突发性地质灾害气象预警预报研究综述

1、第18卷 第1期地质灾害与环境保护Vo l. 18, No. 12007年3月Journal of Geo log ical Hazards and Env ir onment P reserv ationM ar ch2007文章编号: 1006-4362(2007 01-0006-04收稿日期: 2006-04-21 改回日期: 2006-08-01突发性地质灾害气象预警预报研究综述马文瀚1, 2, 陈建平2(1. 中南大学地学环境学院, 长沙 410083; 2. 湖南省地质环境监测总站, 长沙 410007 摘要: 分析了国内外突发性地质灾害气象预警预报相关研究动态, 对地质灾害气象预

2、警预报的研究现状和研究进展作了系统地总结。根据最新研究成果, 从预警预报理论方法等方面对地质灾害预警预报的发展趋势进行了初步预测, 并结合地质灾害气象预警预报的经验, 就地质气象灾害预警预报存在的问题提出一些问题和看法。关键词: 地质灾害; 突发性; 地质-气象; 预警预报中图分类号: P 642. 2 文献标识码: A突发性地质灾害对人类社会的影响, 已成为一个不容忽视的环境地质难题, 地质灾害给经济建设、社会发展和人民生命财产造成了巨大的损失。据统计, 仅19952003年, 滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等突发性地质灾害造成了10499人死亡或失踪、575亿元财产损失。目前, 全国有地质灾

3、害隐患点16万处, 威胁人口1150多万人, 威胁财产超过2014亿元1。仅湖南省而言, 19952003年共发生各类突发性地质灾害4984起, 造成了486人死亡、42亿元财产损失2。地质灾害已成为制约地方社会经济发展的重要因素, 对我国社会经济可持续发展战略的实施造成了严重影响。我国地质灾害的严重性也引起了中央政府和公众的广泛关注。2003年11月19日国务院第29次常务会议通过了5地质灾害防治条例6, 自2004年3月1日起施行。从此, 我国地质灾害防治工作走上了法制化、规范化的轨道。地质灾害的形成受地质条件、气象条件、人类活动等诸多因素控制, 具有较大的随机性; 同时, 地质灾害的发生

4、表现为地域性、阶段性和周期性, 又具有相当大的规律性。因此, 地质灾害是可区划的, 也是可预警的。许多地质工作者和气象工作者都在地质灾害预报中作了很多尝试。日本学者斋藤(M. Satio 在20世纪60年代提出的滑坡预报经验公式3, 可以作为地质灾害预警预报研究工作的起点。从预警预报发展阶段来讲, 已经历了从现象预报、经验预报到统计预报、灰色预报再到非线性预报的历程, 目前已进入了根据检测反馈信息进行实时跟踪动态预报, 以及将定性预报、定量预报以及现代数值预报技术有机结合的综合预报阶段; 从技术方法角度, 已从手工、经验预报, 到开发基于理论预报模型的灾害预报系统, 发展到基于GIS 平台,

5、借助于专家系统开发地质灾害综合预测预报系统的阶段。1 国内外研究现状1. 1 地质灾害预警预报国内外研究动态文海家等4指出, 国内外地质灾害预警预报研究的发展大体归纳为3个阶段。20世纪4070年代, 经验统计学方法预警预报阶段。日本学者斋藤迪孝时期是先驱代表之一。自20世纪80年代开始, 进入地质灾害预测形成阶段, 预测地质灾害发生成为地质灾害学和预测学科交叉的分支学科。许强等5指出, 建立地质灾害预警预报模型和预警预报判据是地质灾害时间预警预报的核心。20世纪90年代以后, 地质灾害预警预报研究的特点可归纳为3个方面:多种预警预报方法的综合应用; 现代数理科学理论广泛应用于地质灾害预警预报

