地質災害氣象預警與減災服務

溫銘生 劉傳正 陳春利 肖銳鏵

溫銘生，博士，自然資源部地質災害技術指導中心監(jiān)測預警室主任，教授級高工，部地質災害應急防治專家，中國地質災害與防治學報編委，中國地質學會地質災害研究分會委員、公共安全科學技術學會預測預警專委會委員。主要從事地質災害調查、監(jiān)測、預警與應急防治工作，負責國家級地質災害氣象風險預警工作，獲國土資源科學技術獎5項。

地質災害氣象預警的概念

地質災害氣象預警是基于氣象因素的地質災害區(qū)域預警，是對前期過程降雨量、預報降雨量等氣象因素引發(fā)地質災害的可能性大小預測預報并向社會發(fā)布的行為。根據(jù)斜坡巖土體的含水量必須達到某一界限值才可能在一次降雨過程中產(chǎn)生崩塌滑坡和泥石流等地質災害的統(tǒng)計分析，可以對地質環(huán)境要素、氣象因素和人類活動等引發(fā)地質災害的可能性大小進行預警（圖1）。中國地質災害氣象預警分為4個等級（表1）。

表1 地質災害預警等級與預警信號

預警理論

自2003年起，中國地質環(huán)境監(jiān)測院（自然資源部地質災害技術指導中心）與中國氣象局國家氣象中心等單位共同組建研究團隊，一邊服務，一邊研究，在地質調查項目全國地質災害氣象預警技術方法研究、監(jiān)測項目國家級地質環(huán)境監(jiān)測與預警等課題的支持下，建立了地質災害氣象預警理論方法，包括隱式統(tǒng)計預警、顯式統(tǒng)計預警和動力預警等三類方法。

（一）隱式統(tǒng)計預警

隱式統(tǒng)計預警模型是把地質環(huán)境因素的作用隱含在降雨參數(shù)中，對某地區(qū)的預警判據(jù)僅僅考慮降雨參數(shù)建立模型。隱式統(tǒng)計法可稱為第一代預警方法，比較適用于地質環(huán)境模式比較單一的小區(qū)域。隱式統(tǒng)計預警考慮的降雨參數(shù)包括年降雨量、季度降雨量、月降雨量、多日降雨量、日降雨量、小時降雨量和10分鐘降雨量等。實際應用時，一般只涉及1～3個參數(shù)作為預警判據(jù)，如臨界降雨量、降雨強度、有效降雨量或等效降雨量等。

圖1 電視臺發(fā)布地質災害氣象預警信息

（二）顯式統(tǒng)計預警

顯式統(tǒng)計預警是一種考慮地質環(huán)境變化與降雨參數(shù)等多因素迭加建立預警判據(jù)模型的方法，它是由地質災害危險性區(qū)劃與空間預測轉化過來的。這種方法可以充分反映預警地區(qū)地質環(huán)境要素的變化，并隨著調查研究精度的提高相應地提高地質災害的空間預警精度。顯式統(tǒng)計法可稱為第二代預警方法，是正在探索中的方法，比較適用于地質環(huán)境模式比較復雜的大區(qū)域。這類方法將地質環(huán)境的相關因子進行疊加分析，形成反映基礎條件的地質災害潛勢度，作為綜合預警的基礎指標，同時考慮日降雨、小時降雨、累計有效降雨等響應因子指標，通過基礎因子與響應因子進行計算來開展預警。

（三）動力預警

動力預警是一種考慮地質體在降雨過程中地氣耦合作用下研究對象自身動力變化過程而建立預警判據(jù)方程的方法，實質上是一種解析方法。動力方法的預警結果是確定性的，可稱為第三代預警方法。該方法主要依據(jù)降雨前、降雨過程中和降雨后降水入滲在斜坡體內的轉化機制，具體描述整個過程斜坡體內地下水動力作用變化與斜坡體狀態(tài)及其穩(wěn)定性的對應關系。通過鉆孔監(jiān)測地下水位動態(tài)、滲透壓力、孔隙水壓力和斜坡應力—位移等，揭示降雨前、降雨過程中和降雨后斜坡體內地下水的實時動態(tài)響應變化規(guī)律、整個斜坡體物理性狀變化及其變形破壞過程的關系。在充分考慮含水量、基質吸力、孔隙水壓力、滲透水壓力、飽水帶形成和滑坡—泥石流轉化因素條件下，選用數(shù)學物理方程研究解析斜坡體內地下水動力場變化規(guī)律與斜坡穩(wěn)定性的關系，確定多參數(shù)的預警閾值，從而實現(xiàn)地質災害的實時動力預警。由于動力預警需要實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、建立高精度預警模型等復雜的過程，受經(jīng)費、工作程度等原因所限，目前只適用于單體試驗區(qū)或特別重要的局部區(qū)域。

