國內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警現(xiàn)狀及河南省預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)研究

方林 徐郅杰 呂燈

（1.河南省自然資源監(jiān)測院，河南 鄭州 450016；2.河南省地質(zhì)災(zāi)害防治重點實驗室，河南 鄭州 450016）

1 國內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警工作現(xiàn)狀

為了適應(yīng)我國社會經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展的需要，有效減輕以氣象因素為主所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，2003 年4月，國土資源部和中國氣象局簽訂了《國土資源部和中國氣象局關(guān)于聯(lián)合開展地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警工作協(xié)議》。

在此背景下，2003 年，中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院研制了第一代國家級地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)，并在2003年～2007 年投入實際應(yīng)用服務(wù)。

全國各省市分別獨自或在中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院第一代預(yù)警系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)了各省市自有的汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)，其后又各自進行了系統(tǒng)升級。

1.1 第一代地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)

1.1.1 中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)（CGWS1.0）

該系統(tǒng)于2003 年～2007 年投入應(yīng)用，主要是采用臨界降雨量判據(jù)圖（α～β 線）方法，將中國陸域劃分為7 個預(yù)警區(qū)，并根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害樣本與降雨量統(tǒng)計關(guān)系確定了各個預(yù)警區(qū)的臨界雨量，判據(jù)作為預(yù)警等級發(fā)布的依據(jù)；建立了功能基本齊全的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警會商中心，建立了2M 數(shù)據(jù)專線傳輸，預(yù)警結(jié)果通過中國中央電視臺、中國地質(zhì)環(huán)境信息網(wǎng)站、中央人民廣播電臺及手機短信等多種形式播發(fā)[1]。

1.1.2 浙江省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)（2003 版）

該系統(tǒng)主要是采用原浙江省國土資源廳信息中心研發(fā)的區(qū)域群發(fā)性滑坡災(zāi)害概率預(yù)報（LAPS）系統(tǒng)。浙江省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系包括氣象風險預(yù)報、專業(yè)監(jiān)測預(yù)警及地質(zhì)災(zāi)害群測群防等三個子系統(tǒng)[2]。

（1）地質(zhì)災(zāi)害氣象風險預(yù)報系統(tǒng)基于網(wǎng)格單元，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研制，網(wǎng)格精度為1km×1km。

地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報原理為：根據(jù)前期實時降雨量和未來一段時間的降雨預(yù)報，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件，采用一定的模型計算方法，對區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性大小進行快速評估，從而實現(xiàn)對該區(qū)域未來一段時間內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的空間范圍和強度進行預(yù)報。

地質(zhì)災(zāi)害氣象風險預(yù)報時段包括24 小時預(yù)報、3～6 小時預(yù)報及實時降雨提醒等。

（2）專業(yè)監(jiān)測預(yù)警是對氣象風險預(yù)報的補充。通過試點監(jiān)測研究地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生臨界降雨量，開展地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警，全省建成了46 處地質(zhì)災(zāi)害隱患專業(yè)監(jiān)測示范點。

（3）2005 年浙江省縣市地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃調(diào)查完成之后，將地質(zhì)災(zāi)害隱患點全部納入群測群防點，安排監(jiān)測員和防災(zāi)責任人，形成縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村三級防災(zāi)責任制度和省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村五級管理體系，構(gòu)成全省地質(zhì)災(zāi)害群測群防網(wǎng)絡(luò)。

1.2 第二代地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)

1.2.1 國家級地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)（CGWS2.0）

在總結(jié)了2003 年以來我國地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)警預(yù)報工作經(jīng)驗基礎(chǔ)上，2008 年研發(fā)完成了基于顯示統(tǒng)計方法的第二代國家級地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)：

（1）在學術(shù)思想上立足于地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域“發(fā)育度”“潛勢度”“危險度”“危害度”評價，計算出全國的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域“潛勢度”作為預(yù)警背景值，疊加降雨量實況和預(yù)報值參與二次計算得出地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)警結(jié)果，按預(yù)警等級指數(shù)（T）進行單元圖斑合并，再經(jīng)等值化后形成具體的預(yù)警預(yù)報區(qū)即預(yù)警產(chǎn)品，初步實現(xiàn)臨界過程降雨量判據(jù)（第一代系統(tǒng)的思想）與地質(zhì)環(huán)境空間分析相耦合，故也可稱地質(zhì)環(huán)境要素組合模式預(yù)報方法。

