双鸭山市降雨诱发滑坡灾害气象风险预警模式

双鸭山市降雨诱发滑坡灾害气象风险 预警模式

吕军 1 王荣 1 张永成 1 李光玉 2

1. 双鸭山市气象局 黑龙江 双鸭山 155100

2.佳木斯市气象局 黑龙江 佳木斯 154000

摘要：本研究通过建立双鸭山市滑坡地质灾害数据库，综合分析突发性滑坡灾害的发生、发展及空间分布规律，开展气象条件（主要是暴雨）与滑坡的相关性研究，拟用逻辑回归分析把滑坡地质灾害的发生与当次降雨量和前期土壤含水量相结合构建气象预警模式，以提高其预警准确性。

关键词：滑坡、降雨量、土壤含水量

双鸭山市是黑龙江四大煤城之一，地处黑龙江省东北部，位于完达山北麓，地形地貌、地质构造复杂，地质环境条件较差，市区内煤矿采空塌陷区分布比较广泛，特别是老矿区的塌陷现象十分严重，加之汛期暴雨易引发城市内涝，进而导致滑坡、崩塌、地面塌陷等地质灾害发生。降雨是诱发灾害的主要因素之一，据统计，全国80%以上的地质灾害的发生都直接或间接受降雨影响，这些地质灾害主要包括崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面塌陷等，其中崩塌和滑坡占其总数的90%以上^[1]。地质灾害的发生与当日及前期降雨都有密切联系，在前期降雨充沛的条件下，无论当日降雨量或小或大都可能引发滑坡地质灾害^[2]，陈景武^[3]、文科军^[4]、李铁锋^[5]等众多学者，根据降雨诱发滑坡灾害的现象，运用应用逻辑回归分析与前期降雨量结合定量分析降雨诱发灾害的可能性，对不同的地区进行了大量有意义的研究，探索了降雨诱发滑坡的机理，并且把该机理运用于地质灾害的预警预报工作中，取得了很好的成果^[6-16]。

本研究通过对双鸭山市滑坡地质灾害隐患点的资料收集、勘查，来研究分析在特定气象条件（主要是暴雨）下发生滑坡地质灾害影响因素，建立双鸭山市滑坡地质灾害数据库，综合分析突发性滑坡灾害的发生、发展及空间分布规律，开展气象条件（主要是暴雨）与滑坡的相关性研究，拟用逻辑回归分析把滑坡地质灾害的发生与当次降雨量和降雨前的土壤含水量相结合构建气象预警模型，优化模型权重参数，提高其预警准确度，制作发布滑坡灾害风险气象条件预报预警信息，以期为政府决策提供有效参考，从而达到减灾防灾的目的。

1数据及研究方法

1.1数据来源

本研究的滑坡灾害资料由双鸭山市自然资源局提供，滑坡灾害信息包括地理位置坐标、灾害类型、灾害规模、威胁对象、初次发生时间等；基础降雨资料由双鸭山市气象局观测站提供，降雨资料为2020年1个国家气象站和3个无人自动气象站的小时降雨数据。

本研究对灾害资料的预处理包括整理、核实灾害点的详细信息，检验地理坐标准确性等，对错误信息进行必要的修正。

1.2研究方法

1.2.1线性回归模型

在滑坡地质灾害问题中，由于灾害的影响因子不是连续变量，比较适用于逻辑回归分析来解决这一问题。以各影响因子数据作为自变量，灾害的发生与否作为因变量（0代表灾害不发生，1代表灾害发生）^[17]。设P为灾害发生的概率为因变量，取值范围［0，1］，灾害影响因子集即X_1、X_2、X_3……X_n为自变量，建立回归方程：

P=B₀+B₁X₁+B₂X₂+B₃X₃+…+B_nX_n

1.2.2预警等级设置

为保证预警结论的实用、合理、准确、有效，根据双鸭山市自然资源局调查滑坡地质灾害方式方法，依据滑坡地质灾害易发性概率（D），将存在滑坡地质灾害发生风险气象预警等级分为3级，如下：

