墨脫縣地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警模型探析

白瑪喬　措姆　王挺

摘要 以墨脫縣為研究區(qū)域，分析境內(nèi)降水和地質(zhì)災(zāi)害特征，得出地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)期與降水集中期和強(qiáng)降水事件多發(fā)時(shí)段基本出現(xiàn)在6—7月;以有效降雨量為評(píng)級(jí)指標(biāo)，建立降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的Logistic 回歸模型，得到墨脫縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的概率計(jì)算公式，確立地質(zhì)災(zāi)害的氣象預(yù)警預(yù)報(bào)模型，經(jīng)檢驗(yàn)該模型預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)78.6%，具有可行性。

關(guān)鍵詞 強(qiáng)降雨;地質(zhì)災(zāi)害;氣象預(yù)警模型;檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)：P429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2022）02–0082–03

墨脫縣地處雅魯藏布江大拐彎下游，喜馬拉雅山脈南麓，山高谷深，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，常年受印度洋海洋性西南季風(fēng)影響，水汽充沛，每年3—10月降水量占全年總降水量80%以上，期間降水集中、強(qiáng)度大、范圍廣[1]。特殊的氣候環(huán)境和地形急劇變化的下墊面特征，導(dǎo)致山區(qū)氣候條件復(fù)雜，大雨、暴雨等短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)，常誘發(fā)滑坡、泥石流、塌方等次生地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響墨脫縣域群眾生命財(cái)產(chǎn)安全[2]。

1 墨脫縣降水和地質(zhì)災(zāi)害特征

1.1 降水時(shí)間分布特征

1.1.1 降水量年際、季節(jié)變化與月動(dòng)態(tài) 2012—2020年墨脫年平均降水量2 094 mm，最高為2020年的2 446 mm，最低為2018年的1 767 mm，近9年墨脫僅有3次年降水量低于2 000 mm。其中，冬季降水量最少，約為100 mm;春、秋季相近，降水量在526 mm左右;夏季降水量最大，為935.8 mm，達(dá)到45%。墨脫月降水量差異明顯，整體呈現(xiàn)雙峰特征，峰值出現(xiàn)在6月、7月和9月，月平均降水量均超過300 mm，其中9月平均降水量達(dá)348.5 mm，為最高值，6—9月降水量占全年降水量的61%。

1.1.2 降水日數(shù)特征 2012—2020年墨脫日降水量在10 mm以上日數(shù)達(dá)651 d，其中中雨日數(shù)448 d，占全年強(qiáng)降水日數(shù)的71%，大雨日數(shù)183 d，占全年強(qiáng)降水日數(shù)的26%，暴雨20 d，占全年強(qiáng)降水日數(shù)的3%。從各月分布看，墨脫全年都能出現(xiàn)10 mm以上降水，冬春季出現(xiàn)概率較低，高峰期出現(xiàn)在汛期，其中6—9月有60 d以上，期間大雨出現(xiàn)次數(shù)也最多，暴雨5月、7月、9月、10月出現(xiàn)次數(shù)最多。近9年墨脫共發(fā)生強(qiáng)降雨事件183次，年平均20.3次。2014年強(qiáng)降雨事件次數(shù)最少為8次，2013年和2020年最多為30次。強(qiáng)降雨事件集中在雨季4—10月，以9月發(fā)生次數(shù)最多，達(dá)36次，其次是6月。

1.2 地質(zhì)災(zāi)害特征

1.2.1 地質(zhì)災(zāi)害空間分布特征 墨脫地形復(fù)雜，強(qiáng)降雨易引發(fā)洪澇、滑坡、泥石流等災(zāi)害。2019年汛前地質(zhì)災(zāi)害排查統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，地質(zhì)災(zāi)害主要有滑坡、泥石流、崩塌、不穩(wěn)定斜坡和地裂縫，共發(fā)現(xiàn)災(zāi)害隱患點(diǎn)280處，其中滑坡71處、泥石流123處、崩塌81處、不穩(wěn)定斜坡4處和地裂縫1處，這些地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)分布于墨脫縣8個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）。達(dá)木鄉(xiāng)分布最集中，共129處，多分布于扎墨公路沿線;其次是背崩鄉(xiāng)、墨脫鎮(zhèn)，分別有48處和32處;德興鄉(xiāng)、格當(dāng)鄉(xiāng)、加熱薩鄉(xiāng)、幫辛鄉(xiāng)和甘登鄉(xiāng)相對(duì)較少，分別為19處、19處、17處、10處和6處。

1.2.2 地質(zhì)災(zāi)害時(shí)間變化特征 2012—2020年墨脫縣有記錄的崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害共計(jì)99 d，發(fā)生日數(shù)呈增加趨勢(shì)，其中2016年地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生日數(shù)最多，2014年最少僅6 d。受到降雨和降雪影響，墨脫縣一年中3月和雨季是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)期，6月、7月地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生日數(shù)最多。

