00中国地质灾害气象预警初步研究.doc

地质通报/2003.102004-04 中国地质灾害气象预警初步研究 刘传正 温铭生 唐 灿 （中国地质环境监测院，北京，100081） 摘要 根据致灾地质环境条件和气候因素，将全国划分为七个大区、28个预警区。根据对历史时期所发生的地质灾害点与灾害发生之前15日内实际降水量及降水过程的统计分析，创建了地质灾害气象预警等级判据模式图，并初步制作了各预警区的预报预警判据图；根据检索到的研究资料建立了部分预警区的判据校正图。据此，在每天收到中国国家气象中心发来的全国降雨预报数据和图像半小时内，对所预报的次日降雨过程是否诱发地质灾害，诱发灾害的空间范围和危害强度进行预报预警。2003年的试验运行表明，地质灾害气象预警在科学技术上是可行的，是能够为主动减灾做出贡献的。 关 键 词中国； 地质灾害； 气象预警； 判据图； α 线； β 线 中图分类号P694；X141 文献标识码A 文章编号 8 1 引言 地质灾害是由于自然（如降雨）或人为作用，多数情况下是二者协同作用引起或诱发的，比较强烈地破坏人类生命财产和生存环境的岩土体移动事件[1]。 据突发性地质灾害的分类统计，发现持续降雨诱发者占其总发生量的65％，其中，局地暴雨诱发者约占总发生量的43％，占持续降雨诱发者总量的66％。也就是说，约三分之二的突发性地质灾害是由于大气降雨直接诱发的或与气象因素相关的，开展地质灾害气象预警工作抓住了问题的关键。 1985年，美国地质调查局（USGS）和美国气象服务中心（NWS）联合在旧金山湾地区建立了泥石流预警系统，主要是依据降雨强度、岩土体渗透能力、含水量和气象变化做出综合判断，预警结果通过气象服务中心进行广播。 香港地区从1999年开始，利用自动雨量计组成监测网络，将资料定时传给管理部门，若预测24小时内降雨量达到175mm或60分钟内市区内雨量超过70mm，即认为达到滑坡预报阈值，即由政府发出通报。香港平均每年约发出三次山泥倾泻和滑坡暴发警报[1，2]。 2 气象因素与地质灾害 2.1 气象因素诱发地质灾害的特点 （1）区域性一般在数百至数千平方公里内出现； （2）群发性崩塌滑坡泥石流等在某一区域多灾种呈群体出现； （3）同时性巨大灾难在数十分钟数小时内先后或同时出现； （4）暴发性滑坡、特别是泥石流的发生具有突然暴发性，宏观上完好的坡体突然滑塌或“奔流”；当地人称为“涡旋炮”或“山扒皮”。 （5）后续性大型滑坡一般出现在降雨过程后期，甚至降雨结束后数天； （6）成灾大造成重大人员伤亡和各种财产损失。 2.2 气象因素诱发地质灾害的成因 （1）区域性持续降雨或暴雨使松散堆积层达到过饱和状态； （2）成灾地区地形陡峻，坡型变化复杂，坡度2570； （3）地质上具备二元结构，上为松散堆积层，下为坚硬基岩，容易在二者的接触处形成强大渗流带。 （4）松散堆积层厚度110m，一般14m； （5）一般植被覆盖率较高，在强烈暴雨持续作用下起到滞水作用； （6）居民防灾意识薄弱，防灾基本知识缺乏，房屋结构简易，抗灾强度低。房屋大多建在溪沟出山口地段，属于泥石流的流通路径； （7）对大型滑坡滞后于降雨过程的机理缺乏科学认识。 2.3 来自统计学的认识 地质灾害具有自然和社会的双重属性。理论研究与科学实践均证明，地质灾害具有一定发生规律，是可以监测预警的。 （1）分析发现，滑坡的发生在过程降雨量和降雨强度两项参数中，均存在着临界值，当一次降雨的过程降雨量或降雨强度达到或超过其临界值时，泥石流和滑坡等地质灾害即成群出现； （2）不同地区具体一条沟谷的泥石流始发雨量区间为10～300mm，差异之大反映了地质条件、气候条件等的差异； （3）在降雨过程的中后期或局地单点暴雨达到临界值时出现突发性群发型泥石流、滑坡等地质灾害，滑坡以小型者居多； （4）大型滑坡常在降雨过程后期或雨后数天内出现。 2.4 区域地质灾害的时空分布 据全国滑坡泥石流调查统计，中国大陆泥石流的时空分布频率具有以下特点 （1）泥石流频率与地貌 高山（9％）；中山（1000－3500，56％）；低山（15％）；黄土高原（11％）； （2）泥石流频率与工程地质岩组 变质岩（43％）；碎屑岩（32％）；黄土（11％）；岩浆岩（9％）；碳酸盐岩（7％）； （3）年平均降雨量（mm/a）与泥石流频率 140010％； （4）泥石流暴发时间分布频率（月份） 5月9％；6月18％；7月34％；8月24％；9月10％。 上述统计说明，泥石流主要分布在中低山地区；多出现在易于风化破碎的岩土分布区；年均降雨量过高或过低都不利于暴发泥石流；发生时间主要出现在每年的68月。 