商城县地质灾害气象预警研究

涂良权，王军强，蒋朝军，彭成，黄凯

(河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，郑州 450018)

我国地质灾害的发生在空间上具有广域性、地域性和局地性,在时间上具有季节性、夜发性和年际变化等特点,这些特点与降雨量分布的关系非常密切[1，2]。降雨是滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的主要激发因子[3，4]。

气象预报预警可有效预警滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害,更好地推动地质灾害防治工作,有效的减轻和避免地质灾害造成的生命和财产安全,实现防灾减灾的目标。

商城县在河南省国土资源厅、河南省财政厅的专项基金支持下开展了地质灾害详细调查，在实地调查的基础上，结合遥感影像解译，开展滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害详细调查与测绘，为减灾防灾提供基础地质依据。地质灾害气象预警是详查工作的重要组成部分，在收集气象、水文资料，调查水文地质条件，分析降水等对滑坡、崩塌、泥石流的影响，进行地质灾害气象预警区划。本文选取商城县为研究区,总结地质灾害气象预警方法,以期为同类地区提供可借鉴的经验。

1 研究区地质灾害发育特征

研究区位于大别山中段北麓,地形南高北低,南部为中低山、低山,中部为丘陵,北部为平缓的河谷阶地及垄岗。

地质灾害主要类型有滑坡、崩塌、泥石流、不稳定斜坡四大类。其中,滑坡58处,主要分布在研究区中部、中南部地区,大多属岩质滑坡；崩塌50处,主要分布在研究区中部、中南部,均为岩质崩塌；53处不稳定斜坡,在研究区广泛分布,多为基岩斜坡,少量土质斜坡；泥石流5条,其中坡面型泥石流3处,沟谷型泥石流2处(表1)。

表1 研究区地质灾害隐患点统计表

2 气象预警方法与等级

2.1 气象预警方法

斜坡岩土体含水量达到某一界限值才可能在一次降雨过程中产生地质灾害,地质灾害气象预警主要基于地质环境要素和气象因素[5]。

(1) 在地质灾害易发程度区划图的基础上,进行地质灾害气象预警分区,同时确定地质灾害气象预警的分级。

(2) 对每个预警区的历史地质灾害事件与降雨过程的相关性进行统计分析,建立各预警区的地质灾害事件与临界过程降雨量的统计关系图,确定地质灾害事件在一定区域爆发的不同降雨过程临界值,作为预警判据。

(3) 当接收到市气象台发来的次日降雨量预报数据和预报雨量等值线图后,对每个预警区迭加分析,根据判据图初步判定发生地质灾害的可能性,从而得出各个地质灾害预警分区的预警等级结果。

2.2 气象预警等级

预报等级划分为5级,1级为可能性很小,2级为可能性较小,3级为可能性较大,4级为可能性大,5级为可能性很大[6，7]。其中, 在预报中3级为注意级,4级为预警级,5级为警报级。结合研究区地质灾害发生的可能性和影响程度,将研究区地质灾害气象预报划分为5个等级(表2)。

3 气象预警区划

地质灾害气象预警分区以研究区地质灾害易发性区划图为基础,以降雨诱发地质灾害作为分区的主导因素,考虑人类工程活动对地质环境干预的方式及强度,定性和定量相结合,根据“区内相似、区间相异”原则把相似的地质环境划入统一区域[8-12]。

表2 研究区地质灾害气象预报等级划分

根据上述区划原则,将研究区分为4个地质灾害预警区(图1)。

Ⅰ级预警区为地质灾害重点预警区,Ⅱ级预警区为地质灾害次重点预警区,Ⅲ级预警区为地质灾害一般预警区,Ⅳ级为地质灾害次一般预警区。Ⅲ级预警区主要为地质灾害发育较少的丘陵、岗地地区；Ⅳ级预警区主要为地势平坦的冲洪积平原,工程地质条件较好,降雨对其影响不大,不易发生地质灾害。Ⅲ、Ⅳ级预警区地质灾害气象预报预警等级一般达不到3级,Ⅲ、Ⅳ级预警区不进行地质灾害气象预警预报,仅对Ⅰ级预警区和Ⅱ级预警区进行预警预报。

图1 研究区地质灾害气象预警区划图

将研究区地质灾害气象预警分区图、地理底图、行政区划图叠加后统计分析,得出研究区地质灾害预警分区表(表3)。

表3 研究区地质灾害预警分区表

4 地质灾害预警判据

4.1 预警判据确定依据

突发性地质灾害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。本次研究工作选定1～30日30个过程降雨量数据进行统计分析,以期建立一个地区诱发突发性地质灾害事件的当日激发雨量和前期过程降雨量两种临界雨量判据(图2)。

