 需要一种能够对泥石流进行有效预测的方法，以实现对泥石流的及时防治，目 前，泥石流的防治措施包括以下两种：

工程措施：主要是通过修建谷坊、拦砂坝、排导槽和停淤场等实体工程来 防治泥石流，然而，采用工程措施防治泥石流的耗费大、工期长，因此不利于 大范围推广引用。

非工程措施：其具有施工工期短（主要是设备安装）、费用少的优势，因此， 随着科学技术的发展，采用非工程措施防治泥石流将成为泥石流防治领域的主 要手段之一，其主要包括泥石流早期预警、启动过程预警、运动过程预警和临 灾预警，虽然，目前关于泥石流启动过程预警、运动过程预警和临灾预警的技 术较多，但是都不够成熟，且有关泥石流早期预警的技术甚为缺乏，因此迫切 需要研发基于泥石流发育机理的早期预警技术，进而根据早期预警成果切实加 强预测泥石流灾害易发区域的监测预警，从而保障城镇、重大工程和基础设施 的安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于地震和干旱监测的泥石流发育区灾害早期 动态预测方法，主要解决现有技术中存在的泥石流灾害早期预警的技术较为缺 乏，不够成熟，不利于人们对泥石流进行防治的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于地震和干旱监测的泥石流发育区灾害早期动态预测方法，包括以下步 骤：

（a）搜集泥石流预测区域及该区域附近的历史地震活动情况、长序列降雨 资料和地形资料；

（b）确定泥石流预测区域所属的典型泥石流发育区，结合典型泥石流发育 区的泥石流发育与地震活动和干旱的耦合关系分析得出如表一所示的泥石流发 育与地震活动和干旱的相关性；

表一

；

（c）当分析得出泥石流发育仅地震活动有关时，则计算地震活动对泥石流 发育的影响；当分析得出泥石流发育仅与干旱有关时，则计算干旱对泥石流发 育的影响；当分析得出泥石流发育与地震活动和干旱均有关时，则同时计算地 震活动和干旱对泥石流发育的影响；

（d）根据计算得出的地震活动和干旱对泥石流发育的影响判定泥石流的易 发程度。

具体地说，所述步骤（b）中，地震活动与泥石流发育的有关与否通过以下 方式得出：

（c1）搜集泥石流预测区及其附近区域内包括震中位置和震级M的历史地 震活动情况；

（c2）确定泥石流预测区域与震中的距离D和地震的有感半径R，若R≥D 则判定地震活动与泥石流预测区域的泥石流发育有关；若R＜D则判定地震活动 与泥石流预测区域的泥石流发育无关。

进一步地，所述步骤（c2）中，地震的有感半径R通过以下公式得出： $R=\left(\begin{array}{cc}{10}^{-2.803+0.974M}& M\le 5\\ {10}^{0.6110+0.289M}& M>5\end{array}\right).$

更进一步地，干旱与泥石流发育的有关与否通过以下方式得出：

根据搜集的历史长序列降雨资料计算泥石流预测区域的标准化降水指标 SPI值，若SPI≤-0.5则判定干旱与泥石流预测区域的泥石流发育有关；若 SPI>-0.5则判定干旱与泥石流预测区域的泥石流发育无关。

其中，所述泥石流预测区域内的标准化降水指标SPI值由以下方式得出：

（c3）假设该泥石流预测区域内某时段的降水量为随机变量x，则其Γ分布 的概率密度函数由以下公式得出：

$f\left(x\right)=\frac{1}{{\beta }^{\gamma }\Gamma \left(\gamma \right)}{x}^{\gamma -1}{e}^{-x/\beta },$x>0；$\Gamma \left(\gamma \right)={\int }_0^{\infty }{x}^{\gamma -1}{e}^{-x}\mathrm{dx},$其中，β为尺度参数， 其大于零，γ为形状参数，其大于零，二者通过以下公式求得：

$\hat{\gamma }=\frac{1+\sqrt{1+4A/3}}{4A};$$\hat{\beta }=\bar{x}/\hat{\gamma },$其中，$A=1g\bar{x}-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}1g{x}_i,$式中x_i为降水量资 料样本，为降水量平均值；

