涂良權，王軍強，蔣朝軍，彭成，黃凱

(河南省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質勘查院，鄭州 450018)

我國地質災害的發(fā)生在空間上具有廣域性、地域性和局地性,在時間上具有季節(jié)性、夜發(fā)性和年際變化等特點,這些特點與降雨量分布的關系非常密切[1，2]。降雨是滑坡、崩塌、泥石流等地質災害的主要激發(fā)因子[3，4]。

氣象預報預警可有效預警滑坡、崩塌、泥石流等地質災害,更好地推動地質災害防治工作,有效的減輕和避免地質災害造成的生命和財產(chǎn)安全,實現(xiàn)防災減災的目標。

商城縣在河南省國土資源廳、河南省財政廳的專項基金支持下開展了地質災害詳細調查，在實地調查的基礎上，結合遙感影像解譯，開展滑坡、崩塌、泥石流等地質災害詳細調查與測繪，為減災防災提供基礎地質依據(jù)。地質災害氣象預警是詳查工作的重要組成部分，在收集氣象、水文資料，調查水文地質條件，分析降水等對滑坡、崩塌、泥石流的影響，進行地質災害氣象預警區(qū)劃。本文選取商城縣為研究區(qū),總結地質災害氣象預警方法,以期為同類地區(qū)提供可借鑒的經(jīng)驗。

1 研究區(qū)地質災害發(fā)育特征

研究區(qū)位于大別山中段北麓,地形南高北低,南部為中低山、低山,中部為丘陵,北部為平緩的河谷階地及壟崗。

地質災害主要類型有滑坡、崩塌、泥石流、不穩(wěn)定斜坡四大類。其中,滑坡58處,主要分布在研究區(qū)中部、中南部地區(qū),大多屬巖質滑坡；崩塌50處,主要分布在研究區(qū)中部、中南部,均為巖質崩塌；53處不穩(wěn)定斜坡,在研究區(qū)廣泛分布,多為基巖斜坡,少量土質斜坡；泥石流5條,其中坡面型泥石流3處,溝谷型泥石流2處(表1)。

表1 研究區(qū)地質災害隱患點統(tǒng)計表

2 氣象預警方法與等級

2.1 氣象預警方法

斜坡巖土體含水量達到某一界限值才可能在一次降雨過程中產(chǎn)生地質災害,地質災害氣象預警主要基于地質環(huán)境要素和氣象因素[5]。

(1) 在地質災害易發(fā)程度區(qū)劃圖的基礎上,進行地質災害氣象預警分區(qū),同時確定地質災害氣象預警的分級。

(2) 對每個預警區(qū)的歷史地質災害事件與降雨過程的相關性進行統(tǒng)計分析,建立各預警區(qū)的地質災害事件與臨界過程降雨量的統(tǒng)計關系圖,確定地質災害事件在一定區(qū)域爆發(fā)的不同降雨過程臨界值,作為預警判據(jù)。

(3) 當接收到市氣象臺發(fā)來的次日降雨量預報數(shù)據(jù)和預報雨量等值線圖后,對每個預警區(qū)迭加分析,根據(jù)判據(jù)圖初步判定發(fā)生地質災害的可能性,從而得出各個地質災害預警分區(qū)的預警等級結果。

2.2 氣象預警等級

預報等級劃分為5級,1級為可能性很小,2級為可能性較小,3級為可能性較大,4級為可能性大,5級為可能性很大[6，7]。其中, 在預報中3級為注意級,4級為預警級,5級為警報級。結合研究區(qū)地質災害發(fā)生的可能性和影響程度,將研究區(qū)地質災害氣象預報劃分為5個等級(表2)。

3 氣象預警區(qū)劃

地質災害氣象預警分區(qū)以研究區(qū)地質災害易發(fā)性區(qū)劃圖為基礎,以降雨誘發(fā)地質災害作為分區(qū)的主導因素,考慮人類工程活動對地質環(huán)境干預的方式及強度,定性和定量相結合,根據(jù)“區(qū)內(nèi)相似、區(qū)間相異”原則把相似的地質環(huán)境劃入統(tǒng)一區(qū)域[8-12]。

