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地质灾害预警预报技术培训材料.doc
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1、地质灾害气象预警预报技术培训材料2009年4月18-20日 厦门目 录地质灾害区域气象预警理论方法1国家级地质灾害气象预警预报技术方法21云南新平地质灾害气象预警信息系统31梅州市地质灾害预警信息系统57福建省德化县地质灾害防治工作情况汇报64地质灾害区域气象预警理论方法刘传正(中国地质环境监测院,北京,100081)1 基本概念地质灾害是由于自然或人为作用,多数情况下是二者共同作用引起的,在地球表层比较强烈地危害人类生命、财产和生存环境的岩、土体或岩、土碎屑及其与水的混合体的移动事件。一般以崩塌(含危岩体)、滑坡、泥石流、岩溶地面塌陷、地面沉降和地裂缝等,为典型代表,是比较公认的因地壳表层地
2、质结构的剧烈变化而产生的。类似于美国地质调查局(USGS)提出的“地面破坏灾害”(ground-failure hazards)地质灾害在成因上具备自然演化和人为诱发的双重性,它既是自然灾害的组成部分,同时又属于人为灾害的范畴。在某种意义上,地质灾害已经是一个具有社会属性的问题,已经成为制约社会经济发展和人类安居的重要因素。因此,地质灾害防治就不仅是指预防、躲避和工程治理,在高层次的社会意识上则表现为努力提高人类自身的素质,通过制定公共政策或政府立法约束公众的行为,自觉地保护地质环境,从而达到避免或减少地质灾害的目的。2 气象因素引发的地质灾害2.1 基本特征预警对象主要是降雨、融冻等极端气象
3、条件变化引发的区域或流域群发型崩塌、滑坡和泥石流等突发性地质灾害。局地暴雨影响下的完好斜坡地区是坡面型“链式”反应的崩塌滑坡泥石流灾害频发地区,这类地质灾害具有显著的特点,是实施预警预报和群测群防的重点与难点。(1)区域性:一般在数百至数千平方千米内出现。(2)群发性:崩塌滑坡泥石流等在某一区域多灾种呈群体出现。(3)“链式”反应:崩塌滑坡泥石流等在同一地点逐次快速转化,破坏力极强。(4)同时暴发性:崩塌滑坡泥石流“灾害链”在数十分钟数小时内先后或同时出现,具有突然暴发性,宏观上完好的坡体突然滑塌或“奔流”;当地人称为“涡旋炮”或“山扒皮”。(5)持续超强降雨作用:局地区域性持续超强降雨造成极
4、大冲刷力,使达到过饱和状态的松散堆积层奔涌而下。 (6)地形陡峻,地质结构上软下硬:一般斜坡坡度2570,高差100400m;地质上具备二元结构,上为松散堆积层,下为坚硬基岩,容易在二者的接触处形成强大渗流带;松散堆积层厚度小,一般0.55m。(7)植被类型特殊:生态环境不利于固坡稳定,如大量种植毛竹、杉树等浅根性、速生速长类树种,在持续的暴风、暴雨“耦合”作用下加剧斜坡表层的整体破坏。(8)区域经济社会发展水平低:房屋、道路建设切坡而很少维护,缺乏地质环境保护意识。房屋结构简易、破旧,房屋结构抗破坏强度低。缺乏灾害风险意识。(9)后续性:大型滑坡一般出现在降雨过程后期,甚至降雨结束后数天,如
5、中国新滩滑坡(1985年6月12日),菲律宾特大滑坡灾难(2006年2月17日)。(10)发灾区域总体造成人员伤亡和各种财产损失重大,但单点损害的规模较小。2.2 问题表述(1)地质灾害区域预警的物理学基础是,地质环境是变化的,地质环境变化的动力是地外天体引力、地球内动力、地球表层外动力和人类社会工程经济活动等单种因素或多种因素的耦合作用。(2)由于天体引力、地球内动力、地球表层外动力和人类工程活动具有随机性,四者的耦合作用更是随机的。因此,地质灾害区域预警的数学基础主要是概率论与数理统计。在此意义上,可以开展基于统计分析的地质灾害区划与预警工作,或者说,地质灾害是可以区划的,也是可以预警的。
6、(3)从理论上而言,基于滑坡事件统计可以进行自然地质现象的统计预警,而基于滑坡灾害事件统计可以进行地质灾害的统计预警,实际工作中由于研究区域的尺度、统计样本数量、单体规模和相关因素的巨大差异,常常难以区分是自然滑坡事件还是滑坡灾害事件,过分固执地进行区分可能是没有太多实际意义的。(4)统计预警是一种可能性或随机概率预警,它包含了地质灾害发生的空间范围、时间区间和暴发强度等参数的不同等级的可能性或准确度,有时给出的是一个模糊的综合量度指标,尽管我们可以从理论上划分为地质灾害空间预警、时间预警和强度预警。(5)地质灾害区域预警是可以划分为不同层级和不同尺度的,它起源于地质调查空间精度、激发因素(如
7、大气降雨)的时空预警尺度和服务的国土范围等诸多方面的限制。事实上,地质灾害是小概率事件,大尺度的单元(目)计算自然难作微观决策的依据,就像大网捕捞因网目太大,“小鱼”自然漏网,这也是多级预警系统相互配合联动工作的依据。(6)地质灾害区域预警的精度评价主要考虑空间尺度、时间尺度和强度等级,并针对不同预警层级和预警尺度的确定区域分别建立时间预警的准确率、空报率、漏报率、预警偏差和预警效率以及空间暴发区域或暴发强度的吻合程度等内容的评价标准。(7)地质灾害区域预警产品的应用决策主要涉及到发布的空间尺度、时间分辨率、社会对风险的接受性、响应对策和应急机制等方面的完善程度,更多地表现为风险型决策问题。(
