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李长江:建立泥石流预报预警系统的思考与尝试

2010-9-28 09:10 来源: 科学时报
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  应把减灾工作重点放在灾前而不是灾后,最大限度地减少人员伤亡,这是政府部门和专家的共同责任。笔者认为,建立泥石流预报预警系统与群测群防结合的防灾体系是减少人员伤亡的一个有效途径。

  2010年5月以来,我国四川、甘肃、重庆、云南、贵州、江西、浙江、福建、广东等省(市)相继遭受暴雨灾害,并引发许多滑坡、泥石流,造成严重的人员伤亡。特别是8月7日午夜,甘肃舟曲县东北部暴雨引发特大泥石流,造成1364人死亡,401人失踪。

  据有关方面报道:截至2009年,全国共发现地质灾害隐患点20万处,其中至少还有1.6万个与舟曲类似的特大型和大型地质灾害隐患点,威胁数千万人民群众的生命安全。有专家认为,全国有两万多条泥石流沟,现有的认识水平和技术水平还无法预测泥石流;也有人认为,由于工作程度不够,难以将所有隐患点都排查出来,今年发生的地质灾害有1/3发生在监控点以外。

  全球大多数丘陵和山区几乎每年都会发生大大小小的泥石流。在各种自然因素引发的各类地质灾害中,以降雨引发的泥石流造成的灾害最严重。

  降雨引发的泥石流,是水与地层岩石、断裂构造、地形地貌、植被土壤等环境因素共同作用的结果。在丘陵和山区,泥石流往往具有群发性,一次强降雨可以引起数十,甚至上百处泥石流,其发生概率是随着地层岩石、地形地貌等不同而变化。难以事先对所有地点都安放某种装置进行监测,或者进行治理、搬迁。

  面对频繁发生的泥石流灾害,面对已发现的数十万处隐患点和许多未知的泥石流(滑坡)潜在点,我们能做些什么?如何尽可能把减灾工作的重点放在灾害前而不是灾害发生之后,最大限度地减少人员伤亡?这是政府部门和专家共同的责任。

  笔者认为,建立泥石流预报预警系统与群测群防结合的防灾体系是减少人员伤亡的一个有效途径,本文将对此作简要的讨论。


导致泥石流发生的主要因素

  影响泥石流发生的因素可以分为环境因素和触发因素。前者决定着一个地方的泥石流易发程度(对触发因素的敏感度),主要包括地层岩性、断裂构造、地形地貌、植被土壤、土地利用等;后者主要是降雨、快速融雪等。泥石流是沙石、泥土,岩屑、石块等松散固体物质和水的混合体,是在重力作用下沿着沟床或坡面向下运动的特殊流体,它的形成必须同时具备三项条件,一是大量的固体碎屑物,为形成泥石流提供碎屑来源;二是地形,斜坡坡度与沟谷形态使沟谷上方及两侧的松散层易于发生运动或处于稳定状态边缘,并制约着泥石流运动的速率和距离;三是水源,水主要源于强雨、冰雪融化、水库溃决等。

  形成泥石流的松散固体物质通常来自沟谷上方及两侧的松散层,如残积、坡积、崩积和人工堆积物等,以及斜坡上的易滑岩层,如软岩石或软硬相间的岩层、破碎岩层、风化层等。

  泥石流和滑坡(土体和岩体滑动)、崩塌往往具有相互联系,往往发生在相同的地质环境条件下,有着相同的触发因素和相似的前兆。容易产生滑坡、崩塌的地带往往也是泥石流的易发区,许多泥石流也是由滑坡或崩塌提供松散固体物质。


降雨引发的泥石流难以预测预报

  与许多自然灾害的预报一样,目前对降雨引发的泥石流难以精确预测。

  因为只有在地质、地形、地貌等环境因素满足一定条件的地方,降雨才会引发泥石流。如果把泥石流的发生过程看作一个系统,降雨和地质、地形、地貌等因素做为对它的输入,泥石流发生概率作为其输出,则输入与输出之间的关系是非线性的。对于这种复杂的非线性问题,传统的统计学方法和基于物理的确定性模型都不大适用。

  岩土体、地形、地貌具有各种尺度的不均匀性,无论怎样提高地质灾害调查的工作程度,无论采用什么方法测试岩土体的力学和水文学性质,对于降雨、泥石流和/或滑坡这样的复杂非线性系统都是一种有限的观测,所获得的数据(信息)总是不完善的。

