地质灾害气象预警与减灾服务

温铭生 刘传正 陈春利 肖锐铧

温铭生，博士，自然资源部地质灾害技术指导中心监测预警室主任，教授级高工，部地质灾害应急防治专家，中国地质灾害与防治学报编委，中国地质学会地质灾害研究分会委员、公共安全科学技术学会预测预警专委会委员。主要从事地质灾害调查、监测、预警与应急防治工作，负责国家级地质灾害气象风险预警工作，获国土资源科学技术奖5项。

地质灾害气象预警的概念

地质灾害气象预警是基于气象因素的地质灾害区域预警，是对前期过程降雨量、预报降雨量等气象因素引发地质灾害的可能性大小预测预报并向社会发布的行为。根据斜坡岩土体的含水量必须达到某一界限值才可能在一次降雨过程中产生崩塌滑坡和泥石流等地质灾害的统计分析，可以对地质环境要素、气象因素和人类活动等引发地质灾害的可能性大小进行预警（图1）。中国地质灾害气象预警分为4个等级（表1）。

表1 地质灾害预警等级与预警信号

预警理论

自2003年起，中国地质环境监测院（自然资源部地质灾害技术指导中心）与中国气象局国家气象中心等单位共同组建研究团队，一边服务，一边研究，在地质调查项目全国地质灾害气象预警技术方法研究、监测项目国家级地质环境监测与预警等课题的支持下，建立了地质灾害气象预警理论方法，包括隐式统计预警、显式统计预警和动力预警等三类方法。

（一）隐式统计预警

隐式统计预警模型是把地质环境因素的作用隐含在降雨参数中，对某地区的预警判据仅仅考虑降雨参数建立模型。隐式统计法可称为第一代预警方法，比较适用于地质环境模式比较单一的小区域。隐式统计预警考虑的降雨参数包括年降雨量、季度降雨量、月降雨量、多日降雨量、日降雨量、小时降雨量和10分钟降雨量等。实际应用时，一般只涉及1～3个参数作为预警判据，如临界降雨量、降雨强度、有效降雨量或等效降雨量等。

图1 电视台发布地质灾害气象预警信息

（二）显式统计预警

显式统计预警是一种考虑地质环境变化与降雨参数等多因素迭加建立预警判据模型的方法，它是由地质灾害危险性区划与空间预测转化过来的。这种方法可以充分反映预警地区地质环境要素的变化，并随着调查研究精度的提高相应地提高地质灾害的空间预警精度。显式统计法可称为第二代预警方法，是正在探索中的方法，比较适用于地质环境模式比较复杂的大区域。这类方法将地质环境的相关因子进行叠加分析，形成反映基础条件的地质灾害潜势度，作为综合预警的基础指标，同时考虑日降雨、小时降雨、累计有效降雨等响应因子指标，通过基础因子与响应因子进行计算来开展预警。

（三）动力预警

动力预警是一种考虑地质体在降雨过程中地气耦合作用下研究对象自身动力变化过程而建立预警判据方程的方法，实质上是一种解析方法。动力方法的预警结果是确定性的，可称为第三代预警方法。该方法主要依据降雨前、降雨过程中和降雨后降水入渗在斜坡体内的转化机制，具体描述整个过程斜坡体内地下水动力作用变化与斜坡体状态及其稳定性的对应关系。通过钻孔监测地下水位动态、渗透压力、孔隙水压力和斜坡应力—位移等，揭示降雨前、降雨过程中和降雨后斜坡体内地下水的实时动态响应变化规律、整个斜坡体物理性状变化及其变形破坏过程的关系。在充分考虑含水量、基质吸力、孔隙水压力、渗透水压力、饱水带形成和滑坡—泥石流转化因素条件下，选用数学物理方程研究解析斜坡体内地下水动力场变化规律与斜坡稳定性的关系，确定多参数的预警阈值，从而实现地质灾害的实时动力预警。由于动力预警需要实时监测数据、建立高精度预警模型等复杂的过程，受经费、工作程度等原因所限，目前只适用于单体试验区或特别重要的局部区域。

预警模型

（一）隐式统计预警模型建设

1.预警分区。隐式统计预警模型建设之前首先考虑研究区的面积、地形（分水岭）、地貌、水系、构造、岩土体类型及结构、气候、地质灾害分布等特征，根据经验丰富的专家意见，把研究区划分为若干的预警单元，尽量确保每一个预警单元的地质环境、气候等条件相对单一，同时还得具有一定的面积（如1000～3000平方千米），以便确保预警单元有一定的统计样本，便于后期指标的统计分析。

图2 日降雨量预警判据模式图

图3 降雨量组合预警判据模式图

2.预警指标。根据预警分区，利用地质灾害发生前日降雨量建立滑坡泥石流发生区域的临界过程降雨量，创建了预警判据模式图（图2），界定α线和β线作为地质灾害预警等级划分界限。其中α线为是否达到预警指标的分界线，β线为是否达到警报指标的分界线，即A区为不预警区，B区为预警区，C区为警报区。后期也利用地质灾害发生的当日降雨量和累计有效降雨量建立预警判据模式图（图3），形成红色、橙色、黄色预警区域。其中当日雨量即为预警当天的预报降雨量，累计有效降雨量是指预警当日至前n日（不同地区n值不同，一般3～7日）降雨量对地质灾害发生的有效贡献的总和，实际计算时按监测雨量的一定比例系数进行折减（不同地层取值不同，一般折减系数0.7～0.84），如折减系数为0.8，则有效雨量计算时当天雨量乘以系数1，前一天雨量乘以系数0.8，前二天雨量乘以系数0.64，以此类推建立有效雨量判别标准。

