浙江温州滑坡地质灾害预警方法及应用

周明浪，邵新民，罗美芳

(1.温州市地质环境监测站，浙江温州 325027;2.浙江省地质环境监测院，浙江杭州 310007)

0 引言

进入21世纪以来，滑坡地质灾害预警预报工作在国内外发展很快。预警方法主要有面状预警和点状预警两种，目前国内外研究的现状是以面状预警为主，但是，预警单元面积大，尤其在中国，预警单元常是上万平方千米。近年来，为提高精度，采用预警单元较小的“点状”预警工作得到加强。点状预警目的是提高预警准确度和水平，为政府在地质灾害防治管理方面提供技术支撑。

温州市山区面积大，台风暴雨频繁，山体稳定性差，工程建设强度大，突发性地质灾害频发，是浙江省地质灾害最严重的市，灾害点总数占全省四分之一以上。众多隐患点使得温州成为浙江省地质灾害防治任务最艰巨、防灾形势最为严峻的地区。针对严重的防灾形势，温州市政府决定开展小范围的地质灾害预警预报工作，即滑坡“点状”地质灾害预警预报。基本出发点是采用不同于省级层面的面状预警方式，缩小预警范围，提高预警精度，即:将每个行政村作为一个预警单元，这样能改变传统盲目的人员大转移为有目的人员撤离，将极大的提高温州市防预地质灾害的能力。

1 研究现状

2003年，中国地质环境监测院将大陆划分为7个大区、28个预警区;2004年，进一步将大陆共分为74个预警区域［1］，分别建立了每个预警区的临界降雨判据，开展全国地质灾害预警工作。这两年，中国划分预警单元面积达十几或几十平方千米，预警面积过大。2003年4月7日，中国国土资源部和中国气象局签订《关于联合开展地质灾害气象预报预警工作协议》，同年6月1日，全国地质灾害气象预报预警工作正式启动。浙江省从2003年开始，每年汛期(4月15日～10月31日)由浙江省国土资源厅和浙江省气象局共同开展突发性地质灾害气象预(警)报工作。据此，温州市地质灾害预警预报工作由此起步。

国家和省级地质灾害预警预报系统均是宏观的面状预警，通常预警面积过大(图1、图2)。温州市市级地质灾害预警预报以行政村为预警单元，大大缩小了预警面积。这种预警预报可以近似称为“点状”地质灾害预警预报，并以滑坡最具代表性。2005年10月底到2006年3月“点状预警”思想征求了国内有关专家的意见，从降水预报、动态雨量数据获取、技术与管理、信息发布等综合能力方面来考虑，温州市具备建设“点状”系统建设与运行的能力。因此，温州市国土资源局在2006年申请立项，市一级地质灾害预警预报系统建设由此展开。2006年3月，温州市国土资源局提出建立温州市地质灾害预警预报系统的需求;2006年7月至2007年9月，完成了灾害数据、降雨量数据等资料采集和初步分析;2007年10月至2009年6月，因资金没有落实，预警预报工作暂停开展;2009年1月，招投标成功，同年6月首付资金到位，预警预报系统建设工作开始启动;2010年6月，初步完成系统建设;2010年7月2011年底，完成系统测试、试运行等工作;2012年至今，正式运行。

图1 中国地质灾害预警预报图Fig.1 The map of warning for geo-hazards in Chinal

图2 浙江省地质灾害预警预报图Fig.2 The map of warning for geo-hazards in Zhejiang province

2 预警方法

2.1 基本思想

基本理论思想是:以近似于“点状”的行政村为预警单元，实地调查典型的行政村，并全面收集有关地形、地貌、基础地质、历年地质灾害区划调查等资料，对每个预警单元(行政村)分析其发生滑坡地质灾害潜在能力的大小(潜势度)与灾害发生的降雨阈值，从而建立预警系统，并应用于政府在地质灾害防灾工作中。这种预警以降雨大小为变量，从而有针对性的开展预警工作。

2.2 预警方法的选择

滑坡地质灾害预警预报通常是以建立一个系统为载体，而系统的模型选择就是预警方法的关键步骤。建立预警模型的基本方法通常有三种:统计分析法、机理分析法和其它监测方法［1］。统计分析主要是根据历史降雨数据和地质灾害发生情况，进行统计与对比分析，得到地质灾害和降雨之间的定性、半定量或定量的关系。机理分析法是采用水文学方法，从降雨-渗流-灾害发生的过程出发，分析滑坡灾害的形成机理。其它监测方法指专业仪器监测等，本文不作介绍。

2.2.1 统计分析法

目前，国内研究前期有效雨量的精确统计工作正在逐步开展［2］，也有很多学者采用统计学模型分析滑坡灾害的时空分布与降雨过程的关系［3-5］，例如宋光齐等采用类比法预报地质灾害，该方法将区域进行单位网格划分，然后计算每个单元格致灾因素的概率值［6］。

