滑坡灾害预警理论方法

—1—区域滑坡泥石流灾害预警理论与方法研究刘传正（中国地质环境监测院，北京，100081）摘要根据数年来的调查观测研究和工作实践，本文提出了滑坡泥石流灾害的预警分类体系，包括按物理参量划分的空间、时间与强度预警和按诱发因素参量划分的气象、地震与人类活动预警以及多参数、多因素共同作用下的综合预警。初步创建了区域性滑坡泥石流灾害暴发的两种预警理论方法，一种是基于临界过程降雨量判据图的预警方法，另一种是基于GIS的地质环境空间分析预警理论方法，通过计算预警区的滑坡泥石流灾害“发育度”、“潜势度”、“危险度”和“危害度”来实现。阐述了滑坡泥石流灾害预警的技术和行政工作程序，指出建立临界过程降雨量判据与地质环境空间分析相耦合的滑坡泥石流灾害预警理论方法是研究的新方向。关键词：滑坡泥石流，临界雨量判据图，地质环境空间分析，预警参数中图分类号：P694；X141文献标识码：A文章编号：1引言一般意义上的灾害预警，是指某一灾害发生的地点和时间基本确定，将要威胁到某地区，从而向该地区一定范围预先发出警报。在一般概念上，狭义的预警就是指警报，而广义的预警则包括了从预测到警报的全过程。滑坡泥石流灾害预警就是一种包括预测到警报的广义“预警”过程，在时间精度上包括了预测、预报、临报和警报等多个层次，每个层次都是一个由政府机构、科学研究、工程技术与公众社会共同参与的综合体系[1]。滑坡泥石流灾害预警是一种长期的、持续的、跟踪式的、深层次的和各阶段相互联系的工作，而不是随每次灾害的发生而开始和结束的活动，是有组织的科学与社会行为。区域滑坡泥石流灾害预警工作和单体滑坡泥石流灾害的预测预报是相互依存的两个方面。本文立足于探讨崩塌、滑坡和泥石流等突发性滑坡泥石流灾害呈区域性暴发的理论与方法，希望促进该领域的研究，更好地适应经济社会可持续发展的需求。区域突发性滑坡泥石流灾害预警的主要对象是群发型的崩塌—滑坡—泥石流等。预警考虑的因素主要是地形条件、工程地质岩组、地质结构、植被类型、气候变化、大气降雨、地震活动背景、社会经济状况和人类工程经济活动等因素[2]。—2—实现滑坡泥石流灾害预警必须进行空间区划，区划方法的选择取决于工作目的和工作尺度。一般可考虑两种方法，一是从高到低的方法，二是从低到高的方法，或二者结合考虑。2滑坡泥石流灾害预警分类2.1基于物理参量的预警分类按预警对象的物理参量划分，滑坡泥石流灾害预警可划分为空间预警、时间预警和强度预警三类，一次圆满的预警应包括这三个物理参量，且应该计算做出每个物理参量发生的概率大小（可能性大小），从而确定向社会发布的方式、范围和应急反应对策。（1）滑坡泥石流灾害空间预警空间预警是在滑坡泥石流灾害调查与区划基础上，比较明确地划定非确定时间内滑坡泥石流灾害将要发生的地域或地点及其危害性大小。空间预警基于滑坡泥石流灾害的主要控制因素（如地层岩性、地质结构、地貌形态、地层突变等）和诱发因素（如降雨、地震、冰雪消融、人为活动）开展工作，控制因素是基本条件，诱发因素在不同地区或同一地区的不同地段常常表现出极大差异。（2）滑坡泥石流灾害时间预警时间预警是针对某一具体地域或地点（单体），给出滑坡泥石流灾害在某一种（或多种）诱发因素作用下将在某一时段内或某一时刻将要发生的预警信息。时间预警基于预警区域的地质环境状况、诱发因素发生范围与强度及其持续时间等开展工作。时间预警一般是在空间预警的基础上，通过专业技术观测，系统的理论分析和专家会商，并报有关管理部门认可后发布。（3）滑坡泥石流灾害强度预警强度预警是指对滑坡泥石流灾害发生的规模、暴发方式、破坏范围和强度等做出的预测或警报，是在时空预警基础上做出的进一步预警，是科学研究和技术进步追求的目标，也是目前研究工作的最薄弱环节。（4）滑坡泥石流灾害概率预警由于滑坡泥石流灾害的发生既有其地质演化的内在规定性，又受多种随机因素影响，滑坡泥石流灾害时间、空间和强度三要素的预警也就都存在一个可能性大小（概率描述）的问题，目前以预警等级来表示。