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李長(cháng)江：建立泥石流預報預警系統的思考與嘗試
應把減災工作重點(diǎn)放在災前而不是災后，最大限度地減少人員傷亡，這是政府部門(mén)和專(zhuān)家的共同責任。筆者認為，建立泥石流預報預警系統與群測群防結合的防災體系是減少人員傷亡的一個(gè)有效途徑。
2010年5月以來(lái)，我國四川、甘肅、重慶、云南、貴州、江西、浙江、福建、廣東等?。ㄊ校┫嗬^遭受暴雨災害，并引發(fā)許多滑坡、泥石流，造成嚴重的人員傷亡。特別是8月7日午夜，甘肅舟曲縣東北部暴雨引發(fā)特大泥石流，造成1364人死亡，401人失蹤。
據有關(guān)方面報道：截至2009年，全國共發(fā)現地質(zhì)災害隱患點(diǎn)20萬(wàn)處，其中至少還有1.6萬(wàn)個(gè)與舟曲類(lèi)似的特大型和大型地質(zhì)災害隱患點(diǎn)，威脅數千萬(wàn)人民群眾的生命安全。有專(zhuān)家認為，全國有兩萬(wàn)多條泥石流溝，現有的認識水平和技術(shù)水平還無(wú)法預測泥石流；也有人認為，由于工作程度不夠，難以將所有隱患點(diǎn)都排查出來(lái)，今年發(fā)生的地質(zhì)災害有1/3發(fā)生在監控點(diǎn)以外。
全球大多數丘陵和山區幾乎每年都會(huì )發(fā)生大大小小的泥石流。在各種自然因素引發(fā)的各類(lèi)地質(zhì)災害中，以降雨引發(fā)的泥石流造成的災害最嚴重。
降雨引發(fā)的泥石流，是水與地層巖石、斷裂構造、地形地貌、植被土壤等環(huán)境因素共同作用的結果。在丘陵和山區，泥石流往往具有群發(fā)性，一次強降雨可以引起數十，甚至上百處泥石流，其發(fā)生概率是隨著(zhù)地層巖石、地形地貌等不同而變化。難以事先對所有地點(diǎn)都安放某種裝置進(jìn)行監測，或者進(jìn)行治理、搬遷。
面對頻繁發(fā)生的泥石流災害，面對已發(fā)現的數十萬(wàn)處隱患點(diǎn)和許多未知的泥石流（滑坡）潛在點(diǎn)，我們能做些什么？如何盡可能把減災工作的重點(diǎn)放在災害前而不是災害發(fā)生之后，最大限度地減少人員傷亡？這是政府部門(mén)和專(zhuān)家共同的責任。
筆者認為，建立泥石流預報預警系統與群測群防結合的防災體系是減少人員傷亡的一個(gè)有效途徑，本文將對此作簡(jiǎn)要的討論。
導致泥石流發(fā)生的主要因素
影響泥石流發(fā)生的因素可以分為環(huán)境因素和觸發(fā)因素。前者決定著(zhù)一個(gè)地方的泥石流易發(fā)程度（對觸發(fā)因素的敏感度），主要包括地層巖性、斷裂構造、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，巖屑、石塊等松散固體物質(zhì)和水的混合體，是在重力作用下沿著(zhù)溝床或坡面向下運動(dòng)的特殊流體，它的形成必須同時(shí)具備三項條件，一是大量的固體碎屑物，為形成泥石流提供碎屑來(lái)源；二是地形，斜坡坡度與溝谷形態(tài)使溝谷上方及兩側的松散層易于發(fā)生運動(dòng)或處于穩定狀態(tài)邊緣，并制約著(zhù)泥石流運動(dòng)的速率和距離；三是水源，水主要源于強雨、冰雪融化、水庫潰決等。
形成泥石流的松散固體物質(zhì)通常來(lái)自溝谷上方及兩側的松散層，如殘積、坡積、崩積和人工堆積物等，以及斜坡上的易滑巖層，如軟巖石或軟硬相間的巖層、破碎巖層、風(fēng)化層等。
泥石流和滑坡（土體和巖體滑動(dòng)）、崩塌往往具有相互聯(lián)系，往往發(fā)生在相同的地質(zhì)環(huán)境條件下，有著(zhù)相同的觸發(fā)因素和相似的前兆。容易產(chǎn)生滑坡、崩塌的地帶往往也是泥石流的易發(fā)區，許多泥石流也是由滑坡或崩塌提供松散固體物質(zhì)。
降雨引發(fā)的泥石流難以精確預測預報