  无论是数值天气预报模式的水平分辨率还是雨量监测站的密度,现在都还难以准确捕捉强降雨单元的时空分布和变化,降雨预报和雨量监测的空间分辨率通常都远大于实际泥石流的线性尺度。

  然而,采用概率的方式,对在给定降雨条件下一个区域内任一地方在给定时段的泥石流发生概率进行预报则是可行的。这就涉及两个基本问题:一是能否以及可以在何种程度上通过有限观测获得的不完善数据(信息)对泥石流发生的时空概率进行预报;二是如何在当前的区域降雨预报和实时降雨监测条件下,综合利用地质、地形和地貌等数据细化对泥石流预报的空间分辨率。解决这些问题,需要新的思路、理论和方法。


基于人工神经网络和地理信息系统的泥石流预报系统

  影响泥石流发生的各种环境因素的分布通常极不均匀,在空间上的分布是变化的,但在时间上的变化很小或非常缓慢,一般在短时间内很少发生改变或基本保持不变,而作为泥石流引发因素的降雨,其强度和历时分布在时间和空间上均具变化性。

  在一个降雨可能引发泥石流的地方,只有当降雨量达到某个值时才会引起泥石流,当降雨量小于这个值时,不会有泥石流发生,这个值被称为最小阈值;当降雨量大于某个值时总会有泥石流发生,这个值被称为最大阈值。当降雨量值在最小阈值和最大阈值之间时,该处发生泥石流的可能性,我们称之为泥石流发生的概率,其值介于0和1之间。由于地层岩性、地形地貌等因素在空间上是变化的,由此导致了在有的地方引发泥石流所需要的降雨量较小,而另一些地方则很大,因此泥石流发生的概率在不同的地方往往不同。

  对一个降雨可能引发泥石流的区域,要预报未来某个时间段(如24小时)泥石流发生概率,需要考虑的降雨影响包括两个部分:一是在这个时间段内将会降下的雨量(即预报降雨量),二是在这个时间段之前的某个时段内的累积降雨(也称前期降雨),由于地表径流和蒸发等作用,一场降雨的影响会随时间减小,对前期降雨扣除地表径流和蒸发等损失后,对泥石流发生具有影响的这部分降雨称为有效前期降雨量。

  将一个预报区域划分成网格单元,可以把网格内部看做近似均匀,而网格之间在地层岩性、地形地貌、植被土壤等方面是变化的。对降雨引发的泥石流预报来说,当预报降雨量与有效前期降雨量的总和大于某一网格单元泥石流的最大降雨阈值时,可认为该网格将发生泥石流(以1表示)。当预报降雨量与有效前期降雨量之和小于泥石流的最小降雨阈值时,则认为不会发生泥石流(以0表示);当预报降雨量与有效前期降雨量的总和介于最大降雨阈值与最小降雨阈值之间时,泥石流发生概率介于0和1之间。于是,就可以在降雨、环境因素(地层岩性、断裂构造、地形地貌、植被土壤、土地利用等)和泥石流发生的可能性之间建立一种条件概率关系,这就是在给定降雨条件下,对降雨引发泥石流进行时空概率预报的理论基础。

  根据这个条件概率关系,采用人工神经网络技术,并与地理信息系统结合,通过对已知样本(泥石流、降雨和环境数据)的训练和学习,建立对降雨引发泥石流的时间和空间概率预报模型,就能够在当前的区域降雨预报和降雨监测条件下,细化对泥石流预报的空间分辨率,实现对给定降雨条件下一个区域内任一地方在给定时段泥石流发生概率的预报。这样的模型也称为数据驱动的预报模型。对于全国大部分泥石流灾害严重的丘陵山区,如果采用1公里×1公里网格单元建立预报系统,模型所需要的地层岩性、断裂构造、地形坡度、降雨等主要参数目前都是可以获得的。

  我国自行研制的区域中尺度数值模式预报业务系统(GRAPES-Meso)的水平分辨率已达15公里。迄今为止,有150部新一代天气雷达投入业务运行,建成27000个中小尺度加密自动气象(雨量)站。此外,我国水文等其他部门也建有许多雨量站,截至2008年,由水利部负责的雨量站就有14602处(在发生舟曲特大泥石流的甘肃省有区域气象站点近400个,另有甘肃省水文水资源勘测局管理的雨量站330处)。