6、方法研究; 以3S 技术应用为代表, 地质灾害监测预警预报技术手段得到前所未有的发展。1. 2 地质灾害时空预警预报研究动态国内外在地质灾害预报预警方面的研究大体分为两种类型:一类是以地质灾害位移监测数据为基础, 结合室内模型实验而开展的模型预警预报研究, 最早的研究由日本学者Saito 3在20世纪60年代提出, 后由Fukuzono 、Voight 等研究得到进一步深化。另一类是基于大气降雨的观测, 研究降雨量、降雨强度和降雨过程与地质灾害的空间分布、时间上的对应关系, 建立地质灾害时空分布与降雨过程的统计关系, 以到达预警预报之目的。这两种研究途径各有侧重, 前者强调地质灾害位移机理研究

7、, 后者则强调地质灾害受外界触发因素影响的统计学研究。1985年, 美国地质调查局(USGS 和美国国家气象服务中心(U SNW S 联合建立一套地质灾害实时预警预报系统, 该系统是基于1982年2月35日在该地区发生的一次特大暴雨所引起的地质灾害数据, 建立了地质灾害与降雨强度和持续时间的临界关系曲线。刘传正等6根据致灾地质环境条件和气候因素, 将中国划分为7个大区, 28个预警区。根据对历史上地质灾害点和灾害发生前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, 初步制作了预警预报判据图。在每天收到国家气象中心全国降雨预警预报数据和图像半小时内, 对所预警预

8、报的次日降雨过程是否诱发地质灾害和诱发灾害的空间范围、危害强度进行预警预报。1. 3 地质灾害气象预警预报研究基于降雨强度和持续时间的监测, 确定区域诱发地质灾害的经验阈值, 即临界降雨量, 在许多地区得到应用, 如美国、加拿大、香港、日本、巴西、中国各省区等。早期对地质灾害降雨过程研究主要是建立地质灾害发生和降雨临界值间的经验公式。美国SanBenito 和Alameda 在过程降雨量累积雨量超过180250mm 为地质灾害发生的临界值。加拿大地质灾害发生的临界累积雨量值超过250m m 。中国香港则超过350mm , 且日雨量大于100mm , 1小时雨量大于40m m 。日本累积雨量超过

9、150200mm, 或每小时降雨强度超过2030mm 时, 大量地质灾害将发生。巴西地质灾害的暴雨强度临界值为250300mm 。殷坤龙7认为暴雨量的阈值问题随地区差别、地质灾害类型差别等十分明显。李媛等8分析了国内外地质灾害与降雨关系研究动态, ,以往重点一般是放在地质灾害岩土性质的调查和机理分析上, 而对诱发因素没有进行比较深入的研究和探索。李晓9对重庆的地质、地貌、降水侵蚀强度等进行研究, 分析了当地发生地表侵蚀或触发地质灾害的降水强度变化规律。杜榕恒10对三峡地区1982年7月暴雨诱发的80多个典型滑坡研究, 得出了地质灾害发生的临界降雨强度。杨顺泉11指出, 湖南省滑坡地质灾害发生的

10、降水临界值为日雨量大于120m m, 小时降水量超过40m m 。殷坤龙等12研究指出, 浙江省非台风区当日降水量为60mm 和130mm, 有效降水量为125m m 和275mm 时, 地质灾害高易发区和中易发区的灾害点都有明显增加。Brand 13对香港近20年的地质灾害与降雨资料进行了对比分析, 结果表明, 香港绝大多数地质灾害是由短历时强降雨诱发的, 这些灾害发生时间与最大的小时降水量时间同步, 指出利用24h 降水量预测地质灾害发生具有很重要的意义。M ark &New -man 通过对1982年1月降水情况分析得出14, 当前期雨量超过300400mm, 暴雨量超过250m

11、m, 即超过年平均降水量的30%时, 灾害将大规模发生。周国兵等15对重庆市20世纪70年代以来153个灾害点进行统计, 表明降水诱发的灾害占96. 7%, 其中24h 降水量是诱发灾害发生的最主要因素, 同时也与连续降水的累计值有关。1. 4 地质灾害形成机制及稳定性研究降雨对地质灾害作用的研究一直是学术界关注的难点之一, 综合起来可分为两个方面:一是基于大气降雨分析的地质灾害预警预报研究, 二是研究地质灾害水压力场与灾体稳定性的关系。李先华等16提出了地质灾害启动的两种不同机制通过降水、滑体含水率、滑体容重、滑带土内摩擦角、内聚力以及它们与灾害稳定系数的定量关系及时间效应, 建立地质灾害启