（c4）设实际降水量为x₀，则随机变量x小于实际降水量x₀的事件概率为： 结合已求得的概率密度函数值求得事件概率近似估计值；

（c41）当实际降水量x₀为零时，随机变量x小于实际降水量x₀的事件概率 由下式得出：P(x=0)=m/n，其中，m为降水量为零的样本数，n为总样本数；

（c5）对Γ分布的概率密度函数进行正态标准化处理得出： $P(x<x_0)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }}{\int }_0^{\infty }{e}^{-Z^2/2}\mathrm{dx},$将其进行近似求解得出： $Z=S\frac{t-(c_{2}t+c_1)t+c_0}{((d_{3}t+d_2)t+d_1)t+1.0},$其中，P为随机变量x小于实际降 水量x₀的事件概率或实际降水量x₀为零的事件概率，当P>0.5时，S=1；当 P≤0.5时，S=-1，且c₀=2.515517；c₁=0.802853；c₂=0.010328；d₁=1.432788； d₂=0.189269；d₃=0.001308；根据上述值求得的Z值便是此标准化降水指标 SPI。

具体而言，步骤（d）中，所述泥石流的易发程度通过表二判定：

表二

。

作为优选，步骤（c2）中，所述泥石流预测区域距离震中的距离D通过从 精度大于或等于1:200000的地形图上直接测量得出；步骤（a）中，所搜集的历 史长序列降雨资料的时间长度大于50年。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明通过对地震活动和干旱的监测对泥石流发育区灾害进行确定性 动态预测，实现了对泥石流灾害易发程度的动态预测，以便于人们进行及时防 治，能够更好地保护山区城镇、重大工程和人民生命财产安全。

（2）本发明提出的泥石流发育区灾害早期预测方法较为成熟，且预测结果 较为准确，解决了现有预测方法的不足，能够充分满足人们需求，具有突出的 实质性特点和显著进步，适合大规模推广应用。

（3）本发明鉴于我国大部分山区具备泥石流发育的地形和降雨条件，从控 制泥石流发育的松散无缘入手，找到其主控因素——地震和干旱，通过对地震 和干旱对灾害性泥石流影响的统计分析，确定了我国山区地震和干旱对灾害性 泥石流的几种影响模式，建立了一套具有区域性特色的基于地震和干旱监测的 泥石流早期动态预测方法，符合人们需求。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但 不限于下列实施例。

实施例

通常影响泥石流形成的因素有土源、水源和地形。研究表明，当1小时降 雨量大于9mm，24小时降雨量大于20mm，就有暴发泥石流的可能性，而这样 的雨强在我国山区普遍存在（除去干旱山区）。山区泥石形成的主控因素为松散 的土源，而影响土源的主要因素为地震和干旱，如汶川地震产生约50亿m³的 固体松散物质，而广大的干旱和故去物理风化形成大量的松散物质成为泥石流 发育的根源，所以从地震和干旱入手，创立基于地震和干旱的泥石流灾害早期 预测方法，具有理论基础，并可以填补国内基于松散无缘的早期预测的空白， 促进非工程泥石流防治措施的反战，推动非工程措施与工程措施相结合的有效 防灾工作的进步。

针对现有技术中缺乏泥石流早期预测技术的不足，本发明提供了一种基于 地震和干旱监测的泥石流发育区灾害早期动态预测方法，通过确定性方法分析 历史地震活动和干旱对泥石流预测区域泥石流发育的影响，采用适宜的评估方 法分析泥石流预测区域的泥石流易发程度，以便于人们在泥石流易发区域内切 实加强泥石流启动过程、运动过程和临灾预警工作力度，充分保障泥石流易发 区域内的城镇、重大工程和基础设施的安全。

如图1所示，该基于地震和干旱监测的泥石流发育区灾害早期动态预测方 法，包括以下步骤：搜集泥石流预测区域及该区域附近的历史地震活动情况、 长序列降雨资料和地形资料；其中，所搜集的历史长序列降雨资料的时间长度 应大于50年。其中，历史长序列降雨资料可按月度、季度等方式搜集。

确定泥石流预测区域所属的典型泥石流发育区，结合典型泥石流发育区的 泥石流发育与地震活动和干旱的耦合关系分析成果，分析泥石流预测区域的地 震活动和干旱情况对泥石流发育的影响，得出如表一所示的泥石流发育与地震 活动和干旱的相关性；

