溫銘生 劉傳正 陳春利 肖銳鏵

溫銘生，博士，自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心監(jiān)測預(yù)警室主任，教授級高工，部地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急防治專家，中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報編委，中國地質(zhì)學會地質(zhì)災(zāi)害研究分會委員、公共安全科學技術(shù)學會預(yù)測預(yù)警專委會委員。主要從事地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測、預(yù)警與應(yīng)急防治工作，負責國家級地質(zhì)災(zāi)害氣象風險預(yù)警工作，獲國土資源科學技術(shù)獎5項。

地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的概念

地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警是基于氣象因素的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)警，是對前期過程降雨量、預(yù)報降雨量等氣象因素引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性大小預(yù)測預(yù)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(zhì)災(zāi)害的統(tǒng)計分析，可以對地質(zhì)環(huán)境要素、氣象因素和人類活動等引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性大小進行預(yù)警（圖1）。中國地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分為4個等級（表1）。

表1 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等級與預(yù)警信號

預(yù)警理論

自2003年起，中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院（自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)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(wù)，一邊研究，在地質(zhì)調(diào)查項目全國地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警技術(shù)方法研究、監(jiān)測項目國家級地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警等課題的支持下，建立了地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警理論方法，包括隱式統(tǒng)計預(yù)警、顯式統(tǒng)計預(yù)警和動力預(yù)警等三類方法。

（一）隱式統(tǒng)計預(yù)警

隱式統(tǒng)計預(yù)警模型是把地質(zhì)環(huán)境因素的作用隱含在降雨參數(shù)中，對某地區(qū)的預(yù)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(yù)警方法，比較適用于地質(zhì)環(huán)境模式比較單一的小區(qū)域。隱式統(tǒng)計預(yù)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(yīng)用時，一般只涉及1～3個參數(shù)作為預(yù)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(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警信息

（二）顯式統(tǒng)計預(yù)警

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

（三）動力預(yù)警

動力預(yù)警是一種考慮地質(zhì)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(yù)警判據(jù)方程的方法，實質(zhì)上是一種解析方法。動力方法的預(yù)警結(jié)果是確定性的，可稱為第三代預(yù)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(nèi)的轉(zhuǎn)化機制，具體描述整個過程斜坡體內(nèi)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(yīng)關(guān)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(yīng)力—位移等，揭示降雨前、降雨過程中和降雨后斜坡體內(nèi)地下水的實時動態(tài)響應(yīng)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(guān)系。在充分考慮含水量、基質(zhì)吸力、孔隙水壓力、滲透水壓力、飽水帶形成和滑坡—泥石流轉(zhuǎn)化因素條件下，選用數(shù)學物理方程研究解析斜坡體內(nèi)地下水動力場變化規(guī)律與斜坡穩(wěn)定性的關(guān)系，確定多參數(shù)的預(yù)警閾值，從而實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的實時動力預(yù)警。由于動力預(yù)警需要實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、建立高精度預(yù)警模型等復(fù)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(yù)警模型

（一）隱式統(tǒng)計預(yù)警模型建設(shè)

1.預(yù)警分區(qū)。隱式統(tǒng)計預(yù)警模型建設(shè)之前首先考慮研究區(qū)的面積、地形（分水嶺）、地貌、水系、構(gòu)造、巖土體類型及結(jié)構(gòu)、氣候、地質(zhì)災(zāi)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(yù)警單元，盡量確保每一個預(yù)警單元的地質(zhì)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(yù)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(yù)警判據(jù)模式圖

圖3 降雨量組合預(yù)警判據(jù)模式圖

2.預(yù)警指標。根據(jù)預(yù)警分區(qū)，利用地質(zhì)災(zāi)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(yù)警判據(jù)模式圖（圖2），界定α線和β線作為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等級劃分界限。其中α線為是否達到預(yù)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(yù)警區(qū)，B區(qū)為預(yù)警區(qū)，C區(qū)為警報區(qū)。后期也利用地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的當日降雨量和累計有效降雨量建立預(yù)警判據(jù)模式圖（圖3），形成紅色、橙色、黃色預(yù)警區(qū)域。其中當日雨量即為預(yù)警當天的預(yù)報降雨量，累計有效降雨量是指預(yù)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(zhì)災(zāi)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(yù)警模型建設(shè)

