何娜，潘宏堅，吳秋菊

廣西地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，廣西 南寧 530000

地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警是防災(zāi)減災(zāi)的第一道防線，也是有效防止、減輕山地地質(zhì)災(zāi)害造成危害的重要舉措。開展地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警研究能最大限度地減少因災(zāi)人員傷亡和財產(chǎn)損失，保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

我國地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警工作已開展了10 多年[1]，各省區(qū)市多采用內(nèi)/外動力耦合成因理論地質(zhì)災(zāi)害的氣象預(yù)警模型，篩選核心內(nèi)/外動力地質(zhì)作用指標、降雨預(yù)警指標，構(gòu)建相應(yīng)的預(yù)警指標體系。然后，根據(jù)不同指標所起的作用，按照專家經(jīng)驗進行排序，確定其指標權(quán)重值，再通過加權(quán)計算得出預(yù)警等級。

廣西陸川縣地處丘陵地帶，在陸川縣應(yīng)用該類預(yù)警模型開展地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警尚有短板，如在短臨強降雨情況下對雨量的取值要求不夠明確等。研究小組在陸川縣1∶5 萬地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查成果的基礎(chǔ)上[2]，采取內(nèi)因和外因相結(jié)合的方法，首先對該縣山地地質(zhì)災(zāi)害各影響因素進行相關(guān)分析，選取控制和影響山地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要因素，建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并對數(shù)學(xué)模型進行定量計算[3]，繪制山地地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃圖。然后，通過進一步分析地質(zhì)災(zāi)害與降雨的關(guān)系，提出地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的降雨量閾值，劃分在不同降雨條件下各地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的氣象預(yù)警等級，最終生成陸川縣山地地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)劃圖。

1 研究區(qū)概況

陸川縣位于廣西東南部，縣域面積1 551 km2，整體地勢大致為東、西兩面高、中間低。屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，夏季多暴雨、易洪澇，春秋少雨多旱，多年平均氣溫為21.7℃。根據(jù)玉林市氣象局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該縣年平均降雨量為1 893.5 mm，最大年降雨量為3 037 mm（1981年），最小年降雨量為1 019.4 mm（2007 年）；降雨多集中在汛期（4—9 月），約占年降雨量的79.9%；最長連續(xù)降雨天數(shù)為20 天（1973年），過程雨量為284.8 mm；最長連續(xù)無雨天數(shù)為82 天（1958 年）；歷年最大日降雨量為430 mm（2006 年），最大24 h 降雨量為623.1 mm。

陸川縣地貌以構(gòu)造剝蝕低山丘陵為主，分布有沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖3 大類巖石；區(qū)域上位于云開隆起帶的西北部—博白凹陷帶的東北部，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜；地下水類型包括松散巖類孔隙水、純碳酸鹽巖裂隙溶洞水、碳酸巖夾碎屑巖溶洞裂隙水、半固結(jié)碎屑巖孔隙裂隙水、花崗巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水、基巖裂隙水等6 種。

陸川縣1∶5 萬地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查資料顯示，縣內(nèi)滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡、坡面泥石流山地地質(zhì)災(zāi)害共315處，其中，滑坡126處，崩塌82處，坡面泥石流2處，不穩(wěn)定斜坡105 處；共有山地地質(zhì)災(zāi)害隱患點205處，其中滑坡66處，崩塌55處，不穩(wěn)定斜坡84 處。

2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃研究

2.1 易發(fā)區(qū)劃分方法

地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)程度區(qū)域劃分是一個復(fù)雜的多元系統(tǒng)。目前定性分析和定量評價是國內(nèi)外通用的區(qū)劃方法，其中定量評價是主流趨勢[4-6]。此次陸川縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃研究首先對山地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特點進行定性分析，再利用GIS 技術(shù)進行定量分析，從而得出易發(fā)性區(qū)域劃分方案，具體方法如下。

（1）根據(jù)山地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特點，選定山地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要控制因素和影響因素；通過定性評價，建立各種主要因素的優(yōu)勢范圍，再依據(jù)定性評價結(jié)果對單因素評價進行分區(qū)和劃分等級，并對單因素評價進行賦值。

（2）采用專家打分法確定各因素權(quán)重值。

（3）在GIS 平臺上進行多因素疊加分析，利用各分區(qū)單因素評價得分及各因素權(quán)重值，采用加權(quán)的方法計算各分區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評價值。

（4）根據(jù)各參評因素綜合評價值對陸川縣全境進行山地地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)，對交界帶不合理的區(qū)域進行人為調(diào)整、歸并。