表2 研究區(qū)地質災害氣象預報等級劃分

根據(jù)上述區(qū)劃原則,將研究區(qū)分為4個地質災害預警區(qū)(圖1)。

Ⅰ級預警區(qū)為地質災害重點預警區(qū),Ⅱ級預警區(qū)為地質災害次重點預警區(qū),Ⅲ級預警區(qū)為地質災害一般預警區(qū),Ⅳ級為地質災害次一般預警區(qū)。Ⅲ級預警區(qū)主要為地質災害發(fā)育較少的丘陵、崗地地區(qū)；Ⅳ級預警區(qū)主要為地勢平坦的沖洪積平原,工程地質條件較好,降雨對其影響不大,不易發(fā)生地質災害。Ⅲ、Ⅳ級預警區(qū)地質災害氣象預報預警等級一般達不到3級,Ⅲ、Ⅳ級預警區(qū)不進行地質災害氣象預警預報,僅對Ⅰ級預警區(qū)和Ⅱ級預警區(qū)進行預警預報。

圖1 研究區(qū)地質災害氣象預警區(qū)劃圖

將研究區(qū)地質災害氣象預警分區(qū)圖、地理底圖、行政區(qū)劃圖疊加后統(tǒng)計分析,得出研究區(qū)地質災害預警分區(qū)表(表3)。

表3 研究區(qū)地質災害預警分區(qū)表

4 地質災害預警判據(jù)

4.1 預警判據(jù)確定依據(jù)

突發(fā)性地質災害不但與當日激發(fā)降雨量有關,且與前期過程降雨量關系密切。本次研究工作選定1～30日30個過程降雨量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,以期建立一個地區(qū)誘發(fā)突發(fā)性地質災害事件的當日激發(fā)雨量和前期過程降雨量兩種臨界雨量判據(jù)(圖2)。

研究當?shù)貧庀筚Y料,結果表明：

(1) 在11 a中,商城縣共出現(xiàn)Q1h≥10 mm的強降水152時次,Q1h≥20 mm強降水37時次,年平均Q1h≥10 mm的強降水有14時次,Q1h≥20 mm強降水有2時次。

(2) Q1h≥10 mm發(fā)生時次最多的年份是2002年和2008年,均為21時次；最少的是2009年,僅有3時次。Q1h≥20 mm強降水發(fā)生次數(shù)最多的年份是2002年,為8時次；最少的是2011年,僅有1時次?？梢娧芯繀^(qū)強降水出現(xiàn)時次的年際差異較大,最多年份與最少年份相差7至8倍之多。

(3) Q1h≥10 mm強降水旬分布具有多峰值的特點。7月中旬7月下旬和8月上旬為第一高峰值,在數(shù)值比較接近也是全年的最大峰值；6月上旬為全年的次峰值,8月上旬為全年的第三峰值。Q1h≥20 mm單峰特征較明顯,7月下旬至8月上旬為其高峰值,強降水頻次升至最高。

(4) 淋雨主要出現(xiàn)在9月,10月份也有淋雨和大雨發(fā)生。

(5) 研究區(qū)大雨日年頻次為12左右。

圖2 1990～2012年歷月平均降雨量分布簡圖

區(qū)內(nèi)近年發(fā)生滑坡和崩塌頻次與多年月平均降水量呈明顯的正相關關系。研究區(qū)166處地質災害中,其中81處具有調查到比較確定的發(fā)生時間,均發(fā)生在雨季(2004年8月發(fā)生37處,其余災害發(fā)生時間為1990～2012年,主要發(fā)生在7月或8月),見下表4。而沒有調查到確切發(fā)生時間的,根據(jù)當?shù)乩相l(xiāng)反映,大多數(shù)都是發(fā)生在雨季。災害與降雨量以及降雨特征關系密切。