2.2.2 机理分析法

机理分析法通常分为抽象模型法、数值模拟法、室内模拟实验法和现场模拟实验法［1］。典型的抽象模型法是通过计算安全系数Fs来确定斜坡失稳与否，从而建立降雨量和斜坡失稳的关系。数值模拟法是运用地下水位、降雨强度等数值模拟分析斜坡的稳定性。当前地质灾害预警均要分析非降雨因素，因此对地质灾害潜势度等研究也日益深入。室内模拟实验法和现场模拟实验法在日本研究较多，我国现阶段一般不采用。

总之，不管是面状预警还是点状预警，目前国内普遍采用的是综合统计分析法和机理分析法。刘传正根据每个预警区(中国大陆共74个)的潜势度、前期雨量和预报雨量三者相结合来建立第二代预警系统［7］，本论文所论证的滑坡地质灾害预警方法也采用这种理论和思想。

2.3 建立预警系统的研究步骤

2.3.1 实地调查及资料分析

根据温州近十年滑坡灾害发育的特征，实地调查典型滑坡地质灾害的现场情况，从灾害发生的规模、时间、原因以及诱发灾害的各类环境因子出发，调查该灾害点周边地质环境条件，核对所收集的各类资料，分析各种因素对滑坡灾害发生的影响程度，为划分预警单元奠定基础(表1)。

表1 温州市滑坡预警数据采集表Table 1 Data collection table of landslide early warning in Wenzhou city

2.3.2 建立预警单元地质模型

诱发滑坡灾害的因素较多，形成机理较为复杂。通常情况下，这些因素可以分为影响内因和诱发外因。影响内因就是滑坡本身存在的地质环境因素，包括地形、地貌、岩性、构造等。诱发外因通常是指降雨条件和人为工程建设，其中降雨条件不列入地质环境因子中，作为单独的变量来进行预警工作。本文所谓的滑坡环境因子体系除了影响内因和诱发外因之外，还包括特定因子，这些特定因子是指和居民生命财产相关的各类因素。由于滑坡是一种不良地质作用，预警所关注的滑坡的前提条件是滑坡必须对居民生命和财产产生威胁，如果发生或可能发生的滑坡对居民无影响的，则无需预警。因此，本文引入特定因子。

图3 滑坡预警单元包含的地质环境因子Fig.3 Geological environmental factors about landslide early warning unit

滑坡地质环境因子原始数据体系共有16个因子(表1和图3)，这16个地质环境因子并不是相互独立的，有些因子之间存在必然的联系。我们通过均一性分析、相关性分析与地质分析等方法，最终保留8个地质环境因子(表2)。

表2 滑坡地质环境因子体系Table 2 Geological environmental factors about landslide

2.3.3 建立预警统计模型

8个环境因子通过敏感性系数标准化计算后，根据数据类型和特征，选择主成分分析(PCA)统计模型。通过主成分分析，共提取了7个主成分，前6个主成分的方差总体贡献率已达到91.663%，它们的方差贡献率分别为:29.798%，16.343%，12.753%，12.316%，11.473%及8.98%。第一主成分主要反映滑坡体所处建筑区环境，第二主成分主要反映滑坡体环境，第三、四主成分主要反映地质环境，因此，各环境类别对滑坡的相对贡献程度排序为:建筑区环境＞滑坡体环境＞地质环境(狭义)。

为了定量化地表示每个滑坡点的潜势度大小，需计算每个滑坡点综合得分值。根据主成分分析的原理，前6个主成分可以用下式来表示:

其中，F是表示每个滑坡点的潜势度分值，SC1—SC8指的是地貌位置、建筑区高差、建筑区最大坡度、滑坡体所在坡面的高差、滑坡体所在坡面的坡度、滑坡体所在坡面的形态、基岩岩性分类及是否断层影响区内等八个因子相对敏感系数标准化后的值。

将样本数据代入后，可以得出每个滑坡点的潜势度分值，分值的相对大小反映滑坡灾害影响因子对滑坡发生的总的贡献程度。分值越小，说明发生滑坡的潜在能力越小，反之，分值越大，说明发生滑坡点的潜在能力越大，越有利于滑坡灾害的发生。将各滑坡样本潜势度分值从小到大排序后，得到一条连续的曲线(图4)。

图4 滑坡潜势度(PP)分布曲线图Fig.4 Distribution curve of landslide potentiality parameter

根据图4，按等样本划分为5个等级，每个等级里包含已发生(极有可能发生)滑坡的百分含量，级别越高，百分含量越大。由此，建立5个等级地质灾害潜势度分级(PP)，PP1表示发生地质灾害的可能性最小，PP5表示可能性最大。