3 预警目的和重点地区 3.1 预警目的 （1）有效预防和减少地质灾害造成的人员伤亡和财产损失； （2）提高全社会公民的防灾减灾意识； （3）为全社会防治地质灾害提供信息服务； （4）推动各级地方政府地质灾害防治工作； （5）提升地质环境与气象因素耦合作用机制的科学技术研究水平。 3.2 预警重点区 （1）威胁山区的乡镇、居民点，且无力搬迁的地区； （2）威胁重要工程如桥梁、水坝和电站等地区； （3）威胁线状工程如公路、铁路、输油（气）管线和输电线路以及水上交通线等地区； （4）重要经济区（发达经济区、工矿区和农业区等）； （5）重要自然保护区、自然景观和人文景观地区； （6）区域生态地质环境脆弱，且又必须开发的地区。 4 总体思路 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基本规律，基于地质环境要素、气象因素和人类活动因素，提出突发性地质灾害气象预报预警的总体思路。 4.1 预报预警对象 降雨诱发的区域突发性群发型地质灾害崩塌滑坡泥石流等。 4.2 预报预警类型[1] 突发性地质灾害气象预警可分为时间预警和空间预警两种类型。 空间预警是比较明确地划定在一定条件下（如根据长期气象趋势预报），一定时间段内地质灾害将要发生的地域或地点，主要适用于群发型； 时间预警是在空间预警的基础上，针对某一具体地域，给出地质灾害在某一时段内或某一时刻（如根据短时气象预报或警报）将要发生的可能性大小。 4.3 预报预警等级 中国地质灾害气象预报预警分为5个等级 1级，可能性很小； 2级，可能性较小； 3级，可能性较大； 4级，可能性大； 5级，可能性很大； 国家层次发布地质灾害预警按以下考虑 12级不发布预报； 3级发布预报，用黄色表示； 4级发布预警，用橙色表示； 5级发布警报，用红色表示。 4.4 预报预警时段与地域 预报预警时段是当日20时至次日20时。 预报预警地域是中华人民共和国领土范围，暂不包括香港特别行政区、澳门特别行政区和台湾地区。 4.5 技术路线 第一，把全国划分为若干预警区域。 第二，确定预警判据。对每个预警区的历史滑坡泥石流事件和降雨过程的相关性进行统计分析，分别建立每个预警区的地质灾害事件与临界过程降雨量的统计关系图，确定滑坡泥石流事件在一定区域暴发的不同降雨过程临界值（低值、高值），作为预警判据。 第三，判定发生地质灾害的可能性。接收到国家气象中心发来的前期实际降雨量和次日预报降雨量数据后，对每个预警区叠加分析，根据判据图初步判定发生地质灾害的可能性。 第四，判定预报预警等级。对判定发生地质灾害可能性较大或以上等级的地区，结合该预警区降雨量、地质环境、生态环境和人类活动方式、强度等指标进行综合判断，从而对次日的降雨过程诱发地质灾害的空间分布进行预报或警报。 第五，制作地质灾害预警产品。 第六，发送预警产品。将预警产品报请有关领导签发后，发送国家气象中心。 第七，发布预警产品。国家气象中心收到预警产品后，以国土资源部和中国气象局的名义在中央电视台播出。同时，地质灾害预警结果在中国地质环境网站上进行发布。 第八，发布预警后，预警人员跟踪校验预警效果，总结提高预警准确率。 5 中国地质灾害气象预警区划 基于我国地质灾害类型分布、全国气候区划和滑坡泥石流与区域降雨关系的各类研究文献，编制中国地质灾害气象预警区划图[3，4，5，6]。 5.1 预警区划分原则 根据研究需要，在此提出斜坡划分原理 （1）滑坡和泥石流是在斜坡地区发生的； （2）区域分水岭的两坡气象降雨条件和生态环境是不同的； （3）我国的最大斜坡是帕米尔高原东海大陆架的多级多层次斜坡； （4）区域斜坡可分为三类，一类是分水岭到海滨，如后界燕山鲁儿虎山，左界辽河，右界永定河/海河和前界渤海圈闭的区域；二类如大别山淮河黄河圈闭的区域；三类如四川盆地周缘区域。 一级区以全国性分水岭或雪线为界，考虑长时间周期、大空间尺度的气候区划和地质地貌环境条件； 二级区主要以重大水系、区域分水岭、区域气候、历史滑坡泥石流事件分布密度、地质环境条件、斜坡表层岩土性质和年均降雨量分布。 5.2 预警区域划分 本研究立足全国范围，暂时提出两级区划，共划分7个一级预警区，28个二级预警区，可以满足初步工作要求（图1）。 