表4 一年中各月份發(fā)生災害個數(shù)統(tǒng)計表

4.2 不同降雨過程代表數(shù)據(jù)

研究區(qū)氣象局系統(tǒng)對日降雨量Q的預報和統(tǒng)計是按每日20時到次日20時計算,比如,8月3日降雨量是指8月2日20時到8月3日20時產(chǎn)生的降雨量,預警判據(jù)亦采用同步記時方式,若地質災害發(fā)生在當日12時以后,基本可對應于1日(當日)過程降雨量t1；若災害事件發(fā)生在20時以后的夜間,則對應于當日和前一日(2日)過程降雨量t2更符合實際[13]。因此,本次工作選定的數(shù)據(jù)代表性時段為日(24 h),代表性數(shù)據(jù)記做：

一日過程降雨量Q1=Q(t1),0≤t1≤1

二日過程降雨量Q2=Q(t2),1≤t2≤2

……

二十九日過程降雨量Q29=Q(t29),28≤t29≤29

三十日過程降雨量Q30=Q(t30),29≤t30≤30

4.3 臨界和過程降雨量預警判據(jù)圖模式

為確定各預警區(qū)Q1,Q2,Q3,……,Q28,Q29,Q30的預警判據(jù)圖,首先建立降雨誘發(fā)的地質災害空間數(shù)據(jù)庫及歷史降雨量數(shù)據(jù)庫；然后根據(jù)各預警區(qū)地質災害的空間與時間分布特征,對同期降雨特征值進行相關查詢,反演出歷史地質災害發(fā)生的降雨量臨界值及前期連續(xù)降雨過程臨界值初級數(shù)據(jù)；進而進行統(tǒng)計分析,得出各對應臨界過程降雨量的統(tǒng)計值；再按該臨界值在本預警區(qū)多年出現(xiàn)的頻率,結合國家級預警判據(jù)及相關資料進行適當調整,以此作為地質災害氣象預警判據(jù)基本數(shù)據(jù)；最后繪制預警判據(jù)圖(圖3)。

圖中橫坐標為時間t(1≤t≤30日),縱坐標為過程降雨量Q(mm),得出Qα、Qβ兩條地質災害事件發(fā)生的臨界降雨量曲線。當實況過程降雨量曲線Q(t)位于判據(jù)圖的不同位置時,可給出不同的預警結果。

(1)Q(t)

(2)Qα≤Q(t)

圖3 預警判據(jù)模式圖

(3)Q(t)≥Qβ時,過程降雨量曲線位于C區(qū),規(guī)定預警級別為五級。

4.4 預警區(qū)預警判據(jù)圖

根據(jù)計算出的數(shù)據(jù),研究區(qū)采用短期判據(jù)、參考類似地質環(huán)境氣象條件資料進行比擬,制作出Ⅰ級預警區(qū)(圖4)和Ⅱ級預警區(qū)的預警判據(jù)圖(圖5)。根據(jù)計算出的當日的綜合有效降雨量,對照Ⅰ、Ⅱ級預警區(qū)采用圖4和圖5地質災害氣象預警判據(jù)模式圖,可確定Ⅰ、Ⅱ級預警區(qū)的預警級別。預警級別作為進行地質災害氣象預警預報、重點地段進行巡查、監(jiān)測的預判依據(jù),達到事前控制的效果。

圖4 研究區(qū)Ⅰ級預警區(qū)預警判據(jù)模式圖

圖5 研究區(qū)Ⅱ級預警區(qū)預警判據(jù)模式圖

5 結語

本文在綜合研究河南省國土資源廳、河南省財政廳專項基金項目商城縣地質災害詳細調查成果的基礎上,以河南省商城縣為例,構建了商城縣區(qū)域地質災害氣象風險預警模型,總結提出了區(qū)域地質災害氣象風險預警概化模型及其計算方法。

項目實施后,項目組人員長期關注了商城縣發(fā)布的氣象預警信息,從實際檢驗結果來看,總體上取得了較好的預報效果。