基于气象条件作为诱发因素，2003年首次发布的中国滑—3—坡泥石流灾害预警分为5个等级是一种探索性方案[3]：（1）可能性很小；（2）可能性较小；（3）可能性较大；（4）可能性大；（5）可能性很大；向社会发布的滑坡泥石流灾害预警建议采用以下3个等级：（1）预报级：可能性较大；（2）临报级：可能性大；（3）警报级：可能性很大。2.2基于诱发因素的预警分类按诱发因素参量划分，滑坡泥石流灾害预警可划分为气象预警、地震预警、人类活动预警和三者等多因素共同作用下的综合预警。（1）基于气象因素的滑坡泥石流灾害预警近几年中国突发性滑坡泥石流灾害的分类统计发现，持续降雨诱发者占总发生量的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滑坡泥石流灾害是由于大气降雨直接诱发的或与气象因素相关的。因此，基于滑坡泥石流灾害的区域地质环境条件研究，可以预测一定区域崩塌、滑坡和泥石流等滑坡泥石流灾害在降雨作用下发生的可能性，当得到该区域的降雨过程和降雨强度预报数据或等值线资料时，就可以进行滑坡泥石流灾害的气象预警。冻融和极度干燥也是滑坡泥石流灾害气象预警的工作内容。（2）基于地震因素的滑坡泥石流灾害预警地震是新构造运动的表现形式之一，也是滑坡泥石流灾害的诱发因子之一。地震对滑坡、崩塌、泥石流等斜坡滑坡泥石流灾害的诱发作用主要表现为两个方面：地震的水平和垂直地震力一是使陡峭斜坡上的岩土体发生侧向运动，二是使组成斜坡的岩土体发生松动变形，可以直接形成大规模的滑坡、崩塌等灾害，或者为后续的表生作用奠定诱发滑坡泥石流灾害的基础，如降雨可引起松动斜坡发生滑坡，地震滑坡堵河又会孕育大规模泥石流。统计结果表明，地震活动周期与滑坡、泥石流的群发性具有明显的相关性[4]。资料说明，在Ⅷ度以下的地震影响区内，崩塌、滑坡或泥石流并不一定发生，而在地震烈度Ⅷ度区内，—4—发生滑坡或泥石流的几率占92%，当地震烈度达到Ⅸ以上时，则必定有滑坡或泥石流相伴而生。2003年，云南大姚地震后，引发一系列滑坡。因此，当对地震做出预报，或地震发生后一定时间内，就可以根据地震烈度等值线或地震动参数等值线做出该区域的滑坡泥石流灾害预报，政府和专业部门应在社会公众防震的同时，及时发布基于地震因素的滑坡泥石流灾害预警，提醒和避开主要由于地震作用引发的滑坡泥石流灾害，这方面的研究尚是空白。（3）基于人类活动干扰滑坡泥石流灾害预警统计发现，相当数量的滑坡泥石流灾害事件的发生是由于人类活动的不规范或防范意识薄弱而出现的，因此，在人类对地球表层改造剧烈地区，如大坝、水库、矿山和交通工程建设地区，根据遥感和地面监控资料分析发布人类活动干扰下的滑坡泥石流灾害预警是必要的，对发展中国家是更加急需的。（4）基于多因素作用的滑坡泥石流灾害预警一个地点或一个区域滑坡泥石流灾害事件的发生一般都是多因素综合作用的结果，只是常常表现为某个因素为主，基于诱发因素的滑坡泥石流灾害预警要追求建立气象、地震和人类活动等多因素的综合预警模型。交通干线路基切坡、水库蓄水和矿山采掘地段在一般降雨过程下就可能造成灾难性的地质事件，不研究目标区的工程活动范围、方式和强度，仅基于气象因素开展滑坡泥石流灾害预警必然造成漏报；一个滑坡泥石流灾害多发区刚刚发生过地震，则引发大范围崩塌、滑坡灾害的临界过程降雨量也必然急剧下降，在采用常规条件下的降雨预警判据必然导致失败；一个地区的地质剥蚀作用常常遵守一定的程式，相应的在沟谷底部堆积足够数量的松散物也表现为一定的时段性，这就是一个地区甚至一条沟谷暴发泥石流表现为一定周期性的地质原因，因此，科学的滑坡泥石流灾害预警还应对预警地区的地质过程及现状有着科学的认识[3]。3基于临界过程降雨量判据图的预警方法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滑坡泥石流灾害的统计认识，研究发布全国或地区性滑坡泥石流预警，这种方法适用于地质环境条件类似的地区。