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地质灾害预报预警的研究现状及发展趋势

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第25卷第3期 世界 地 质 Vo1.25 No.3 2006年9月 GLOBAL GEOLOGY Sep.2006 文章编号:1004—5589(2006)O3—0296一O7 地质灾害预报预警的研究现状及发展趋势 宫清华 ,一,黄光庆 ,郭敏。,张月巧4 (1.中科院广州地理研究所,广东广州510070;2.中科院南海海洋研究所,广东广州510301; 3.吉林大学地球科学学院,吉林长春130061;4.中国石油勘探开发研究院,北京100083) 摘要:目前国内外较为成功的地质灾害预报预警方法可分为现象监测预报法、数理统计预报法、非线 性系统论预报法和地球内外动力耦合法。在对各类方法以及存在问题进行概述的基础上,指出在方法 应用的同时,集成和融合迅速发展起来的“3S”技术,建立集观测、研究、风险评估、预报预警、预 防和治理一体化的灾害预报系统是未来发展的方向和趋势。 关键词:地质灾害;预报预警;“3S”技术 中图分类号:X43 文献标识码:A Present status of research and its developmental tendency on prediction and early warning of geologic hazards GONG Qing—hua ,一,HUANG Guang—qing ,GUO Min。,ZHANG Yue—qiao4 j.Guangzhou Institute ofGeography,CAS,Guangzhou 510070,Guangdong,China; 2.South China Sea InstituteofOceanology,CAS,Guangzt,ou 510301,Guangdong,China; 3.CollegeofEarth Sciences,Jilin University,ChangchU Tl 130061,Jilin,China; 4.PetroChina Exploration and Development Re.arch Institute,BeOing 100083,China Abstract:At present,the better prediction and warning methods of geologic hazards in the world include the phenomenon monitoring method,statistical analysis method,nonlinear system theory prediction method, coupling analysis method of endogenic and exogenic geological processes.On the basis of the methods and sum— marizing the existent problems,applying the methods and integrating the“3S”technology,the authors predict establishing an integrated system,including observation,research,assessment,forecast and warning,defending and mending,is the promising research prospect. Key words:geological disasters;forecasting and warning;“3S”technology 地质灾害,是自然和人为导致地质环境或地质 和产生危害的规律,从而对灾害发生的时空分布以 体发生变化,并给人类和社会造成危害的灾害事 及危害强度作出预测并提出应急预案的过程。随着 件。如崩塌,滑坡,泥石流,地裂缝,地面沉降、 世界人口的不断增长,人类活动的空间范围逐渐由 地面塌陷,岩爆和坑道突水等-1 J。地质灾害预报 平原向丘陵、山区等地质灾害易发区扩展,地质灾 预警工作是在研究灾害成因的地质背景(如地形、 害给人类社会带来越来越严重的损失。因此,对地 地貌、气候水文、地质构造、地层岩性和地表植被 质灾害预报预警的研究成为当今社会的一个重要任 等),灾害发生的时空分布、强度和频度以及灾害 务。 发生地区的经济易损性等的基础上,寻找灾害发生 20世纪90年代以来,联合国将地质灾害纳人 收稿日期:2005。