寧德市地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用與展望

蘭騰達(dá)

(寧德市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，寧德，352101)

寧德市地處東南沿海，境內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受到許多因素的影響，其中最重要的影響因素是地質(zhì)敏感度和降雨量。境內(nèi)地貌以丘陵為主，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生在4～6月，主要受到短時強降雨影響，7～10月主要受到臺風(fēng)影響。房前屋后高陡邊坡、山邊河邊、溝口地帶、尾礦庫、堆土場等區(qū)域在短時強降雨或持續(xù)降雨條件下易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。轄區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害隱患點多面廣，受地方財力、人力、物力與自然條件所限，無法徹底消除地質(zhì)災(zāi)害隱患。因此，開展地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警，不斷提高預(yù)警水平，進(jìn)而為地質(zhì)災(zāi)害防治決策提供技術(shù)參考，減少因地質(zhì)災(zāi)害造成的人員傷亡與財產(chǎn)損失，保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全是十分有必要的。根據(jù)寧德市地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)運行實踐情況，在總結(jié)分析預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)與運行、預(yù)警模型、地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警成效的基礎(chǔ)上，對未來預(yù)警工作提出設(shè)想與建議。

1 預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)情況

2012年，寧德市作為地市級地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作的福建省試點城市，根據(jù)“國土資源部 中國氣象局關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)市(地、州)、縣(市、區(qū))地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報工作的通知”，組織研發(fā)了寧德市地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。該系統(tǒng)以顯式統(tǒng)計預(yù)警模型為基礎(chǔ)，初步實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報自動化與智能化，對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行一定程度的監(jiān)測、預(yù)警和推演，為地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供輔助決策信息。2013年，寧德市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)啟動試運行。預(yù)警模型參數(shù)的具體取值由原省國土資源廳地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心提供。自2013年5月1日起將“地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)”調(diào)整為“地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警業(yè)務(wù)”，原來的“地質(zhì)災(zāi)害五級預(yù)報預(yù)警”調(diào)整為“地質(zhì)災(zāi)害四級氣象風(fēng)險預(yù)警”[1]。經(jīng)過4年的探索運行，2017年原寧德市國土資源局再次組織對該系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，將系統(tǒng)名稱更改為“寧德市地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)”，并于2018年1月啟動試運行。2018年6月，該系統(tǒng)經(jīng)專家中期評估后正式運行。

2 預(yù)警模型簡介

2.1 建立預(yù)警模型依據(jù)

關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警模型的分類，寧德市地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警模型，屬于第二代預(yù)警模型，即顯式統(tǒng)計模型。第二代預(yù)警模型綜合考慮了地形、地質(zhì)、工程活動和土地利用等因素，綜合計算獲得地質(zhì)災(zāi)害潛勢度作為預(yù)警背景值，再通過疊加降雨預(yù)報和實況二次計算得到最終的預(yù)警產(chǎn)品[2]。地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)模型建立的背景資料主要是寧德市9個縣(市、區(qū))1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查成果、年度地質(zhì)災(zāi)害防治方案、全市228個過程雨量站點的逐小時實時雨量數(shù)據(jù)、98個站點的24 h預(yù)報雨量數(shù)據(jù)。預(yù)警模型綜合考慮地質(zhì)環(huán)境因素與降雨量因素，通過多元線性回歸分析[3]，耦合建立預(yù)警判據(jù)。

2.2 預(yù)警模型參數(shù)取值

預(yù)警模型的通用函數(shù)：T=f(G，R)

