商城縣地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警研究

涂良權(quán)，王軍強(qiáng)，蔣朝軍，彭成，黃凱

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院，鄭州 450018)

我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生在空間上具有廣域性、地域性和局地性,在時(shí)間上具有季節(jié)性、夜發(fā)性和年際變化等特點(diǎn),這些特點(diǎn)與降雨量分布的關(guān)系非常密切[1，2]。降雨是滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的主要激發(fā)因子[3，4]。

氣象預(yù)報(bào)預(yù)警可有效預(yù)警滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,更好地推動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害防治工作,有效的減輕和避免地質(zhì)災(zāi)害造成的生命和財(cái)產(chǎn)安全,實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)的目標(biāo)。

商城縣在河南省國(guó)土資源廳、河南省財(cái)政廳的專項(xiàng)基金支持下開展了地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查，在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合遙感影像解譯，開展滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查與測(cè)繪，為減災(zāi)防災(zāi)提供基礎(chǔ)地質(zhì)依據(jù)。地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警是詳查工作的重要組成部分，在收集氣象、水文資料，調(diào)查水文地質(zhì)條件，分析降水等對(duì)滑坡、崩塌、泥石流的影響，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)劃。本文選取商城縣為研究區(qū),總結(jié)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警方法,以期為同類地區(qū)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征

研究區(qū)位于大別山中段北麓,地形南高北低,南部為中低山、低山,中部為丘陵,北部為平緩的河谷階地及壟崗。

地質(zhì)災(zāi)害主要類型有滑坡、崩塌、泥石流、不穩(wěn)定斜坡四大類。其中,滑坡58處,主要分布在研究區(qū)中部、中南部地區(qū),大多屬巖質(zhì)滑坡；崩塌50處,主要分布在研究區(qū)中部、中南部,均為巖質(zhì)崩塌；53處不穩(wěn)定斜坡,在研究區(qū)廣泛分布,多為基巖斜坡,少量土質(zhì)斜坡；泥石流5條,其中坡面型泥石流3處,溝谷型泥石流2處(表1)。

表1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

2 氣象預(yù)警方法與等級(jí)

2.1 氣象預(yù)警方法

斜坡巖土體含水量達(dá)到某一界限值才可能在一次降雨過程中產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害,地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警主要基于地質(zhì)環(huán)境要素和氣象因素[5]。

(1) 在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃圖的基礎(chǔ)上,進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分區(qū),同時(shí)確定地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的分級(jí)。

(2) 對(duì)每個(gè)預(yù)警區(qū)的歷史地質(zhì)災(zāi)害事件與降雨過程的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,建立各預(yù)警區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害事件與臨界過程降雨量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系圖,確定地質(zhì)災(zāi)害事件在一定區(qū)域爆發(fā)的不同降雨過程臨界值,作為預(yù)警判據(jù)。

(3) 當(dāng)接收到市氣象臺(tái)發(fā)來的次日降雨量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)雨量等值線圖后,對(duì)每個(gè)預(yù)警區(qū)迭加分析,根據(jù)判據(jù)圖初步判定發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性,從而得出各個(gè)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分區(qū)的預(yù)警等級(jí)結(jié)果。

2.2 氣象預(yù)警等級(jí)

預(yù)報(bào)等級(jí)劃分為5級(jí),1級(jí)為可能性很小,2級(jí)為可能性較小,3級(jí)為可能性較大,4級(jí)為可能性大,5級(jí)為可能性很大[6，7]。其中, 在預(yù)報(bào)中3級(jí)為注意級(jí),4級(jí)為預(yù)警級(jí),5級(jí)為警報(bào)級(jí)。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性和影響程度,將研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)劃分為5個(gè)等級(jí)(表2)。

3 氣象預(yù)警區(qū)劃

地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分區(qū)以研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖為基礎(chǔ),以降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害作為分區(qū)的主導(dǎo)因素,考慮人類工程活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境干預(yù)的方式及強(qiáng)度,定性和定量相結(jié)合,根據(jù)“區(qū)內(nèi)相似、區(qū)間相異”原則把相似的地質(zhì)環(huán)境劃入統(tǒng)一區(qū)域[8-12]。

表2 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)等級(jí)劃分

根據(jù)上述區(qū)劃原則,將研究區(qū)分為4個(gè)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警區(qū)(圖1)。

