地质灾害预警预报技术培训材料.doc

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25°~70°，高差100~400m；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0.5~5m。
（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。
（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）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10～300mm，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10～300mm，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（h1/6）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
Ⅰ
警报级，可能危害特别严重
红
组织公众应急响应
Ⅱ
预报级，可能危害严重
橙
建议公众采取预防措施
Ⅲ
预警级，可能危害较重
黄
发布公众知晓
Ⅳ
预测级，可能危害一般
蓝
科技与管理人员掌握
Ⅴ
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。
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=ƒ（a，b，c，d） （1）
W——预警等级指数；
a——地外天体引力作用；a=ƒ（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=ƒ（b1，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=ƒ（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=ƒ（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，这种方法适用于地质环境条件类似的地区，是一种隐式预警方法，2003~2007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料进行统计分析，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式图（图2）。
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）。
针对具体地区，应检索该区域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。

图2 区域地质灾害临界雨量预报判据模式图
A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）

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。

5 区域预警显式系统设计
地质灾害区域预警系统是一个以系统科学思想为指导，以区域因子显式统计分析作为基本原理，以不同尺度或行政区域预警系统分级应用为目的的一个科学技术体系，是一个涉及地球科学、技术科学、社会人文学与管理科学的系统工程。
5.1 基本认识
在理论上，地质灾害区域预警应区分为随机地质事件预警和随机地质灾害或灾难事件预警，尽管二者都是概率预警或者说可能性大小预警。在实际应用上，尚不能有效地把二者区分为自然事件预警还是灾害风险预警，只能笼统地称为地质灾害区域预警，面向小比例尺信息或大尺度区域预警服务对象时尤其是如此。所以，国家级或大尺度区域地质灾害的预警只能做到警示程度，逐级走向中小尺度的风险预警或决策应用预警。可行的工作机制或许是多级预警系统相互配合与联动，并明确研发引导在上层，预警响应在下（基）层。
地质灾害区域预警系统研发是一个涉及多因素、多层面、多时段和多级空间的系统科学问题。因此，地质灾害显式区域预警系统研究首先需要树立系统工程观。
实现目标的关键是，利用系统工程这种横向技术或“横断科学”,通过持续不断的集成与创新、追踪与努力、应用与检验，逐步建立与完善预警系统中各类要素的作用机制、相互关系、发展趋势与未来结果的定性描述和定量分析方法，从整体性、有序性和动态性等方面建成一个完善的地质灾害区域预警系统。
根据地质灾害区域预警系统分析原理，基于显式统计的地质灾害区域预警系统是一个多种因素互相关联的统一体。无论是全国还是某个区域，预警系统设计就是做一条链子，把各种相关的静态、相对动态和动态变化的因素关联起来，服务于一个共同的目标。地质灾害区域预警系统设计的目标包括预警的空间精度、时间精度和强度精度等参数确定。目标设定要充分考虑现有的人员、装备、信息、工作体制和运行机制的满足程度，同时兼顾实际应用的技术可操作性。另外，在系统设计过程中，也要考虑到参与系统活动的不同背景人员的经验与心理因素及其影响程度。
5.2 系统设计
根据系统工程的霍尔三维结构，即系统工程方法与内容涉及时间维（时间进程）、逻辑维（方法步序）和知识维（科学技术），初步拟定基于显式统计的地质灾害区域预警系统设计工作体系。
5.2.1 系统设计原则
系统设计原则体现为8个方面，包括系统的可靠性、兼容性、科学性、敏感性、通用性、灵活性、扩展性和安全性。
（1）可靠性（reliability）源于使用的数据信息可靠，选用的模型可靠；
（2）兼容性（compatibility）指不同模型、不同数据源、不同比例尺或不同精度数据信息融合或数据同化的方便快捷性；