2.2 評價因素選取及單因素區(qū)劃

選取的評價因子應(yīng)能反映研究區(qū)山地地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特點和孕災(zāi)條件。此次研究以滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡、坡面泥石流等山地地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性作為目標層；選取發(fā)育因子（地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀發(fā)育特征）、基礎(chǔ)因子（基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境條件）和誘發(fā)因子（地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素）構(gòu)成準則層，即二級評判因子；根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征、形成條件和影響因素的綜合分析，選取地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育因子、地貌類型、地形坡度、工程地質(zhì)巖組、風(fēng)化層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程活動、多年平均降雨量等對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性影響較為明顯的8 個因子構(gòu)成措施層，即三級評判因子。

2.3 評價因素權(quán)重確定

研究小組在對8 個評價因子權(quán)重打分的基礎(chǔ)上，計算出各評價因素平均值，作為該因子的權(quán)重[7]（見表1）。

2.4 基于GIS 的信息量疊加

此次研究利用ArcGIS 系統(tǒng)的空間分析功能，將8 個參與易發(fā)程度評價的單因素圖做疊加分析，得出帶有疊加屬性的不同分區(qū)。

2.5 易發(fā)性綜合評價及易發(fā)區(qū)劃分

此次研究采用加權(quán)的方法計算各分區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評價值，建立的數(shù)學(xué)模型如下。

式（1）中，R為評價單元綜合評分值；Yi為評價單元內(nèi)評價因子的權(quán)重；Wi為評價單元內(nèi)評價因子的標準值；n為評價單元內(nèi)評價因子的數(shù)量。

在以上疊加分區(qū)的基礎(chǔ)上，研究小組利用ArcGIS 系統(tǒng)的“字段計算”功能，按式（1）和表1 所列各要素權(quán)重值，計算各分區(qū)的綜合評分值。再根據(jù)綜合評分值的高低進行易發(fā)程度劃分，采用突變點法確定分區(qū)界線。

研究小組經(jīng)過統(tǒng)計分析，最終確定的界線值為：1.00～1.59 為不易發(fā)，1.60～2.05 為低易發(fā)，2.06～2.55 為中易發(fā)，2.56～3.40 為高易發(fā)，分別對應(yīng)不易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)4 個不同等級[8]。其中，不易發(fā)區(qū)主要位于馬坡鎮(zhèn)西部、溫泉鎮(zhèn)中部、烏石鎮(zhèn)中部、清湖鎮(zhèn)北部、古城鎮(zhèn)南部；低易發(fā)區(qū)主要位于珊羅鎮(zhèn)、米場鎮(zhèn)、大橋鎮(zhèn)、橫山鎮(zhèn)、清湖鎮(zhèn)、古城鎮(zhèn)等；中易發(fā)區(qū)主要位于平樂鎮(zhèn)、米場鎮(zhèn)、沙坡鎮(zhèn)、溫泉鎮(zhèn)、橫山鎮(zhèn)、烏石鎮(zhèn)、古城鎮(zhèn)；高易發(fā)區(qū)主要位于馬坡鎮(zhèn)、沙坡鎮(zhèn)、橫山鎮(zhèn)、烏石鎮(zhèn)。

表1 陸川縣山地地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評價中各參評因素賦值標準及權(quán)重分配表

3 山地地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警設(shè)計

3.1 山地地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的思路

（1）利用“3S”技術(shù)[9]，在地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查成果的基礎(chǔ)上輔助野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，確定研究區(qū)內(nèi)各種地質(zhì)災(zāi)害的位置、數(shù)量、類型、規(guī)模及其影響范圍，完成基礎(chǔ)資料收集。

（2）通過分析調(diào)查資料，選取可能影響山地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的各種因素，建立基于GIS 的地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)，編制相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)庫和圖層，主要包括地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫、地貌圖、坡度圖、工程地質(zhì)巖組類型圖、殘坡積土層厚度分布圖、地質(zhì)圖、地質(zhì)構(gòu)造圖、人類工程活動強度圖、降雨分布圖等。

（3）分析研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害及其影響因素，對控制和影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要因素進行選取、確定，進而建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對數(shù)學(xué)模型開展定量計算，生成陸川縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃圖。

（4）結(jié)合歷史成果資料，確定降雨與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系，提出地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的臨界降雨指標（降雨閾值）。

（5）根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃，分析各易發(fā)分區(qū)在不同降雨條件下歷史地質(zhì)災(zāi)害與降雨的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型并開展定量分析，確定在不同降雨條件下各地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的氣象預(yù)警等級。