①1级预警，1级预警发布黄色预警信号，表示该地区在当前预报雨量情况下很有可能发生滑坡灾害，对预报及政府各部门起提醒作用；

②2级预警，2级预警发布橙色预警信号，表示该地区在当前预报雨量情况下容易发生滑坡灾害，起注意作用，提醒预报人员及各级政府关注降雨动态变化；提醒相关人员和部门及时做好防御措施；

③3级预警。3级预警发布红色预警信号，表示该地区在当前预报雨量情况下极易发生滑坡灾害，起警报作用，提醒相关人员和部门及时做好防御措施。

1.2.3降水概率化

双鸭山市滑坡灾害影响因子分析，特别是对气象条件（降雨量）资料进行了分析整理；

表1 不同降水量级对滑坡灾害发生的贡献率

2.滑坡灾害诱发与降雨量关系

降雨型滑坡是世界上分布最广，发生频率最高的滑坡类型，是滑坡灾害的主要研究对象^[18]。由于降雨自身的规律性、可预测性，地质灾害气象风险预警成为当前防范重大地质灾害的重要手段。在大多数预警评价中，降雨因子较多作为静态因子投入到灾害模型进行评价^[19]，其预警精度较低。通过前人研究可知，滑坡不仅与当日（或当次）降水量密切相关，与前期降雨累计量具有较大的相关性，与滑坡体本身的土壤含水量也具有很大的相关性。由于地表径流，降雨并未进入到坡体的土壤中。进入土壤内部的水量并不等于实际的降雨量，降雨对滑坡的影响则主要是受进入坡体土壤中的水分多少的影响。因此，本研究用土壤含水量代替前期降雨累积量，并通过分析探究滑坡与降雨量和土壤含水量的关系为构建地质灾害风险气象模型。

3.气象预警模型研究

3.1气象预警模式权重系数计算

降雨诱发滑坡灾害气象预警模型D的原理是显式综合气象模型，将滑坡灾害易发性概率与降雨诱发滑坡灾害的概率和土壤相对湿度（土壤含水量）相耦合，来获得本地区滑坡灾害气象风险预警概率值，其公式为：

D=αH+βR

D 滑坡灾害发生的概率 α 土壤相对湿度对滑坡灾害影响系数

β 降雨诱发滑坡灾害权重系数 H土壤相对湿度 R降水贡献率

权重系数决定着模式两概率值对滑坡地质灾害气象风险预警模式的影响大小，对整个模型的研究起着至关重要的作用，α和β分别为两概率值的权重系数，由预报员经长期统计历史数据经验所得，双鸭山地区的滑坡灾害气象预警模型的α，β两参数分别为0.478、0.597。因此，还需要对土壤相对湿度对滑坡灾害影响系数α以及降雨诱发滑坡灾害权重系数β进行进一步优化计算，使逻辑回归模式方程在实际工作中分析研判滑坡地质灾害气象风险预警方面得到更广泛的应用。

3.2气象模式应用

通过以上研究，双鸭山市降雨诱发滑坡灾害气象风险预警模型公式如下：

D=0.478H+0.597R

为确保预警预报模型的合理、准确，本研究选取部分灾害点对模型进行验证。由于D的数值都在0～0.9之间，根据双鸭山市气象预警系统业务习惯，设定滑坡灾害发生概率D在50-80%发布黄色预警信号，在80-90%发布橙色预警信号，超过90%发布红色预警信号。

表2-滑坡预警级别的划分

4.结论

4.1本研究对双鸭山市滑坡地质灾害气象风险预警模型的滑坡灾害易发性概率值与土壤相对湿度对滑坡灾害影响系数和降雨诱发滑坡灾害权重系数的两个权重参数进行优化计算，通过逻辑回归分析获得两权重参数值分别为0.478、0.597；在气象预警模型构建后对模型进行检验，通过2020年9月18日的滑坡地质灾害个例进行验证，证明模型有良好的预警效果。

4.2在提高模型准确率方面，本研究总结了以下途径：①优化降雨概率化方法，采用更优的降雨量数值，构建模型时增加更多降雨信息因素，如小时降雨量，降雨历时等；②气象部门应逐步在本地区增加雨量站点，保证雨量站均匀分布，以便获得更可靠降雨量数据，来保证模型计算效果。

4.3本研究的成果适于双鸭山市的滑坡地质灾害气象风险预警系统，能够为今后的预警工作提供参考，提醒政府及各部门做好滑坡地质灾害防范措施，为防灾减灾的更好的开展发挥重要作用。