（3）科学性（scientific feasibility），考虑国内外科学技术研究与应用水平，同时兼顾不同尺度、不同精度减灾服务的科学性、先进性和有效性；
（4）敏感性（sensibility），对关键参数调整或变更的反应；
（5）通用性（practicality），适当调整用于不同平台、不同地域和不同模型的可行性；
（6）灵活性（flexibility），空间多层次，同一层内分模块的替换、拼合及集成（拆分式）的可操作性；
（7）扩展性（expandability），只要具备新的数据信息，就可以对数据、信息、模型和产品等简易地升级换代，方便地更替、编辑和升级；
（8）安全性（security），系统运行、改版、移植与保护操作的安全保障能力。
5.2.2 图层设计
（1）图层设计的基本要素
a.主体要素，根据预警目标区的地质环境要素确定；
b.基本精度，根据获取的数据信息的精度确定；
c.空间区划，根据预警目标的尺度、实际需要和数据信息精度综合确定；
d.预警时间，根据激发因素观测精度与服务能力确定。
（2）分类信息图层
一个完善的预警系统体现为相关因素信息图层的灵活输入与输出，并快速形成需要的产品。
a.基础信息图层设计
b.准静态信息图层设计
c.地质灾害潜势度或敏感度图层输出
d.激发信息图层的输入
e.危险度图层的输出
f.承灾体信息图层的输入
g.危害度图层的输出
5.2.3 系统建模
（1）统计模型比选
根据显式统计区域预警基本原理，针对预警目标区的问题进行模型比选。如多因子迭加的综合指数模型、多元统计分析、信息量、灰色系统、层次分析法、多级模糊数学评判、人工神经网络（ANN）、敏感性分析、蒙特卡罗模拟和概率分析等筛选并互相融合。实际应用时，针对确定地区以2~3种概率统计方法为主，多种数学模型对比研究验证。
（2）模型测辨与参数估计
a.模型结构测辨视预警对象的空间尺度、精度和地质信息的完备程度，选定合适的数学模型，确定相应的方程形式、阶数和变量数，并可以根据新的信息随时变换或调整；
b.参数（系数）估计是通过一定的数学方法或时间序列分析推断数学模型中的未知参数或系数，从而使数学模型具有确定的方程解。
5.2.4 系统运算
（1）图层适配性与运算精度设定
运算单元尺度的选取主要取决于所用图层的精度，并根据预警目标区的空间大小加以控制，违反精度的网格细化是没有意义的，也是一种计算资源浪费。一般而言，一个单元应具有独立的地质灾害预警意义，这也是一种有效性原则。
多个图层的联合迭加运算应考虑不同精度的适配性问题，要研究适配（程）度，并考虑平原区、丘陵区和山区具有不同的适配度。
不同级别行政区域或不同尺度空间区域都涉及信息图层精度的一致性问题，具体应用时可以分大区进行信息归一化，定制模块并根据需要拼接。如国家级或100万平方公里以上区域，地质灾害空间预警精度采用1：100万～1：250万比例尺，预警计算单元控制在100km2，即10km×10km。
（2）分类运算
基础运算是针对给定地区或“典型地质环境单元”，使用基础信息图层进行给定精度下的地质灾害潜势区划单元（地质环境变化的敏感性单元）计算，简称“单元潜势”，用于确定地质灾害“潜势”等级。在此过程中，可以用单元“潜势度”抽样检验“发育度”（对于未调查的空白区），反之，用单元“发育度”验证相应的“潜势度”（对于不同精度的调查区）。
动态运算是在基础运算基础上，充分考虑基础潜势度或敏感度（斜坡稳定性）准确性，迭加准静态信息图层，进行地震区、气候变化区和人类活动区等准周期因素下的一种暂态计算。
预警运算是在基础运算或动态运算基础上，输入新发布的激发信息图层，计算给出一定范围、一定时段“预警计算单元”的危险等级，用“危险度”指数来衡量。
（3）分区运算
分区运算是一个适应不同尺度区域或不同层级管理需要的应用问题，相应的预警研究区域是自然区分级的地质环境分区模块和行政区分级的行政区划分模块。
5.2.5 产品生成与会商
根据近多年来考察研究北京、福建、浙江、湖南、陕南、四川、云南和安徽等地山地丘陵地区的经验，突发性地质灾害一般发生在持续降雨或台风降雨中心区域，而外围则很少发生。崩塌~滑坡~泥石流呈“链式”反应的强烈地质灾害分布区一般出现在50~1000km2范围内。因此，国家级或100×104km2以上地质灾害区域预警计算单元控制在100km2，即10km×10km。
确定预警等级指数或“危险度”标准时，针对不同基础要素的预警区，具体考虑“临界雨量判据”的α、β线（第一代预警系统理论依据）进行校正。
预警会商实质上是分级预警系统的联合行动。预警产品形成后，在必要而可能的情况下，应进行横向会商和纵向会商。
横向会商是指预警单位与同级激发因素发布机构之间的会商，了解对预警产品的看法，特别是了解是否符合激发因素的发展变化趋势，必要时及时修正。如国土与气象、水文、地震和天文等方面的会商。
纵向会商是指上级预警单位与下级预警单位之间的会商，以便使预警产品更有针对性，这种会商必须使用同样的预警系统平台，才能保证具有共同的技术语言，否则只能是参照性会商。纵向会商是多级预警系统相互配合联动工作，适用于不同管理层级和不同预警尺度。
5.2.6 预警校验
预警校验指标包括预警时间、空间与强度三要素，它具体反映同一层级的预警产品达到一定精度的最小激发因素分布区的预警尺度与最小地质灾害预警区域尺度的有机结合。
校验内容包括预警区内地质灾害发生的数量、面积、体积和造成的危害，同时对激发因素实际分布与地质环境状况进行针对性调查分析。
预警校验方法包括遥感判读、现场抽样核查、群众报验和预警专业人员实地调查等多种。预警校验结果是预警系统检验、升级和更新换代的重要依据。
5.2.7 产品评价
预警产品评价包括预警时间、空间与强度三要素的评价与检验，评价标准应针对具体区域的相应层级预警产品具体制定。
（1）时间标准
时间标准是指在确定区域和确定时间段内，计算地质灾害区域预警的时间准确率、漏报率、空报率、预警偏差和预警效率，可以参照气象预警产品评价标准制定。