研究当地气象资料,结果表明：

(1) 在11 a中,商城县共出现Q1h≥10 mm的强降水152时次,Q1h≥20 mm强降水37时次,年平均Q1h≥10 mm的强降水有14时次,Q1h≥20 mm强降水有2时次。

(2) Q1h≥10 mm发生时次最多的年份是2002年和2008年,均为21时次；最少的是2009年,仅有3时次。Q1h≥20 mm强降水发生次数最多的年份是2002年,为8时次；最少的是2011年,仅有1时次。可见研究区强降水出现时次的年际差异较大,最多年份与最少年份相差7至8倍之多。

(3) Q1h≥10 mm强降水旬分布具有多峰值的特点。7月中旬7月下旬和8月上旬为第一高峰值,在数值比较接近也是全年的最大峰值；6月上旬为全年的次峰值,8月上旬为全年的第三峰值。Q1h≥20 mm单峰特征较明显,7月下旬至8月上旬为其高峰值,强降水频次升至最高。

(4) 淋雨主要出现在9月,10月份也有淋雨和大雨发生。

(5) 研究区大雨日年频次为12左右。

图2 1990～2012年历月平均降雨量分布简图

区内近年发生滑坡和崩塌频次与多年月平均降水量呈明显的正相关关系。研究区166处地质灾害中,其中81处具有调查到比较确定的发生时间,均发生在雨季(2004年8月发生37处,其余灾害发生时间为1990～2012年,主要发生在7月或8月),见下表4。而没有调查到确切发生时间的,根据当地老乡反映,大多数都是发生在雨季。灾害与降雨量以及降雨特征关系密切。

表4 一年中各月份发生灾害个数统计表

4.2 不同降雨过程代表数据

研究区气象局系统对日降雨量Q的预报和统计是按每日20时到次日20时计算,比如,8月3日降雨量是指8月2日20时到8月3日20时产生的降雨量,预警判据亦采用同步记时方式,若地质灾害发生在当日12时以后,基本可对应于1日(当日)过程降雨量t1；若灾害事件发生在20时以后的夜间,则对应于当日和前一日(2日)过程降雨量t2更符合实际[13]。因此,本次工作选定的数据代表性时段为日(24 h),代表性数据记做：

一日过程降雨量Q1=Q(t1),0≤t1≤1

二日过程降雨量Q2=Q(t2),1≤t2≤2

……

二十九日过程降雨量Q29=Q(t29),28≤t29≤29

三十日过程降雨量Q30=Q(t30),29≤t30≤30

4.3 临界和过程降雨量预警判据图模式

为确定各预警区Q1,Q2,Q3,……,Q28,Q29,Q30的预警判据图,首先建立降雨诱发的地质灾害空间数据库及历史降雨量数据库；然后根据各预警区地质灾害的空间与时间分布特征,对同期降雨特征值进行相关查询,反演出历史地质灾害发生的降雨量临界值及前期连续降雨过程临界值初级数据；进而进行统计分析,得出各对应临界过程降雨量的统计值；再按该临界值在本预警区多年出现的频率,结合国家级预警判据及相关资料进行适当调整,以此作为地质灾害气象预警判据基本数据；最后绘制预警判据图(图3)。

图中横坐标为时间t(1≤t≤30日),纵坐标为过程降雨量Q(mm),得出Qα、Qβ两条地质灾害事件发生的临界降雨量曲线。当实况过程降雨量曲线Q(t)位于判据图的不同位置时,可给出不同的预警结果。

(1)Q(t)

(2)Qα≤Q(t)

图3 预警判据模式图

(3)Q(t)≥Qβ时,过程降雨量曲线位于C区,规定预警级别为五级。

4.4 预警区预警判据图

根据计算出的数据,研究区采用短期判据、参考类似地质环境气象条件资料进行比拟,制作出Ⅰ级预警区(图4)和Ⅱ级预警区的预警判据图(图5)。根据计算出的当日的综合有效降雨量,对照Ⅰ、Ⅱ级预警区采用图4和图5地质灾害气象预警判据模式图,可确定Ⅰ、Ⅱ级预警区的预警级别。预警级别作为进行地质灾害气象预警预报、重点地段进行巡查、监测的预判依据,达到事前控制的效果。

图4 研究区Ⅰ级预警区预警判据模式图

图5 研究区Ⅱ级预警区预警判据模式图

5 结语

本文在综合研究河南省国土资源厅、河南省财政厅专项基金项目商城县地质灾害详细调查成果的基础上,以河南省商城县为例,构建了商城县区域地质灾害气象风险预警模型,总结提出了区域地质灾害气象风险预警概化模型及其计算方法。

项目实施后,项目组人员长期关注了商城县发布的气象预警信息,从实际检验结果来看,总体上取得了较好的预报效果。