2 降水與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造是形成崩、滑、流地質(zhì)災(zāi)害的物質(zhì)條件，而水源、新構(gòu)造活動(dòng)及人類工程活動(dòng)是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要影響因素。墨脫地處西藏東南部，東、西、北三面環(huán)繞高山，念青唐古拉山脈呈北西—南東向分布于墨脫北部東段，喜馬拉雅山脈呈南西—北東向位于雅魯藏布江大拐彎內(nèi)側(cè)，外側(cè)為岡底斯山脈，6 000 m以上山峰有數(shù)座，最高海拔7 782 m為南迦巴瓦峰，南部谷地則海拔不足600 m。雅魯藏布江從朗縣進(jìn)入林芝市，經(jīng)米林縣到達(dá)墨脫縣境內(nèi)向南經(jīng)印度注入印度洋，同時(shí)順江而上的印度洋暖流與北方寒流在念青唐古拉山脈東段一帶匯合，在地形、水汽條件影響下引起氣流輻合上升，產(chǎn)生局部熱力對(duì)流，促進(jìn)對(duì)流的發(fā)展形成，墨脫山地迎風(fēng)坡一側(cè)形成強(qiáng)降水。暴雨或特大暴雨是促使泥石流爆發(fā)的主要?jiǎng)恿l件，區(qū)內(nèi)每年5—9月是泥石流災(zāi)害高發(fā)期，同時(shí)部分處于停歇期的泥石流溝，在特大暴雨激發(fā)下，也得以重新復(fù)活。

地下水是產(chǎn)生滑坡的重要因素之一，無水不滑是滑坡的普遍規(guī)律。地下水補(bǔ)給主要來自大氣降水和地表水，因此墨脫縣滑坡都發(fā)生于雨季，或在雨季加速變形。在連續(xù)降雨和強(qiáng)降雨入滲的作用下，巖石裂隙動(dòng)、靜水壓力增加，使巖石塊體失衡產(chǎn)生崩塌。墨脫縣大多數(shù)崩塌產(chǎn)生于雨季，也是降水作用的結(jié)果。

3 地質(zhì)災(zāi)害形成的機(jī)理

3.1 有效降雨模型

本研究通過有效降雨量分析降水與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系。降雨過后，由于地表排泄和水分蒸發(fā)，導(dǎo)致實(shí)際上進(jìn)入巖土體中的雨量小于實(shí)際記錄的總降雨量，只有部分雨水會(huì)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生造成影響[3]。前期有效降雨量即在除去地表排泄和水分蒸發(fā)所損失雨量后，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害有影響的部分降雨量。有效降雨量模型能較好地反映當(dāng)天和前期降雨對(duì)地質(zhì)災(zāi)害所造成的影響[4]。由于一場降雨的影響會(huì)隨著時(shí)間推移而減小，該模型通過一個(gè)系數(shù)考慮前期降雨對(duì)地質(zhì)災(zāi)害所產(chǎn)生的影響。

具體計(jì)算公式：

（1）

其中，Rc為有效降雨量，R0為當(dāng)日降雨量，Ri為i日前降雨量，α為有效降雨系數(shù)，i為災(zāi)害發(fā)生前經(jīng)過的天數(shù)，n為總天數(shù)。本研究中n先取10 d，α取地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生日期的有效降雨量和當(dāng)日災(zāi)害次數(shù)相關(guān)性最大時(shí)的值。

災(zāi)害發(fā)生前一天的降雨量有效系數(shù)為0.6，相關(guān)系數(shù)最大為0.479，隨著天數(shù)指數(shù)遞減，在第5天時(shí)有效系數(shù)為0.476時(shí)的Rc 0.078，即使此時(shí)降雨量達(dá)到100 mm，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的貢獻(xiàn)僅為7.8 mm。相關(guān)系數(shù)隨α值減小，先迅速增大，后緩慢較?。ū?），表明距離災(zāi)害發(fā)生時(shí)間越近，降水有效性越高，當(dāng)α=0時(shí)，相關(guān)系數(shù)為0.439，與最大相關(guān)系數(shù)差異較小，說明當(dāng)日降水量是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素[5]。最終將α=0.6作為墨脫縣有效降雨量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，n=5作為災(zāi)害發(fā)生前有效降雨日數(shù)。

3.2 Logistic 回歸模型

有效降雨是否會(huì)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，存在發(fā)生和不發(fā)生2種情形，以有效降雨量為自變量，地質(zhì)災(zāi)害是否發(fā)生為因變量，要求建立的模型應(yīng)保證因變量的取值為0或1[6]。二元邏輯回歸模型可以用來預(yù)測(cè)具有二分特點(diǎn)的因變量概率，符合建模要求。

