天津市發布地質災害
① 關於天津自然災害的論文（400－600字）
1368年至1948年的580年間發生水災387次，天津被淹70多次。從1907年至1948年的四十二年間，天津被淹7次，市區遭洪水侵襲3次。以1801年的洪水為最大，淹沒天津舊城牆26級磚塊，水深約3.9m。1890年永定河決口，天津市也遭洪水襲擊。
1917年9月，天津市區被洪水浸泡兩個月之久，水深1m，街道行船。
1939年汛期，暴雨積水，津城部分地區頓成澤國。7月諸河水系陡漲，侵佔天津兩年的日寇及偽政權，不顧淪陷區中國人民死活，不但不採取防汛抗洪措施，反而於8月7日炸開南運河楊柳青附近的碼頭、桑園兩處大堤，洪水便向津城西南窪地狂奔，到10日大水已把整個天津市區包圍。20日，海光寺西南牆子河決口，洪水由南門外灌入市區，市民在毫無准備的情況下，被淹70餘天，市區78％地區被淹，郊縣的9／10被洪水所劫，受災人口達15萬戶、80萬人，水深1-2m，1.4萬多戶房屋倒塌。中原公司一樓被水淹，敵偽「華北建設總署」在這里臨街的建築物牆上，鑲上「天津水災高度永久紀念」的標志，一直保留至今。日本侵略者乘水泛船巡視街頭。八里台一帶的高台地上，築起成片新搭的窩棚，有的災民賣兒賣女維持生活。這次水災損失摺合小米25億kg以上。水災過後，瘟疫猖獗，許多人家沒死於水災，卻接連死於霍亂。由河北省逃到天津的難民有5萬餘人。
1963年8月上旬，華北地區出現大陸創記錄的特大暴雨、南子牙河、大清河、滏陽河暴雨中心降雨量達2050mm，降雨量超過1000mm的地區達5560kmz。海河各支流越過京廣鐵路的洪峰流量達78000m』／s，而海河幹流的泄洪能力僅為1300m』／s，連同其它河道也不超過4600m』／s，造成大水災，使天津市受到嚴重威脅。在中央部署下，河北省積極組織抗洪，天津市動員了近100萬人參加防汛斗爭。在充分利用水利設施，並打開了津浦鐵路25孔橋泄洪，利用團泊窪滯洪，擴大入海等措施，擴大了泄洪入海通道，確保了天津市區的安全。但洪水在海河流域造成了6145萬畝農田受災，糧食減產30多億kg，棉花減產250萬擔，房屋倒塌1450萬間，鐵路被沖毀75km，損失總額達60億元，接近天津市全年生產總值的一半。
1985年8月2日下午，新港碼頭遭強海潮襲擊，潮水漫過新港船閘橋面，直瀉閘內。潮水通過下水道倒灌，碼頭上部分貨物被淹。平均水深0.3m，最深處達0.5m。1985年8月19日適逢大潮，加之台風影響，最高潮位達5.5m，塘沽沿海及海河口一帶水深0.5-2.0m，受害面積5.9kmz。初步統計結果，國家和人民財產損失達5620萬元。大潮過後，為加固加高防潮堤，又耗資700餘萬元。
1988年7月7日10-17時,全市平均降雨43.9mm，由於降雨時間長、強度大，超過了排水管道的承受能力，造成市區25處積水，最深0.3-0.4m。全市原有漏房和嚴重漏雨及危房21392間，7日大雨後，又發現了漏房8930間。7月21日6-22時，市區降雨120mm，海河水位上漲0.3m，造成市內低窪地區出現51處積水片，使參加保險的50多個企業和近百戶居民家庭財產被積水浸泡，損失50萬元。
1989年6月8日凌晨一場大雨，使河北區新開路地道積水1m多深，過往該地道的行人車輛被迫繞行鐵路沈莊子道口，使其從6至17時處於擁擠堵塞狀態。
1991年9月1日傍晚，突降大到暴雨，塘沽區大沽影院附近地勢低窪，積水0.5m左右。
② 地質災害圖形圖像分析系統開發及其在天津地面沉降分析中的應用
石建省張鳳斌程彥培等
（地質礦產部水文地質工程地質研究所，河北正定050803）
