國內地質災害預警現狀及河南省預警系統建設研究

方林 徐郅杰 呂燈

（1.河南省自然資源監測院，河南 鄭州 450016；2.河南省地質災害防治重點實驗室，河南 鄭州 450016）

1 國內地質災害氣象預警工作現狀

為了適應我國社會經濟可持續性發展的需要，有效減輕以氣象因素為主所引發的地質災害，2003 年4月，國土資源部和中國氣象局簽訂了《國土資源部和中國氣象局關于聯合開展地質災害氣象預報預警工作協議》。

在此背景下，2003 年，中國地質環境監測院研制了第一代國家級地質災害氣象預警系統，并在2003年～2007 年投入實際應用服務。

全國各省市分別獨自或在中國地質環境監測院第一代預警系統基礎上開發了各省市自有的汛期地質災害氣象預警系統，其后又各自進行了系統升級。

1.1 第一代地質災害氣象預警系統

1.1.1 中國地質環境監測院地質災害氣象預警系統（CGWS1.0）

該系統于2003 年～2007 年投入應用，主要是采用臨界降雨量判據圖（α～β 線）方法，將中國陸域劃分為7 個預警區，并根據地質災害樣本與降雨量統計關系確定了各個預警區的臨界雨量，判據作為預警等級發布的依據；建立了功能基本齊全的地質災害預警會商中心，建立了2M 數據專線傳輸，預警結果通過中國中央電視臺、中國地質環境信息網站、中央人民廣播電臺及手機短信等多種形式播發[1]。

1.1.2 浙江省地質災害監測預警系統（2003 版）

該系統主要是采用原浙江省國土資源廳信息中心研發的區域群發性滑坡災害概率預報（LAPS）系統。浙江省地質災害監測預警體系包括氣象風險預報、專業監測預警及地質災害群測群防等三個子系統[2]。

（1）地質災害氣象風險預報系統基于網格單元，采用人工神經網絡模型研制，網格精度為1km×1km。

地質災害預報原理為：根據前期實時降雨量和未來一段時間的降雨預報，結合區域地質環境條件，采用一定的模型計算方法，對區域范圍內地質災害發生的可能性大小進行快速評估，從而實現對該區域未來一段時間內地質災害發生的空間范圍和強度進行預報。

地質災害氣象風險預報時段包括24 小時預報、3～6 小時預報及實時降雨提醒等。

（2）專業監測預警是對氣象風險預報的補充。通過試點監測研究地質災害發生臨界降雨量，開展地質災害氣象預警，全省建成了46 處地質災害隱患專業監測示范點。

（3）2005 年浙江省縣市地質災害區劃調查完成之后，將地質災害隱患點全部納入群測群防點，安排監測員和防災責任人，形成縣、鄉鎮、村三級防災責任制度和省、市、縣、鄉鎮、村五級管理體系，構成全省地質災害群測群防網絡。

1.2 第二代地質災害氣象預警系統

1.2.1 國家級地質災害氣象預警系統（CGWS2.0）

在總結了2003 年以來我國地質災害區域預警預報工作經驗基礎上，2008 年研發完成了基于顯示統計方法的第二代國家級地質災害預警系統：

（1）在學術思想上立足于地質災害區域“發育度”“潛勢度”“危險度”“危害度”評價，計算出全國的地質災害區域“潛勢度”作為預警背景值，疊加降雨量實況和預報值參與二次計算得出地質災害區域預警結果，按預警等級指數（T）進行單元圖斑合并，再經等值化后形成具體的預警預報區即預警產品，初步實現臨界過程降雨量判據（第一代系統的思想）與地質環境空間分析相耦合，故也可稱地質環境要素組合模式預報方法。

（2）在空間尺度上，基于1∶100 萬精度地質信息數據，采用10km×10km 作為計算單元，可認為全國劃分為約10 萬個預警區，只要氣象預報精度能夠與之匹配，即可認為理論上可預報的最小區域是100km2，而第一代系統采用的地質信息精度是1∶600 萬。

（3）在技術實現上，可以查詢相應預警預報區域的地質、地理、人文和人類活動背景，及時地修正預警產品，通知或會商地方預警業務單位，稱之為顯式預警。

（4）在產品生成上，預警結果源于統計數學模型運算而非臨界雨量判斷，預警等級的確定更加科學。

（5）在升級能力上，只要提供新的數據源，如新的地質調查、土地利用、遙感監測和工程活動等數據信息，就可以進行多元數據同化，計算更新全國或某區域的地質災害“潛勢度”背景值，CGWS2.0 即可升級為 CGWS2.1、CGWS2.2，或更高版本，并逐步“傻瓜化”，以便逐級向下推廣。