與許多自然災害的預報一樣，目前對降雨引發(fā)的泥石流難以精確預測。
因為只有在地質(zhì)、地形、地貌等環(huán)境因素滿(mǎn)足一定條件的地方，降雨才會(huì )引發(fā)泥石流。如果把泥石流的發(fā)生過(guò)程看作一個(gè)系統，降雨和地質(zhì)、地形、地貌等因素做為對它的輸入，泥石流發(fā)生概率作為其輸出，則輸入與輸出之間的關(guān)系是非線(xiàn)性的。對于這種復雜的非線(xiàn)性問(wèn)題，傳統的統計學(xué)方法和基于物理的確定性模型都不大適用。
巖土體、地形、地貌具有各種尺度的不均勻性，無(wú)論怎樣提高地質(zhì)災害調查的工作程度，無(wú)論采用什么方法測試巖土體的力學(xué)和水文學(xué)性質(zhì)，對于降雨、泥石流和/或滑坡這樣的復雜非線(xiàn)性系統都是一種有限的觀(guān)測，所獲得的數據（信息）總是不完善的。
無(wú)論是數值天氣預報模式的水平分辨率還是雨量監測站的密度，現在都還難以準確捕捉強降雨單元的時(shí)空分布和變化，降雨預報和雨量監測的空間分辨率通常都遠大于實(shí)際泥石流的線(xiàn)性尺度。
然而，采用概率的方式，對在給定降雨條件下一個(gè)區域內任一地方在給定時(shí)段的泥石流發(fā)生概率進(jìn)行預報則是可行的。這就涉及兩個(gè)基本問(wèn)題：一是能否以及可以在何種程度上通過(guò)有限觀(guān)測獲得的不完善數據（信息）對泥石流發(fā)生的時(shí)空概率進(jìn)行預報；二是如何在當前的區域降雨預報和實(shí)時(shí)降雨監測條件下，綜合利用地質(zhì)、地形和地貌等數據細化對泥石流預報的空間分辨率。解決這些問(wèn)題，需要新的思路、理論和方法。
基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和地理信息系統的泥石流預報系統
影響泥石流發(fā)生的各種環(huán)境因素的分布通常極不均勻，在空間上的分布是變化的，但在時(shí)間上的變化很小或非常緩慢，一般在短時(shí)間內很少發(fā)生改變或基本保持不變，而作為泥石流引發(fā)因素的降雨，其強度和歷時(shí)分布在時(shí)間和空間上均具變化性。
在一個(gè)降雨可能引發(fā)泥石流的地方，只有當降雨量達到某個(gè)值時(shí)才會(huì )引起泥石流，當降雨量小于這個(gè)值時(shí)，不會(huì )有泥石流發(fā)生，這個(gè)值被稱(chēng)為最小閾值；當降雨量大于某個(gè)值時(shí)總會(huì )有泥石流發(fā)生，這個(gè)值被稱(chēng)為最大閾值。當降雨量值在最小閾值和最大閾值之間時(shí)，該處發(fā)生泥石流的可能性，我們稱(chēng)之為泥石流發(fā)生的概率，其值介于0和1之間。由于地層巖性、地形地貌等因素在空間上是變化的，由此導致了在有的地方引發(fā)泥石流所需要的降雨量較小，而另一些地方則很大，因此泥石流發(fā)生的概率在不同的地方往往不同。
對一個(gè)降雨可能引發(fā)泥石流的區域，要預報未來(lái)某個(gè)時(shí)間段（如24小時(shí)）泥石流發(fā)生概率，需要考慮的降雨影響包括兩個(gè)部分：一是在這個(gè)時(shí)間段內將會(huì )降下的雨量（即預報降雨量），二是在這個(gè)時(shí)間段之前的某個(gè)時(shí)段內的累積降雨（也稱(chēng)前期降雨），由于地表徑流和蒸發(fā)等作用，一場(chǎng)降雨的影響會(huì )隨時(shí)間減小，對前期降雨扣除地表徑流和蒸發(fā)等損失后，對泥石流發(fā)生具有影響的這部分降雨稱(chēng)為有效前期降雨量。