2003年的中国滑坡泥石流灾害气象预警区划共划分7个一级预警区，28个二级预警区，可以满足初步工作要求[3]。3.1预警区域划分—5—基于临界过程降雨量的预警方法采用从高到低的区划方法。从高到低的方法是一种先综合再分解的工作方式，一般以定性分析为主，可能情况下对主要因子予以赋值，给出量的概念。这种方法比较适用于小比例尺滑坡泥石流灾害预警区划图的编制和分区预警。由于是在综合意义上的分解工作，就要求研究者在区域滑坡泥石流灾害调查研究方面有较高的理论基础，对以往资料的收集分析比较系统全面，对所要研究评价的地区比较熟悉，能够比较准确地列出不同级别评价单元的主要影响因素。国家层次的预警区划可考虑全国性分水岭或雪线为界、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。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。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。3.2滑坡泥石流灾害气象预警判据图根据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，期望对一个地区因气象因素诱发滑坡泥石流灾害的原因与临界雨量判据的确定具有全面认识。预警区的判据研究主要依据气象因素诱发的历史滑坡泥石流灾害数据，对于特定区域，相关数据愈多，积累的时间跨度越长就越有效。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α线表示，下界可用β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，可以建立滑坡泥石流灾害预警判据模板图（图1）。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区为滑坡泥石流灾害预报区（3、4级，可能性较大、大），β线以上的C区为滑坡泥石流灾害警报区（5级，可能性很大）。—6—010020030040050060012471015d图1预报判据模板图Fig.1Criteriondrawingcurveforgeo-hazardsearlywarningA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）针对具体地区，应检索研究具有部分滑坡泥石流与临界过程降雨量研究资料，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。在正式制作发布预警产品前，应对滑坡泥石流灾害预警的空间尺度、时间尺度和技术精度进行科学评价，以便政府部门正确决策发布范围、方式和应急对策。空间尺度评价主要考虑预警区划图使用的比例尺，如全国预警使用1：500万~1：600万。时间尺度评价主要考虑滑坡泥石流灾害预警与气象预报的时间是否一致及可能的误差。技术精度评价主要考虑（1）取决于气象预报精度；（2）雨量站点代表性精度；（3）预警区的地质环境研究程度；（4）人类活动方式、强度与斜坡变形破坏模式的科学界定。4基于地质环境空间分析的时空预警理论方法4.1基本问题为了架构基于区域地质环境条件的滑坡泥石流灾害时空预警理论体系，需要研究解决几个基本科学问题[5，6]。（1）预警地区的滑坡泥石流灾害发育历史与现状可以用滑坡泥石流灾害“发育度”来反映，它是已发生滑坡泥石流灾害的空间数量分布几率、面积分布几率和体积分布几率（发育因子）的综合表现。（2）预警地区的地质环境条件可以用滑坡泥石流灾害“潜势度”来反映，它是区域滑坡泥石流灾害孕育成生的条件组合或潜在能力的评价指标，代表着一个地区地质环境的特征，C区B区A区α线β线—7—是反映滑坡泥石流灾害成生内因（基础因子、响应因子）