a.准确率
　　F1= Na/（Na+Nb+Nc） （2）
b.漏报率
F2= Nc/（Na+Nc） （3）
c.空报率
F3= Nb/（Na+Nb） （4）
d.预警偏差
F4=（Na+Nb）/（Na+Nc） （5）
e.预警效率
F5=（Na+Nd）/（Na+Nb+Nc+Nd） （6）
式中：
Na——预警发生地质灾害，实况发生天数；
Nb——预警发生地质灾害，实况未发生天数；
Nc——没有预警地质灾害，实况发生天数；
Nd——没有预警地质灾害，实况未发生天数。
（2）空间标准
空间标准采用地质灾害预警区与地质灾害实况区的空间吻合程度来评价，它实质上是一个激发因素预警区、激发因素实况区、地质灾害预警区和地质灾害实况区四者相关的集合函数关系。因为地质灾害预警产品是根据激发因素预警区制作的，而地质灾害实况区是受激发因素实况区控制的。因此，地质灾害预警区与实况区的空间吻合度可以用集合论之交集来表示（图3），即：
RH= R1∩R2∩H1∩H2 （7）
其中，R= R1∩R2 H= H1∩H2
当且仅当以降雨作为唯一激发因素时，则：
　　R1——降雨预警区（km2）；
　　R2——降雨实况区（km2）；
　　H1——地质灾害预警区（km2）；
H2——地质灾害实况区（km2）；
R——降雨预警与实况区吻合度（%）；
H——地质灾害预警与实况区吻合度（%）；
RH——降雨预警区与实况区和地质灾害预警区与实况区四者的吻合度（%）。
当大气降雨作为唯一激发因素时，RH=H。
H1
H2
R1
R2
RH

图3 地质灾害区域预警空间吻合程度示意图

（3）强度标准
地质灾害预警效果的强度评价标准可采用预警区新发生灾害事件的实况来评价（与该次事件发生前比较或建立对照区）。针对不同等级的预警区，分别计算新发生区域的地质灾害事件频数比、面积模数比、体积模数比和发育度，并注意区分山洪和水土流失造成的固体物质移动面积、厚度等。初始工作时，可设定同一预警级，进行定点单元的抽样检验计算与对比评价。
地质灾害“发育度”是指某地区在预警时段内某种或多种激发因素作用下地质灾害的发育程度，具体指地质灾害的空间发生频率、面积和体积分布几率的综合表现程度，单纯采用三者中的任何一个都不足以反映实际。
（8）
式中，Fi―第i单元的灾害发育度；
Rfi—第i单元新发生灾害与整个预警区灾害的频数比；
Rsi—第i单元新发生灾害与整个预警区灾害的面积模数比；
Rvi—第i单元新发生灾害与整个预警区灾害的体积模数比；
—修正指数，一般取1.5～2.0。
5.2.8 工作程序
地质灾害区域预警研发的工作程序包括需求分析、问题表述、目标设定、系统设计、产品评价、预警决策、应急行动、成本收益分析和系统完善与升级等九个步骤（图4）。
地质灾害区域预警的层级系统可分为行政版和自然版。行政版分为国家、省（自治区）、市（县）级，甚至乡镇级。自然版按服务的对象根据自然地质环境区划考虑，如一个地貌单元或一个水系流域。一个多层级预警系统组成的完整预警体系的实现必需采取集中合作研发，统一使用数理统计分析原理，分级分尺度应用检验与决策服务的技术路线。