預警模型

（一）隱式統(tǒng)計預警模型建設

1.預警分區(qū)。隱式統(tǒng)計預警模型建設之前首先考慮研究區(qū)的面積、地形（分水嶺）、地貌、水系、構造、巖土體類型及結構、氣候、地質災害分布等特征，根據(jù)經(jīng)驗豐富的專家意見，把研究區(qū)劃分為若干的預警單元，盡量確保每一個預警單元的地質環(huán)境、氣候等條件相對單一，同時還得具有一定的面積（如1000～3000平方千米），以便確保預警單元有一定的統(tǒng)計樣本，便于后期指標的統(tǒng)計分析。

圖2 日降雨量預警判據(jù)模式圖

圖3 降雨量組合預警判據(jù)模式圖

2.預警指標。根據(jù)預警分區(qū)，利用地質災害發(fā)生前日降雨量建立滑坡泥石流發(fā)生區(qū)域的臨界過程降雨量，創(chuàng)建了預警判據(jù)模式圖（圖2），界定α線和β線作為地質災害預警等級劃分界限。其中α線為是否達到預警指標的分界線，β線為是否達到警報指標的分界線，即A區(qū)為不預警區(qū)，B區(qū)為預警區(qū)，C區(qū)為警報區(qū)。后期也利用地質災害發(fā)生的當日降雨量和累計有效降雨量建立預警判據(jù)模式圖（圖3），形成紅色、橙色、黃色預警區(qū)域。其中當日雨量即為預警當天的預報降雨量，累計有效降雨量是指預警當日至前n日（不同地區(qū)n值不同，一般3～7日）降雨量對地質災害發(fā)生的有效貢獻的總和，實際計算時按監(jiān)測雨量的一定比例系數(shù)進行折減（不同地層取值不同，一般折減系數(shù)0.7～0.84），如折減系數(shù)為0.8，則有效雨量計算時當天雨量乘以系數(shù)1，前一天雨量乘以系數(shù)0.8，前二天雨量乘以系數(shù)0.64，以此類推建立有效雨量判別標準。

（二）顯式統(tǒng)計預警模型建設

1.資料準備與分析。收集與地質災害相關的地質環(huán)境因子圖層，包括但不限于表2所示的因子圖層，分別統(tǒng)計分析地質災害與地質環(huán)境因子的相關關系，確定影響地質災害的發(fā)生的關鍵區(qū)段。

表2 地質環(huán)境因子圖層

2.預警分區(qū)。按一定的比例尺精度，采用1cm×1cm（如1∶100萬實際大小為10km×10km，1∶5萬比例尺實際大小為500m×500m）的網(wǎng)格單元進行分析，計算得到每個網(wǎng)格單元“潛勢度”。

3.潛勢度計算。采用綜合指數(shù)法、信息量法、回歸分析等某一類或組合方法，計算地質災害“潛勢度”。潛勢度是各類地質災害區(qū)域預警預報的基礎，可為地質災害單因素預警或綜合預警提供基礎指標，具體量值是通過地質災害基礎因子與響應因子計算實現(xiàn)的。

地質災害“潛勢度”的計算公式 ： G = ∑ni=1qi× Qi。 式 中，G是潛勢度大??；qi是各因子的權重；Qi是各因子區(qū)段與地質災害關系的定量值，是地質環(huán)境條件對地質災害敏感性的數(shù)值體現(xiàn)。

4.危險度預警指標。潛勢度計算完成后，建立地質環(huán)境基礎因素、降雨激發(fā)因素與地質災害之間的顯式統(tǒng)計預警模型，地質環(huán)境基礎因素為計算所得的網(wǎng)格潛勢度的值（G），降雨激發(fā)因素選取當日雨量（Ri）和前期雨量（Rp），地質災害“危險度”評價模型可用如下公式表示： Wi= Gi× Rpi。式中，Wi是第i個單元的“危險度”；Gi是第i個單元的“潛勢度”；Rpi是第i個單元的引發(fā)因子指數(shù)。通過危險度計算和等級劃分，可以確定地質災害氣象預警等級。

（三）動力預警模型建設

1.實況監(jiān)測網(wǎng)絡。在預警區(qū)開展地質災害詳細調查的基礎上，在地質災害高易發(fā)區(qū)（風險區(qū)）補充安裝雨量觀測站，與氣象、水利的雨量站相互補充。選擇重要隱患點部署安裝地表位移、深部位移、含水量、孔隙水壓力、土壓力、泥位等地質災害專業(yè)監(jiān)測設備，逐分鐘、半小時或1小時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，作為預警的基礎。