2.3.4 确定降雨阈值(RT)

温州市降雨类型可分为三类:锋面雨、台风雨和东风波暴雨。

(1)台风雨和东风波暴雨降雨阈值

从降雨类型分析，97%滑坡灾害的降雨诱发因素都来源于台风雨和东风波雨。根据诱发滑坡历史降雨特征，以及通过2009年“莫拉克”台风雨诱发滑坡降雨量分析、模拟和测试，建立了6h累计降雨阈值(图5、表3)。图5中，浅色区域是降雨环境1区，表示引发滑坡的降雨阈值较低;灰色区域是降雨环境2区，表示引发滑坡的降雨阈值较高，深色是降雨环境3区，表示引发滑坡的降雨阈值最高。

表3 滑坡6h模式的降雨阈值Table 3 Rainfall threshold of landslide 6 hour type

图5 滑坡6小时模式的降雨阈值分区图Fig.5 Partition of rainfall threshold about landslide 6 hour type

(2)锋面雨降雨阈值

锋面雨降雨阈值不同于台风暴雨或者东风波暴雨阈值，在锋面雨的作用下所发生的滑坡通常是要考虑前期降雨的影响。从降雨预报的角度，是以24h预报作为1日，其阈值是以日为单位。通过2009年8月9日“莫拉克”台风事件，同时考虑历史滑坡实时有效雨量的关系，其阈值下限为215mm，并建立了5级滑坡有效降雨阈值(表4)。

表4 滑坡24h模式的有效降雨阈值Table 4 Valid rainfall threshold of landslide 24 hour type

2.3.5 建立预警判据矩阵

据预警原理，将潜势度等级(PP)与诱发滑坡降雨阈值(RT)相组合，从而得到预警判据矩阵。判据矩阵交点的预警等级，表示实质发生滑坡概率的大小。根据《温州市突发性地质灾害应急预案及操作手册》，突发性地质灾害应急响应等级分为5级，1级最轻，5级最严重，1～5级分别表示发生的可能性小、较小、较大、大、很大，分别用亮度表示。因此，所建立的预警判据也分为5级，和《预案》一致，以便更好的为政府提供技术支撑。24h滑坡降雨阈值(RT)共有5级，6h滑坡降雨阈值(RT)共有4级，而潜势度等级(PP)均是5级，因此共组合形成24h预警判据等级图和6h预警判据等级图(图6和图7)。系统建立的5个等级中，1、2级不预警，3～5级预警。

图6 24h模式的预警判据图Fig.6 Warning criterion of 24 hour type

图7 滑坡6h模式的降雨阈值分区图Fig.7 Warning criterion of 6 hour type

3 滑坡灾害预警方法的应用

3.1 建立滑坡预警预报系统

通过预警方法理论研究后，结合MapGIS软件，建立温州市滑坡地质灾害预警系统。温州市滑坡地质灾害预警系统的菜单包括以下几个内容:实时雨量、预报雨量、滑坡预警预报、短信发布、预警预报结果输出，常用工具、查询分析、系统设置。

系统总体框架分为三部分:预警数据库、预警分析、预警结果显示及发布(图8)。

预警数据库中保存的数据包括:原始的雨量数据(分为预报雨量和实测雨量)、预警点信息(包括预警点的潜势度等级以及其它信息)、预警分析的中间结果数据(包括有效雨量计算的结果等)、预警分析结果以及预警发布方案。

图8 预警系统框架图Fig.8 Frame diagram of warning system

预警分析功能包括:有效雨量计算、雨量分级、预警级别判定。有效降雨量计算的公式、雨量分级方案以及预警级别判定方案都可以在配置文件中由用户进行修改。

根据所使用的雨量数据类型，分为预报预警和实时预警两类;预报时段分为24h和6h两种，因此预警结果可分为以下四种:

滑坡24h预报预警:基于前4d前期有效雨量和未来24h降水预报;

滑坡24h实时预警:基于前期120h天实时雨量的实时预警;

滑坡6h预报预警:基于未来6h降水预报;

滑坡6h实时预警:基于前期6h实时雨量。

24h模式涉及有效雨量的概念，不涉及降水分区，6h模式不涉及有效雨量的概念，只是6h累计雨量，但是涉及降水分区。

实时预警每小时可以制作，而预报预警(预报)只能在4个时间段制作，分别是:凌晨2时、早上8时、下午2时和晚上8时。

在汛期，每天必须开展的工作是预报预警工作，一般都在早上8点发布未来24h的地质灾害预报信息。而实时预警则是根据预报预警的结果或者是否收到市防汛办的强降雨短信为依据，再考虑是否进行实时预警工作。一般来说，在台风或者强降雨时段，均会开展实时预警工作。