式中：T為預(yù)警指數(shù)；G為潛勢度；R為有效降雨量。

預(yù)警指數(shù)是指地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警等級的量化指標(biāo)，據(jù)此確定預(yù)警等級。潛勢度是指區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害孕育生成的條件組合或潛在能力的評價指標(biāo)，代表著一個地區(qū)地質(zhì)環(huán)境的特征，是反映地質(zhì)災(zāi)害生成內(nèi)因的一種綜合表達(dá)[4]。在寧德市地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)中，G的取值主要考慮地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌、土層厚度等4個因素，根據(jù)不同預(yù)警區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境條件取值，可以較為全面地反映不同預(yù)警區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的差異，并可以隨著區(qū)域地質(zhì)調(diào)查精度的提高相應(yīng)地提高取值精度。目前將寧德市劃分為10 km×10 km的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格節(jié)點在1～5取整數(shù)賦值，代表各節(jié)點處地質(zhì)環(huán)境對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性的影響程度。有效降雨量是區(qū)域1 d累積雨量、3 d累積雨量、5 d累積雨量與24 h預(yù)報雨量的加權(quán)平均值。因為臺風(fēng)和短時強降雨期間的累積降雨量的趨勢不同，致災(zāi)風(fēng)險不同，所以采用不同的權(quán)重。

R=K+(r-r1)/(r2-r1) (K為常數(shù)；r1，r2代表不同雨量范圍的上、下限，單位：mm)

臺風(fēng)工況：r=0.3×rain(1 d)+0.2×rain(3 d)+0.1×rain(5 d)+0.4×rain(24 h)

短時強降雨工況：r=0.35×rain(1 d)+0.17×rain(3 d)+0.08×rain(5 d)+0.4×rain(24 h)

臺風(fēng)與短時強降雨兩種工況的回歸模型方程分別：

第一種為臺風(fēng)工況下，T1=0.25×G+0.75×R1；

第二種為短時強降雨工況下，T2=0.3×G+0.7×R2。

地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警等級劃分及相應(yīng)的防治措施(表1)。

表1 地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警等級劃分

3 預(yù)警工作流程

3.1 前期準(zhǔn)備

首先確定市自然資源局與市氣象局值班電話、值班傳真、會商聯(lián)系人、聯(lián)系電話、電子郵箱。其次是定期更新完善自然資源系統(tǒng)汛期聯(lián)系人與聯(lián)系方式，主要包括三個層面：一是各縣(市、區(qū))分管地質(zhì)災(zāi)害的領(lǐng)導(dǎo)、股室負(fù)責(zé)人、聯(lián)絡(luò)人。二是各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道辦事處)分管自然資源工作的領(lǐng)導(dǎo)、國土所所長。三是市級主要地質(zhì)災(zāi)害隱患點的防災(zāi)責(zé)任人、監(jiān)測人、協(xié)管員。

3.2 預(yù)警產(chǎn)品

短時強降雨、臺風(fēng)等極端天氣期間，每日16：30分制作地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警產(chǎn)品，對個別不符合實際的異常點進(jìn)行人工干預(yù)，調(diào)整預(yù)警等級。

3.3 會商

將初步確定的地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警產(chǎn)品通過郵箱發(fā)送至市氣象局，并與市氣象局通過電話會商，經(jīng)雙方充分討論后，形成有關(guān)預(yù)警時段、等級、范圍等的一致意見。

3.4 聯(lián)合審批

市自然資源局與市氣象局的審批依次分為4個環(huán)節(jié)：一是預(yù)報員負(fù)責(zé)制作地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警產(chǎn)品初稿；二是業(yè)務(wù)科室負(fù)責(zé)人，對預(yù)警產(chǎn)品制作和人工干預(yù)進(jìn)行核實確認(rèn)；三是分管領(lǐng)導(dǎo)，負(fù)責(zé)對預(yù)警產(chǎn)品進(jìn)行審核；四是局長，負(fù)責(zé)聯(lián)合簽發(fā)最終的預(yù)警成果。

3.5 聯(lián)合發(fā)布預(yù)警成果

市自然資源局通過多種渠道與市氣象局聯(lián)合發(fā)布地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警信息：一是通過值班人員傳真至各地各有關(guān)部門；二是在寧德市電視臺“閩東天氣預(yù)報欄目”以滾動字幕的形式聯(lián)合發(fā)布；三是視預(yù)警工作需要，向有關(guān)防災(zāi)工作人員、災(zāi)點監(jiān)測人、防災(zāi)責(zé)任人定向推送預(yù)警短信。

