呂 軍，王 榮，李光玉，張永成

1.雙鴨山市氣象局，黑龍江雙鴨山 155100；2.佳木斯市氣象局，黑龍江佳木斯 154000

雙鴨山市是黑龍江四大煤城之一，地處黑龍江省東北部，位于完達(dá)山北麓，地形地貌多樣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。各縣區(qū)內(nèi)煤礦采空塌陷區(qū)分布較為廣泛，尤其是老礦區(qū)的塌陷現(xiàn)象十分嚴(yán)重，加之汛期暴雨易引發(fā)城市內(nèi)澇，進(jìn)而導(dǎo)致滑坡、崩塌、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

降雨是誘發(fā)災(zāi)害的主要因素之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)80%以上地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生都直接或間接地受降雨的影響，這些地質(zhì)災(zāi)害主要包括崩塌、滑坡、泥石流、地裂縫、地面塌陷等。其中，崩塌和滑坡占其總數(shù)的90%以上[1]。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與當(dāng)日和前期降雨都有密切的關(guān)系，在前期降雨充沛的條件下，無(wú)論當(dāng)日降雨量或小或大都可能引發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害[2]。陳景武[3]、文科軍[4]、李鐵鋒[5]等眾多學(xué)者，根據(jù)降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害的現(xiàn)象，應(yīng)用邏輯回歸分析與前期降雨量結(jié)合定量分析降雨誘發(fā)災(zāi)害的可能性，對(duì)不同的地區(qū)進(jìn)行了大量有意義的研究，探索了降雨誘發(fā)滑坡的機(jī)理，并且將該機(jī)理運(yùn)用于地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)工作，取得了很好的成果[6-16]。

本研究通過(guò)對(duì)雙鴨山市滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的資料收集、勘查，研究分析了在特定氣象條件（主要是降雨）下發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害的影響因素，建立雙鴨山市滑坡地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合分析突發(fā)性滑坡災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展及空間分布規(guī)律，開(kāi)展氣象條件（主要是降雨）與滑坡的相關(guān)性研究，擬用邏輯回歸分析，將滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與當(dāng)次降雨量和降雨前的土壤含水量相結(jié)合，構(gòu)建氣象預(yù)警模型，優(yōu)化模型權(quán)重參數(shù)，提高其預(yù)警的準(zhǔn)確度，制作發(fā)布滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)氣象條件預(yù)報(bào)預(yù)警信息，以期為政府決策提供有效參考，從而達(dá)到減災(zāi)防災(zāi)的目的。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究滑坡災(zāi)害資料由雙鴨山市自然資源局提供，滑坡災(zāi)害信息包括地理位置坐標(biāo)、災(zāi)害類型、災(zāi)害規(guī)模、威脅對(duì)象、初次發(fā)生時(shí)間等；基礎(chǔ)降雨資料由雙鴨山市氣象局觀測(cè)站提供，降雨資料為2020年1個(gè)國(guó)家氣象站和3個(gè)無(wú)人自動(dòng)氣象站的小時(shí)降雨數(shù)據(jù)。

本研究對(duì)雙鴨山地質(zhì)災(zāi)害資料進(jìn)行的預(yù)處理包括收集滑坡類地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的地理坐標(biāo)、危害程度，發(fā)生規(guī)模、誘發(fā)因素等各種信息，并進(jìn)行必要的核實(shí)與修正。

1.2 研究方法

1.2.1 線性回歸模型 在滑坡地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題中，由于災(zāi)害的影響因子不是連續(xù)變量，適合用邏輯回歸分析解決此問(wèn)題。以各影響因子數(shù)據(jù)作為自變量，災(zāi)害的發(fā)生與否作為因變量（0代表災(zāi)害不發(fā)生，1代表災(zāi)害發(fā)生）[17]。設(shè)P為災(zāi)害發(fā)生的概率為因變量，取值范圍［0，1］，災(zāi)害影響因子集即X1，X2，X3，…，Xn，為自變量，建立回歸方程：

1.2.2 預(yù)警等級(jí)設(shè)置 為保證預(yù)警結(jié)論的實(shí)用、合理、準(zhǔn)確、有效，根據(jù)雙鴨山市自然資源局調(diào)查滑坡地質(zhì)災(zāi)害方式方法，依據(jù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性概率（D），將存在滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)分為3級(jí)，如下：

①Ⅰ級(jí)預(yù)警。Ⅰ級(jí)預(yù)警發(fā)布黃色預(yù)警信號(hào)，表示該地區(qū)在當(dāng)前預(yù)報(bào)雨量情況下很有可能發(fā)生滑坡災(zāi)害，對(duì)各部門(mén)起提醒作用；

②Ⅱ級(jí)預(yù)警。Ⅱ級(jí)預(yù)警發(fā)布橙色預(yù)警信號(hào)，表示該地區(qū)在當(dāng)前預(yù)報(bào)雨量情況下容易發(fā)生滑坡災(zāi)害，起注意作用，提醒預(yù)報(bào)人員和各部門(mén)關(guān)注降雨動(dòng)態(tài)變化；提醒相關(guān)人員和部門(mén)及時(shí)采取防御措施；