  我国现有可获取的基础地学数据和相关资料情况如下:截至2007年,我国已实现了陆域中比例尺区域地质调查的全面覆盖,其中绝大部分为1999年以前完成的1∶20万区域地质填图,少部分为1999年之后完成的1∶25万区域地质填图,相应的区域地质图数据库已基本建成。由此可以获得中比例尺的区域地层岩性、断裂构造等信息。

  我国已完成全国1∶25万DEM(数字高程)和80%区域1∶5万DEM以及局部地区1∶1万DEM。此外,现在已可获取空间分辨率在1米以下的卫星遥感影像数据(如Quickbird卫星的全色影像分辨率0.62米,多光谱影像分辨率2.44米,Worldview-2卫星的全色影像分辨率0.45米,多光谱影像分辨率0.45~0.77米),对丘陵山区,利用高分辨率卫星的立体影像对数据已能够方便生成满足精度要求的1∶1万~1∶5万DEM数据。因此,对全国泥石流危害严重的丘陵山区,可以获得按25米×25米至100米×100米网格平均的地形(坡度、沟谷等)信息。

  从1999年开始,国土资源部在全国地质灾害严重的县(市)部署开展地质灾害调查与区划工作,在此10年间已完成1640个丘陵山区县(市)的地质灾害调查,调查区面积达650万平方公里,基本覆盖了我国丘陵山区,发现20万处地质灾害隐患点,积累了大量的泥石流、滑坡等数据,可用于建立上述的数据驱动的预报模型。

  我国于2000年完成的第五次人口普查数据已涵盖行政村一级的人口和房屋分布,在东部地区甚至涵盖了自然村一级的人口和房屋分布。在地理信息系统中,可以很方便地将丘陵山区的人口和房屋分布与泥石流高易发地段的分布相关联,使得对泥石流危险性的评价更有针对性。

  基于上述资料和数据,利用现有的技术,对全国大多数泥石流灾害严重的丘陵山区,基本可以按1公里×1公里网格单元识别和定位泥石流高易发、高危害地段,并且在当前的区域降雨预报水平以及降雨监测条件下,建立预报系统,实现以区域降雨预报和雨量监测数据为输入变量的、实时的泥石流概率预报,切实提高对泥石流灾害的防范能力,最大限度减少人员伤亡。


滑坡泥石流预报系统在浙江的应用

  浙江省地理位置独特,地质、地形和气候背景复杂,是我国降雨引发滑坡、泥石流最频繁的地区之一。这里人口稠密,土地紧缺,城镇和新农村建设、经济开发不断向丘陵山区扩展,降雨引发的滑坡泥石流对人民生命和经济的危害极大。

  2002年,我们采用一种基于自组织系统的人工神经网络aiNet,将其与GIS结合研制了滑坡泥石流概率预报模型(aiNet-GISPSRIL)。

  作为aiNet-GISPSRIL的一个应用示范,浙江省建立的业务化运行系统从2003年7月以来,一直被浙江省国土资源厅和浙江省气象局应用于汛期的降雨—滑坡(泥石流)预报工作,实现了以区域降雨预报和雨量监测数据作为输入变量,按1公里×1公里网格单元(地质、地形等因素)提供24小时滑坡泥石流概率预报;在台风暴雨期间,则根据雨情变化,每2~3小时发布一次预报。从输入降雨预报和雨量监测数据到给出滑坡泥石流预报,系统的运行时间不超过15分钟。所形成的预报图和预报通知可在第一时间通过互联网、电视台和手机短信系统发布,为可能处于危险地带的人们及时提供警示。

  从近7年的应用来看,aiNet-GISPSRIL预报系统的作用主要体现在三个方面:一是能够根据雨情变化,对浙江全省区域按1公里×1公里网格单元,实时、动态地指示出滑坡、泥石流的高易发地段,这显著提高了人们对降雨引发滑坡、泥石流灾害的早期发现与防范能力,警示危险区的居民在第一时间撤离到安全地带;二是提高了政府部门对地质灾害预防工作的科学技术水平,减少了盲目性;三是使地质灾害野外调查的目的、重点、任务更加明确,调查的内容更有针对性,满足预防和减灾的需要。

  经实地查证,在2003年至2009年期间,浙江区域共发生可验证的滑坡、泥石流633处,其中411处在预报的时间内发生并与预报有滑坡、泥石流的网格(1公里×1公里)单元吻合,预报成功率为65%,使许多人避免了伤亡。今年已成功预报5起滑坡、泥石流,使44人避免伤亡(据浙江省国土资源厅地质环境处报告)。