1.資料準備與分析。收集與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)的地質(zhì)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(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系，確定影響地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生的關(guān)鍵區(qū)段。

表2 地質(zhì)環(huán)境因子圖層

2.預(yù)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(zhì)災(zāi)害“潛勢度”。潛勢度是各類地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)警預(yù)報的基礎(chǔ)，可為地質(zhì)災(zāi)害單因素預(yù)警或綜合預(yù)警提供基礎(chǔ)指標，具體量值是通過地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)因子與響應(yīng)因子計算實現(xiàn)的。

地質(zhì)災(zāi)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(quán)重；Qi是各因子區(qū)段與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系的定量值，是地質(zhì)環(huán)境條件對地質(zhì)災(zāi)害敏感性的數(shù)值體現(xiàn)。

4.危險度預(yù)警指標。潛勢度計算完成后，建立地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)因素、降雨激發(fā)因素與地質(zhì)災(zāi)害之間的顯式統(tǒng)計預(yù)警模型，地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)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(zhì)災(zāi)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(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等級。

（三）動力預(yù)警模型建設(shè)

1.實況監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。在預(yù)警區(qū)開展地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查的基礎(chǔ)上，在地質(zhì)災(zāi)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(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測設(shè)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(yù)警的基礎(chǔ)。

2.預(yù)警模型與預(yù)警指標。動力預(yù)警模型屬于確定性預(yù)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(jié)果確定預(yù)警模型，建立不同等級的預(yù)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(yù)警模型和預(yù)警指標；可按照SINMAP模型、TRIGRS模型等建立區(qū)域預(yù)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(yù)警（圖4）。

圖4 動力預(yù)警模型

預(yù)警系統(tǒng)與流程

（一）預(yù)警系統(tǒng)

預(yù)警系統(tǒng)是輔助預(yù)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(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)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(chǔ)資料庫、預(yù)警產(chǎn)品庫、反饋信息庫和年度方案、技術(shù)規(guī)范等其他信息庫內(nèi)容；二是工作預(yù)警平臺，包括預(yù)警模型、預(yù)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(yù)警系統(tǒng)（圖5）。

（二）預(yù)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(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)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(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息。雙方建立相應(yīng)的預(yù)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(guān)預(yù)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(yù)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(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，分析預(yù)警等級，與氣象部門、省級自然資源部門進行會商，確定預(yù)警區(qū)范圍、預(yù)警等級和預(yù)警說明，將預(yù)警結(jié)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(yù)報》節(jié)目中播出地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息。同時，自然資源、氣象部門及時將預(yù)警結(jié)果發(fā)送至相關(guān)管轄的范圍進行部署，啟動相應(yīng)等級的預(yù)警響應(yīng)，提前做好防災(zāi)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(zāi)減災(zāi)服務(wù)。

預(yù)警成效

自2003年開展地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警工作以來，截至2018年，國家級地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警共制作預(yù)警產(chǎn)品2572份，中央電視臺發(fā)布預(yù)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(lǐng)省、市、縣地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警工作、防災(zāi)減災(zāi)與科普宣傳等方面起到了積極的作用。

圖5 國家級地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警軟件平臺

圖6 全國地質(zhì)災(zāi)害造成人員死亡失蹤和經(jīng)濟損失分布圖

2003年以來，地質(zhì)災(zāi)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(zhì)災(zāi)害預(yù)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(jié)語

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴重的國家之一，受地質(zhì)災(zāi)害威脅的人口多，地質(zhì)災(zāi)害隱蔽性、突發(fā)性和破壞性強，預(yù)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(zhì)災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，研制高精度預(yù)警模型，省、市、縣逐步實現(xiàn)預(yù)警自動化與規(guī)范化，隨著科學技術(shù)水平的逐步提升，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警效果將會逐漸凸顯，地質(zhì)災(zāi)害防治從災(zāi)后救助向災(zāi)前預(yù)防轉(zhuǎn)變的模式逐步實現(xiàn)。未來一定時期內(nèi)，逐步建立專群結(jié)合的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警體系，技防和人防相結(jié)合，防災(zāi)減災(zāi)效果將會逐年提高。