4 地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警成效

4.1 群測群防體系概況

福建省地質(zhì)災(zāi)害綜合管理系統(tǒng)建立地質(zhì)災(zāi)害隱患點一點一卡，數(shù)據(jù)包括統(tǒng)一編號、災(zāi)害類型、坐標(biāo)、地質(zhì)環(huán)境背景、變形跡象、威脅對象情況、災(zāi)情信息、群測群防體系、應(yīng)急避讓與防治建議等，實現(xiàn)全市地質(zhì)災(zāi)害隱患點調(diào)查全覆蓋，威脅對象信息采集率達(dá)到并保持100%。經(jīng)過多年的努力，建成完善了以村兩委為隱患點責(zé)任人、受威脅對象為隱患點監(jiān)測人、協(xié)管員為輔助人員的群測群防體系，有效提高群眾應(yīng)急響應(yīng)與自救互救的能力。

4.2 2013年至2019年地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情

近年來，每年因臺風(fēng)、短時強降雨等極端天氣不斷地形成新的地質(zhì)災(zāi)害隱患。但是，隨著地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警工作的深入開展與各方面資金、人力的投入不斷加大，地質(zhì)災(zāi)害隱患點的總數(shù)總體呈現(xiàn)出下降的趨勢。與此同時，隨著主管部門對地質(zhì)災(zāi)害防治工作的要求愈加嚴(yán)格，新發(fā)現(xiàn)的一些不穩(wěn)定的高陡邊坡也納入地質(zhì)災(zāi)害隱患點管理，最終導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害隱患點的數(shù)量、受威脅群眾的規(guī)模始終處于高位。據(jù)統(tǒng)計，2013年至2019年間，寧德市發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害395起，造成直接經(jīng)濟(jì)損失3 901.9萬元(表2)。

表2 2013年至2019年地質(zhì)災(zāi)害隱患點數(shù)量及災(zāi)情情況

4.3 群測群防的意義

地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警集成了地質(zhì)災(zāi)害、降雨量、地形圖、人類工程活動等因素，成功實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息的直觀可視化，在汛期地質(zhì)災(zāi)害群測群防工作中，為防汛各有關(guān)部門提供地質(zhì)災(zāi)害的最新預(yù)警數(shù)據(jù)，提醒社會公眾防范身邊有可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，為基層一線群測群防人員提供技術(shù)參考，最大限度地避免人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

5 預(yù)警時空準(zhǔn)確率

5.1 總體時空準(zhǔn)確率

以24 h作為一個預(yù)警周期，統(tǒng)計匯總災(zāi)情情況與預(yù)警單元的重疊情況，計算并分析預(yù)警的準(zhǔn)確率。在2016年1月至2019年12月期間， 177起災(zāi)情分布在114個預(yù)警周期中，其中17個預(yù)警周期發(fā)布的預(yù)警區(qū)域與39起災(zāi)情所在區(qū)域重疊，所以，總體預(yù)警時間準(zhǔn)確率為14.91%，空間準(zhǔn)確率為22.03%。

5.2 不同預(yù)警等級的預(yù)警準(zhǔn)確率

114個預(yù)警周期中，發(fā)布黃色預(yù)警區(qū)域396處，與39起災(zāi)情發(fā)災(zāi)區(qū)域重疊，準(zhǔn)確率為9.85%。發(fā)布橙色預(yù)警區(qū)域23處，與2起災(zāi)情發(fā)災(zāi)區(qū)域重疊，準(zhǔn)確率為8.70%。

5.3 不同工況的預(yù)警準(zhǔn)確率

每年10月至次年6月的短時強降雨工況下，74個預(yù)警周期中有101起災(zāi)情，其中4個預(yù)警周期發(fā)布的預(yù)警區(qū)域與4起災(zāi)情發(fā)災(zāi)區(qū)域重疊，準(zhǔn)確率為5.41%。7月至9月臺風(fēng)工況下，40個預(yù)警周期中有76起災(zāi)情，其中13個預(yù)警周期發(fā)布的預(yù)警區(qū)域與35起災(zāi)情發(fā)災(zāi)區(qū)域重疊，準(zhǔn)確率為32.5%。