参考文献：

2. 林春泽，王宁涛，王清.降雨型滑坡地质灾害预警预报研究进展[J],暴雨灾害，2018，37（5）:393-400

3. 毕宝贵，徐晶，张国平.国家气象中心地质灾害气象预报业务进展[C]中国气象学会．2006年海峡两岸气象科学技术研讨会论文集．北京：2007：19-29

4. 陈景武．吴积善，康志成，田连权等．云南蒋家沟泥石流预警报系统的试验研究[Ｍ]北京：科学出版社，1990:197-199

5. 文科军，王礼先，谢宝元等．暴雨泥石流实时预报的研究[J]，北京林业大学学报，1998,20(6):59-64

6. 李铁锋，丛威青.基于Logistic回归及前期有效雨量的降雨诱发型滑坡预测方法[J]．中国地质灾害与防治学报，2006，17(1):33-35

7. 夏元友，张亮亮.考虑降雨入渗影响的边坡稳定性数值分析[J]公路交通科技，2009，26（10）:27-32

8. 童龙云，简文星.考虑降雨入渗过程的非饱和边坡稳定性分析[J]武汉理工大学学报，2012（11）:84-89

9. 郑英.降雨入渗对红粘土边坡稳定性影响参数取值研究[J]，湖南交通科技，2012（3）:8-10

10. 孙永帅,贾苍琴,王贵和等.降雨强度对边坡稳定性影响的数值模拟研究[J]，施工技术，2013，42（5）:78-81

11. 崔亮,崔可锐.基于ABAQUS对降雨条件下非饱和土破稳定性的研究[J]合肥工业大学学报（自然科学版）,2012,35(11):1560-1564

12. 李兆平,张弥.考虑降雨入渗影响的非饱和土边坡瞬态安全系数研究[J]，土木工程学报，2001，24（5）:57-60

13. 殷坤龙，刘礼领.暴雨型滑坡降水入渗机理分析[J]，岩土力学，2008，29（4）:1062-1066

14. 魏丽.暴雨型滑坡灾害形成机理及预测方法研究[J]，南京信息工程大学，2005年

15. 张珍,李世海,马力.重庆地区滑坡与降雨关系的概率分析[J]，岩石力学与工程学报，2005,24(17):3185-3191

16. 肖威，陈剑杰，吴益平等.鄂西恩施地区降雨与滑坡关系浅析[J],工程地质学报，2012，20:556-561

17. 李岳顺.降雨对广西滑地质灾害的影响研究[D]，南宁：广西大学，2014

18. 宋光齐,李云贵，钟沛林．地质灾害气象预报预警方法探讨：以四川省地震灾害气象预报预警为例[J]．水文地质工程地质，2004，31(2):33-36

19. 常龙艳，戴长雷，商允虎等．冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析[J].水 科 学 进 展，2014，36(4):1031-1041

20. 费晓燕,柳锦宝,屈伯强等.四川省降雨诱发滑坡灾害的气象预警模型[J]水土保持通报2017，37(5):315-321

Meteorological risk early warning model of rainfall induced landslide in Shuangyashan City

LvJun¹ WangRong¹ Zhang Yongcheng¹ Li Guangyu²

1.Shuangyashan Meteorological Bureau, Tangyuan, 155100, China

2.Jiamusi Meteorological Bureau, Tangyuan, 154000, China

Abstract: This study establishes the database of landslide hazard in Shuangyashan, comprehensively analyze the occurrence, development and spatial distribution law of sudden landslide disaster, and carry out the correlation research between meteorological conditions (mainly rainstorm) and landslide. The Logistic regression analysis is used to build the meteorological early warning mode by combining the occurrence of landslide geological disasters with the rainfall and the soil moisture in the early stage, to improve the accuracy of early warning.

Key word: landslide, rainfall, soil moisture

作者简介：姓名：吕军（1979--）；性别：男，籍贯：吉林省柳河县，学历：硕士，毕业于黑龙江八一农垦大学；现有职称：中级工程师；研究方向：天气预报制作与发布

基金项目：黑龙江省气象局科学技术研究项目（HQZC2020025）

1