12。17;改回日期:2006。04。07 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3期 宫清华黄光庆等:地质灾害预报预警的研究现状及发展趋势 297 “国际减灾十年计划”后,地质灾害日益受到各国 的关注和重视,研究方法上也取得了很大进展。数 学、力学、非线性科学以及近年来发展起来的遥感 (RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统 (GPS)技术等一些新的理论、技术和方法不断被 引入地质灾害预报预警研究中。目前,国内外使用 较多且比较成功的方法可分为现象监测预报法、数 理统计预报法、非线性系统理论预报法和地球内外 动力耦合法。地质灾害预报预警工作虽取得了一些 进展,但仍存在一些问题,真正能做到实时、准确 地预报还任重而道远。 1地质灾害预报预瞀技术方法及研究现状 地质灾害在性质上表现为突发性,这种突发性 给人们的生命和财产安全带来了严重的威胁。突发 性地质灾害一般包括崩塌、滑坡和泥石流等。一般 呈两种形式发生,一种是单体型灾害,如新滩滑 坡,东川泥石流等;另一种是区域型灾害,即几种 灾害在特定的区域上成组出现。对于单体灾害的研 究已经积累了一定的基础,但对于区域性的预报研 究尚处于探索阶段。 1.1现象监测预报 地质灾害的发展、破坏、衰亡与生物圈各种物 种演化一样,都有累积到渐变过程,有灾害孕育 期、灾害成长期和灾害发生期,对于累积性灾害在 一定时间里灾害地质体均有明显的宏观变形,如地 形变形迹,地声、动物异常、地下水宏观异常等宏 观前兆,可以通过观测这些现象来预报 2]。中国 曾用这种方法成功预报了宝成线须家河滑坡[3l。 目前,常用的变形监测预报法也是基于宏观前兆的 原理。变形监测一般包括地表变形监测和深部变形 监测;地表监测包括地质巡视,地表仪器简易监 测,大地变形水准测量网;深部监测包括平峒内仪 器监测和钻孑L内一起监测和地下水位及渗流、渗压 监测。杨忠(2003)总结了灾害监测的方法和监测 数据的分析方法 4 J。王俊卿(2004)对东苗家滑 坡体采取实施变形监测,及时捕捉滑移征兆,有效 防治滑坡体地质灾害的发生[ 。任幼蓉(2005) 采用常规监测仪器和人工变形测量手段对重庆南川 金佛山甑子岩W12#危岩体现场勘查,成功地预报 了危岩的崩塌,避免了重大的经济损失和人员伤 亡[6_。 随着科学技术的发展,对地质灾害进行自动化 监测管理的要求越来越高。常规的地质灾害监测方 法表现出观测周期长,受天气等外界条件的影响 大,需要人员多,监测的数据采集、传输、处理与 分析过程分离等不足。因此,常规监测方法无法对 地质灾害实施连续、实时、动态的监测。GPS技 术的发展弥补了传统监测手段的不足,它具有精度 高、速度快、全天候和全自动等优点。1998年长 江防汛抗洪期间,GPS技术应用于清江隔河岩水 库大坝的变形监测,其监测精度达到了水平精度 0.5 mm左右,高程精度1.0 mm左右 J。张小红 (2000)对三峡库区崩滑地质灾害GPS监测的精度 进行了详细的分析 ]。吴北平(2001)采用GPS 定位技术对三峡库区崩滑地质灾害监测进行试验性 研究。实现了对地质灾害监测、预报和防治-q J。 运用GPS技术可以高精度地完成监测过程,但目 前尚缺乏对监测数据进行准确分析的配套理论。 1.2数理统计预报 随着人们对地质灾害研究的不断深入和计算机 科学的发展,对地质灾害的研究开始定量化。各种 数理统计方法都已相继被引入地质灾害问题的研究 中,如单体型灾害预报中应用的回归分析 ∞]、聚 类分析[n]、模式识别[1O]、灰色系统理论 ]、模 糊数学[ ],区域型灾害预报中的临界降雨量预报 法[14-16]、递进分析理论[17]、模糊数学[18,19]、层次 分析法-1 9_等。刘传正(2004)提出地质灾害“发 育度”、“潜势度”、“危险度”和“危害度”四度的 概念["],并运用四度递进分析法在三峡库区进行 成功试验,概念的提出推动了地质灾害预报理论的 发展。数理统计预报法是基于一种对过去统计可以 反映当地地质背景特征,而这些特征反过来又可以 反映未来情况的假设[20]。在这个假设条件下已知 过去区域的灾害分布情况,根据数理统计理论,建 立影响因素和地质灾害之间的数学统计模型,在模 型得到验证后,将其应用到地质环境相同或相似的 地区,预测灾害的发生情况。目前,全国及各省的 地质灾害气象预报预警系统所采用的临界降雨量预 报法也是基于这种原理【14-16 J,按空隙水压力理论, 地质灾害是在坡体地下水水位达到斜坡失稳的临界 状态时发生的,而大多数斜坡的地下水位都受控于 降雨的补给量,因此,可以通过统计降雨量与地质 灾害之间的数量关系进行预报。运用数理统计方法 维普资讯 http://www.cqvip.com