表一

在上述表一中，根据典型泥石流发育区泥石流发育与地震活动和干旱的耦 合关系研究成果，可将泥石流发育区早期动态预测的典型泥石流区域分为以下 三种情况：

情况一：泥石流发育仅与地震活动关系密切（或较密切）；其通过以下方式 判定：搜集泥石流预测区及其附近区域内包括震中位置和震级M的历史地震活 动情况；确定泥石流预测区域与震中的距离D和地震的有感半径R，若R≥D 则判定地震活动与泥石流预测区域的泥石流发育有关；若R＜D则判定地震活动 与泥石流预测区域的泥石流发育无关。

其中，地震的有感半径R通过以下公式得出： $R=\left(\begin{array}{cc}{10}^{-2.803+0.974M}& M\le 5\\ {10}^{0.6110+0.289M}& M>5\end{array}\right),$其单位为KM；泥石流预测区域距离震 中的距离D通过从精度大于或等于1:200000的地形图上直接测量得出，其单位 为KM。根据实际需求，地形图的精度可以进行相应提高。

情况二：泥石流发育仅与干旱关系密切（或较密切）；其通过以下方式判定： 根据搜集的历史长序列降雨资料计算泥石流预测区域的标准化降水指标SPI值， 若SPI≤-0.5则判定干旱与泥石流预测区域的泥石流发育有关；若SPI>-0.5则判 定干旱与泥石流预测区域的泥石流发育无关。

其中，泥石流预测区域内的标准化降水指标SPI值由以下方式得出：

假设该泥石流预测区域内某时段的降水量为随机变量x，则其Γ分布的概率 密度函数由以下公式得出：

$f\left(x\right)=\frac{1}{{\beta }^{\gamma }\Gamma \left(\gamma \right)}{x}^{\gamma -1}{e}^{-x/\beta },$x>0；$\Gamma \left(\gamma \right)={\int }_0^{\infty }{x}^{\gamma -1}{e}^{-x}\mathrm{dx},$其中，β为尺度参数， 其大于零，γ为形状参数，其大于零，二者通过以下公式求得：

$\hat{\gamma }=\frac{1+\sqrt{1+4A/3}}{4A};$$\hat{\beta }=\bar{x}/\hat{\gamma },$其中，$A=1g\bar{x}-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}1g{x}_i,$式中x_i为降水量资 料样本，为降水量平均值；

设实际降水量为x₀，则随机变量x小于实际降水量x₀的事件概率为： 结合已求得的概率密度函数值求得事件概率近似估计值；

当实际降水量x₀为零时的事件概率由下式得出：P(x=0)=m/n，其中，m 为降水量为零的样本数，n为总样本数；

对Γ分布的概率密度函数进行正态标准化处理得出： $P(x<x_0)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }}{\int }_0^{\infty }{e}^{-Z^2/2}\mathrm{dx},$将其进行近似求解得出： $Z=S\frac{t-(c_{2}t+c_1)t+c_0}{((d_{3}t+d_2)t+d_1)t+1.0},$其中，P为随机变量x小于实际降 水量x₀的事件概率或实际降水量x₀为零的事件概率，当P>0.5时，S=1；当 P≤0.5时，S=-1，且c₀=2.515517；c₁=0.802853；c₂=0.010328；d₁=1.432788； d₂=0.189269；d₃=0.001308；根据上述值求得的Z值便是此标准化降水指标 SPI。

情况三：泥石流发育与地震活动和干旱关系都密切（或较密切）。其为情况 一和情况二相结合所作出的判定，由于判定方式相同，因此在此不作重复说明。

之后，根据上述情况一、情况二和情况三所计算得出的地震活动和干旱对 泥石流发育的影响便可判定泥石流的易发程度。其具体判定方法如表二：

表二

。

由于泥石流多发于雨季，因此在实施过程中可以通过计算春季的干旱指数 SPI，从而判断雨季泥石流的易发程度。然后根据地震活动和春季干旱对泥石流 发育的影响，进行当年雨季泥石流易发程度评估，从而实现泥石流灾害早期动 态预测的目的。

具体而言，本发明是基于运用确定性方法分析预测区域历史地震活动情况 和当年春季干旱情况对泥石流发育的影响，然后进行当年雨季泥石流易发程度 评估，从而实现泥石流早期动态预测的。