摘要地質災害的分布和發生發展過程具有空間特性，其影響因素具有自身的特點和復雜性。作者開發的GHMIAS——地質災害圖形圖像分析系統是以典型地質災害為主要對象、以空間信息管理和分析為主要功能的應用性地理信息系統，該系統有獨特的空間分析模型擴充，融矢量、柵格和Windows圖形用戶對象為一體，支持多種數據格式相互轉換，具有豐富的制圖功能和高質量的制圖輸出，可以快速生成災害專題圖件。利用GHMIAS系統對京津唐區域地質災害的分布規律、發生機理、影響因素、發展趨勢等進行了大量的應用分析，對天津市區地面沉降過程及未來發展趨勢等研究取得了有益的成果，體現出GHMIAS系統在解決地質災害空間分布特徵、發生發展規律、演化趨勢預測等方面能發揮重要的輔助作用。
關鍵詞GIS空間分析地質災害預測
1引言
地質災害是危害人類生存的嚴重自然災害，其分布和發生發展過程具有空間特性，其影響因素具有自身的特點和復雜性，但目前適合地質災害專題空間信息管理和分析的圖形軟體系統尚不多見。在國家「八五」科技攻關項目中專門立題開展的地質災害圖形圖像輔助分析系統的研究，目的在於通過吸收和消化國內外地理信息系統（GIS）和其它圖形分析系統之特長，開發具有圖形－圖像輸入、存儲、處理、顯示、分析、輸出等功能的軟體系統（GHMIAS），並應用於京津唐地質災害評價中作為示範。
地質災害總是與一定的空間區域相聯系的，我們所看到的地質災害作用空間是由各種復雜的因素共同作用的結果，其中蘊含著十分復雜的自然和人為因素的相互聯系。地理信息系統方法為我們提供了一種系統分析各種因素的空間相互聯系及其作用結果的可能性，該系統的開發就是以地理信息系統分析方法為基礎，建立能夠進行地質災害問題空間信息管理與分析的實用系統，為地質災害問題的預測防治和決策服務。
針對地質災害問題的特點，GIS除應具有空間信息和屬性數據採集、存儲、空間分析、輸出等常規功能外，還應提供面向特定地質災害問題的空間評價預測能力、地質災害問題計算機圖形表達技術、圖例圖式系統及相應符號庫、專門圖件生成和處理等功能，同時，在圖形數據結構和資料庫系統設計中也要體現專業信息的分布特點，盡可能做到最大限度和最高效率地利用專門信息。
在示範性應用分析上，要通過對相應空間信息的採集、存儲、空間分析，試圖從空間統計、空間復合、空間模型預測的角度為專門地質災害問題的評價預測提供決策依據，為其它精確數學模型分析提供基礎參數信息。
2GHMIAS系統開發
2.1支持環境
硬體：PC386以上（推薦奔騰586機型）；內存至少4MB（推薦8MB以上）；硬碟至少有40MB位元組剩餘空間；可被Windows系統支持的輸入輸出設備。
軟體：Dos5.0以上；中文Windows3.1以上，或中文Win95。
2.2GHMIAS系統構成
GHMIAS系統由以下主要功能模塊組成：圖形輸入編輯、圖形整飾輸出、圖庫空間查詢、圖形空間分析（包括圖形統計、圖形復合、空間模型等子模塊）、圖像處理（圖1），以及系統幫助、系統功能演示等輔助模塊。
圖1GHMIAS系統結構略圖
2.3GHMIAS系統的主要特徵
作為以地質災害為主要對象的分析型GIS系統，GHMIAS具有如下特性：
（1）GHMIAS具有圖形輸入、編輯管理、查詢顯示、分析處理、圖形輸出等一般GIS基本功能；
（2）GHMIAS具有專門設計的圖形覆蓋分析、圖形序列空間灰色建模預測等多種空間分析模型，在圖形圖像分析系統中應用空間灰色預測模型的方法尚屬首次，這是對一維非線性灰色預測在空間上的延伸，對拓寬空間分析模型類型、豐富圖形圖像系統的分析能力有重要意義，適於地質災害空間分析建模需求；