（6）根據(jù)氣象部門預(yù)報確定的降雨范圍、強度、時間和各地質(zhì)災(zāi)害區(qū)的降雨量閾值來預(yù)警該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險大小。

（7）根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害事件發(fā)生的頻率、規(guī)模及危害程度，對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)、降雨量臨界值、地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等級等不斷修正和完善。

3.2 臨界降雨量的確定

在統(tǒng)計學(xué)上，引發(fā)崩塌、滑坡、坡面泥石流、不穩(wěn)定斜坡等山地地質(zhì)災(zāi)害的雨強參數(shù)中均存在著一個臨界值[10-13]。當降雨強度達到或超過此臨界值時，山地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的數(shù)量將大大增加。臨界降雨指標的確定，主要依據(jù)以往發(fā)生的山地地質(zhì)災(zāi)害和當日降雨強度的關(guān)聯(lián)性來獲取。

此次研究主要依據(jù)前24 h 累計降雨量進行山地地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警。從誘發(fā)災(zāi)害的降雨量角度出發(fā)，通過建立統(tǒng)計模型，定量分析各級降雨量下誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的頻次，進而確定危險性降雨臨界值。

在陸川縣已經(jīng)發(fā)生的315 處山地地質(zhì)災(zāi)害中，除了4 處屬于巖質(zhì)，其余的311 處均為土質(zhì)。根據(jù)野外調(diào)查資料統(tǒng)計，地質(zhì)災(zāi)害區(qū)內(nèi)碎屑巖分布區(qū)、巖漿巖分布區(qū)、變質(zhì)巖分布區(qū)所發(fā)育的山地地質(zhì)災(zāi)害分布密度無明顯差異（見表2），故臨界降雨量可以不按地層巖性分別進行確定。

根據(jù)陸川縣山地地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量與前24 h 降雨量關(guān)系統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在前24 h 累計降雨量為100mm、160mm處，山地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量有較明顯的增加，但增幅不大；當前24 h 累計降雨量超過250mm時，山地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量急劇增加，260 mm 處的山地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)比250 mm 處增加了110 處（1.77 倍），說明此時已經(jīng)發(fā)生群發(fā)型山地地質(zhì)災(zāi)害。因此，此次研究將前24 h 累計降雨量100 mm、160 mm、250 mm 確定為該縣山地地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)的臨界降雨量值。

表2 陸川縣各工程地質(zhì)巖組區(qū)發(fā)育的山地地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計表

3.3 預(yù)警等級的劃分

依據(jù)100 mm、160 mm 這2 個降雨量臨界值，將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分成3個降水危險性等級，即低危險性、中危險性、高危險性。（由于250 mm 為發(fā)生群發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害的閾值，故把該閾值合并到＞160 mm 高危險性降水等級中。）

在此基礎(chǔ)上，按下式計算各地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)的致災(zāi)信息量值。

式（2）中，Li為不同等級降雨條件下各易發(fā)分區(qū)提供的致災(zāi)信息量值；Ni為不同等級降雨條件下各易發(fā)分區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量；Si為各分區(qū)面積；N0為研究區(qū)山地地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)量；S0為研究區(qū)總面積。

結(jié)果顯示，高易發(fā)區(qū)的致災(zāi)信息量值在-0.33～1.44 之間；中易發(fā)區(qū)的致災(zāi)信息量值在-4.45～0.6 之間；低易發(fā)區(qū)的致災(zāi)信息量值在-4.93～-0.74 之間；不易發(fā)區(qū)的致災(zāi)信息量值在-2.39～0 之間。

依據(jù)不同等級降雨條件下各地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的信息量值，研究小組將陸川縣的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警劃分為4 個等級（見表3、表4）。

表3 預(yù)警等級劃分標準表

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等級計算結(jié)果，研究小組劃分出高危險性、中危險性、低危險性降水等級山地地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)（見表5）。