A 东北山地平原区 A1 三江地区 A2 东北平原 B 大华北地区 B1 辽南地区 B2 京承地区 B3 晋冀地区 B4 山东丘陵 B5 豫西地区 B6 皖苏地区 B7 江浙地区 C 中南山地丘陵区 C1 闽浙地区 C2 江西地区 C3 豫鄂地区 C4 湖南地区 C5 桂粤地区 D 西南中高山区 D1 陕南地区 D2 四川盆地 D3 黔渝地区 D4 滇南地区 D5 川滇地区 E 黄土高原区 E1 吕梁地区 E2 陕北地区 E3 陇西地区 F 北方干旱沙漠区 F1 内蒙东部地区 F2 阿拉善地区 F3 南疆地区 F4 北疆地区 G 青藏高原区 G1 藏北地区 G2 藏南地区 图1 中国地质灾害气象预警区划图 Fig.1 geo-hazard early warning divisions of China based on the climate conditions 6 地质灾害气象预警判据分区研究 6.1 判据确定原则与资料依据 根据有限研究积累和历史经验，滑坡泥石流的发生不但与当日激发降雨量有关，且与前期过程降雨量关系密切，本项研究选定1日、2日、4日、7日、10日和15日过程降雨量等六个数据进行统计分析，期望对一个地区气象因素诱发滑坡泥石流地质灾害的原因与临界雨量判据的确定具有全面认识。 本次研究的资料依据主要有两方面 （1）预警区的判据研究主要依据中国地质环境监测院建立的全国地质灾害调查数据库中气象因素诱发的历史滑坡泥石流灾害数据（999个）； （2）国家气象中心根据中国地质环境监测院提供的滑坡泥石流数据，整理提供了731个相关站点15日内历史降雨量数据。 6.2 预警区的临界降雨量判据研究 6.2.1 不同降雨过程代表数据的选定 中国气象局系统对日降雨量（Q）的预报是按每日20时到次日20时计算，而滑坡泥石流事件可能发生在此24小时的任一时段。若灾害事件在接近24时发生，则基本可对应1日（即当日）过程降雨量；若灾害事件在次日0时以后的夜间发生，则对应前一日（2日）过程降雨量更符合实际。因此，本项研究选定的数据代表时段（日24小时）是 1日过程降雨量 0≤Q1≤1 2日过程降雨量 1≤Q2≤2 4日过程降雨量 3≤Q4≤4 7日过程降雨量 6≤Q7≤7 10日过程降雨量 9≤Q10≤10 15日过程降雨量 14≤Q15≤15 6.2.2 临界和过程降雨量预警判据图的建立 根据滑坡泥石流与降雨关系的研究，制作滑坡泥石流与不同时段临界降雨量关系散点图，发现散点集中成带分布，其上界可用β线表示，下界可用α线表示。因此，利用1日、2日、4日、7日、10日和15日等过程降雨量，可以建立地质灾害预警判据模板图（图2）。图中横轴是时间（1～15日），纵轴是相应的过程降雨量（mm）。我们规定，α线和β线为两条滑坡泥石流发生的临界降雨量线，α线以下的A区为不预报区（1、2级，可能性小、较小），α～β线之间的B区为地质灾害预报区（3、4级，可能性较大、大），β线以上的C区为地质灾害警报区（5级，可能性很大）。 6.2.3 预警区临界降雨判据图研究 在28个气象预警区中，18个预警区可以形成完整的滑坡泥石流发生的临界降雨预警判据图（上限值α线、下限值β线）；10个预警区因缺乏资料尚不能形成判据图，其中，A1、B5、F1和G2四个区完全缺数据，B4、B6、E1、E2、F3和F4六个区数据不全（只能形成α线或β线，甚至散点）。这10个区主要为滑坡泥石流不发育区或人口稀疏地区，暂时对全国的预警工作效果影响不大。 6.3 预警判据校正 6.3.1 预警判据校正依据 为了提高预警精度，我们依据以下资料对预警区判据图进行了校正 （1）研究中国大陆滑坡泥石流与降雨关系的各类科技文献； （2）历年中国地质灾害公报； （3）部分省（区、市）的地质灾害年报； （4）全国县（市）地质灾害调查区划成果资料（主要是福建省）； （5）重点地区地质灾害专项研究报告等。 检索发现有13个预警区具有部分滑坡泥石流与临界过程降雨量研究资料，有15个预警区暂未收集到或完全缺乏研究资料。 C区 B区 A区 α线 β线 图2 预报判据模板图 Fig.2 Criterion drawing board for geo-hazards early warning A区不发布预报区；B区预报发布区；C区警报发布区；α线预报临界线（2、3级分界线）；β线警报临界线（4、5级分界线） 6.3.2 预警判据校正 13个具备部分研究资料的预警区分别整理成图、表，可供确定相应预警区预警级别时参考，或与预警判据图配合使用。 6.4 预警尺度精度评价 6.4.1 预警尺度 （1）空间预警尺度 图面表示3000km2（基于15001600万地质灾害预警区划图）。 （2）时间预警尺度 地灾预警与气象预警时间尺度同步。 