③Ⅲ級(jí)預(yù)警。Ⅲ級(jí)預(yù)警發(fā)布紅色預(yù)警信號(hào)，表示該地區(qū)在當(dāng)前預(yù)報(bào)雨量情況下極易發(fā)生滑坡災(zāi)害，起警報(bào)作用，提醒相關(guān)人員和部門(mén)及時(shí)采取防御措施，并組織滑坡災(zāi)害點(diǎn)附近的居民進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

1.2.3 降雨量級(jí)概率化 唐亞明等[18]將國(guó)內(nèi)降雨誘發(fā)滑坡臨界值模型歸結(jié)為日降雨量（或降雨強(qiáng)度）和前期降雨量模型，采用小時(shí)雨強(qiáng)、當(dāng)日降雨量、前幾日累計(jì)降雨量（或前期有效降雨量）等幾個(gè)因子對(duì)臨界降雨量進(jìn)行分析，主要基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)歷史滑坡和降雨資料進(jìn)行分析，利用統(tǒng)計(jì)意義上的臨界點(diǎn)作為降雨誘發(fā)滑坡的閾值。

借鑒已有研究成果，對(duì)雙鴨山市滑坡災(zāi)害影響因子分析，尤其是對(duì)氣象條件（降雨量）資料進(jìn)行了分析和整理，得到不同降水量級(jí)對(duì)滑坡災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)率（表1）。

表1 不同降水量級(jí)對(duì)滑坡災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)率

2 滑坡災(zāi)害誘發(fā)與降雨量關(guān)系

降雨型滑坡是世界上分布最廣、發(fā)生頻率最高的滑坡類型，是滑坡災(zāi)害的主要研究對(duì)象[19]。由于降雨自身的規(guī)律性、可預(yù)測(cè)性，暴雨的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)成為當(dāng)前防范山洪、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生的重要指標(biāo)。在大多數(shù)預(yù)警評(píng)價(jià)中，降雨因子更多作為靜態(tài)因子用于災(zāi)害模型進(jìn)行評(píng)價(jià)[20]，其預(yù)警精度較低。

從滑坡類地質(zhì)災(zāi)害歷年統(tǒng)計(jì)資料可知，雙鴨山市的滑坡主要發(fā)生在每年的8月，與雙鴨山市降雨最多的時(shí)段相重合，“七下八上”也是黑龍江省每年防汛的關(guān)鍵期，這不是偶然現(xiàn)象。從圖1可以看出，7—8份是每年雙鴨山市主要降雨時(shí)段，這2個(gè)月是暴雨多發(fā)期，暴雨頻次高，降雨量大。在降雨，尤其是暴雨的作用下，容易誘發(fā)滑坡類地質(zhì)災(zāi)害，因此，滑坡災(zāi)害發(fā)生在降雨量最多的月份?？梢哉J(rèn)為雙鴨山市的滑坡地質(zhì)災(zāi)害與降雨具有很好的相關(guān)性?；掳l(fā)生的時(shí)間段，其大多發(fā)生在降雨集中時(shí)段，降雨作為滑坡產(chǎn)生最為重要的因素之一，大多數(shù)滑坡發(fā)生的實(shí)際都與雨季相對(duì)應(yīng)，尤其是與暴雨、大暴雨的頻次相關(guān)性極大，短時(shí)強(qiáng)降水（尤其是暴雨以上量級(jí)降雨），會(huì)導(dǎo)致滑坡災(zāi)害多發(fā)。

圖1 雙鴨山市1991—2020年平均降雨量分布

目前，國(guó)內(nèi)外利用降水作為滑坡預(yù)報(bào)的臨界值，基本方法是采用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)歷史滑坡和當(dāng)?shù)亟邓Y料進(jìn)行分析，選擇統(tǒng)計(jì)意義上的臨界點(diǎn)作為降水誘發(fā)滑坡災(zāi)害的臨界值。通過(guò)前人研究可知，滑坡不僅與當(dāng)日（或當(dāng)次）降水量密切相關(guān)，還與前期降雨累計(jì)量具有較大的相關(guān)性，與滑坡體本身的土壤含水量也具有很大的相關(guān)性。由于地表徑流的作用，降雨并未進(jìn)入坡體的土壤。進(jìn)入土壤內(nèi)部的水量并不等于實(shí)際的降雨量，降雨對(duì)滑坡的影響則主要是受進(jìn)入坡體土壤水分多少的影響。因此，主要探究用土壤含水量代替前期降雨累積量的可能性，并據(jù)此構(gòu)建降雨量和土壤含水量共同作用導(dǎo)致滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的氣象風(fēng)險(xiǎn)模型。