2.預警模型與預警指標。動力預警模型屬于確定性預警，可根據(jù)位移變形量、位移變形速度及加速度等監(jiān)測結果確定預警模型，建立不同等級的預警指標；可按照滑坡推力法、Sarma法、畢肖普（Bishop）法等穩(wěn)定性計算方法建立單體隱患點的預警模型和預警指標；可按照SINMAP模型、TRIGRS模型等建立區(qū)域預警模型，確定淺表層滑坡區(qū)域穩(wěn)定性系數(shù)指標來進行預警（圖4）。

圖4 動力預警模型

預警系統(tǒng)與流程

（一）預警系統(tǒng)

預警系統(tǒng)是輔助預警工作的重要工具，為了減少人工計算的處理時間、避免出現(xiàn)錯誤、實現(xiàn)自動分析、自動信息發(fā)布等目的而研制。地質災害氣象預警系統(tǒng)一般包括三個平臺，一是數(shù)據(jù)庫平臺，包括基礎資料庫、預警產(chǎn)品庫、反饋信息庫和年度方案、技術規(guī)范等其他信息庫內容；二是工作預警平臺，包括預警模型、預警軟件和硬件環(huán)境；三是組織平臺，包括管理層、作業(yè)層和發(fā)布層。三個平臺相互銜接，共同組成預警系統(tǒng)（圖5）。

（二）預警流程

根據(jù)原國土資源部和中國氣象局簽訂的合作協(xié)議，地質災害氣象預警由國土資源（現(xiàn)自然資源）和氣象部門共同開展，聯(lián)合對社會發(fā)布，任何其他單位和個人不得擅自對社會公眾發(fā)布地質災害預警信息。雙方建立相應的預警流程，建立數(shù)據(jù)共享、傳輸渠道，制定值班制度，由專人負責相關預警工作。

雙方約定：每日下午（如15:00），由氣象部門將前期監(jiān)測降雨量、未來預報降雨量（包括數(shù)據(jù)、圖片、影像等）發(fā)送至自然資源部門，自然資源部收到降雨情況后啟動地質災害預警系統(tǒng)，分析預警等級，與氣象部門、省級自然資源部門進行會商，確定預警區(qū)范圍、預警等級和預警說明，將預警結果發(fā)送至氣象部門（17:00前），由氣象部門發(fā)送至電視臺，在當晚的《天氣預報》節(jié)目中播出地質災害預警信息。同時，自然資源、氣象部門及時將預警結果發(fā)送至相關管轄的范圍進行部署，啟動相應等級的預警響應，提前做好防災準備。

經(jīng)過16年的合作，自然資源、氣象部門已經(jīng)建立了規(guī)范的流程和良好的合作機制，共同為防災減災服務。

預警成效

自2003年開展地質災害氣象預警工作以來，截至2018年，國家級地質災害氣象預警共制作預警產(chǎn)品2572份，中央電視臺發(fā)布預警信息1051次，部局網(wǎng)站、自然資源手機報、微信等媒體平臺發(fā)布2000次。在積極引領省、市、縣地質災害氣象預警工作、防災減災與科普宣傳等方面起到了積極的作用。

圖5 國家級地質災害氣象預警軟件平臺

圖6 全國地質災害造成人員死亡失蹤和經(jīng)濟損失分布圖

2003年以來，地質災害造成人員死亡失蹤已經(jīng)從前期的平均每年1000人左右下降到“十二五”時期的400人左右，“十三五”期間已經(jīng)降低至平均每年290人左右（圖6），成績的取得得益于地質災害預警、群測群防、治理工程以及早期識別等多項工程的聯(lián)合實施。

結語

我國是世界上地質災害最嚴重的國家之一，受地質災害威脅的人口多，地質災害隱蔽性、突發(fā)性和破壞性強，預警難度大。各級政府正在積極加大資金和人員投入，積極補充完善地質災害監(jiān)測網(wǎng)絡，研制高精度預警模型，省、市、縣逐步實現(xiàn)預警自動化與規(guī)范化，隨著科學技術水平的逐步提升，地質災害預警效果將會逐漸凸顯，地質災害防治從災后救助向災前預防轉變的模式逐步實現(xiàn)。未來一定時期內，逐步建立專群結合的地質災害預警體系，技防和人防相結合，防災減災效果將會逐年提高。