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(cè)預(yù)警室主任，教授級(jí)高工，部地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急防治專家，中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)編委，中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)地質(zhì)災(zāi)害研究分會(huì)委員、公共安全科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)預(yù)測(cè)預(yù)警專委會(huì)委員。主要從事地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測(cè)、預(yù)警與應(yīng)急防治工作，負(fù)責(zé)國(guó)家級(jí)地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作，獲國(guó)土資源科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)5項(xiàng)。

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(duì)前期過(guò)程降雨量、預(yù)報(bào)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(cè)預(yù)報(bào)并向社會(huì)發(fā)布的行為。根據(jù)斜坡巖土體的含水量必須達(dá)到某一界限值才可能在一次降雨過(guò)程中產(chǎn)生崩塌滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)分析，可以對(duì)地質(zhì)環(huán)境要素、氣象因素和人類活動(dòng)等引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性大小進(jìn)行預(yù)警（圖1）。中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分為4個(gè)等級(jí)（表1）。

表1 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等級(jí)與預(yù)警信號(hào)

預(yù)警理論

自2003年起，中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院（自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心）與中國(guó)氣象局國(guó)家氣象中心等單位共同組建研究團(tuán)隊(duì)，一邊服務(wù)，一邊研究，在地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警技術(shù)方法研究、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目國(guó)家級(jí)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jì)預(yù)警、顯式統(tǒng)計(jì)預(yù)警和動(dòng)力預(yù)警等三類方法。

（一）隱式統(tǒng)計(jì)預(yù)警

隱式統(tǒng)計(jì)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(duì)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(jì)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(jì)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(shí)降雨量和10分鐘降雨量等。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般只涉及1～3個(gè)參數(shù)作為預(yù)警判據(jù)，如臨界降雨量、降雨強(qiáng)度、有效降雨量或等效降雨量等。

圖1 電視臺(tái)發(fā)布地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警信息

（二）顯式統(tǒng)計(jì)預(yù)警

顯式統(tǒng)計(jì)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(xiǎn)性區(qū)劃與空間預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)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(jì)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(jìn)行疊加分析，形成反映基礎(chǔ)條件的地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度，作為綜合預(yù)警的基礎(chǔ)指標(biāo)，同時(shí)考慮日降雨、小時(shí)降雨、累計(jì)有效降雨等響應(yīng)因子指標(biāo)，通過(guò)基礎(chǔ)因子與響應(yīng)因子進(jìn)行計(jì)算來(lái)開展預(yù)警。

（三）動(dòng)力預(yù)警

動(dòng)力預(yù)警是一種考慮地質(zhì)體在降雨過(guò)程中地氣耦合作用下研究對(duì)象自身動(dòng)力變化過(guò)程而建立預(yù)警判據(jù)方程的方法，實(shí)質(zhì)上是一種解析方法。動(dòng)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(guò)程中和降雨后降水入滲在斜坡體內(nèi)的轉(zhuǎn)化機(jī)制，具體描述整個(gè)過(guò)程斜坡體內(nèi)地下水動(dòng)力作用變化與斜坡體狀態(tài)及其穩(wěn)定性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)鉆孔監(jiān)測(cè)地下水位動(dòng)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(guò)程中和降雨后斜坡體內(nèi)地下水的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化規(guī)律、整個(gè)斜坡體物理性狀變化及其變形破壞過(guò)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(xué)物理方程研究解析斜坡體內(nèi)地下水動(dòng)力場(chǎng)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(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)動(dòng)力預(yù)警。由于動(dòng)力預(yù)警需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、建立高精度預(yù)警模型等復(fù)雜的過(guò)程，受經(jīng)費(fèi)、工作程度等原因所限，目前只適用于單體試驗(yàn)區(qū)或特別重要的局部區(qū)域。

預(yù)警模型

（一）隱式統(tǒng)計(jì)預(yù)警模型建設(shè)

1.預(yù)警分區(qū)。隱式統(tǒng)計(jì)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(yàn)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(gè)預(yù)警單元的地質(zhì)環(huán)境、氣候等條件相對(duì)單一，同時(shí)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(jì)樣本，便于后期指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)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(biāo)。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(guò)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(jí)劃分界限。其中α線為是否達(dá)到預(yù)警指標(biāo)的分界線，β線為是否達(dá)到警報(bào)指標(biāo)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(bào)區(qū)。后期也利用地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的當(dāng)日降雨量和累計(jì)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(dāng)日雨量即為預(yù)警當(dāng)天的預(yù)報(bào)降雨量，累計(jì)有效降雨量是指預(yù)警當(dāng)日至前n日（不同地區(qū)n值不同，一般3～7日）降雨量對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的有效貢獻(xiàn)的總和，實(shí)際計(jì)算時(shí)按監(jiān)測(cè)雨量的一定比例系數(shù)進(jìn)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(jì)算時(shí)當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)。

（二）顯式統(tǒng)計(jì)預(yù)警模型建設(shè)

1.資料準(zhǔn)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(jì)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(wàn)實(shí)際大小為10km×10km，1∶5萬(wàn)比例尺實(shí)際大小為500m×500m）的網(wǎng)格單元進(jìn)行分析，計(jì)算得到每個(gè)網(wǎng)格單元“潛勢(shì)度”。