將一個(gè)預報區域劃分成網(wǎng)格單元，可以把網(wǎng)格內部看做近似均勻，而網(wǎng)格之間在地層巖性、地形地貌、植被土壤等方面是變化的。對降雨引發(fā)的泥石流預報來(lái)說(shuō)，當預報降雨量與有效前期降雨量的總和大于某一網(wǎng)格單元泥石流的最大降雨閾值時(shí)，可認為該網(wǎng)格將發(fā)生泥石流（以1表示）。當預報降雨量與有效前期降雨量之和小于泥石流的最小降雨閾值時(shí)，則認為不會(huì )發(fā)生泥石流（以0表示）；當預報降雨量與有效前期降雨量的總和介于最大降雨閾值與最小降雨閾值之間時(shí)，泥石流發(fā)生概率介于0和1之間。于是，就可以在降雨、環(huán)境因素（地層巖性、斷裂構造、地形地貌、植被土壤、土地利用等）和泥石流發(fā)生的可能性之間建立一種條件概率關(guān)系，這就是在給定降雨條件下，對降雨引發(fā)泥石流進(jìn)行時(shí)空概率預報的理論基礎。
根據這個(gè)條件概率關(guān)系，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，并與地理信息系統結合，通過(guò)對已知樣本（泥石流、降雨和環(huán)境數據）的訓練和學(xué)習，建立對降雨引發(fā)泥石流的時(shí)間和空間概率預報模型，就能夠在當前的區域降雨預報和降雨監測條件下，細化對泥石流預報的空間分辨率，實(shí)現對給定降雨條件下一個(gè)區域內任一地方在給定時(shí)段泥石流發(fā)生概率的預報。這樣的模型也稱(chēng)為數據驅動(dòng)的預報模型。對于全國大部分泥石流災害嚴重的丘陵山區，如果采用1公里×1公里網(wǎng)格單元建立預報系統，模型所需要的地層巖性、斷裂構造、地形坡度、降雨等主要參數目前都是可以獲得的。
我國自行研制的區域中尺度數值模式預報業(yè)務(wù)系統(GRAPES-Meso)的水平分辨率已達15公里。迄今為止，有150部新一代天氣雷達投入業(yè)務(wù)運行，建成27000個(gè)中小尺度加密自動(dòng)氣象（雨量）站。此外，我國水文等其他部門(mén)也建有許多雨量站，截至2008年，由水利部負責的雨量站就有14602處（在發(fā)生舟曲特大泥石流的甘肅省有區域氣象站點(diǎn)近400個(gè)，另有甘肅省水文水資源勘測局管理的雨量站330處）。
我國現有可獲取的基礎地學(xué)數據和相關(guān)資料情況如下：截至2007年，我國已實(shí)現了陸域中比例尺區域地質(zhì)調查的全面覆蓋，其中絕大部分為1999年以前完成的1∶20萬(wàn)區域地質(zhì)填圖，少部分為1999年之后完成的1∶25萬(wàn)區域地質(zhì)填圖，相應的區域地質(zhì)圖數據庫已基本建成。由此可以獲得中比例尺的區域地層巖性、斷裂構造等信息。
我國已完成全國1∶25萬(wàn)DEM（數字高程）和80%區域1∶5萬(wàn)DEM以及局部地區1∶1萬(wàn)DEM。此外，現在已可獲取空間分辨率在1米以下的衛星遙感影像數據（如Quickbird衛星的全色影像分辨率0.62米，多光譜影像分辨率2.44米，Worldview-2衛星的全色影像分辨率0.45米，多光譜影像分辨率0.45～0.77米），對丘陵山區，利用高分辨率衛星的立體影像對數據已能夠方便生成滿(mǎn)足精度要求的1∶1萬(wàn)～1∶5萬(wàn)DEM數據。因此，對全國泥石流危害嚴重的丘陵山區，可以獲得按25米×25米至100米×100米網(wǎng)格平均的地形（坡度、溝谷等）信息。
從1999年開(kāi)始，國土資源部在全國地質(zhì)災害嚴重的縣（市）部署開(kāi)展地質(zhì)災害調查與區劃工作，在此10年間已完成1640個(gè)丘陵山區縣（市）的地質(zhì)災害調查，調查區面積達650萬(wàn)平方公里，基本覆蓋了我國丘陵山區，發(fā)現20萬(wàn)處地質(zhì)災害隱患點(diǎn)，積累了大量的泥石流、滑坡等數據，可用于建立上述的數據驅動(dòng)的預報模型。
我國于2000年完成的第五次人口普查數據已涵蓋行政村一級的人口和房屋分布，在東部地區甚至涵蓋了自然村一級的人口和房屋分布。在地理信息系統中，可以很方便地將丘陵山區的人口和房屋分布與泥石流高易發(fā)地段的分布相關(guān)聯(lián)，使得對泥石流危險性的評價(jià)更有針對性。