1.2.2 浙江省地質災害氣象風險預報（警）系統（2008版、2012 版）

2008 年浙江省作為“國家地質災害預報預警”工作試點，中國地質環境監測院采用國家地質災害預報預警模型為浙江省研制了一套預報系統。該系統基于網格單元，采用多元線性回歸模型研制，網格精度為1km×1km。2012 年6 月原有第一代LAPS 系統出現問題之后，啟用此套預警軟件。

2008 版預警系統依托國家地質災害氣象風險預警預報技術方法和軟件模型而來，原理與中國地質環境監測院相同。該軟件采用劉傳正研究員提出的地質環境顯式統計模型計算“潛勢度”，以“潛勢度”作為地質環境條件，疊加實況降雨量和預報降雨量得出預報單元的預警指數，經插值生成等值線，進行圖斑合并和人工會商調整后制作成地質災害氣象風險預報（警）圖。

2012 年在中國地質環境監測院的支持下，浙江省基于斜坡單元，采用聯合概率模型開發了新預報系統（2012 版）。系統主要在以下幾個方面進行了升級：（1）預報單元：采用斜坡單元來預測地質災害發生的可能性，更接近地質災害孕育條件，預測結果更具有指導性。

（2）預報模型：采用聯合概率法替代多元線性回歸法，反映了地質災害發生與地質環境和降雨的非線性關系。

（3）集成自動化功能：系統將所有的功能高度集成和自動化，節省預報時間，減少出錯幾率。

2 河南省第一代汛期地質災害氣象預警系統建設及運行

2003 年4 月，河南省國土資源廳與河南省氣象局簽訂了《河南省國土資源廳 河南省氣象局聯合開展全省汛期地質災害氣象預報預警工作協議》。2003 年7月河南省汛期地質災害氣象預警系統開始建設，2004年5 月完成初級系統建設，2004 年6 月16 日通過專家評審驗收，經過一個氣象預警年的運行，2004 年12月提交系統建設報告。

2004 年3 月，河南省汛期地質災害氣象預警系統進入全面建設階段。技術層面上，完成了預警區劃、預警判據建立，以及數據、圖、文傳輸格式的研發工作；建立了地質災害與降雨量相關數據庫，完成了地質災害預警的計算機自動化識別過程。建立健全了預警系統的組織結構及管理體系，河南省地質環境監測院成立了預警中心，河南省氣象臺亦成立了相應機構；建立了預警值班制度、審查制度等管理體系，全面完成了硬件設施配置。

2004 年5 月，對系統進行了模擬運行，對組成系統的三個層面進行了調整；2004 年6 月～9 月系統進入試運行狀態，2005 年6 月～9 月系統進入正式運行狀態[3]。

3 河南省第二代汛期地質災害氣象預警系統建設

3.1 技術路線

（1）以斜坡單元為基本預警單位。斜坡單元劃分在河南省1∶50 萬地形圖上進行。斜坡單元是地形圖上由山脊線、山谷線、水系組成的封閉單元（如圖1所示）。

當裂紋張開時,裂紋左右兩端梁橫截面轉角的差值,即裂紋等效旋轉彈簧的轉角應與梁橫截面彎矩成正比;而當裂紋閉合時,裂紋左右兩端梁橫截面轉角的差值應等于裂紋初始張開角θ0.于是,對于x=x0處的上表面裂紋,梁轉角連接條件為

圖1 地質災害預警斜坡單元

（2）在預警預報斜坡單元劃分的基礎上，依據地層巖性、地質構造、地形地貌將全省分為若干個預警區，預警區劃分遵循河南省地質災害分布發育特點。

（3）地質災害氣象預警信息圖層編制。充分考慮河南省地質災害發生的地質環境基礎信息、地質災害歷史發生實況等，選取圖層包括年均降雨量、年均氣溫、地震烈度、地層巖性、地質構造、地形地貌、水系、植被、土地開發利用、交通、人口密度及地質災害點分布等，并對各圖層進行了因子量化、因子權重確定，以便于下一步各個斜坡單元“潛勢度”的計算。

（4）地質災害潛勢度計算。綜合考慮每個斜坡單元內的地形地貌（坡度、坡向、起伏度）、地質巖性、水系、植被及人類工程活動等地質環境因子，分析各因素對崩塌、滑坡、泥石流等地質災害發生的敏感性，依據主次分配權重，得出各斜坡單元的地質災害潛勢度值。