基于上述方案，本发明中还根据该预测方法进行了实际验证，下面结合三 个优选的案例对本发明作进一步说明：

实施案例一

以四川省凉山彝族自治州宁南县作为泥石流预测区域，采用本发明的泥石 流早期预警方法，运用确定性方法分析预测区域历史地震活动情况和当年春季 干旱情况对泥石流发育的影响，进行2012年雨季泥石流易发程度评估，为预测 区域泥石流早期预警提供技术支撑，步骤如下：

A．宁南县及其附近近年来历史地震情况如下：2008年5月12日，四川汶 川地震；宁南县长序列降雨资料从中国气象局数据共享中心下载；

B．查表一可知，宁南县泥石流发育与地震活动和干旱均关系密切（或较密 切），因此，需分析地震活动和干旱对该区域泥石流发育的影响；

C．2008年汶川地震，震中在汶川县，根据地形图量测，宁南县距震中距离 D为434.3km，汶川地震震级8级，地震的有感半径R为837.5km；

D．宁南县距震中的距离D小于汶川地震有感半径R，因此汶川地震导致预 测区域易发泥石流；

E．根据从中国气象局数据共享中心下载的宁南县逐月降雨资料，计算2012 年春季预测区域的标准化降水指标SPI值，计算结果为SPI=-0.94≤-0.5，即春季 干旱导致预测区域易发生泥石流；

F．根据步骤C和步骤E的分析结果，对预测区域进行雨季泥石流易发程度 评估，结果表明预测区域极易发生泥石流。

实证：2012年雨季，宁南县矮子沟发生大规模泥石流灾害，导致极为严重 的人员伤亡和财产损失。

实施案例二

以湖南省临湘县作为预测区域，采用本发明的泥石流早期预警方法，运用 确定性方法分析预测区域历史地震活动情况和当年春季干旱情况对泥石流发育 的影响，进行2011年雨季泥石流易发程度评估，为预测区域泥石流早期预警提 供技术支撑，步骤如下：

A．临湘县及其附近近年来历史地震情况如下：近50年，临湘县及其附近 区域未有发生有记录地震；临湘县长序列降雨资料从中国气象局数据共享中心 下载；

B．查表一可知，临湘县泥石流发育仅与干旱关系密切，因此仅需分析干旱 对泥石流发育的影响；

C．根据从中国气象局数据共享中心下载的临湘县逐月降雨资料，计算2011 年春季预测区域的标准化降水指标SPI值，计算结果为SPI=-1.1≤-0.5，即春季 干旱导致预测区域易发生泥石流；

D．根据步骤C的分析结果，对预测区域进行雨季泥石流易发程度评估，结 果表明预测区域容易发生泥石流。

实证：2011年雨季，湖南省临湘县发生泥石流灾害，导致较为严重的人员 伤亡和财产损失。

实施案例三

以四川省都江堰市作为预测区域，采用本发明的泥石流早期预警方法，运 用确定性方法分析预测区域历史地震活动情况和当年春季干旱情况对泥石流发 育的影响，进行2012年雨季泥石流易发程度评估，为预测区域泥石流早期预警 提供技术支撑，步骤如下：

A．都江堰及其附近近年来历史地震情况如下：2008年5月12日，四川汶 川地震；都江堰市长序列降雨资料从中国气象局数据共享中心下载；

B．查表1可知，都江堰市泥石流发育仅与地震活动关系密切，因此仅需分 析地震活动对泥石流发育的影响；

C．2008年汶川地震，震中在汶川县，根据地形图量测，都江堰市距震中距 离D为43km，汶川地震震级8级，地震的有感半径R为837.5Km；都江堰市距 震中的距离D小于汶川地震有感半径R，因此汶川地震导致预测区域易发泥石 流；

D．根据步骤C的分析结果，对预测区域进行雨季泥石流易发程度评估，结 果表明预测区域容易发生泥石流。

实证：2012年雨季，四川省都江堰市发生有小规模泥石流灾害，导致较为 严重的财产损失。

由上述实施案例可知，本发明能够对泥石流灾害易发程度进行动态预测， 且该预测方法较为成熟，预测结果也较为准确，通过对泥石流发育的预测能够 便于人们进行及时防治，能够更好地保护山区城镇、重大工程和人民生命财产 安全，解决了现有预测方法的不足，能够充分满足人们需求，具有突出的实质 性特点和显著进步，适合大规模推广应用。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。