Ⅰ級(jí)預(yù)警區(qū)為地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)預(yù)警區(qū),Ⅱ級(jí)預(yù)警區(qū)為地質(zhì)災(zāi)害次重點(diǎn)預(yù)警區(qū),Ⅲ級(jí)預(yù)警區(qū)為地質(zhì)災(zāi)害一般預(yù)警區(qū),Ⅳ級(jí)為地質(zhì)災(zāi)害次一般預(yù)警區(qū)。Ⅲ級(jí)預(yù)警區(qū)主要為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育較少的丘陵、崗地地區(qū)；Ⅳ級(jí)預(yù)警區(qū)主要為地勢(shì)平坦的沖洪積平原,工程地質(zhì)條件較好,降雨對(duì)其影響不大,不易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。Ⅲ、Ⅳ級(jí)預(yù)警區(qū)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)預(yù)警等級(jí)一般達(dá)不到3級(jí),Ⅲ、Ⅳ級(jí)預(yù)警區(qū)不進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào),僅對(duì)Ⅰ級(jí)預(yù)警區(qū)和Ⅱ級(jí)預(yù)警區(qū)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)劃圖

將研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分區(qū)圖、地理底圖、行政區(qū)劃圖疊加后統(tǒng)計(jì)分析,得出研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分區(qū)表(表3)。

表3 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分區(qū)表

4 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警判據(jù)

4.1 預(yù)警判據(jù)確定依據(jù)

突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害不但與當(dāng)日激發(fā)降雨量有關(guān),且與前期過程降雨量關(guān)系密切。本次研究工作選定1～30日30個(gè)過程降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以期建立一個(gè)地區(qū)誘發(fā)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害事件的當(dāng)日激發(fā)雨量和前期過程降雨量?jī)煞N臨界雨量判據(jù)(圖2)。

研究當(dāng)?shù)貧庀筚Y料,結(jié)果表明：

(1) 在11 a中,商城縣共出現(xiàn)Q1h≥10 mm的強(qiáng)降水152時(shí)次,Q1h≥20 mm強(qiáng)降水37時(shí)次,年平均Q1h≥10 mm的強(qiáng)降水有14時(shí)次,Q1h≥20 mm強(qiáng)降水有2時(shí)次。

(2) Q1h≥10 mm發(fā)生時(shí)次最多的年份是2002年和2008年,均為21時(shí)次；最少的是2009年,僅有3時(shí)次。Q1h≥20 mm強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)最多的年份是2002年,為8時(shí)次；最少的是2011年,僅有1時(shí)次?？梢娧芯繀^(qū)強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)次的年際差異較大,最多年份與最少年份相差7至8倍之多。

(3) Q1h≥10 mm強(qiáng)降水旬分布具有多峰值的特點(diǎn)。7月中旬7月下旬和8月上旬為第一高峰值,在數(shù)值比較接近也是全年的最大峰值；6月上旬為全年的次峰值,8月上旬為全年的第三峰值。Q1h≥20 mm單峰特征較明顯,7月下旬至8月上旬為其高峰值,強(qiáng)降水頻次升至最高。

(4) 淋雨主要出現(xiàn)在9月,10月份也有淋雨和大雨發(fā)生。

(5) 研究區(qū)大雨日年頻次為12左右。

圖2 1990～2012年歷月平均降雨量分布簡(jiǎn)圖

區(qū)內(nèi)近年發(fā)生滑坡和崩塌頻次與多年月平均降水量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)166處地質(zhì)災(zāi)害中,其中81處具有調(diào)查到比較確定的發(fā)生時(shí)間,均發(fā)生在雨季(2004年8月發(fā)生37處,其余災(zāi)害發(fā)生時(shí)間為1990～2012年,主要發(fā)生在7月或8月),見下表4。而沒有調(diào)查到確切發(fā)生時(shí)間的,根據(jù)當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)反映,大多數(shù)都是發(fā)生在雨季。災(zāi)害與降雨量以及降雨特征關(guān)系密切。

表4 一年中各月份發(fā)生災(zāi)害個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4.2 不同降雨過程代表數(shù)據(jù)