3.潛勢(shì)度計(jì)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(jì)算地質(zhì)災(zāi)害“潛勢(shì)度”。潛勢(shì)度是各類地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)警預(yù)報(bào)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(biāo)，具體量值是通過(guò)地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)因子與響應(yīng)因子計(jì)算實(shí)現(xiàn)的。

地質(zhì)災(zāi)害“潛勢(shì)度”的計(jì)算公式 ： G = ∑ni=1qi× Qi。 式 中，G是潛勢(shì)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(duì)地質(zhì)災(zāi)害敏感性的數(shù)值體現(xiàn)。

4.危險(xiǎn)度預(yù)警指標(biāo)。潛勢(shì)度計(jì)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(jì)預(yù)警模型，地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)因素為計(jì)算所得的網(wǎng)格潛勢(shì)度的值（G），降雨激發(fā)因素選取當(dāng)日雨量（Ri）和前期雨量（Rp），地質(zhì)災(zāi)害“危險(xiǎn)度”評(píng)價(jià)模型可用如下公式表示： Wi= Gi× Rpi。式中，Wi是第i個(gè)單元的“危險(xiǎn)度”；Gi是第i個(gè)單元的“潛勢(shì)度”；Rpi是第i個(gè)單元的引發(fā)因子指數(shù)。通過(guò)危險(xiǎn)度計(jì)算和等級(jí)劃分，可以確定地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等級(jí)。

（三）動(dòng)力預(yù)警模型建設(shè)

1.實(shí)況監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。在預(yù)警區(qū)開展地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，在地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)（風(fēng)險(xiǎn)區(qū)）補(bǔ)充安裝雨量觀測(cè)站，與氣象、水利的雨量站相互補(bǔ)充。選擇重要隱患點(diǎn)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(cè)設(shè)備，逐分鐘、半小時(shí)或1小時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，作為預(yù)警的基礎(chǔ)。

2.預(yù)警模型與預(yù)警指標(biāo)。動(dòng)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(cè)結(jié)果確定預(yù)警模型，建立不同等級(jí)的預(yù)警指標(biāo)；可按照滑坡推力法、Sarma法、畢肖普（Bishop）法等穩(wěn)定性計(jì)算方法建立單體隱患點(diǎn)的預(yù)警模型和預(yù)警指標(biāo)；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(biāo)來(lái)進(jìn)行預(yù)警（圖4）。

圖4 動(dòng)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(jì)算的處理時(shí)間、避免出現(xiàn)錯(cuò)誤、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析、自動(dòng)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(gè)平臺(tái)，一是數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，包括基礎(chǔ)資料庫(kù)、預(yù)警產(chǎn)品庫(kù)、反饋信息庫(kù)和年度方案、技術(shù)規(guī)范等其他信息庫(kù)內(nèi)容；二是工作預(yù)警平臺(tái)，包括預(yù)警模型、預(yù)警軟件和硬件環(huán)境；三是組織平臺(tái)，包括管理層、作業(yè)層和發(fā)布層。三個(gè)平臺(tái)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(guó)土資源部和中國(guó)氣象局簽訂的合作協(xié)議，地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警由國(guó)土資源（現(xiàn)自然資源）和氣象部門共同開展，聯(lián)合對(duì)社會(huì)發(fā)布，任何其他單位和個(gè)人不得擅自對(duì)社會(huì)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(fù)責(zé)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(cè)降雨量、未來(lái)預(yù)報(bào)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(dòng)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，分析預(yù)警等級(jí)，與氣象部門、省級(jí)自然資源部門進(jìn)行會(huì)商，確定預(yù)警區(qū)范圍、預(yù)警等級(jí)和預(yù)警說(shuō)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(tái)，在當(dāng)晚的《天氣預(yù)報(bào)》節(jié)目中播出地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息。同時(shí)，自然資源、氣象部門及時(shí)將預(yù)警結(jié)果發(fā)送至相關(guān)管轄的范圍進(jìn)行部署，啟動(dòng)相應(yīng)等級(jí)的預(yù)警響應(yīng)，提前做好防災(zāi)準(zhǔn)備。

經(jīng)過(guò)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(jī)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(lái)，截至2018年，國(guó)家級(jí)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(tái)發(fā)布預(yù)警信息1051次，部局網(wǎng)站、自然資源手機(jī)報(bào)、微信等媒體平臺(tái)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(guó)家級(jí)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警軟件平臺(tái)

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

2003年以來(lái)，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(shí)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(jī)的取得得益于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、群測(cè)群防、治理工程以及早期識(shí)別等多項(xiàng)工程的聯(lián)合實(shí)施。

結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)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(qiáng)，預(yù)警難度大。各級(jí)政府正在積極加大資金和人員投入，積極補(bǔ)充完善地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，研制高精度預(yù)警模型，省、市、縣逐步實(shí)現(xiàn)預(yù)警自動(dòng)化與規(guī)范化，隨著科學(xué)技術(shù)水平的逐步提升，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警效果將會(huì)逐漸凸顯，地質(zhì)災(zāi)害防治從災(zāi)后救助向?yàn)?zāi)前預(yù)防轉(zhuǎn)變的模式逐步實(shí)現(xiàn)。未來(lái)一定時(shí)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(huì)逐年提高。