3.2 在政府防灾工作中的应用

3.2.1 预警操作流程

(1)远程读取实时雨量数据(温州市水文站提供)。

(2)导入预报雨量(温州市气象台提供);此步骤是预报预警必须经历的，如果做实时预警可以省略此步骤。

(3)生成预警结果。

(4)导出预警结果。如果出现3级或者3级以上预警单元，可导出相关人员的手机号码和具体的预警单元(行政村点)，并将生成的结果文件通过MAPGIS软件生成预警预报成果图(图9)。点如果没有出现三级点，此步骤可以省略。

(5)向公众发布预警信息。以2012年09月11日00时所做的滑坡6h实时预警为例，经过上述步骤后，生成的预警结果有三个主要文件，这三个文件分别是“2012年09月11日00时滑坡06小时实时预警成果图”、“2012年09月11日00时滑坡06小时实时预警行政村点一览表”、“2012年09月11日00时滑坡06小时实时预警短信列表”。需要公开发布的是“2012年09月11日00时滑坡06小时实时预警成果图”、“2012年09月11日00时滑坡06小时实时预警行政村点一览表”这两个文件，将这两个文件制作Word样版，挂在温州市国土资源局外网，供公众浏览，同时将预警短信发给相关人员，具体接收短信的人员是各预警行政村的村长、乡镇长、国土所所长、县局和市局国土资源管理人员等。

图9 2012年09月11日00时滑坡06小时实时预警成果图Fig.9 Real-time warning results figure of landslide 6 hour type in 2012-9-1100:00:00

3.2.2 预警程序

温州滑坡地质灾害预警方法以预警预报系统为平台。这个系统平台将地质环境因子总影响因素(潜势度)作为常量(常量做到系统中)，实际工作中以降雨量作为变量，以此来预报或者预警。但是，降雨在时空上是一个复杂的动态过程，预报预警就具有不确定性，因此需要实时预警来纠正预报预警的实际偏差。

滑坡灾害预警在政府工作中的应用分为四个流程:启动预警、发布预警、实时(监测)预警和解除预警。从启动预警到发布预警、解除预警，从预报预警到实时预警，从滑坡24h预警模式到6h预警模式，以及降雨类型和降雨阶段的不同，均需要设置判断条件;启动预警、实时预警与发布预警在特殊情况下，可能直接进入实时预警并发布。

3.2.3 预警响应

当预警结果最高等级为3级时，由温州市地质环境监测站主管负责人审核签字同意后发布预警预报信息;当最高等级为4级时，由市地质环境监测站主管负责人审核签字，送温州市国土资源局地质环境处负责人签字(特殊情况可电话、口头汇报)同意后发布预警预报信息;当最高等级为5级时，由温州市国土资源局分管地质灾害的领导签发后再发布。

当预警结果发布后，相关单位和人员要根据不同的预警等级采取不同的防御措施。各级地质灾害主管部门及居民点负责人对地质灾害预防工作应参照当天最新的滑坡灾害预报预警或实时预警结果，对于在等级预报为3级以上的居民点，参考预警等级采取应对措施(表5)，按照突发性地质灾害应急预案的安排，对居民点附近危险地段进行严密的监测，做好预防工作。

表5 滑坡灾害预报预警等级与响应措施Table 5 Grade of warning for geo-hazard and response measures

4 结论

(1)温州市滑坡地质灾害的主要类型是浅层滑坡，其诱发因素是降雨，用地质灾害区域预警理论适合温州市滑坡预警方法。

(2)环境因子分析结果:“公路”和“梯田”具有显著的相似性，考虑温州山区村村通公路，这两个因子对于二分类数据而言，意义不大;“建筑区大小”因子的作用已隐含在“地形环境”之中;“长度”与“相对高差”相关性良好，去掉2个长度因子;“残坡积岩性”、“残坡积厚度”和“基岩岩性”无法给二分类数据中的“否”(未发生滑坡灾害的单元)数值赋值，因此，共去掉8个原始环境因子，最终保留剩余的8个因子。

(3)利用主成分分析不仅可以起到降维作用，同时在主成分分析中提取的各个主成分都是各个因子的某种组合，可以更客观地反映所有因子的共同影响。对8个环境因子进行分析后，各环境类别对滑坡的相对贡献程度排序为:建筑区环境＞滑坡体环境＞地质环境(狭义)。

(4)一次降雨过程，首次发布滑坡预警(实时)的警戒线为50个，但是管理者可以根据实际的需要来改变警戒线发布的临界个数。

(5)温州市滑坡地质灾害预警方法是滑坡预警工作的理论依据，但实际预警工作的反馈结果同样有助于完善此理论，随着对温州滑坡灾害研究和调查程度的不断深入，温州市滑坡预警系统会逐渐提高其预警的准确度和精确度。

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