预警决策
成本收益分析
需求分析
产品评价
应急行动
目标设定
问题表述
系统设计
系统完善与升级
强度标准
空间标准
时间标准
确定型
风险型
不确定型
应急调查
监测预警e
搬迁避让
应急治理
模型评价
预警等级
模型分析
预警校验

预警会商
图层设计
系统建模
系统运算
预警单元
产品生成
产品发布
关联分析
因素分析

图4 地质灾害区域预警显式统计系统设计与应用程序

按照显式统计设计思想已研发出第二代中国国家级预警系统（CIGEM2.0），2008年汛期正式应用，并在各省级预警平台推广。
根据2007年5月17日降雨预报数据和前期实况雨量数据，采用显式统计的预警模型计算研究区内各网格单元的预警指数T，将T分别按(-5，1)、[0.5，2)、[2，3)、[3，4)分为4个级别，得到最终的地质灾害预警预报图（图6）。同时，根据5月18日反馈的具有一定损失地质灾害（图5、6中“★”所示）的实际发生情况对比，绝大多数地质灾害点落在了预警区范围内，较好的预测了地质灾害的发生情况。在保证一定准确率的情况下，显式统计预警区面积比隐式统计预警区面积减少了36.1％（表2），可见，显式统计预警方法具有较高的空间预警精度。对比图5和图6可见，显式统计预警模型的预警结果具有如下特点：
（1）预警空间范围显著减小，有助于节约防灾减灾成本
显式预警产品是通过网格剖分（10km×10km）进行计算获得的，预警结果是以网格尺寸为最小单元，理论上可预警到100km2，从而使得预警结果更加精细，并缩小了盲目预警区域。试算证明，在中央电视台发布的4级以上显式预警区面积比以前的隐式预警产品（第一代）减少75%。

预警等级
隐式统计（第二代系统）
显式统计（第一代系统）
说 明
预警区面积（km2）
预警区面积（km2）
显式比隐式预警区面积
减少百分比（％）
3
80834.8
77031.6
4.7
4
57665.6
10480.0
81.8
5
6885.5
5426.4
21.2
4-5
64551.1
15906.4
75.3
表2 显式统计预警与隐式统计预警的空间精度比较

图5 临界雨量方法（隐式统计）预警区 图6 基于显式统计回归模型模拟预警区

（2）预警结果更加准确，可以更充分地反映地质环境实际状况
预警结果中，较高预警等级的区域可能是由于以下几种情况导致的：较高的地质灾害潜势度或较大的预报雨量或较大的前期累计雨量，或者三者同时较高。如浙江的西南与福建北部交界地区，预报雨量仅为25-50mm，但由于其前期累计雨量较大，因此也具有较高的预警等级，这一点在图5中体现的不明显，也就造成了该地区的漏报。

参考文献（略）
作者简介：刘传正，1961年生，男，博士，研究员，中国地质环境监测院副总工程师，国家减灾委员会专家等。在国内外公开发表论文90余篇，出版专著4部，合著6部。
通讯地址：100081，北京市海淀区大慧寺路20号，Tel:[phone]（O），Fax:[phone]，E-mail:liucz@

国家级地质灾害气象预警预报技术方法
唐 灿
（中国地质环境监测院）
1 引言
我国是世界上地质灾害发生频率最高、危害最严重的国家之一。近年来,地质灾害每年都造成约一千人死亡、近百亿元财产损失，严重制约着地质灾害多发地区的经济发展，威胁着人民的生命和财产安全。我国突发性地质灾害的分类统计表明，降雨诱发者（主要是滑坡、崩塌、泥石流）占总发生量的65％。为了有效减轻突发性地质灾害所造成的人员伤亡和财产损失。国土资源部和中国气象局于2003年4月7日签订了《国土资源部和中国气象局联合开展地质灾害气象预报预警工作协议》。《协议》规定，从2003年开始，每年汛期(5-9月)由国土资源部和中国气象局共同开展全国地质灾害气象预警预报工作，并以两部门联合发文的形式向省（自治区、直辖市）、地（市）、县（市）推进此项工作。国家级地质灾害气象预警预报工作由中国地质环境监测院和国家气象中心联合承担。
2003年，全国有16个省（区、市）也陆续开展了地质灾害气象预警预报工作。到2004年，全国30个省（区、市）全部开展了地质灾害气象预警预报工作（上海市由