8、8)地质灾害预警解除涉及到科学技术、行政职能、社会管理、法律依据和人文环境等多方面问题。3 基于气象因素的地质灾害区域预警预报原理3.1 统计特征(1)分析发现,滑坡的发生在过程降雨量和降雨强度两项参数中,存在着一个临界值,当一次降雨的过程降雨量或降雨强度达到或超过此临界值时,泥石流和滑坡等地质灾害即成群出现;(2)不同地区具体一条沟谷的泥石流始发雨量区间为10300mm,差异之大反映了地质条件、气候条件等的差异。(3)在降雨过程的中后期或局地单点暴雨达到临界值时出现突发性群发型泥石流、滑坡等地质灾害,滑坡以小型者居多;(4)大型滑坡常在降雨过程后期或雨后数天内出现。3.2 概念表述目前,对单
9、体地质灾害的监测预警在技术上相对比较成熟,也比较易于开展群测群防工作,而对群发型地质灾害,特别是一定地质背景下由气象因素引起的群发型滑坡泥石流的预警预报则在理论上和实践上均显不足。群发型地质灾害是指在某一区域多灾种呈群体出现的现象。地质灾害预警是一种包括预测与警报的广义“预警”,在时间精度上包括了预测或预估(估测)、预警、预报和警报(数小时)等多个层次,每个层次都是一个政府机构、工程技术与公众社会共同参与的综合体系。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
10、而确定向社会发布的方式、范围和应急反应对策。(1)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。不同地区具体一条沟谷的泥石流始发雨量区间为10300mm,差异之大也反映了地质条件、气候条件等的差异。有条件时,应分别研究预警地区的24h降雨强度(h24)、1h降雨强度(h1)与10min降雨强度(h
11、1/6)与岩土体饱和状态及滑坡或泥石流复活的关系。(2)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)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)概率预警由
12、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。3.3 预警阶段划分地质灾害预警包括地质灾害调查评价(或勘查评价)、观测(监测)系统建设与运行、灾害发展趋势分析会商、预警信息传播和适度的准备反应或防治对策等五个阶段,相应包括了预测(数年)、预警(数月)、预报(数日)和警报(数小时)等多个层次的多种精度的预警功能。预测是指时间精度较低,着重灾害发生集中的区域,预测基础是调查数据;预报、临报和警报的时间精度较高,必须有系统连续的观测或监测数据和基于正确的区域地质环境分
13、析或地质体变形模式的综合分析。3.4 预警产品发布预警产品一般用红、橙、黄和蓝和绿五色表示,一般用暖色调表示比较危险,冷色调表示比较安全,因此,预警产品等级对应的色调划分为5级(表1)。表1 预警产品等级及色标级 别含 义色 标说 明警报级,可能危害特别严重红组织公众应急响应预报级,可能危害严重橙建议公众采取预防措施预警级,可能危害较重黄发布公众知晓预测级,可能危害一般蓝科技与管理人员掌握常规级,一般无危害绿科技人员掌握3.5 地质灾害区域预警预报原理据统计,全球约有23个国家和地区的学者对降雨滑坡进行了不同程度的研究,以美国、意大利、中国香港(地区)、日本、英国、澳大利亚、新西兰和中国等开展
14、全国性或典型地区的研究。中国香港(Brand.et.al,1984)、美国(Keefer.et.al,1987)、日本(Fukuzono,1985)、巴西(Neiva,1998)、委内瑞拉(Wieczorek 等,2001)、波多黎各(Larsen & Simon,1993)和中国等国家和地区曾经或正在进行面向公众的区域性降雨滑坡实时预报,预报的地质精度可以达到以小时数量级。这些国家和地区一般都开展或完成了比较详细的地质灾害调查和深入的灾害发育特征、灾害易发区或危险区分区评价研究,拥有长期、比较完整的降雨资料,具有布置密度比较合理的降雨遥控监测网络和先进的数据传输系统。其中,中国香港和美国预警
15、系统的发展过程最具代表性。综合分析国内外研究与应用状况,基于气象因素的地质灾害区域预警理论原理可初步划分为三大类,即隐式统计预警方法、显式统计预警方法和动力预警方法。3.5.1 隐式统计预报法 隐式统计预警方法把地质环境因素的作用隐含在降雨参数中,某地区的预警判据中仅仅考虑降雨参数建立模型。隐式统计方法可称为第一代预警方法,比较适用于地质环境模式比较单一的小区域,如以花岗岩及其风化残积物分布为主的香港地区多年来一直在研究应用和深化这一方法。由于这种方法只涉及降雨量或降雨强度等一类参数,无论预警区域的研究程度深浅均可使用,所以这是国内外广泛使用的方法,也是最易于推广的方法。隐式统计预警方法抓住了