（2）在空間尺度上，基于1∶100 萬精度地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，采用10km×10km 作為計算單元，可認為全國劃分為約10 萬個預(yù)警區(qū)，只要氣象預(yù)報精度能夠與之匹配，即可認為理論上可預(yù)報的最小區(qū)域是100km2，而第一代系統(tǒng)采用的地質(zhì)信息精度是1∶600 萬。

（3）在技術(shù)實現(xiàn)上，可以查詢相應(yīng)預(yù)警預(yù)報區(qū)域的地質(zhì)、地理、人文和人類活動背景，及時地修正預(yù)警產(chǎn)品，通知或會商地方預(yù)警業(yè)務(wù)單位，稱之為顯式預(yù)警。

（4）在產(chǎn)品生成上，預(yù)警結(jié)果源于統(tǒng)計數(shù)學模型運算而非臨界雨量判斷，預(yù)警等級的確定更加科學。

（5）在升級能力上，只要提供新的數(shù)據(jù)源，如新的地質(zhì)調(diào)查、土地利用、遙感監(jiān)測和工程活動等數(shù)據(jù)信息，就可以進行多元數(shù)據(jù)同化，計算更新全國或某區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害“潛勢度”背景值，CGWS2.0 即可升級為 CGWS2.1、CGWS2.2，或更高版本，并逐步“傻瓜化”，以便逐級向下推廣。

1.2.2 浙江省地質(zhì)災(zāi)害氣象風險預(yù)報（警）系統(tǒng)（2008版、2012 版）

2008 年浙江省作為“國家地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警”工作試點，中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院采用國家地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警模型為浙江省研制了一套預(yù)報系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于網(wǎng)格單元，采用多元線性回歸模型研制，網(wǎng)格精度為1km×1km。2012 年6 月原有第一代LAPS 系統(tǒng)出現(xiàn)問題之后，啟用此套預(yù)警軟件。

2008 版預(yù)警系統(tǒng)依托國家地質(zhì)災(zāi)害氣象風險預(yù)警預(yù)報技術(shù)方法和軟件模型而來，原理與中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院相同。該軟件采用劉傳正研究員提出的地質(zhì)環(huán)境顯式統(tǒng)計模型計算“潛勢度”，以“潛勢度”作為地質(zhì)環(huán)境條件，疊加實況降雨量和預(yù)報降雨量得出預(yù)報單元的預(yù)警指數(shù)，經(jīng)插值生成等值線，進行圖斑合并和人工會商調(diào)整后制作成地質(zhì)災(zāi)害氣象風險預(yù)報（警）圖。

2012 年在中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院的支持下，浙江省基于斜坡單元，采用聯(lián)合概率模型開發(fā)了新預(yù)報系統(tǒng)（2012 版）。系統(tǒng)主要在以下幾個方面進行了升級：（1）預(yù)報單元：采用斜坡單元來預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性，更接近地質(zhì)災(zāi)害孕育條件，預(yù)測結(jié)果更具有指導性。

（2）預(yù)報模型：采用聯(lián)合概率法替代多元線性回歸法，反映了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與地質(zhì)環(huán)境和降雨的非線性關(guān)系。

（3）集成自動化功能：系統(tǒng)將所有的功能高度集成和自動化，節(jié)省預(yù)報時間，減少出錯幾率。

2 河南省第一代汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)及運行

2003 年4 月，河南省國土資源廳與河南省氣象局簽訂了《河南省國土資源廳 河南省氣象局聯(lián)合開展全省汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警工作協(xié)議》。2003 年7月河南省汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)開始建設(shè)，2004年5 月完成初級系統(tǒng)建設(shè)，2004 年6 月16 日通過專家評審驗收，經(jīng)過一個氣象預(yù)警年的運行，2004 年12月提交系統(tǒng)建設(shè)報告。

2004 年3 月，河南省汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)進入全面建設(shè)階段。技術(shù)層面上，完成了預(yù)警區(qū)劃、預(yù)警判據(jù)建立，以及數(shù)據(jù)、圖、文傳輸格式的研發(fā)工作；建立了地質(zhì)災(zāi)害與降雨量相關(guān)數(shù)據(jù)庫，完成了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的計算機自動化識別過程。建立健全了預(yù)警系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)及管理體系，河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院成立了預(yù)警中心，河南省氣象臺亦成立了相應(yīng)機構(gòu)；建立了預(yù)警值班制度、審查制度等管理體系，全面完成了硬件設(shè)施配置。