基于上述資料和數據，利用現有的技術(shù)，對全國大多數泥石流災害嚴重的丘陵山區，基本可以按1公里×1公里網(wǎng)格單元識別和定位泥石流高易發(fā)、高危害地段，并且在當前的區域降雨預報水平以及降雨監測條件下，建立預報系統，實(shí)現以區域降雨預報和雨量監測數據為輸入變量的、實(shí)時(shí)的泥石流概率預報，切實(shí)提高對泥石流災害的防范能力，最大限度減少人員傷亡。
滑坡泥石流預報系統在浙江的應用
浙江省地理位置獨特，地質(zhì)、地形和氣候背景復雜，是我國降雨引發(fā)滑坡、泥石流最頻繁的地區之一。這里人口稠密，土地緊缺，城鎮和新農村建設、經(jīng)濟開(kāi)發(fā)不斷向丘陵山區擴展，降雨引發(fā)的滑坡泥石流對人民生命和經(jīng)濟的危害極大。
2002年，我們采用一種基于自組織系統的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )aiNet，將其與GIS結合研制了滑坡泥石流概率預報模型（aiNet-GISPSRIL）。
作為aiNet-GISPSRIL的一個(gè)應用示范，浙江省建立的業(yè)務(wù)化運行系統從2003年7月以來(lái)，一直被浙江省國土資源廳和浙江省氣象局應用于汛期的降雨—滑坡（泥石流）預報工作，實(shí)現了以區域降雨預報和雨量監測數據作為輸入變量，按1公里×1公里網(wǎng)格單元(地質(zhì)、地形等因素)提供24小時(shí)滑坡泥石流概率預報；在臺風(fēng)暴雨期間，則根據雨情變化，每2～3小時(shí)發(fā)布一次預報。從輸入降雨預報和雨量監測數據到給出滑坡泥石流預報，系統的運行時(shí)間不超過(guò)15分鐘。所形成的預報圖和預報通知可在第一時(shí)間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、電視臺和手機短信系統發(fā)布，為可能處于危險地帶的人們及時(shí)提供警示。
從近7年的應用來(lái)看，aiNet-GISPSRIL預報系統的作用主要體現在三個(gè)方面：一是能夠根據雨情變化，對浙江全省區域按1公里×1公里網(wǎng)格單元，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地指示出滑坡、泥石流的高易發(fā)地段，這顯著(zhù)提高了人們對降雨引發(fā)滑坡、泥石流災害的早期發(fā)現與防范能力，警示危險區的居民在第一時(shí)間撤離到安全地帶；二是提高了政府部門(mén)對地質(zhì)災害預防工作的科學(xué)技術(shù)水平，減少了盲目性；三是使地質(zhì)災害野外調查的目的、重點(diǎn)、任務(wù)更加明確，調查的內容更有針對性，滿(mǎn)足預防和減災的需要。
經(jīng)實(shí)地查證，在2003年至2009年期間，浙江區域共發(fā)生可驗證的滑坡、泥石流633處，其中411處在預報的時(shí)間內發(fā)生并與預報有滑坡、泥石流的網(wǎng)格（1公里×1公里）單元吻合，預報成功率為65%，使許多人避免了傷亡。今年已成功預報5起滑坡、泥石流，使44人避免傷亡（據浙江省國土資源廳地質(zhì)環(huán)境處報告）。
目前，在浙江省已基本形成了一套自上而下的群專(zhuān)結合的滑坡、泥石流災害防范機制。1.應用aiNet-GISPSRIL系統，在汛期根據雨情變化實(shí)時(shí)發(fā)布預報或警報；2.制定省、市、縣、鄉（鎮）、村五級防災責任制，落實(shí)各級地質(zhì)災害防災預案，處于可能危險地帶的地質(zhì)災害群測群防監測員，在滑坡泥石流預報預警信息的指引下，結合當地雨情，隨時(shí)密切地關(guān)注著(zhù)隱患點(diǎn)的變化；3.針對滑坡、泥石流災害隱患點(diǎn)，為當地民眾制定避險圖（“逃生地圖”），標示出危險區域范圍和安全撤離路線(xiàn)。
展望
