王海芝，韓建超，王晟宇，劉歡歡

（北京市地質(zhì)研究所，北京100120）

北京市突發(fā)地質(zhì)災害預警模式研究

王海芝，韓建超，王晟宇，劉歡歡

（北京市地質(zhì)研究所，北京100120）

突發(fā)地質(zhì)災害氣象預警預報，是有效降低災害可能造成的人員、財產(chǎn)損失的重要方法。本文概略地總結了北京市突發(fā)地質(zhì)災害氣象預警第一代人工預警產(chǎn)品和第二代智能預警產(chǎn)品的特點。基于即將建成的覆蓋北京市山區(qū)、淺山區(qū)的突發(fā)地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測網(wǎng)絡，對未來突發(fā)地質(zhì)災害的預警產(chǎn)品影響的分析，提出了未來突發(fā)地質(zhì)災害氣象預警，將由一、二代的單因素的氣象預警模式，轉(zhuǎn)化為激發(fā)因素、響應因素、表達因素等多因素聯(lián)合的第三代物聯(lián)多維度的預警模式的構想。

突發(fā)地質(zhì)災害；氣象預警；專業(yè)監(jiān)測

0 前言

北京是世界上突發(fā)地質(zhì)災害較為頻繁的首都城市之一，存在著泥石流、崩塌、滑坡、采空塌陷等多種突發(fā)地質(zhì)災害。自1949年以來，北京地區(qū)各類突發(fā)地質(zhì)災害造成的死亡人數(shù)已超過600人，直接經(jīng)濟損失達數(shù)億元。截止到2014年底，全市存在各類突發(fā)地質(zhì)災害隱患4706處（北京市國土資源局，2015），其中：崩塌2412處、滑坡34處、泥石流879處、地面塌陷88處、不穩(wěn)定斜坡1293處。種類全，數(shù)量多，范圍廣，是北京市突發(fā)地質(zhì)災害的突出特點。如何有效降低突發(fā)地質(zhì)災害可能造成的人員、財產(chǎn)損失是目前國內(nèi)突發(fā)地質(zhì)災害防災減災管理研究的主要課題?；诮涤晔峭话l(fā)地質(zhì)災害的主要激發(fā)因素這一特點（劉傳正等，2004），北京市國土資源局與北京市氣象局聯(lián)合開展了突發(fā)地質(zhì)災害氣象預警預報工作，有效守護了首都地質(zhì)環(huán)境安全。

1 國內(nèi)外地質(zhì)災害氣象預警現(xiàn)狀

20世紀80代日本、美國先后開展地質(zhì)災害氣象預警，之后波多黎各、巴西、委內(nèi)瑞拉等多個國家利用降雨資料及遠程監(jiān)測系統(tǒng)，陸續(xù)開展了突發(fā)地質(zhì)災害氣象預警研究，預警精度以小時衡量。其中美國于1985—2000年間在舊金山灣、夏威夷等地分別建立了滑坡實時預報系統(tǒng)，通過研究滑坡啟動的臨界降雨強度與降雨時間關系開展滑坡的預警預報工作。香港于1984年建立了滑坡災害預警系統(tǒng)，研究者從滑坡規(guī)模與降雨強度之間的關系著手建立并不斷完善預警系統(tǒng)（Au S W C，1993）。

我國內(nèi)地地質(zhì)災害氣象預警起步較晚，始于20世紀90年代末期。2003年4月，國土資源部與中國氣象局簽署《聯(lián)合開展地質(zhì)災害氣象預警預報工作協(xié)議》，主要目的是提升應對重大氣象條件，尤其是降雨過程的地質(zhì)災害預警預報能力，及時發(fā)布預警預報信息。劉傳正等研究了相應的預警預報方法（劉傳正，2015），10多年以來，在兩部門的共同努力下，地質(zhì)災害氣象預警預報工作持續(xù)深入推進，全國各地紛紛建立了預警預報系統(tǒng)（張景康等，2006；鐘洛加，2005；殷坤龍等，2005；李芳等，2006；張紅兵，2006；余豐華等，2006；單玉香等，2007），推動了地質(zhì)災害氣象預警預報的開展。

全國地質(zhì)災害氣象預警經(jīng)歷了兩代預警模型，第一代為隱式統(tǒng)計模型，基于不同地質(zhì)環(huán)境區(qū)域引發(fā)地質(zhì)災害的臨界雨量不同，分區(qū)建立臨界降雨判據(jù)。第二代為顯式統(tǒng)計預警模型，耦合了地質(zhì)環(huán)境變化與降雨參數(shù)等多因素建立預警判據(jù)，地質(zhì)環(huán)境指標在模型中顯式表達。第二代模型自2008年開始在國家級預警業(yè)務中使用，并逐步升級推廣。隨著研究工作的不斷進展，兩代預警模型在中國地質(zhì)災害氣象預警業(yè)務中成功運行并不斷升級完善，提高預警精度。