2004 年5 月，對系統(tǒng)進行了模擬運行，對組成系統(tǒng)的三個層面進行了調(diào)整；2004 年6 月～9 月系統(tǒng)進入試運行狀態(tài)，2005 年6 月～9 月系統(tǒng)進入正式運行狀態(tài)[3]。

3 河南省第二代汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)

3.1 技術(shù)路線

（1）以斜坡單元為基本預(yù)警單位。斜坡單元劃分在河南省1∶50 萬地形圖上進行。斜坡單元是地形圖上由山脊線、山谷線、水系組成的封閉單元（如圖1所示）。

當裂紋張開時,裂紋左右兩端梁橫截面轉(zhuǎn)角的差值,即裂紋等效旋轉(zhuǎn)彈簧的轉(zhuǎn)角應(yīng)與梁橫截面彎矩成正比;而當裂紋閉合時,裂紋左右兩端梁橫截面轉(zhuǎn)角的差值應(yīng)等于裂紋初始張開角θ0.于是,對于x=x0處的上表面裂紋,梁轉(zhuǎn)角連接條件為

圖1 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警斜坡單元

（2）在預(yù)警預(yù)報斜坡單元劃分的基礎(chǔ)上，依據(jù)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌將全省分為若干個預(yù)警區(qū)，預(yù)警區(qū)劃分遵循河南省地質(zhì)災(zāi)害分布發(fā)育特點。

（3）地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警信息圖層編制。充分考慮河南省地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)信息、地質(zhì)災(zāi)害歷史發(fā)生實況等，選取圖層包括年均降雨量、年均氣溫、地震烈度、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水系、植被、土地開發(fā)利用、交通、人口密度及地質(zhì)災(zāi)害點分布等，并對各圖層進行了因子量化、因子權(quán)重確定，以便于下一步各個斜坡單元“潛勢度”的計算。

（4）地質(zhì)災(zāi)害潛勢度計算。綜合考慮每個斜坡單元內(nèi)的地形地貌（坡度、坡向、起伏度）、地質(zhì)巖性、水系、植被及人類工程活動等地質(zhì)環(huán)境因子，分析各因素對崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的敏感性，依據(jù)主次分配權(quán)重，得出各斜坡單元的地質(zhì)災(zāi)害潛勢度值。

（5）預(yù)警模型建立。建議采用聯(lián)合概率模型方法，不同分區(qū)建立不同預(yù)警模型，確定預(yù)警等級。聯(lián)合概率模型可直觀反映地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與地質(zhì)環(huán)境和降雨的非線性關(guān)系。

P＝P0+ΔP+e

公式中，P 為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率（預(yù)警指數(shù)），P0是地質(zhì)環(huán)境引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的概率（潛勢度），ΔP是降雨引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害增量概率，e 為修正值（各預(yù)警區(qū)修正值不同）。

（6）預(yù)警預(yù)報成果。結(jié)合單元范圍內(nèi)前期降雨及預(yù)報降雨，通過預(yù)警模型計算評價單元地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率，建立評價標準，最終確定地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性。

（7）將河南省重大地質(zhì)災(zāi)害隱患點監(jiān)測預(yù)警及地質(zhì)災(zāi)害群測群防網(wǎng)絡(luò)體系納入升級的預(yù)警系統(tǒng)中。

3.2 預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)

（1）氣象預(yù)警基本方面：系統(tǒng)登錄、系統(tǒng)時間設(shè)置、專業(yè)地圖服務(wù)、圖層屬性查詢、地圖屬性編輯、圖層顯示控制、省市縣定位、用戶管理（添加、刪除、修改）。（2）氣象預(yù)警業(yè)務(wù)方面：氣象數(shù)據(jù)上載、氣象數(shù)據(jù)自動導入、氣象雨量點擊和拉框查詢、站點地災(zāi)預(yù)報計算、區(qū)域地災(zāi)預(yù)報計算、一站式計算。

（3）氣象預(yù)警業(yè)務(wù)應(yīng)用方面：生成發(fā)布圖片、生成發(fā)布數(shù)據(jù)、生成預(yù)警報告、生成簽報單、短信發(fā)布預(yù)報、網(wǎng)上發(fā)布、下載數(shù)據(jù)到本地。