（3）數據結構先進合理，融矢量、柵格和Windows圖形用戶對象為一體，採用結構緊縮和數據壓縮技術，具有拓撲/直接矢量格式共存與互補互轉機制，支持多種數據格式相互轉換，可以與ARC/INFO、IDRISI、SPACEMAN等國內外主要GIS系統共享數據；
（4）GHMIAS採用微機＋中文Windows平台模式，界面直觀，操作簡便，符合軟體開發流行趨勢和普及化推廣應用需求。
2.4層次結構數據模型
數據模型和數據結構是地理信息系統的核心，是完整和靈活地實現其功能的關鍵。地質災害信息系統所處理的對象是具有一定空間特徵和復雜屬性聯系的信息體，其數據模型和數據結構設計的目的是通過對專業信息的數據結構抽象，建立面向專業問題的數據結構，從而為實現高度專業化的地理信息系統目標奠定基礎。
2.4.1項目（Project）
項目是在特定信息領域為特定目標建立的信息管理的最頂層對象，它是與特定領域和目標有關的信息庫的集合。也就是說，一個項目（Project）管理和控制一個以上庫（Database）的操作。
一個應用任務建立一個項目，建立項目的同時將初步建立項目環境和分庫方案。在後面的操作中可以按分層管理的方法對項目的下面層次逐級進行修改和擴展。
2.4.2庫（Database）
庫是在項目控制之下由以不同存儲方式記錄的不同類型信息文件組成的集合。一個庫（Database）由一個以上信息文件（File）組成。
一個項目可以由一個或若干個庫組成，其數量取決於對對象系統信息屬性分析後確定的合理的庫劃分方案。
2.4.3文件（File）
它是計算機中操作系統對用戶信息體管理的基本單位，在本系統的數據結構中，數據文件是由一個以上圖層（Layer）組成的信息體。
一個圖形庫可由多個圖形文件組成，其數量的限制是操作系統支持的目錄中最大文件個數。
2.4.4圖層（Layer）
一個圖形信息文件由不同屬性的信息組成，為便於區分信息的屬性並對各屬性進行獨立操作，有必要對一個圖形文件中的不同屬性類型進行分層次管理，這就是圖層的概念。
一個圖形文件可以由多達256個圖層構成。在對圖形文件操作時，通過設定圖層顯示屬性，確定顯示的圖層范圍。
2.4.5圖元（Element）
圖元是圖形信息的最小單位，在Windows環境下開發GIS系統可以比較好地實現矢量、柵格及Windows標准圖元相結合的信息記錄體系。其中，用戶信息一般以點、線、多邊形等形式表示，具矢量特徵；空間影像、照片、其它掃描圖形則以柵格形式表示；Windows系統提供的矩形、橢圓形等規則圖形體則可用於符號注記、圖面整飾等。實現三類圖元共存能使GIS系統的可操作性、輸出簡易性和圖形表達效果大大增強。
圖元的表示採取「圖元頭」＋「圖元體」的方式，圖元頭通過與有關屬性表格的聯系，記錄圖元的標識、顯示屬性、充填屬性、所在圖層、用戶屬性聯系等信息，圖元體則記錄圖元的空間位置關系。
這樣，我們就建立了從「項目→庫→文件→圖層→圖元」的信息結構鏈，通過這樣一種鏈式結構，對用戶而言，只要從建立項目開始，就可以在系統的引導下逐步構築起復雜的信息框架和結構，構成完整的信息系統網路；對系統而言，一旦實現這種框架，這種層次結構可滿足用戶對任一層次上信息進行更新和編輯的要求。
2.5系統模塊和功能
2.5.1矢量圖形輸入編輯模塊
用多文檔界面處理圖形，主要包含下列功能。
文檔：新建、打開、關閉、保存、轉入、轉出、數字化、數據聯系、列印、退出；
編輯：選擇、復制、刪除、移動、旋轉、改變形狀、修改屬性、放縮圖元、修改圖形文件頭等；
視圖：充滿窗口、放大、縮小、重繪、顯示控制；