6.4.2 气象预警精度评价 （1）取决于气象预报精度 目前全国性的气象预报精度尚不高，特别是对诱发泥石流影响明显的局地单点暴雨的预报有待加强。 （2）雨量站点代表性精度 地质灾害气象预警判据图依赖于气象站点经（纬）度和地质灾害发生点的经（纬）度（距离）的接近程度。 本次资料地质灾害灾情点的经（纬）度与相邻气象站点的经（纬）度之差在0.3～1.0度之内，也即相差40～50km，反应在平面上即存在约2000km2的误差。 （3）地质环境气象因素耦合机制的研究精度。地形坡度、植被、岩土类型、含水状态、地表入渗和产流等的研究尚很薄弱。 （4）人类活动方式、强度与斜坡变形破坏模式尚缺乏科学界定。 7 地质灾害预警产品制作与发布 7.1 预警产品制作、签批与发布 （1）国家气象中心提供全国每次降雨过程的天气预报资料，每天1600通过适当方式（e-mail）发送前期实际降雨量和次日预报降雨量数据； （2）中国地质环境监测院接到降雨量数据后，根据此数据和预警判据图对各预警区发生地质灾害的等级进行逐个分析和判定。 （3）专家会商、分析判定预报预警结果，根据会商后的结果，做出空间预警，在预警图上划出预报或警报区，此称预警产品； （4）领导审定、签批预警产品； （5）经签批的预警产品于当天1700通过适当方式（e-mail）发回国家气象中心； （6）国家气象中心接收预警产品，并和天气预报产品统一制作，配音； （7）中央电视台在当天晚上1930新闻联播后播出地质灾害气象预报或警报及等级； （8）预报或警报地区的有关省级地质环境监测总站应在预警发出24小时至48小时内，向中国地质环境监测院反馈预警效果校验结果； （9）中国地质环境监测院分析研究预警效果校验结果，改进预警判据，逐步提高预警精度。 7.2 预警产品发布形式 （1）中央电视台发布播出 预警产品署名国土资源部 中国气象局 模拟预报词 今天晚上到明天白天，地区发生地质灾害的可能性较大，请应注意防范。 （2）中国地质环境信息网站发布 主要供专业人士和政府管理部门参考，跟踪研究预警效果，讨论研究预警方法与对策。 8 研究举例长江三峡库区地质灾害气象预警 8.1 预警分区 根据地质、地貌和气候条件，以齐岳山为界，将三峡库区（约5.5104km2）划分为A区和B区，奉节以西为A区，奉节以东为B区（图3）。 图3 三峡库区地质灾害气象预警区划图 Fig.3 Geo-hazards early warning divisions of Three Gorges reservoir in Yangtze River 1－灾害点；2－雨量站；3－县界；4－分区线 8.2 临界降雨量数据选取 根据中国气象局提供的降雨量资料，灾害点与雨量站点的经（纬）度相差0.3，实际相差距离约30km，相差面积约900km2。 由于雨量站与灾害点相差一定距离，站点观测的雨量与灾害发生地的实际雨量存在一定误差，采用去除2日合计雨量低于10mm的灾害点以降低误差，同时考虑滑坡滞后性，4日雨量大于50mm的灾害点一并纳入计算。据此，筛选出符合要求降雨量的相关灾害点共计102处，其中，A区82处，B区20处。 8.3 气象预警判据图与预警工作 A、B两区临界降雨诱发地质灾害的特点是不同的，A区发生年份主要集中在1989、1998、2000、2002；B区发生年份主要集中在1980、1991、1998、2000。1998年以前大约10年为周期，1998以后出现相对缩短趋势。 根据A、B区数据分别做出灾害点降雨量散点图，根据散点分布情况，以包罗多数数据为原则，确定灾害发生时降雨量上下限拟合曲线（表1、图4、图5）。 表1 三峡库区地质灾害气象预警上、下限降雨量 Table 1 critical rainfall induced in Three Gorges reservior 降雨量 mm 时间 d 1 2 4 7 10 15 预警区 A区（奉节西） 35 100 50 180 70 210 80 230 100 250 120 280 B区（奉节东） 45 80 65 110 75 150 90 200 100 210 120 240 图4 A区气象预警判据图 Fig.4 Criterion drawing board for early warning in A area 图5 B区气象预警判据图 Fig.5 Criterion drawing board for early warning in B area 8.4 判据校正 为了提高预警精度，根据滑坡泥石流与降雨关系的各类科技文献和研究报告[7，8，9，10]，收集了三峡库区42处灾害点降雨量值，并分别整理成图，可供确定相应预警区预警级别时参考，或与预警判据图配合使用（图6、7、8、9）。 