3.3 河南省汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)主要特點

（1）斜坡單元更能反映地災(zāi)實際情況，能更真實地反映地質(zhì)災(zāi)害孕育的基本條件，提取的坡面信息，如高程、坡度、坡向、高差等，物理意義與地質(zhì)災(zāi)害孕育規(guī)律基本一致。

（2）系統(tǒng)自動化、集成度高。新系統(tǒng)采用一站式和分步式兩種操作方式，既保證高效快捷又支持局部干預(yù)，自動化程度非常高。同時，軟件能夠接受多種形式的雨量信息，如數(shù)值預(yù)報、預(yù)報圖、遠程數(shù)據(jù)庫等，也能夠自動生成多種預(yù)報結(jié)果，如自動生成三級行政區(qū)域預(yù)報圖、簽批單、電視臺預(yù)報圖、預(yù)報詞、手機短信等。

（3）系統(tǒng)開放性強。系統(tǒng)預(yù)留多種預(yù)報模型結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)輸入輸出接口，同時，將參數(shù)調(diào)節(jié)窗口直接置于右側(cè)，方便對不同情況進行參數(shù)調(diào)整和測試。

（4）預(yù)報結(jié)果指導性更強。預(yù)報結(jié)果以斜坡單元顯示，直接指示出某坡面的地災(zāi)風險等級，讓防災(zāi)應(yīng)急工作對象更為明確，從而將防災(zāi)對象從面上過渡到點上。

（5）對河南省預(yù)警系統(tǒng)進行了加強。將河南省重大地質(zhì)災(zāi)害隱患點監(jiān)測預(yù)警及地質(zhì)災(zāi)害群測群防網(wǎng)絡(luò)體系納入預(yù)警系統(tǒng)，可極大地促進河南省地質(zhì)災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)效果。

專業(yè)監(jiān)測預(yù)警既是對氣象風險預(yù)報的補充，同時根據(jù)監(jiān)測情況也可以補充完善氣象風險預(yù)報。

地質(zhì)災(zāi)害群測群防網(wǎng)絡(luò)體系將形成縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村三級防災(zāi)責任制度和省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村五級管理體系，構(gòu)成全省地質(zhì)災(zāi)害群測群防網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對河南省地質(zhì)災(zāi)害的及時發(fā)現(xiàn)、快速預(yù)警和有效避讓。

4 幾點認識

根據(jù)統(tǒng)計原理開展地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警是可行的，但是也有明顯的局限性。影響地質(zhì)災(zāi)害地質(zhì)環(huán)境因子都具有一定的線性或非線性關(guān)系，反映了一定的發(fā)生規(guī)律，可以采用這種規(guī)律進行預(yù)報預(yù)警。但在規(guī)律的研究中嚴重依賴樣本數(shù)據(jù)質(zhì)量，樣本合理則研究的規(guī)律合理，如果樣本存在問題，則研究的規(guī)律相應(yīng)存在問題，從而影響預(yù)報的準確性。

地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警是一種概率預(yù)報，只能說明預(yù)報區(qū)域可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，或者發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性較高，并不能說明一定發(fā)生。因此，地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警只能起到警示作用，并不能防止災(zāi)難事件的發(fā)生，只有在此警示下配合各種防范措施（如群測群防等）才能有效減少或避免地質(zhì)災(zāi)害造成的損失。

基于氣象因素的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警服務(wù)時間、空間和強度的工作精度自然低于氣象預(yù)警服務(wù)的精度。當前在集中強降雨期間氣象預(yù)報較為準確，因而地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報準確度也較高，而在局地強降雨期間，目前的氣象預(yù)報技術(shù)難以準確預(yù)報出具體時間、位置和強度，因而出現(xiàn)漏報情況較多。

省級地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警屬于中等比例的尺度預(yù)報，面對的對象也只能是市、縣級管理人員。而針對鄉(xiāng)鎮(zhèn)和群測群防員，需要市級或縣級開發(fā)大比例尺的地質(zhì)災(zāi)害氣象風險預(yù)警系統(tǒng)，形成全省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警體系。

多年經(jīng)驗表明，河南省地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與降雨類型和強度關(guān)系密切，因此采用統(tǒng)一的預(yù)報參數(shù)進行計算的結(jié)果與實際出入較大，需要分類型進行研究。