繪制：文本、點、線、多邊形、矩形、正方形、圓形、橢圓形等；
設置：頁尺寸、圖層、標尺、文本特性、線特性、充填特性、點類型、改變調色板等；
輸出：支持矢量圖形和柵格圖形的圖面整飾及合並輸出，可以在多種輸出設備（從普通針式列印機、激光列印機，到大型筆式繪圖儀、大型彩色噴墨繪圖儀等）上使用，其輸出質量已達到較高的水平。
幫助：索引、定題幫助、術語、關於本模塊的信息。
2.5.2柵格圖形分析模塊
在吸收國內外相關軟體優點的基礎上，開發的本模塊具有下列主要功能。
文檔：新圖、打開、關閉、掃描等；
編輯：修改、復制、刪除等；
繪制：與矢量子系統基本相同，但以柵格格式存儲；
操作：矢量柵格轉換、圖形屬性查詢、修改圖像文件頭、圖形賦值、屬性提取、圖形重分類、放大、縮小、轉置、拼接、開窗、過濾等；
圖形統計：直方圖分析、交叉列表、回歸分析、自相關分析、趨勢分析、隨機圖像生成等；
圖形代數：圖形覆蓋、常量運算、面積計算、周長計算等；
空間模型：灰色預測模型、距離模型、費用表面、最佳路徑、挖填方分析、歸類處理、表面分析、視點分析、分水嶺分析等。
2.5.3圖像處理模塊
以吸收其它系統的功能為主，支持圖像識別、分類、標准化、假彩色合成、條紋去除、過濾、主成分分析、模糊矩陣分析等操作。
2.5.4圖形圖像庫空間檢索模塊
該模塊為京津唐地質災害圖形圖像庫的檢索查詢系統。進入本模塊後，在圖上京、津、唐、秦及全區圖形位置任一點上用滑鼠進行相應地區的圖形圖像庫信息查詢。
2.5.5系統指南與幫助模塊
幫助模塊是用戶學習使用本系統的方便工具。本模塊和各模塊中的幫助功能構成GH-MIAS的幫助支持體系，可以使使用者在初步接觸時、操作使用過程中、達到熟練程度後各階段都能得到相應的幫助，解決使用過程中需要了解的疑難問題，獲得有關數據結構、文件結構等方面的信息等。
3GHMIAS系統在天津地面沉降空間分析中的應用
3.1水位變化的時間－空間統計與評價
已有的研究表明，導致天津市地面沉降加速的主要原因是「地下水超采使地下水位持續下降」，經過天津市地質工作者和各方面的努力，在80年代壓縮地下水開采量之後，地面沉降得到有效控制。
作為產生地面沉降的直接誘導因素，過去對地下水位的變化情況已經做了許多分析和研究，但通常採用的是觀測數據直接統計分析的方法，也就是對離散數據的分析；但現實世界信息的特點卻是在空間和時間上連續變化的。利用GHMIAS空間分析原理，就可以實現對這類信息的准確的空間統計（盡管我們對現實世界信息的採集是不連續的和離散的，但在GHMIAS系統的支持下，可以利用離散插值或等值線插值的方法，由離散信息生成模擬連續空間表面，以「准真實」的形式反映信息的空間特性）。這就從分析能力和精確性方面超過了以前的分析形式，從而容易取得對決策過程更有價值的支持依據。
對天津市水位變化情況的空間分析是以天津市第二、第三含水組1980、1985、1988年的水位觀測數據為基礎進行的，分析過程見圖2。
圖2天津市地面沉降的時間－空間圖形分析基本過程（以水位分析為例）
由屬性資料庫提取的水位觀測信息，經過GHMIAS系統離散數據插值表面的處理，生成各時段的地下水位表面圖形（圖略），再利用GHMIAS系統的柵格空間分析工具進行圖形覆蓋——常量運算，取得不同時段間隔的水位變化空間分布特徵圖形，再利用空間統計，結合空間面積、體積統計，對1980、1985、1988年各年度水位狀態和1980～1985、1985～1988以及1980～1988年時段間隔的水位變化特徵取得了一系列分析成果（圖略）。