通過(guò)幾年的實(shí)際應用表明，aiNet-GISPSRIL系統對及時(shí)指導預防滑坡、泥石流災害是十分有用的，然而，它也存在一些不確定性。這種不確定性主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：一是許多淺層滑坡和泥石流與作為物源的斜坡（溝谷）上覆第四紀松散堆積層的類(lèi)型和厚度分布密切相關(guān)，然而目前缺乏這方面的詳細資料?；A數據中的缺陷或不足導致了預報模型的不確定性。二是對于在時(shí)空上變化很快的降雨分布，特別是在山區暴雨分布變化十分迅速的情況下，目前區域降雨預報和雨量監測網(wǎng)絡(luò )的時(shí)空分辨率都顯得很不夠，難以提供準確的實(shí)時(shí)降雨信息。當具有不確定性的降雨預報和雨量監測數據被輸入預報系統時(shí)，必然會(huì )使預報結果出現誤差。
然而，隨著(zhù)下面兩個(gè)方面工作的進(jìn)展，對降雨引發(fā)滑坡、泥石流預報的精度和準確度會(huì )得到進(jìn)一步改進(jìn)。一是多普勒雷達作為一種新型的氣象預報工具在我國的應用正在迅速擴展，許多地區的多普勒天氣雷達已建成并投入使用，基于多普勒雷達等技術(shù)的短時(shí)臨近預報預警業(yè)務(wù)系統得到顯著(zhù)發(fā)展。通過(guò)多部雷達拼圖和探測資料的時(shí)空同化，并經(jīng)統一的質(zhì)量控制可以獲得覆蓋較大區域的實(shí)時(shí)雷達拼圖數據，由此資料能夠快速提供分辨率達1公里的降水監測數據。二是目前已可方便獲取空間分辨率在1米以下的衛星遙感影像數據。對丘陵山區，利用高分辨率衛星的立體影像對數據已能夠方便生成滿(mǎn)足精度要求的1∶1萬(wàn)～1∶5萬(wàn)DEM數據。應用高分辨率衛星影像數據，結合1∶1萬(wàn)～1∶5萬(wàn)DEM數據，基本能夠滿(mǎn)足對丘陵山區第四紀詳細填圖和精細地貌分析的需要。國家有關(guān)部門(mén)應考慮，盡快部署開(kāi)展基于高分辨率遙感和數字地形分析技術(shù)的丘陵山區第四紀地質(zhì)填圖工作（除了為滑坡、泥石流預報提供數據外，丘陵山區第四紀地質(zhì)圖也是國民經(jīng)濟建設中一個(gè)十分重要的基礎資料）。
進(jìn)一步推廣aiNet-GISPSRIL的應用，建設多級的滑坡、泥石流預報預警網(wǎng)絡(luò )系統，形成預報預警工作在滑坡、泥石流高易發(fā)省、地（市）、縣的有序布局，并通過(guò)信息、智能化技術(shù)的集成應用，建設能夠實(shí)時(shí)、自動(dòng)傳輸，集區域預報、點(diǎn)上監測預警、野外巡查與現場(chǎng)信息反饋、指揮中心處置與資訊發(fā)布等功能為一體的應急避險保障系統，必將顯著(zhù)提高人們對降雨引發(fā)滑坡、泥石流災害的早期發(fā)現與防范能力。
滑坡、泥石流預報系統的預報成功或者失敗，都不僅僅是預報理論與技術(shù)的應用問(wèn)題，其中也涉及是否對危險區進(jìn)行監控，以及處于危險區的政府有關(guān)人員和居民是否能及時(shí)得到預警信息和及時(shí)采取撤離行動(dòng)等。許多事實(shí)表明，在滑坡、泥石流的罹難者中，許多都未能及時(shí)得到警告。因此，把對滑坡、泥石流災害預報預警信息的發(fā)布、接收、應急指揮、動(dòng)員撤離與救援，以及對國民的地質(zhì)災害防護教育、逃生訓練等工作納入法制程序，也是滑坡、泥石流減災工作中一項必不可少的重要內容。
盡管aiNet-GISPSRIL在浙江應用取得了比較好的減災效果，但是各省的情況存在差異，這種模型是否適用，還有待于實(shí)際應用檢驗或改進(jìn)。我們相信，通過(guò)政府部門(mén)和專(zhuān)家的共同努力，把應對降雨引發(fā)泥石流災害工作的重點(diǎn)放在災害之前，積極采取科學(xué)的防范措施，而不僅僅是災害發(fā)生之后的原因與機理分析，一定能夠最大限度地減少人員傷亡，避免舟曲群死群傷災難事件的重演。
（作者系浙江省國土資源廳信息中心教授級高級工程師）
《科學(xué)時(shí)報》 (2010-9-28 A3 觀(guān)察)