  目前,在浙江省已基本形成了一套自上而下的群专结合的滑坡、泥石流灾害防范机制。1.应用aiNet-GISPSRIL系统,在汛期根据雨情变化实时发布预报或警报;2.制定省、市、县、乡(镇)、村五级防灾责任制,落实各级地质灾害防灾预案,处于可能危险地带的地质灾害群测群防监测员,在滑坡泥石流预报预警信息的指引下,结合当地雨情,随时密切地关注着隐患点的变化;3.针对滑坡、泥石流灾害隐患点,为当地民众制定避险图(“逃生地图”),标示出危险区域范围和安全撤离路线。


展望

  通过几年的实际应用表明,aiNet-GISPSRIL系统对及时指导预防滑坡、泥石流灾害是十分有用的,然而,它也存在一些不确定性。这种不确定性主要来自两个方面:一是许多浅层滑坡和泥石流与作为物源的斜坡(沟谷)上覆第四纪松散堆积层的类型和厚度分布密切相关,然而目前缺乏这方面的详细资料。基础数据中的缺陷或不足导致了预报模型的不确定性。二是对于在时空上变化很快的降雨分布,特别是在山区暴雨分布变化十分迅速的情况下,目前区域降雨预报和雨量监测网络的时空分辨率都显得很不够,难以提供准确的实时降雨信息。当具有不确定性的降雨预报和雨量监测数据被输入预报系统时,必然会使预报结果出现误差。

  然而,随着下面两个方面工作的进展,对降雨引发滑坡、泥石流预报的精度和准确度会得到进一步改进。一是多普勒雷达作为一种新型的气象预报工具在我国的应用正在迅速扩展,许多地区的多普勒天气雷达已建成并投入使用,基于多普勒雷达等技术的短时临近预报预警业务系统得到显著发展。通过多部雷达拼图和探测资料的时空同化,并经统一的质量控制可以获得覆盖较大区域的实时雷达拼图数据,由此资料能够快速提供分辨率达1公里的降水监测数据。二是目前已可方便获取空间分辨率在1米以下的卫星遥感影像数据。对丘陵山区,利用高分辨率卫星的立体影像对数据已能够方便生成满足精度要求的1∶1万~1∶5万DEM数据。应用高分辨率卫星影像数据,结合1∶1万~1∶5万DEM数据,基本能够满足对丘陵山区第四纪详细填图和精细地貌分析的需要。国家有关部门应考虑,尽快部署开展基于高分辨率遥感和数字地形分析技术的丘陵山区第四纪地质填图工作(除了为滑坡、泥石流预报提供数据外,丘陵山区第四纪地质图也是国民经济建设中一个十分重要的基础资料)。

  进一步推广aiNet-GISPSRIL的应用,建设多级的滑坡、泥石流预报预警网络系统,形成预报预警工作在滑坡、泥石流高易发省、地(市)、县的有序布局,并通过信息、智能化技术的集成应用,建设能够实时、自动传输,集区域预报、点上监测预警、野外巡查与现场信息反馈、指挥中心处置与资讯发布等功能为一体的应急避险保障系统,必将显著提高人们对降雨引发滑坡、泥石流灾害的早期发现与防范能力。

  滑坡、泥石流预报系统的预报成功或者失败,都不仅仅是预报理论与技术的应用问题,其中也涉及是否对危险区进行监控,以及处于危险区的政府有关人员和居民是否能及时得到预警信息和及时采取撤离行动等。许多事实表明,在滑坡、泥石流的罹难者中,许多都未能及时得到警告。因此,把对滑坡、泥石流灾害预报预警信息的发布、接收、应急指挥、动员撤离与救援,以及对国民的地质灾害防护教育、逃生训练等工作纳入法制程序,也是滑坡、泥石流减灾工作中一项必不可少的重要内容。

  尽管aiNet-GISPSRIL在浙江应用取得了比较好的减灾效果,但是各省的情况存在差异,这种模型是否适用,还有待于实际应用检验或改进。我们相信,通过政府部门和专家的共同努力,把应对降雨引发泥石流灾害工作的重点放在灾害之前,积极采取科学的防范措施,而不仅仅是灾害发生之后的原因与机理分析,一定能够最大限度地减少人员伤亡,避免舟曲群死群伤灾难事件的重演。

本文来源: 科学时报     责任编辑:李长江
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