從空間分析的統計結果（表1）可以看出，天津市區80年代地下水位的變化，無論是第二含水組還是第三含水組，其水位下降的趨勢都在減弱，就第二含水組而言，無論是水位變化的空間絕對特徵值（最大、最小、均值），還是下降區面積與上升區面積之比，或是水位變化反映在含水空間的體積變化等方面，都在向水位上升的方向發展，80年代末與80年代初相比，水位上升的總量已經超過水位下降的總量，經歷了80年代初的水位下降為主導到80年
表1天津市區及近郊80年代地下水位空間升降特徵值
＊負值為水位相對下降值，正值為水位相對上升值。代末的水位上升為主導的過程。第三含水組的情況與第二含水組類似，但變化幅度不如第二含水組明顯，致使其在總體上水位下降減弱的趨勢下，80年代初與80年代末的水位總體變化仍然呈現出水位下降佔主導（空間統計的均值為下降值），水位下降的總量仍然超過水位上升的總量（含水空間體積變化平衡值為體積減少）。這說明對第三含水組的控制開采措施不及第二含水組有力。
3.2地面沉降量變化的空間分析與評價
圖3天津市區1985～1992年地面沉降空間體積變化
表21985～1992年沉降量分布的數值統計
＊負值為回彈量。
用與水位空間分析同樣的原理（見圖2），對天津市1985、1988、1990、1992年地面沉降觀測信息進行了空間特徵分析。對空間分析結果的統計（圖3、4，表2）表明，天津市地面沉降控制行動在1988年前後取得顯著成果，地面沉降造成的土體體積壓縮量明顯下降，1988年以後，進入一個相對穩定的時期，在1990年前後沉降增速達到最小，但到1992年前後，地面沉降的體積又略有回升，可能意味著限制二層含水層開採的控沉效用已經發揮得差不多了，而新的致沉降因素造成的沉降加速作用還未得到很好的控制。
圖41985～1992年地面沉降量分級分布面積空間統計值的分布負號表示反彈
從沉降回彈量的空間分布的變化情況看，也具有一致的結果，即1988年前後控制沉降帶動的地面回彈達到最大，而後開始回落，1992年與1990年相比地面回彈體積又有明顯減小。同樣說明進入90年代後，天津市區地面沉降的形勢仍然不容樂觀，如果不抓緊進一步實施控沉措施，地面沉降將再次加劇。
1988年以來，天津市區地面沉降減速區的面積不斷縮小，從1985～1988年的549.34km2，到1988～1990年間的418.00km2，到1990～1992年間則下降為283.11km2；而地面沉降加速區的面積卻呈增加趨勢，從1985～1988年間的2.75km2，發展到1988～1990年間的134.09km2,1990～1992年間則達到268.98km2，說明從總體上看，1988年以後的地面沉降形勢沒有再向良化方向發展，而是趨向於增強（圖5）。
其時段區間年沉降量變化值分布的絕對統計值（表3）也表明，1988年以後回彈在減少，沉降在增加。1992年全區（研究區包括市區及近郊）地面沉降量的分布與1990年相比，平均沉降量增加了2.46mm。
表3年際間沉降量變化幅度統計
＊負值為沉降減速，正值為沉降加速。
圖5不同時段區間年沉降量變化值分級空間統計值的分布負號表示反彈
從空間分布上看，不同時期的地面沉降中心和不同時段地面沉降量變化值的分布也有較大變化。1988年與1985年相比，研究區地面沉降速度全面減弱，其中減弱幅度最大的中心區分布於市中心區東側的工人新村、方新莊、香料廠一帶；1990年與1988年相比，大部分地區沉降量變化不大，其中，市中心區大部及研究區東北部李明庄—歡坨一帶等區域沉降量略有增加，其它區域沉降量繼續減弱；1992年與1990年相比，大部分地區繼續保持基本平穩的沉降速度，其中市中心區及研究區東北、西北部沉降量略有減弱，研究區西南角華莊子一帶沉降量則有明顯增加。