图6 A区灾害点日降雨量散点图 Fig.6 Scattered diagram of geo-hazard events and rainfall for one day in A area 图7 A区灾害点前期降雨量散点图 Fig.7 Scattered diagram of geo-hazard events and rainfall for early days in A area 图8 B区灾害点日降雨量散点图 Fig.8 Scattered diagram of geo-hazard events and rainfall for one day in B area 图9 B区灾害点前期降雨量散点图 Fig.9 Scattered diagram of geo-hazard events and rainfall for early days in B area 根据上述研究结果，当接到三峡地区次日的降雨量预报数据后，就可以对三峡地区发生地质灾害的可能性做出预警预报，提请有关机构和公民注意防范。 9 结语 为了满足我国社会经济可持续发展的需要，有效减轻气象因素诱发的地质灾害，国土资源部和中国气象局于2003年4月7日签订了国土资源部和中国气象局关于联合开展地质灾害气象预报预警工作协议。本文第一作者有幸主持了有关技术工作，2003年6－9月的初步实践和有限反馈资料证明，地质灾害气象预报预警准确率在50％以上，可以指导地方政府的防灾减灾工作，提高地质灾害群测群防工作的针对性，并带动相关研究工作。 全国地质灾害气象预报预警是一项为政府决策和社会公众提供信息服务的公益事业，同时也是一项全新的开创性、探索性、政策性工作，涉及面广，影响很大。现在刚刚起步，科学技术依据、信息储备以及其他基础条件严重不足，在机构设置、人才需求、技术装备、管理体制和运行机制等方面都需要统筹考虑，逐步解决，使这项事业快速、健康的发展起来。 参考文献 [1] 刘传正. 地质灾害预警工程体系探讨[J]. 水文地质工程地质，2000，27（4）14. 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Criterion drawing board for geo-hazards early warning is set up and a series of sub-regions warning diagrams are found, which is according to statistic analysis about the rainfall and the raining process in fifteen days before the landslide or debris events happening. Still, some sub-regions warning diagrams are further modified to utilize existing research papers. As an application, it can be used to predict probability of geo-hazards happening strength in space and time scopes when rainfall in next day to forecast is received from National Center of Meteorology in China. It is preliminary confirmed that geo-hazards early warning is practicable in scientific ology and having contribution for to mitigate disasters in China’s mainland through first test warning period from June to September in 2003. Key words China’s mainland; geo-hazards; early-warning; Criterion drawing board; α line; β line 第一作者简介刘传正，1961年生，男，博士，研究员，主要从事工程地质和地质灾害防治研究