12、动的速度推力、方向和启动时间的预测预警预报模型。王兰生17提出, 具有不同水动力学特征的斜坡, 对降雨的敏感度存在有差别。戚国庆等18对土水特征曲线数学模型进行了研究将其分为对数函数的幂函数、幂函数、分形和对数函数等4种类型, 推导出具有统一表达式的土水特征曲线。许强等19突破传统的现象(位移等 预报模式, 提出以地质模型为基础, 灾害演变过程中内部地质力学作用机理和过程分析为核心, 紧密结合位移监测成果, 将地质灾害发生的地质(g eo logy 结构基( , 7第18卷 第1期马文瀚、陈建平:突发性地质灾害气象预警预报研究综述部表现位移(deform ation 三者有机的结合, 通过数值

13、和物理模拟等途径, 建立能综合反映斜坡变形破坏内部作用机理与其外部表现相统一的综合地质(G 、力学机理(M 、形变(D 耦合模型, 即GM D 模型, 并在三峡库区一些滑坡的研究中得到初步应用。1. 5 基于GIS 的地质灾害预警预报系统研究在地质灾害研究领域, GIS 技术的应用主要在以下几个方面:建立基于GIS 的地质灾害信息管理系统。如Keane 、James 、Bahar 、Irw an 、Bliss 、Nor -m an 等将GIS 应用到地质灾害历史数据管理及预测成果成图表达中。GIS 技术与各种评价模型相结合运用于地质灾害危险性预测。目前, 国外在地质灾害预测领域已基本实现了RS

14、 与GIS 的结合, 个别项目达到了3S 技术整体结合。国内应用GIS 技术开展地质灾害评价起步较晚, 研究程度与发达国家相比尚有较大差距, 目前尚未见到成熟实用的地质灾害预测评价GIS 系统。姜云、王兰生17在山区城市地面岩体稳定性管理与控制中应用了GIS 技术。殷坤龙等12在浙江省地质灾害实时预警预报及应用示范科技攻关项目中, 开展了基于Web -GIS 的地质灾害实时预警预报研究, 在地质灾害空间预测的基础上, 结合实时降雨信息和预测信息, 对区域地质灾害和单体地质灾害进行预测预报, 并通过IN TERNET 对预警信息进行发布。兰恒星等20运用GIS 等技术, 集成相关模型对滑坡变形失

15、稳进行分析, 对各种分析模型及模型单元的特点及其局限性进行了分析。2 地质灾害预警预报发展趋势地质灾害预警预报发展趋势归纳于以下几个方面21:(1 地质灾害预警预报方法问题及发展趋势主要有三方面:现代数理科学新理论在地质灾害预警预报方法研究方面的综合应用将进一步发展; 地质灾害预警预报的智能化方法研究的发展空间及潜力很大; 3S 技术作为地质灾害监测预警预报手段, 仍存在较大的开发潜力。(2 国内外地质灾害预警研究尽管有了较大进展, 但从理论上, 机理研究与区域统计研究结合程度不高, 有进一步发展与突破的可能和必要。已建立的地质灾害预警预报模型具有很大的地域性、分散性以及由于监测资料不足带来的

16、不稳定性, 有必要进行更加系统深入的探讨, 尤其要着力建立基于地质灾害预警任务的重要突破点。(3 降雨与地质灾害关系研究中, 降雨与地质灾害关系需精练, 要考虑长期中等强度降雨的影响; 土体含水量和孔隙水压力的测量方法要更精确、有效; 预警系统需要模式化和自动化, 以便在暴雨期间能更快、更有效地得到数据。(4 降雨对灾害体稳定性影响研究方面, 对省级区域选择多个代表点进行系统监测, 并进行降雨量入渗系数分析, 降雨与灾害体位移关系研究, 地质灾害发生临界降雨量研究, 灾害体位移变化延迟时间分析和灾害体稳定性评价等综合研究报道不多。(5 开展基于GIS 技术的地质灾害空间预警预报研究, 从国内外