研究區(qū)氣象局系統(tǒng)對(duì)日降雨量Q的預(yù)報(bào)和統(tǒng)計(jì)是按每日20時(shí)到次日20時(shí)計(jì)算,比如,8月3日降雨量是指8月2日20時(shí)到8月3日20時(shí)產(chǎn)生的降雨量,預(yù)警判據(jù)亦采用同步記時(shí)方式,若地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在當(dāng)日12時(shí)以后,基本可對(duì)應(yīng)于1日(當(dāng)日)過程降雨量t1；若災(zāi)害事件發(fā)生在20時(shí)以后的夜間,則對(duì)應(yīng)于當(dāng)日和前一日(2日)過程降雨量t2更符合實(shí)際[13]。因此,本次工作選定的數(shù)據(jù)代表性時(shí)段為日(24 h),代表性數(shù)據(jù)記做：

一日過程降雨量Q1=Q(t1),0≤t1≤1

二日過程降雨量Q2=Q(t2),1≤t2≤2

……

二十九日過程降雨量Q29=Q(t29),28≤t29≤29

三十日過程降雨量Q30=Q(t30),29≤t30≤30

4.3 臨界和過程降雨量預(yù)警判據(jù)圖模式

為確定各預(yù)警區(qū)Q1,Q2,Q3,……,Q28,Q29,Q30的預(yù)警判據(jù)圖,首先建立降雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫(kù)及歷史降雨量數(shù)據(jù)庫(kù)；然后根據(jù)各預(yù)警區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的空間與時(shí)間分布特征,對(duì)同期降雨特征值進(jìn)行相關(guān)查詢,反演出歷史地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的降雨量臨界值及前期連續(xù)降雨過程臨界值初級(jí)數(shù)據(jù)；進(jìn)而進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出各對(duì)應(yīng)臨界過程降雨量的統(tǒng)計(jì)值；再按該臨界值在本預(yù)警區(qū)多年出現(xiàn)的頻率,結(jié)合國(guó)家級(jí)預(yù)警判據(jù)及相關(guān)資料進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,以此作為地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警判據(jù)基本數(shù)據(jù)；最后繪制預(yù)警判據(jù)圖(圖3)。

圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間t(1≤t≤30日),縱坐標(biāo)為過程降雨量Q(mm),得出Qα、Qβ兩條地質(zhì)災(zāi)害事件發(fā)生的臨界降雨量曲線。當(dāng)實(shí)況過程降雨量曲線Q(t)位于判據(jù)圖的不同位置時(shí),可給出不同的預(yù)警結(jié)果。

(1)Q(t)

(2)Qα≤Q(t)

圖3 預(yù)警判據(jù)模式圖

(3)Q(t)≥Qβ時(shí),過程降雨量曲線位于C區(qū),規(guī)定預(yù)警級(jí)別為五級(jí)。

4.4 預(yù)警區(qū)預(yù)警判據(jù)圖

根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù),研究區(qū)采用短期判據(jù)、參考類似地質(zhì)環(huán)境氣象條件資料進(jìn)行比擬,制作出Ⅰ級(jí)預(yù)警區(qū)(圖4)和Ⅱ級(jí)預(yù)警區(qū)的預(yù)警判據(jù)圖(圖5)。根據(jù)計(jì)算出的當(dāng)日的綜合有效降雨量,對(duì)照Ⅰ、Ⅱ級(jí)預(yù)警區(qū)采用圖4和圖5地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警判據(jù)模式圖,可確定Ⅰ、Ⅱ級(jí)預(yù)警區(qū)的預(yù)警級(jí)別。預(yù)警級(jí)別作為進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)、重點(diǎn)地段進(jìn)行巡查、監(jiān)測(cè)的預(yù)判依據(jù),達(dá)到事前控制的效果。

圖4 研究區(qū)Ⅰ級(jí)預(yù)警區(qū)預(yù)警判據(jù)模式圖

圖5 研究區(qū)Ⅱ級(jí)預(yù)警區(qū)預(yù)警判據(jù)模式圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文在綜合研究河南省國(guó)土資源廳、河南省財(cái)政廳專項(xiàng)基金項(xiàng)目商城縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查成果的基礎(chǔ)上,以河南省商城縣為例,構(gòu)建了商城縣區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型,總結(jié)提出了區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警概化模型及其計(jì)算方法。

項(xiàng)目實(shí)施后,項(xiàng)目組人員長(zhǎng)期關(guān)注了商城縣發(fā)布的氣象預(yù)警信息,從實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果來看,總體上取得了較好的預(yù)報(bào)效果。