3 氣象預(yù)警模型分析

3.1 氣象預(yù)警模式的權(quán)重系數(shù)計(jì)算

降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型D的原理是顯式綜合氣象模型，將滑坡災(zāi)害易發(fā)性概率與降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害的概率和土壤相對(duì)濕度（土壤含水量）相耦合，以獲得本地區(qū)滑坡災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警概率，其公式如下：

其中，D表示滑坡災(zāi)害發(fā)生的概率，α表示土壤相對(duì)濕度對(duì)滑坡災(zāi)害影響系數(shù)，β表示降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害權(quán)重系數(shù)，H表示土壤相對(duì)濕度，表示R降水貢獻(xiàn)率。

權(quán)重系數(shù)決定著模式的2個(gè)概率值對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模式的影響大小，對(duì)整個(gè)模型的研究具有至關(guān)重要的作用。α和β分別為2個(gè)概率值的權(quán)重系數(shù)，由預(yù)報(bào)員經(jīng)長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)所得。雙鴨山地區(qū)的滑坡災(zāi)害氣象預(yù)警模型的α、β參數(shù)分別為0.478、0.597。因此，還需要對(duì)土壤相對(duì)濕度對(duì)滑坡災(zāi)害影響系數(shù)α，以及降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害權(quán)重系數(shù)β進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算，使邏輯回歸模式方程在分析研判滑坡地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方面得到更廣泛的應(yīng)用。

3.2 氣象模式應(yīng)用

通過(guò)以上研究，雙鴨山市降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型公式如下：

為確保預(yù)警預(yù)報(bào)模型的合理、準(zhǔn)確，本研究選取部分災(zāi)害點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。由于D的數(shù)值在0～0.9之間，根據(jù)自然資源部和中國(guó)氣象局制定的地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合雙鴨山市氣象預(yù)警系統(tǒng)業(yè)務(wù)要求，制定了雙鴨山市滑坡災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表2 滑坡氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警級(jí)別

為方便預(yù)警發(fā)布工作的開(kāi)展，依據(jù)不同的降雨量級(jí)與土壤相對(duì)濕度，特制作了滑坡災(zāi)害發(fā)生概率檢索表（表3），查找不同的降雨量級(jí)與土壤相對(duì)濕度所對(duì)應(yīng)滑坡地質(zhì)概率的預(yù)警級(jí)別。

表3 滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率檢索表

4 結(jié)論

本研究對(duì)雙鴨山市滑坡地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型的滑坡災(zāi)害易發(fā)性概率值與土壤相對(duì)濕度對(duì)滑坡災(zāi)害影響系數(shù)和降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害權(quán)重系數(shù)的2個(gè)權(quán)重參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，通過(guò)邏輯回歸分析獲得這2個(gè)權(quán)重參數(shù)值分別為0.478、0.597；在構(gòu)建氣象預(yù)警模型后對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)2020年9月18日的滑坡地質(zhì)災(zāi)害個(gè)例進(jìn)行驗(yàn)證，證明模型對(duì)滑坡的發(fā)生具有良好的預(yù)警效果。

（1）通過(guò)對(duì)比近10年的雙鴨山市土壤相對(duì)濕度情況，發(fā)現(xiàn)除個(gè)別干旱年份（2015、2021年）外，中層（10～30 cm）土壤相對(duì)濕度都在80%以上，所以滑坡災(zāi)害發(fā)生概率檢索表（表3）只考慮土壤相對(duì)濕度在80%以上的情形，當(dāng)過(guò)程雨量達(dá)到50 mm（暴雨）以上時(shí)，發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害的可能概率為68.1%，只有達(dá)到100 mm（大暴雨）時(shí)，發(fā)生滑坡的概率達(dá)到80.1%。

（2）在提高模型準(zhǔn)確率方面，本研究總結(jié)了以下途徑：①優(yōu)化降雨概率化方法，采用更好的降雨量數(shù)值，構(gòu)建模型時(shí)增加更多降雨信息因素，如當(dāng)日雨量，還增加小時(shí)雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)、降雨過(guò)程的累積量，也可考慮增加前期日雨量的權(quán)重等；②氣象部門(mén)應(yīng)逐步在本地區(qū)增加雨量站點(diǎn)，保證雨量站均勻分布，以便獲得更可靠的降雨量數(shù)據(jù)，調(diào)整氣象臨災(zāi)預(yù)警的閾值，以保證該模型的預(yù)警效果；③氣象部門(mén)應(yīng)逐步增加無(wú)人自動(dòng)氣象站點(diǎn)，保證降雨量數(shù)據(jù)的代表性和準(zhǔn)確性，聯(lián)合應(yīng)急、自然資源等部門(mén)加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)，保證滑坡地質(zhì)災(zāi)害能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地被記錄并反饋。

本研究成果適用于雙鴨山市的滑坡地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)，能夠?yàn)榻窈蟮牡刭|(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作提供重要參考，提醒相關(guān)部門(mén)采取滑坡地質(zhì)災(zāi)害防范措施，為更好地開(kāi)展防災(zāi)減災(zāi)工作提供指導(dǎo)。