298 世界地 质 第25卷 进行预报需要大量的有统计意义的数据,操作起来 较困难。 1.3非线性系统理论预报 因地质灾害体变形、演化规律的非线性和内外 因素相互作用的非线性,所以地质灾害是一个复杂 多变的非线性系统[21]。地质灾害的发生是在一种 确定性一般规律的基础上由于受到外部因素的影响 而变为一种随机规律。非线性系统科学中崭新的思 维方法和理念为地质灾害预报提供新的突破点。应 用非线性理论在地质灾害方面的研究很多,如非线 性动力学模型(神经网络法[22-27】)、加卸载响应 比理论[ 引、协同预测模型[29】、分形分维预报理 论[3o,31】、时间序列预报理论[32】、突变理论预报模 型[弛]、细胞自动机模型[33】等灾害预报方法。这些 方法都是将地质灾害体看成是一个开放的系统,通 过系统论的原理,研究系统与外界以及系统内部的 发生、发展过程,进而预报灾害的发生。人工神经 元网络方法是目前被广泛应用的方法。人工神经元 网络方法模拟人脑的工作模式,由许多彼此高度连 接的人工神经元构成的非线性动力系统。当某一问 题的求解过程可描述为若干个有一定内在联系,又 无法用解析式表达其内在关系的各个输入因子与输 出因子的关系时,将样本输入神经元网络,网络系 统进行认证和学习,建立起各个神经元之间的连接 强度(即权值),这样学习后生成的人工神经元网 络系统,仿佛具有了人脑解决问题的技能,当输入 一组新的参数时,它可以输出预测的值。将影响地 质灾害发生的因素(如地形地貌、气候水文、地质 构造、地层岩性、地表植被和社会经济等)作为样 本输入到人工神经元网络模型中,进行模型的训练 和学习,模型得到验证后,输入预报区的数据即可 预测地质灾害发生与分布情况。这种学习过程是自 适应的,可以根据地质、环境和工程条件的变化而 变化。而且新的实例和数据的积累可以改善模型的 精度。运用神经元网络的方法可以避免传统方法中 的主观性和假设条件,但需要适量的训练样本。 1.4地球内外动力耦合法 这种方法目前主要用于区域尺度的灾害预报。 地质灾害是地球内外动力共同作用的结果,在内动 力系统活跃地区,以外动力作用为主的地质灾害在 不同程度上受到内动力作用的影响。在内动力系统 活跃地区,外动力又是地质灾害的诱发因素。因 此,应将内外动力作用耦合并建立统一的地质灾害 动力学模型和评价预测模型[34-36]。 1.5各种方法与3s技术的集成 近年来地理信息系统(GIS)技术的发展给地 质灾害治理提供了一个集预报、预防、分析、监测 为一体的技术平台,地质灾害数据信息具有区域分 布差异性大、数据量大、信息载体多样性的特点。 而地理信息系统是一种采集、存储、管理、分析、 显示与应用地理信息的计算机系统,是分析和处理 海量地理数据的通用技术[37]。同时GIS具有空间 分析功能和强大的兼容能力,将各种方法与GIS 技术相结合建立起来的灾害预报系统,能提高灾害 预报精度[16,20-24]。科学的发展是多学科互相交叉 相互渗透的,运用非线性系统理论,在地球信息科 学技术(3S)的支持下,对地质灾害进行系统模 拟分析[3 ,可以形象地表示出灾害的发生过程, 更直观地认识地质灾害,弥补地理研究“不可实验 性”的先天不足。所以,非线性模拟研究是学术领 域的热门课题和前沿方法。遥感技术使区域地质灾 害观测的信息更加全面、客观,并实现了从传统的 平面观测到立体三维的观测[391。乔彦肖(2002) 用TM影像对张家口市的地质灾害进行了调查【40 J。 遥感技术的应用能大大改善预报精度,拓宽了研究 尺度范围。 2地质灾害预报预警研究发展趋势 由于地质灾害的地质过程、形成条件及诱发因 素的复杂性、多样性及其变化的随机性和非稳定 性,致使灾害体变化的动态信息极难捕捉,加之动 态监测技术的不成熟和研究理论的不完善,使得地 质灾害预报预警成为一项十分困难的世界性前沿课 题。但随着研究的不断深入,对它的预报逐步走向 定量化和精确化。 将地学、力学、数学、非线性科学和计算机科 学和人工智能技术相结合,对地质灾害的过程进行 仿真模拟,分析诱发灾害的因素和发生强度,实现 灾害预报的定量化将成为未来的发展趋势。从社会 经济的角度来说,将风险性评价引入地质灾害预报 预警范畴,评价灾害自然风险性的同时,考虑社 会、经济因素,诸如地区人口密度、经济水平等, 进行地质灾害的自然属性和社会属性相结合的综合 预报是未来的发展方向。根据预报区域情况,因地 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3期 宫清华黄光庆等:地质灾害预报预警的研究现状及发展趋势 299 制宜选用几种方法综合预报以减少灾害损失。