地質(zhì)災害預警預報信息是基層啟動應急預案的重要依據(jù)，是實施避讓轉(zhuǎn)移的集結號。地質(zhì)災害氣象預警預報工作取得了實效。 初步統(tǒng)計，截止2012年，全國共成功避讓地質(zhì)災害近6000起，避免了30多萬人傷亡，避免經(jīng)濟損失超過45億元（汪民，2012）。

2 北京市突發(fā)地質(zhì)災害氣象預警現(xiàn)狀

北京市突發(fā)地質(zhì)災害氣象預警預報工作始于2003年，根據(jù)國務院辦公廳國辦發(fā)布電[2003]29號“國務院辦公廳關于加強汛期地質(zhì)災害防治工作的緊急通知” 及國土資源部國土資發(fā)［2003］299號“國土資源部和中國氣象局關于聯(lián)合開展汛期地質(zhì)災害氣象預報預警工作的通知”的精神，北京市國土資源局與北京市氣象局召開了聯(lián)合會議，決定自2003年起兩局聯(lián)合開展北京地區(qū)汛期地質(zhì)災害氣象預報預警工作成立了由兩局局、處級領導組成的工作協(xié)調(diào)小組，設立辦公室負責相關方案的制定及日常管理，具體業(yè)務由技術支撐單位北京市地質(zhì)研究所與市氣象臺組織實施。

突發(fā)地質(zhì)災害氣象預警工作開始的初期，采用的是雨情通報—專家會商—等級確定—成果繪制—領導審批—信息發(fā)布的線式傳遞流程，由于工作設施與工作方法都處于起步階段，產(chǎn)品的制作是在會商之后，技術人員根據(jù)會商結果，手動繪制并制作預警預報產(chǎn)品，因此一代人工預警產(chǎn)品相對粗糙。

隨著工作設施與工作方法的進一步改進，目前突發(fā)地質(zhì)災害氣象預警采用的是雨情通報—專家會商—成果生成—領導審批—信息發(fā)布的智能線性流程，生產(chǎn)出智能二代預警預報產(chǎn)品。

與一代人工預警產(chǎn)品相比，二代智能預警產(chǎn)品的產(chǎn)出過程中使用的分析系統(tǒng)中嵌入了突發(fā)地質(zhì)災害下墊面基礎環(huán)境信息與激發(fā)因素相結合智能分析模塊，下墊面的基礎環(huán)境信息與激發(fā)雨量的計算分析是在預警預報系統(tǒng)的智能分析環(huán)境下自動完成的。在降雨量的引入方面，智能模式除了考慮預報的未來24小時降雨量的影響，兼顧了前期雨量對突發(fā)地質(zhì)災害的作用，符合突發(fā)地質(zhì)災害的發(fā)生與前期雨量是回歸關系的理論（王海芝等，2015），更加接近突發(fā)地質(zhì)災害發(fā)生的實際情況。但是，由于受專業(yè)監(jiān)測設施數(shù)量較少的約束，雨量信息均來自氣象部門的預報，使得前期實際降雨量與預報雨量之間有一定的差異，不能如實反映災害現(xiàn)場的降雨情況，致使二代智能預警產(chǎn)品缺乏與來自隱患現(xiàn)場的真實信息聯(lián)動。

3 北京市突發(fā)地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測

基于北京市突發(fā)地質(zhì)災害的廣泛發(fā)育及目前專業(yè)監(jiān)測手段缺乏的現(xiàn)狀，北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局申請并組織實施了北京市突發(fā)地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測項目，由北京市地質(zhì)研究所承擔該項目。一期工程在密云區(qū)、房山區(qū)、門頭溝區(qū)130處典型突發(fā)地質(zhì)災害隱患上安裝了國內(nèi)先進的專業(yè)監(jiān)測儀器，目前專業(yè)監(jiān)測設備的密度已經(jīng)達到了突發(fā)地質(zhì)災害發(fā)育區(qū)域（涵蓋高、中、低易發(fā)區(qū)）≥1臺套/50km2（圖1），隨著二期在全市山區(qū)、淺山區(qū)的全覆蓋和優(yōu)化，專業(yè)設備的密度會進一步加大，全市典型突發(fā)地質(zhì)災害隱患的變化情況，均在實時監(jiān)測之中，將成為目前國內(nèi)領先的專業(yè)監(jiān)測網(wǎng)絡，并將掀開北京市突發(fā)地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測的新篇章。專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的建設，全面考慮了泥石流發(fā)生的各類影響因素，將各類影響因素的變化均納入了實時監(jiān)控體系，為突發(fā)地質(zhì)災害預警預報提供多因素的現(xiàn)場信息。