5.4 不同區(qū)域的預(yù)警準(zhǔn)確率

沿海地區(qū)(蕉城區(qū)、福安市、福鼎市、霞浦縣)117起災(zāi)情，其中25起災(zāi)情發(fā)災(zāi)區(qū)域與預(yù)警區(qū)域重疊，準(zhǔn)確率為21.37%。丘陵山區(qū)(古田縣、屏南縣、壽寧縣、周寧縣、柘榮縣)60起災(zāi)情，其中14起災(zāi)情發(fā)災(zāi)區(qū)域與預(yù)警區(qū)域重疊，準(zhǔn)確率為23.33%。

5.5 原因分析

(1)寧德市轄區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點多面廣，地形(地貌)起伏多變，區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜。區(qū)域內(nèi)局部氣候異常現(xiàn)象多發(fā)，特別是每年的4月至6月期間，短時強降雨突發(fā)性、隱蔽性強，在前期累積雨量不大的情況下，往往是由于短時強降雨引發(fā)突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害，致災(zāi)時間往往較短，難以準(zhǔn)確預(yù)測。

(2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐薄弱，當(dāng)前的預(yù)警工作依據(jù)的地質(zhì)資料多為1∶5萬及以下精度的地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，對預(yù)警區(qū)域的細(xì)分以及地質(zhì)災(zāi)害潛勢度的估計不夠準(zhǔn)確，影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確率。地形復(fù)雜地區(qū)的實際降雨情況復(fù)雜，單位距離內(nèi)的雨量變化較大，而當(dāng)前雨量站點有限，布點的覆蓋率僅為每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)即每個預(yù)警區(qū)域1～2個，且雨量站點與地質(zhì)災(zāi)害隱患點空間位置重疊率不高，雨量數(shù)據(jù)并不能完全代表地質(zhì)災(zāi)害隱患點位置的實際雨量，造成對降雨引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的臨界雨量劃定不準(zhǔn)確。

(3)現(xiàn)有的預(yù)警模型高度依賴已有的災(zāi)情資料和地質(zhì)災(zāi)害潛勢度作為預(yù)警背景值，地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情信息依賴基層防災(zāi)人員的統(tǒng)計，部分信息的可靠性存疑。地質(zhì)災(zāi)害潛勢度計算受到地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形(地貌)、土層厚度等因素以及各因素計算權(quán)重的影響大，回歸分析中受到統(tǒng)計數(shù)據(jù)的限制，最終得到的參數(shù)值有可能與實際偏離較大。

6 未來預(yù)警工作的設(shè)想與建議

6.1 優(yōu)化預(yù)警模型

當(dāng)前國內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警模型主要分為兩代[5]。隨著大數(shù)據(jù)與人工智能領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警完全可以借此做一些深度融合，從而提高預(yù)警水平。比如，在給定區(qū)域的臨界雨量判定方面，可以采取基于機(jī)器深度學(xué)習(xí)的方式，在大量已有災(zāi)險情與雨量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上判定某處給定區(qū)域的臨界雨量，可以極大減少確定臨界雨量時的人工工作量，并且得到的臨界雨量可以隨著數(shù)據(jù)量的增加不斷更新調(diào)整。

6.2 區(qū)域性災(zāi)害與單體災(zāi)害預(yù)警

目前，我們的預(yù)警系統(tǒng)只是針對區(qū)域性災(zāi)害的預(yù)警[6]，對于某時某地發(fā)生的單體災(zāi)害預(yù)警缺乏有效預(yù)測手段。特別是突發(fā)性的高位遠(yuǎn)程的地質(zhì)災(zāi)害，當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的范圍并未覆蓋，然而往往最終造成重大人員傷亡的就是一些單體的大型或特大型地質(zhì)災(zāi)害。對于這一類單體災(zāi)害預(yù)警，目前的預(yù)警系統(tǒng)考慮得不夠，相關(guān)的技術(shù)儲備與技術(shù)力量比較薄弱。