16、气象因素诱发地质灾害的关键方面,但预警精度必然受到所预警地区面积大小、突发性地质事件样本数量、地质环境复杂程度和地质环境稳定性及区域社会活动状况的限制,即单一临界雨量指标难于解释地质环境变化及地质灾害成因,且更新判据与提高准确性也比较受限制。3.5.2 显式统计预报法 显式统计预警方法是一种考虑地质环境变化与降雨参数等多因素迭加建立预警判据模型的方法,它是由地质灾害危险性区划与空间预测转化过来的。这种方法可以充分反映预警地区地质环境要素的变化,并随着调查研究精度的提高相应地提高地质灾害的空间预警精度。显式统计法可称为第二代预警方法,是正在探索中的方法,比较适用于地质环境模式比较复杂的各类区域。
17、基于地质环境空间分析的突发性地质灾害时空预警理论与方法是根据单元分析结果又合成实现的,克服了仅仅依据单一临界雨量指标的限制,但对临界诱发因素的表达、预警指标的选定与量化分级等尚存在需要进一步研究的诸多问题。因此,要实现完全科学意义上的区域突发性地质灾害预警,必须建立临界过程降雨量判据与地质环境空间分析耦合模型的理论方法广义显式统计模式地质灾害预警方法,预警等级指数(W)是内外动力的联立方程组。 W=(a,b,c,d) (1)W预警等级指数;a地外天体引力作用;a=(a1,a2,an)太阳、月亮的引潮力,太阳黑子、表面耀斑和太阳风等的出现与地球表面灾害的出现有密切关系。b地球内动力作用;b=(b
18、1,b2,bn)地球内动力作用主要表现为断裂活动、地震和火山爆发等。c地球表层外动力作用;c=(c1,c2,cn)地球表层外动力作用如降雨、渗流、冲刷、侵蚀、风化、植物根劈、风暴、温度、干燥和冻融作用等。d人类社会工程经济活动作用。d=(d1,d2,dn)3.5.3 动力预警方法 动力预警是一种考虑地质体在降雨过程中地气耦合作用下研究对象自身动力变化过程而建立预警判据方程的方法,实质上是一种解析方法。该方法主要依据降雨前、降雨过程中和降雨后降水入渗在斜坡体内的动力转化机制,具体描述整个过程斜坡体内地下水动力作用变化与斜坡体状态及其稳定性的对应关系。通过钻孔监测地水位动态、孔隙水压力和斜坡应力位
19、移等,揭示降雨前、降雨过程中和降雨后斜坡体内地下水的实时动态响应变化规律、整个坡体物理性状变化及其变形破坏过程的关系。在充分考虑含水量、基质吸力、孔隙水压力、渗透水压力、饱水带形成和滑坡泥石流转化因素条件下,选用数学物理方程研究解析斜坡体内地下水动力场变化规律与斜坡稳定性的关系,确定多参数的预警阈值,从而实现地质灾害的实时动力预警。动力方法预警的结果是确定性的,可称为第三代预警方法。这种方法尚局限于试验场地或单个滑坡区的研究探索阶段,必须依赖具有实时监测、实时传输和实时数据处理功能的立体监测网(地气耦合)作为支撑才能实现实时预警。由于理论、技术和经费等方面的高要求,这类方法的研究工作尚局限于局
20、部地区,如美国旧金山湾地区和我国四川雅安试验区。未来的方向是探索地质灾害隐式统计、显式统计与动力预警三种模型的联合应用方法,以适应不同层级的地质灾害预警需求。研究内容包括临界雨量统计模型、地质环境因素叠加统计模型和地质体实时变化(水动力、应力、应变、热力场和地磁场等)的数学物理模型等多参数、多模型的耦合。三种模型联合应用不仅适应特别重要的区域或小流域,也为单体地质灾害的动力预警与应急响应提供决策依据。4 基于临界降雨量判据的区域预警实践(隐式系统之一)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
21、质环境条件类似的地区,是一种隐式预警方法,20032007年的国家级预警预报主要是基于这种原理。4.1 预警区域划分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,对以往数据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
22、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;二类如淮河大别山长江圈闭的区域;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(图1)。图1 中国地质灾害区域预警预报区划(一级区7个,二级区28,可以根据需要和资料满足程度细分)4.2 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资
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