（引自北京市地質(zhì)研究所，一期工程運行項目2016年度運行報告）

3.1 降雨數(shù)據(jù)實時采集

泥石流的發(fā)生，不僅僅是當日激發(fā)雨量的作用，而是前期雨量（5分鐘雨強、10分鐘雨強、1天雨量、2天雨量、3天雨量等）共同作用的結果（王禮先等，2001），一體化自動雨量站的采用，實時采集了泥石流發(fā)生前期各時段的雨量數(shù)據(jù)（圖2），為泥石流的預警預報提供翔實的雨量信息。

圖2 房山區(qū)1小時雨強等值線分布圖Fig.2 Fangshan District 1 hours rainfall intensity contour map

（引自北京市地質(zhì)研究所，一期工程運行項目2016年度運行報告）

3.2 土壤含水率實時采集

降水入滲使得土體含水量增加，進而造成土體基質(zhì)吸力降低，導致土體最終失穩(wěn)，啟動進入水流，形成泥石流中的固體物質(zhì)。因此，實時掌握松散物質(zhì)含水率的變化情況（圖3），也就相對直接地掌握了泥石流可能啟動的時間，從泥石流啟動機制方面掌握泥石流發(fā)生的時間。

圖3 門頭溝區(qū)清水鎮(zhèn)上達摩村東北溝土壤含水率儀0010監(jiān)測成果曲線Fig.3 The monitoring results of soil moisture content in the Northeast ditch of Dharma village in Qingshui Town,Mentougou District

3.3 次聲實時采集

泥石流在運動過程中放射出次聲信號（頻率＜20Hz），次聲信號的傳播速度遠遠大于泥石流的運動速度，因此形成了時間差，使得次聲預警成為泥石流發(fā)生之前的逃生預警。因此，采集到泥石流次聲（圖4），及時發(fā)出逃生預警，成為泥石流影響區(qū)域人民躲避災難的臨災預警。（引自一期工程運行項目2016年度運行報告）

3.4 動態(tài)變化實時采集

泥石流廣泛分布在偏遠的山區(qū)，研究人員及管理人員無法及時到達災害現(xiàn)場采集相關信息，為預警、應急及各類情況的處置作出準確的判斷。一體化野外視頻監(jiān)控手段的采用，使得研究人員和管理人員能夠在汛期實時掌握重點溝谷泥石流溝的現(xiàn)場及周邊情況（圖5），為預警及后期管理提供真實的現(xiàn)場信息。

圖5 視頻白天和夜間效果對比圖Fig.5 Video day and night effect comparison chart

3.5 預警模式構想

多因素專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的建設，開啟了不同時間維度的突發(fā)地質(zhì)災害預警模式（賈三滿等，2016）的新紀元，推動了突發(fā)地質(zhì)災害氣象預警預報由單因素的氣象預警預報模式向物聯(lián)多維度預警模式方向的轉(zhuǎn)換（圖6）。

從預報方式來看，未來突發(fā)地質(zhì)災害預警從簡單的激發(fā)模式，向激發(fā)因素—響應因素—表達因素聯(lián)合預警的多因素模式轉(zhuǎn)化；從預報時間尺度來看，從未來24小時的預報模式，向提醒預警（24小時內(nèi)）—轉(zhuǎn)移預警（數(shù)小時內(nèi)）—逃生預警（數(shù)分鐘內(nèi)）的時間縮短推進模式轉(zhuǎn)化；從預報空間范圍來看，從目前大面積的區(qū)域性預報模式，向未來的單體化預報模式轉(zhuǎn)化。

圖6 突發(fā)地質(zhì)災害物聯(lián)多維度預警體系構架Fig.6 Multi dimensional forecast system framework of geological disasters

4 結論

（1）北京市突發(fā)地質(zhì)災害預警模式，已經(jīng)基本實現(xiàn)了從第一代人工預警產(chǎn)品、第二代智能預警產(chǎn)品向第三代物聯(lián)多維度預警產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換，完成了預警產(chǎn)品的升級。

（2）北京市突發(fā)地質(zhì)災害物聯(lián)多維度預警體系的構建，將使預警等級更加明晰，采取的應對措施更加具有針對性，進一步提高突發(fā)地質(zhì)災害預警水平。

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The Study on Forecast of Geological Disasters in Beijing

WANG Haizhi, HAN Jianchao, WANG Shengyu, LIU huanhuan

(Beijing Institute of Geology, Beijing 100120)

The meteorological forecast is the key method to reduce the impact of geological disasters. This paper presents the characteristics of the first-generation and second-generation of meteorological forecast systems of geological disasters in Beijing, and makes a systematic analysis on the professional third-generation, which is combined with internet. Based on these data, we propose a scheme of the third-generation forecast system of geological disasters integrated with multi-dimensions internet.

Geological disasters; Meteorological forecast; Professional monitoring

A

1007-1903（2017）03-0031-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.006

北京地區(qū)滑坡泥石流災害監(jiān)測預警示范研究（1212010740909,1212010814033）。

王海芝（1975- ），女，碩士，高工，主要從事地質(zhì)環(huán)境方面研究。E-mail：bingx_1@163.com