（二）显式统计预警模型建设

1.资料准备与分析。收集与地质灾害相关的地质环境因子图层，包括但不限于表2所示的因子图层，分别统计分析地质灾害与地质环境因子的相关关系，确定影响地质灾害的发生的关键区段。

表2 地质环境因子图层

2.预警分区。按一定的比例尺精度，采用1cm×1cm（如1∶100万实际大小为10km×10km，1∶5万比例尺实际大小为500m×500m）的网格单元进行分析，计算得到每个网格单元“潜势度”。

3.潜势度计算。采用综合指数法、信息量法、回归分析等某一类或组合方法，计算地质灾害“潜势度”。潜势度是各类地质灾害区域预警预报的基础，可为地质灾害单因素预警或综合预警提供基础指标，具体量值是通过地质灾害基础因子与响应因子计算实现的。

地质灾害“潜势度”的计算公式 ： G = ∑ni=1qi× Qi。 式 中，G是潜势度大小；qi是各因子的权重；Qi是各因子区段与地质灾害关系的定量值，是地质环境条件对地质灾害敏感性的数值体现。

4.危险度预警指标。潜势度计算完成后，建立地质环境基础因素、降雨激发因素与地质灾害之间的显式统计预警模型，地质环境基础因素为计算所得的网格潜势度的值（G），降雨激发因素选取当日雨量（Ri）和前期雨量（Rp），地质灾害“危险度”评价模型可用如下公式表示： Wi= Gi× Rpi。式中，Wi是第i个单元的“危险度”；Gi是第i个单元的“潜势度”；Rpi是第i个单元的引发因子指数。通过危险度计算和等级划分，可以确定地质灾害气象预警等级。

（三）动力预警模型建设

1.实况监测网络。在预警区开展地质灾害详细调查的基础上，在地质灾害高易发区（风险区）补充安装雨量观测站，与气象、水利的雨量站相互补充。选择重要隐患点部署安装地表位移、深部位移、含水量、孔隙水压力、土压力、泥位等地质灾害专业监测设备，逐分钟、半小时或1小时传输监测数据，建立数据库，作为预警的基础。

2.预警模型与预警指标。动力预警模型属于确定性预警，可根据位移变形量、位移变形速度及加速度等监测结果确定预警模型，建立不同等级的预警指标；可按照滑坡推力法、Sarma法、毕肖普（Bishop）法等稳定性计算方法建立单体隐患点的预警模型和预警指标；可按照SINMAP模型、TRIGRS模型等建立区域预警模型，确定浅表层滑坡区域稳定性系数指标来进行预警（图4）。

图4 动力预警模型

预警系统与流程

（一）预警系统

预警系统是辅助预警工作的重要工具，为了减少人工计算的处理时间、避免出现错误、实现自动分析、自动信息发布等目的而研制。地质灾害气象预警系统一般包括三个平台，一是数据库平台，包括基础资料库、预警产品库、反馈信息库和年度方案、技术规范等其他信息库内容；二是工作预警平台，包括预警模型、预警软件和硬件环境；三是组织平台，包括管理层、作业层和发布层。三个平台相互衔接，共同组成预警系统（图5）。

（二）预警流程

根据原国土资源部和中国气象局签订的合作协议，地质灾害气象预警由国土资源（现自然资源）和气象部门共同开展，联合对社会发布，任何其他单位和个人不得擅自对社会公众发布地质灾害预警信息。双方建立相应的预警流程，建立数据共享、传输渠道，制定值班制度，由专人负责相关预警工作。

双方约定：每日下午（如15:00），由气象部门将前期监测降雨量、未来预报降雨量（包括数据、图片、影像等）发送至自然资源部门，自然资源部收到降雨情况后启动地质灾害预警系统，分析预警等级，与气象部门、省级自然资源部门进行会商，确定预警区范围、预警等级和预警说明，将预警结果发送至气象部门（17:00前），由气象部门发送至电视台，在当晚的《天气预报》节目中播出地质灾害预警信息。同时，自然资源、气象部门及时将预警结果发送至相关管辖的范围进行部署，启动相应等级的预警响应，提前做好防灾准备。

经过16年的合作，自然资源、气象部门已经建立了规范的流程和良好的合作机制，共同为防灾减灾服务。

预警成效

自2003年开展地质灾害气象预警工作以来，截至2018年，国家级地质灾害气象预警共制作预警产品2572份，中央电视台发布预警信息1051次，部局网站、自然资源手机报、微信等媒体平台发布2000次。在积极引领省、市、县地质灾害气象预警工作、防灾减灾与科普宣传等方面起到了积极的作用。

图5 国家级地质灾害气象预警软件平台

图6 全国地质灾害造成人员死亡失踪和经济损失分布图

2003年以来，地质灾害造成人员死亡失踪已经从前期的平均每年1000人左右下降到“十二五”时期的400人左右，“十三五”期间已经降低至平均每年290人左右（图6），成绩的取得得益于地质灾害预警、群测群防、治理工程以及早期识别等多项工程的联合实施。

结语

我国是世界上地质灾害最严重的国家之一，受地质灾害威胁的人口多，地质灾害隐蔽性、突发性和破坏性强，预警难度大。各级政府正在积极加大资金和人员投入，积极补充完善地质灾害监测网络，研制高精度预警模型，省、市、县逐步实现预警自动化与规范化，随着科学技术水平的逐步提升，地质灾害预警效果将会逐渐凸显，地质灾害防治从灾后救助向灾前预防转变的模式逐步实现。未来一定时期内，逐步建立专群结合的地质灾害预警体系，技防和人防相结合，防灾减灾效果将会逐年提高。