4 山地地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警模型應(yīng)用

2018年5 月10日16時，玉林市氣象臺提供陸川縣未來24h 降雨預(yù)報：陸川縣北部及中部為大雨。陸川縣前期24h 實際降雨量在1.7～101.9 mm 之間。地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警組結(jié)合當?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境條件進行分析，聯(lián)合該縣自然資源主管部門、氣象部門、電視臺發(fā)布5 月10日20 時至11 日20 時陸川縣米場鎮(zhèn)、沙湖鎮(zhèn)、沙坡鎮(zhèn)、溫泉鎮(zhèn)、大橋鎮(zhèn)、橫山鎮(zhèn)、烏石鎮(zhèn)等地的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等級為黃色預(yù)警。5 月10 日22 時至次日1 時陸川縣中部出現(xiàn)了暴雨到特大暴雨天氣，地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警組在收到雨量站的預(yù)報短信后，實時監(jiān)測雨情變化情況，及時將溫泉鎮(zhèn)、大橋鎮(zhèn)、橫山鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警級別升級為橙色預(yù)警，總計發(fā)出短信4 436條，通知撤離受地質(zhì)災(zāi)害威脅住戶131 人。溫泉鎮(zhèn)在此次強對流天氣中共發(fā)生15 處突發(fā)性山地地質(zhì)災(zāi)害，共造成23 間房屋不同程度損壞，直接經(jīng)濟損失約19 萬元。由于提升預(yù)警等級及時，避免了人員傷亡，極大地減少了財產(chǎn)損失。

5 山地地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警應(yīng)用建議

從上述山地地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警案例來看，該預(yù)警模型及預(yù)警系統(tǒng)具有一定的可靠性。下一步將根據(jù)發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害事件，對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)、降雨臨界值、地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等級等進行不斷的修正和完善。為進一步提高預(yù)警水平，研究小組提出以下建議。

（1）增加降雨量自動監(jiān)測站密度。陸川縣域面積不大，地形地貌、巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)差異卻較大，降雨分布不均。由于縣境內(nèi)降雨量自動監(jiān)測站建網(wǎng)較晚，站點偏少，山地丘陵區(qū)站點密度低，根據(jù)時段降雨量與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生關(guān)系分析的結(jié)果容易出現(xiàn)偏差。

（2）進一步精確降雨量閾值。此次研究僅提出陸川縣山地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前24 h 臨界降雨量值，在預(yù)警區(qū)劃上提出100 mm、160 mm、250mm 等3 個前24 h 降雨量閾值，初步對研究區(qū)進行了山地地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)劃。由于臨界降雨量與實際降雨量可能存在一定的偏差，局部降雨量相差較大的地段的偏差更大，因而有待進一步檢驗與完善。

（3）建立信息共享機制。建立不同部門（如氣象、水文、水利、自然資源等部門）的雨量監(jiān)測資料共享機制，以確定各個地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時的雨量及雨強，有利于深入研究降雨與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的耦合關(guān)系。

（4）增設(shè)土壤含水率監(jiān)測站。降雨致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與土體含水率息息相關(guān)，因此在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)應(yīng)增設(shè)土壤含水率監(jiān)測站，依據(jù)土壤含水率、塑性指標的變化進行臨災(zāi)預(yù)警。

表4 陸川縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等級劃分表

表5 各級危險性降水等級下陸川縣山地地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)劃表

（5）及時、準確上報地質(zhì)災(zāi)害信息。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測員應(yīng)及時上報地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生信息，以便充分積累第一手資料，分析存在的問題，總結(jié)成功預(yù)防的經(jīng)驗，逐步修正評價參數(shù)與評價模型，以及不同地形地貌區(qū)和不同巖性區(qū)的降雨臨界值，不斷提高地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的準確性，為地質(zhì)災(zāi)害防治提供基礎(chǔ)保障。

（6）開展降雨觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的臨界值試驗。在山地地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)、高發(fā)的地區(qū)，根據(jù)不同的地形地貌、風(fēng)化殘積土體性質(zhì)、植被特征的組合關(guān)系分別開展降雨觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的臨界值試驗，以掌握降雨強度、降雨持續(xù)時間與各深度段土壤含水率達到塑限、液限之間的關(guān)系，從而獲取各地段準確的低危險性降水、中等危險性降水、高危險性降水的閾值，為開展精細化地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作提供可能。

6 結(jié)語

地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警研究目前尚處于初級階段，涉及面廣、技術(shù)難度大，基礎(chǔ)資料、科學(xué)依據(jù)和工作經(jīng)驗等方面均有待提升。陸川縣山地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，在研究全國及各省區(qū)市的地質(zhì)災(zāi)害氣象模型的基礎(chǔ)上，建立適宜陸川縣的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)，能有效降低人員傷亡和財產(chǎn)損失。通過制作預(yù)警產(chǎn)品并實際發(fā)布，檢驗結(jié)果顯示預(yù)警效果良好，驗證該地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警方法有效、可行，該預(yù)警模型及預(yù)警系統(tǒng)具有可靠性，可為丘陵地區(qū)開展地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的研究提供理論依據(jù)。