近年 来“3S”技术的发展为地质灾害的监测、分析、 预报、预警、防治提供了技术平台,将多种理论和 方法融入GIS平台上,建立观测、研究、风险评 估、预报预警、预防治理一体化的地质灾害预报系 统是未来研究的发展趋势之一。 3 结束语 中国是世界上地质灾害特别严重的国家之一, 地质灾害种类多,分布面积广,发生频繁,危害程 度大,因此,开展地质灾害预报预警研究和灾害防 治工作是中国实现可持续发展的一项长期而艰巨的 任务,近年来对地质灾害预报预警的研究虽取得一 定进展,但因地质灾害本身的复杂性使得目前的理 论和方法都存在一定的缺陷,在实际应用中往往很 难达到预期的精度,为使灾害的社会经济损失降到 最小,仍需深入开展以下研究课题: 地质灾害现象监测的理论和方法体系研究 利 用地质灾害宏观征兆原理,进行地质灾害现象监测 的预报方法预测效果较好,但这些征兆现象是经验 的积累,主观性较强,受监测设备、技术、经济的 ,实现起来较困难。通过监测所获取的数据必 须有科学准确的分析才能得到预期的预报精度,因 没有配套的理论和方法,即使有较精确的监测数 据,预报结果也不甚理想。运用GPS和RS等现代 技术手段,同时研制小区域短周期的监测设备,监 测局部条件的变化,如降雨、地下水变化等来实现 灾害实时监测。同时应加强理论体系的研究,对监 测到的数据做出准确的判断,这样才能做出精确的 预报。 灾害发生机理研究 目前的方法都是运用均变 理论,即通过对过去的统计来预报未来可能发生的 灾害。事实上在地质灾害发生后,地质体的内部结 构和构造都发生了变化,对过去的研究可以辨认地 质灾害和认识灾害发生规律,但单一的用过去预报 未来就很难达到预期的预报精度。而且在实际中也 很难获得大范围长时间的数据,实现起来较困难。 无论以地质分析、经验判断为主的现象监测预报或 是数理统计预报,都是斜坡体在其发展演化过程中 的外在表现,未顾及到地质体变形破坏的内在本 质,其预测的精度和准确度自然会受到。运用 地质灾害本身的非线性特征,引入非线性科学的理 论和方法加强发生机理的研究在地质灾害预报预警 研究中是必不可少的。 大尺度的时空预报研究 地质灾害的高度复杂 性使得区域和时间上的大尺度的研究不够深入。目 前的研究多是单体型和即将发生前的短期预报,中 长期预报和区域性预报难度较大。但地质灾害有共 生性,往往会发生连锁和伴生反应,对单一灾害的 研究往往不能解决实质性问题,短期的预报也给预 警工作带来困难,因此,应运用先进的技术手段和 方法,如3S技术等加强对大尺度的预报研究。 时间预报和空间预报关联研究在目前的研究 中时间预报和空间预报缺少有机的联系,更多的是 关注空间的分析和预测而忽略了时间预报,事实上 灾害的孕育过程是时间和空间统一发展的过程,二 者缺一不可。应加强二者的关联研究,这样才能做 出及时、准确地预报。 统一的科学理论标准研究 由于地质灾害的复 杂性,其预测预报的难度大,致使一些在初期可以 预防的灾害因认识不统一,缺少统一的科学标准和 依据,而延误了时机,造成损失,因此应加强标准 化的研究,从灾害的发生机理,影响因素,影响强 度几方面进行深入研究,建立一套完善的标准化指 标体系和模型。 经济风险性研究 目前的地质灾害预报预警研 究大部分是从地质与环境的角度来分析灾害发生的 可能性,忽略了社会经济风险上的预测。同等强度 灾害发生在不同的区域其损失不同,灾害的预防应 因地制宜采取措施。经济上的风险性研究也应列入 灾害预报预警的范畴,建立灾害发生时空预报,灾 害发生区域的社会经济承受能力预测评估,灾害预 警,灾害预防和治理一体化的预报预警体系。 参考文献: [1] 肖和平,潘芳喜.地质灾害与防御[M].北京:地震 出版社,2000:8. XIAO He—Ping,PAN Fang—xi.Geological hazard and hazard prevention[M].Beijing:Seismological Press, 2000:8. [2]于远忠.崩塌滑坡地质灾害宏观前兆机理研究[J]. 中国地质灾害与防治学报,1996,7(增刊):27.3O. YU Yuan—zhong.Research on mechanism of macroscopic warning signs to landslide and rock falls[J].The Chinese Journal 0{Geological Hazard and Contro1.1 996.7 维普资讯 http://www.cqvip.com

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