模型表達(dá)式：

（2）

即其中

P=P（y=1|Rc）為發(fā)生災(zāi)害的概率，P=P（y=0|Rc）為不發(fā)生災(zāi)害的概率，y表示災(zāi)害是否發(fā)生，Z是有效降水的函數(shù)，β是有效降水的系數(shù)，ε是墨脫本地的修正系數(shù)。有效降雨量由當(dāng)日降雨量和前5日降雨量代入公式（1）求得。

本研究選取墨脫2012—2018年雨季（4—9月）全部降水?dāng)?shù)據(jù)1 281條和有記錄的災(zāi)害事件日期57次，建立用于二元邏輯回歸模型的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集部分示例數(shù)據(jù)見表2。

使用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元邏輯回歸，有效降水顯著水平Sig值<0.01，統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上顯著。根據(jù)回歸結(jié)果，災(zāi)害發(fā)生概率可表示：

（3）

將前5日降雨量和預(yù)報(bào)的降雨量代入公式（1）即可求得有效降雨量，輸入公式（3）可得到地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等級(jí)，當(dāng)有效降雨量<35 mm時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率<10%，預(yù)警等級(jí)4級(jí);在35～78 mm時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率為10%～50%，3級(jí)預(yù)警;在78～105 mm時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率為50%～80%，預(yù)警等級(jí)2級(jí);>105 mm時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率>80%，預(yù)警等級(jí)1級(jí)。根據(jù)預(yù)警等級(jí)對(duì)降雨引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，預(yù)報(bào)預(yù)警發(fā)布時(shí)按照以下幾個(gè)原則：4級(jí)不發(fā)布、3級(jí)發(fā)布黃色預(yù)警、2級(jí)發(fā)布橙色預(yù)警、1級(jí)紅色預(yù)警。

3.3 預(yù)警模型驗(yàn)證

將2019年和2020年地質(zhì)災(zāi)害事件發(fā)生時(shí)間和前期降雨量代入預(yù)警模型，以驗(yàn)證模型精度。具體結(jié)果見表3，在2年內(nèi)雨季觀測(cè)到地質(zhì)災(zāi)害的14個(gè)災(zāi)害日中，預(yù)警等級(jí)為3級(jí)的有11 d，4級(jí)有3 d。預(yù)警等級(jí)達(dá)3級(jí)即發(fā)布黃色預(yù)警，則有78.6%的時(shí)間成功預(yù)警降雨引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，表明預(yù)警模型在一定程度上是可行的。

4 結(jié)束

（1）墨脫縣降水豐富，近9年平均降水量2 094 mm，以夏季降水量為最大，達(dá)935.8 mm，9月平均降水量最多達(dá)348.5 mm，6—9月降水量占全年61%。墨脫縣地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)以達(dá)木鄉(xiāng)達(dá)最多，其次是背崩鄉(xiāng)、墨脫鎮(zhèn)。

（2）墨脫縣降水和地質(zhì)災(zāi)害具有明顯月際變化特征，地質(zhì)災(zāi)害3—9月發(fā)生約占所有災(zāi)害的94.6%，6月最多。災(zāi)害發(fā)生與降水月際變化吻合，這與雨季占全年85%～95%的降水有關(guān)，雨季多局地性強(qiáng)降水對(duì)地質(zhì)災(zāi)害起到誘發(fā)作用。

（3）以有效降雨量模型研究降水對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)發(fā)生災(zāi)害前5日降水和災(zāi)害當(dāng)日降水可作為墨脫縣影響地質(zhì)災(zāi)害的有效降水，有效系數(shù)為0.6。當(dāng)有效降雨量在35～78 mm時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率為10%～50%，發(fā)生可能性較大，即可發(fā)布黃色預(yù)警。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Analysis on Meteorological Early Warning Model of Geological Hazards in Motuo County

BAI Maqiao et al（Meteorological Bureau of Motuo County， Nyingchi， Tibet 860000）

Abstract Taking Motuo county as the research area， the characteristics of precipitation and geological disasters in Motuo county were analyzed， and it was concluded that the frequent occurrence period of geological disasters， precipitation concentration period and heavy precipitation events occurred in June and July. Taking effective rainfall as rating index， the Logistic regression model of rain-induced geological disaster was established， the probability calculation formula of geological disaster susceptibility was obtained， and the meteorological warning and prediction model of geological disaster was established. The prediction accuracy of the model was up to 78.6%， which was feasible.

Key words Heavy rainfall; Geological hazards; Meteorological early warning model; Test

作者簡介 白瑪喬（1989—），女，西藏米林人，工程師，主要從事綜合氣象觀測(cè)工作。

收稿日期 2021-12-10