3.3地面沉降形勢的灰色空間模型預測
由於我們掌握的與地面沉降有關的因素的空間分布與時間演化信息不夠系統，很難建立地面沉降預測的精確型空間分析模型，但GHMIAS系統管理的地面沉降觀測序列信息包括1985、1988、1990、1992年四個時段，基本上可以利用這些信息的空間分布特徵，利用GH-MIAS系統特別提供的灰色空間圖形預測模型分析工具，進行示範性預測分析。
3.3.1對1994年地面沉降基本特徵的灰色預測
利用前面空間統計分析的結果，可以對一些今後沉降變化的特徵值進行灰色預測，預測過程的理論方法和資料利用技術參見關於空間分析模塊演算法原理的有關描述。預測的結果見表4。
表4預測1994、1996年沉降特徵值及1992～1994年間地面沉降量變化的特徵值
根據預測結果，1994年天津市區地面沉降體積約為5409538m3，預測地面回彈體積將下降為6757.4m3。預測1994年地面沉降量空間分布的最小值為－1.8mm（地面回彈1.8mm），最大值為沉降72.32mm，均值為19.38mm，地面沉降速度增加的分布面積將增長到484.39km2，而沉降減速的分布面積將減少為191.63km2。這一預測結果表明，如果不採取更有力的控沉措施，今後地面沉降的趨勢將向加速方向發展。由於資料的時間序列偏短，模型校正能力有限，該預測結果的偏差范圍較大，但從實際值與預測模型計算值的對比看，擬合情況較理想，說明從發展趨勢上看，有一定的可靠性，並且與前面的統計分析結果是一致的，因而有一定的參考價值。
3.3.21994、1996年地面沉降態勢的空間預測與分布分析
分析過程如下：
（1）從屬性資料庫中提取1985、1988、1990、1992年地面沉降觀測數據；
（2）利用GHMIAS系統的離散點數據插值表面功能，建立四個時段的沉降特徵表面（圖略）；
（3）運行GHMIAS系統柵格空間分析工具中的灰色空間圖形預測分析選項，選擇已生成表面的四個時段圖形參與分析，生成預測1994、1996年的地面沉降空間特徵表面（圖略）；
（4）對殘差的空間區間進行分析，確定模型預測的可信區間，對模型預測的精度和可靠性進行評價；
（5）利用GHMIAS系統的柵格圖形分析功能，進行預測結果圖形的統計分析和分級提取、面積和體積計算，對統計計算結果進行分析。
對1994、1996年天津市區地面沉降進行灰色空間圖形預測分析結果的總體評價為：
（1）與1992年相比，天津市區的地面沉降形勢將呈總體上基本平穩的形勢，而近郊的沉降量將有所增加，致使全區總沉降水平略有上升。1994年地面沉降量分布的均值為19.77mm,1996年為24.09mm，因此需要加強控制地面沉降措施。
（2）沉降加速的中心位置將進一步轉移到研究區西南角的華莊子一帶，1996年時研究區東南部沉降量也可能有所增長。
（3）與前面直接對地面沉降分布特徵值的灰色預測相對比，基本上可以認為，利用SGM模型進行空間預測的結果因為時間序列長度有限，存在向極值增強的現象，即預測空間分布的最大、最小值可能比實際值偏離較大，但總體上其平均沉降水平與特徵分析結果比較一致，沉降分布的均值1994年為19.77mm,1996年為24.09mm，這分別與直接對特徵值的灰色預測結果，（1994年19.38mm,1996年22.76mm）基本吻合，說明預測結果有一定的可信性。
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