（5）預警模型建立。建議采用聯合概率模型方法，不同分區建立不同預警模型，確定預警等級。聯合概率模型可直觀反映地質災害發生與地質環境和降雨的非線性關系。

P＝P0+ΔP+e

公式中，P 為地質災害發生的概率（預警指數），P0是地質環境引發地質災害的概率（潛勢度），ΔP是降雨引發地質災害增量概率，e 為修正值（各預警區修正值不同）。

（6）預警預報成果。結合單元范圍內前期降雨及預報降雨，通過預警模型計算評價單元地質災害發生的概率，建立評價標準，最終確定地質災害發生的可能性。

（7）將河南省重大地質災害隱患點監測預警及地質災害群測群防網絡體系納入升級的預警系統中。

3.2 預警系統建設

（1）氣象預警基本方面：系統登錄、系統時間設置、專業地圖服務、圖層屬性查詢、地圖屬性編輯、圖層顯示控制、省市縣定位、用戶管理（添加、刪除、修改）。（2）氣象預警業務方面：氣象數據上載、氣象數據自動導入、氣象雨量點擊和拉框查詢、站點地災預報計算、區域地災預報計算、一站式計算。

（3）氣象預警業務應用方面：生成發布圖片、生成發布數據、生成預警報告、生成簽報單、短信發布預報、網上發布、下載數據到本地。

3.3 河南省汛期地質災害氣象預警系統主要特點

（1）斜坡單元更能反映地災實際情況，能更真實地反映地質災害孕育的基本條件，提取的坡面信息，如高程、坡度、坡向、高差等，物理意義與地質災害孕育規律基本一致。

（2）系統自動化、集成度高。新系統采用一站式和分步式兩種操作方式，既保證高效快捷又支持局部干預，自動化程度非常高。同時，軟件能夠接受多種形式的雨量信息，如數值預報、預報圖、遠程數據庫等，也能夠自動生成多種預報結果，如自動生成三級行政區域預報圖、簽批單、電視臺預報圖、預報詞、手機短信等。

（3）系統開放性強。系統預留多種預報模型結構和數據輸入輸出接口，同時，將參數調節窗口直接置于右側，方便對不同情況進行參數調整和測試。

（4）預報結果指導性更強。預報結果以斜坡單元顯示，直接指示出某坡面的地災風險等級，讓防災應急工作對象更為明確，從而將防災對象從面上過渡到點上。

（5）對河南省預警系統進行了加強。將河南省重大地質災害隱患點監測預警及地質災害群測群防網絡體系納入預警系統，可極大地促進河南省地質災害的防災減災效果。

專業監測預警既是對氣象風險預報的補充，同時根據監測情況也可以補充完善氣象風險預報。

地質災害群測群防網絡體系將形成縣、鄉鎮、村三級防災責任制度和省、市、縣、鄉鎮、村五級管理體系，構成全省地質災害群測群防網絡，實現對河南省地質災害的及時發現、快速預警和有效避讓。

4 幾點認識

根據統計原理開展地質災害氣象預警是可行的，但是也有明顯的局限性。影響地質災害地質環境因子都具有一定的線性或非線性關系，反映了一定的發生規律，可以采用這種規律進行預報預警。但在規律的研究中嚴重依賴樣本數據質量，樣本合理則研究的規律合理，如果樣本存在問題，則研究的規律相應存在問題，從而影響預報的準確性。

地質災害氣象預警是一種概率預報，只能說明預報區域可能發生地質災害，或者發生地質災害的可能性較高，并不能說明一定發生。因此，地質災害氣象預警只能起到警示作用，并不能防止災難事件的發生，只有在此警示下配合各種防范措施（如群測群防等）才能有效減少或避免地質災害造成的損失。

基于氣象因素的地質災害預警服務時間、空間和強度的工作精度自然低于氣象預警服務的精度。當前在集中強降雨期間氣象預報較為準確，因而地質災害預報準確度也較高，而在局地強降雨期間，目前的氣象預報技術難以準確預報出具體時間、位置和強度，因而出現漏報情況較多。

省級地質災害氣象預警屬于中等比例的尺度預報，面對的對象也只能是市、縣級管理人員。而針對鄉鎮和群測群防員，需要市級或縣級開發大比例尺的地質災害氣象風險預警系統，形成全省地質災害氣象預警體系。

多年經驗表明，河南省地質災害發生與降雨類型和強度關系密切，因此采用統一的預報參數進行計算的結果與實際出入較大，需要分類型進行研究。