17、发展现状来看, 都是一个热点和重要研究课题。GIS 技术在地质灾害研究领域中的应用的发展趋势是:3S 集成技术的进一步发展与应用; 实现真正的三维甚至四维信息的存贮、管理与再现; 基于WebGIS 平台建立区域地质灾害实时预警预报系统。3 问题与讨论地质灾害气象预警预报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具有开创性与探索性的工作, 涉及面广、影响大、技术难度大。今后要加强气象诱发地质灾害的机理与应用两方面的研究, 开展灾情信息的收集建库程序设计开发工作及客观检验方法研究。另外, 在地质气象灾害警报预报预警业务方面, 存在的主要问题有:(1 加强合作交流, 进一

18、步完善地质灾害历史数据库、地质灾害气象实时数据。目前收集到的地质气象灾害历史资料不十分完全, 还需与气象部门进一步合作与交流, 完善地质气象灾害历史数据库。由于地质气象灾情信息往往是夹在暴雨和山洪等其他灾害中上报, 上报灾情信息尽可能做到定时、定点, 以满足业务所需。(2 加强科学研究, 进一步优化地质气象灾害气象预警预报客观预报方法。目前地质灾害气象预警预报主要考虑了降水因素对地质灾害的发生所产生的影响, 地表参数信息虽已部分考虑, 但还需进一步研究不同地质地理条件下各种地质灾害发生的机理, 完善该地质灾害客观预警预报模型, 以提高预警预报性。(3 改进预警预报服务方式, 充分发挥气象系统网

19、络优势, 积极开展系统内部合作。已建立了气, 8地质灾害与环境保护2007年发挥气象系统的网络优势及地方台站优势, 积极开展气象系统内部与市县台站之间的日常会商工作, 同时改进业务流程, 形成上下联动分级指导、逐级负责的预警预报服务业务体系。参考文献1 李媛, 孟晖, 董颖, 等. 中国地质灾害类型及其特征 基于全国县市地质灾害调查成果分析J. 中国地质灾害与防治学报, 2004, 15(2 :29-31.2 湖南省地质环境监测总站. 湖南省年度地质灾害防治工作总结R. 1995-2005.3 Saito M. Forecas tin g the time of occurr ence of

20、slope failu re.In:Pr oceedings of 6th International Con gres s of Soil M ech anics and Fou ndation Engin eeringJ. M ontreal, 1965, (2 :537-541. 4 文海家, 张永兴, 柳源. 滑坡预报国内外研究动态及发展趋势J . 中国地质灾害与防治学报, 2004, 15(1 :2-15.5 许强, 黄润秋, 李秀珍. 滑坡时间预测预报研究进展J . 地球科学进展, 2004, 19(3 :478-483.6 刘传正, 温铭行, 唐灿. 中国地质灾害气象预警初步研究

21、J. 地质通报, 2004, 23(4 :303-307.7 殷坤龙. 滑坡预测预报分类J. 中国地质灾害防治学报, 2003,14(4 :13-15.8 李媛, 朱晓冬, 杨冰. 滑坡泥石流与降雨关系研究动态R. 典型地区突发性地质灾害时空预警示范区建设进展材料之一, 中国地质环境监测院, 2002:16-28.9 李晓. 重庆地区的强降雨过程与地质灾害的关系J . 中国地质灾害与防治学报, 1995, 6(3 :24-32.10杜榕恒, 等. 长江三峡库区滑坡与泥石流研究M . 四川科学技术出版社, 1991.11杨顺泉. 灾发性地质灾害防灾预警系统方案研究J. 中国地质灾害与防治学报,

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25、ON THE ABRUPT GEOLO GICAL HAZARDMETEOROLO GICAL FORECASTING AND ALARMINGM A Wen -han 1, 2, CH EN Jian -ping 2(1. Schoo l o f Geoscience and Enviro nmental Engineer ing, Centra l South U niver sity, Changsha 410083, China;2. General geo log ical env iro nmental mo nitor ing station of hunan prov ince, Changsha 410007, ChinaAbstract: T his paper mainly ana lyzes home and abroad inv est igat ive -