山東省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作進展與展望

沙令寶，張 曄，魏 嘉，賀 敬，王慶兵

（山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心，山東 濟南 250014）

0 引言

山東省獨特的地層巖性特征、構(gòu)造特征和氣象特征為地質(zhì)災(zāi)害的多樣與頻發(fā)提供了條件。隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，人類工程經(jīng)濟活動范圍和強度不斷擴大和增大，在降雨等自然因素和地下水開采等人為因素的作用下，地質(zhì)災(zāi)害頻頻發(fā)生。

山東省突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在魯中南及魯東丘陵山區(qū)，對人民的生命財產(chǎn)和生產(chǎn)活動構(gòu)成重大威脅，85%的地質(zhì)災(zāi)害與強降水有著密切關(guān)系，因而開展地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報工作十分必要。為了加強地質(zhì)災(zāi)害防治工作，最大限度地減少地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡，2003 年7 月山東省開始開展地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作，具體業(yè)務(wù)由山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心（原山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站）與山東省氣象臺共同承擔，預(yù)警預(yù)報工作時間主要為每年6—9 月。山東省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作主要經(jīng)歷了3 個階段。

1 預(yù)警預(yù)報工作起步發(fā)展階段2003—2012 年

該項工作自2003 年啟動以來，得到了上級領(lǐng)導的大力支持和高度重視，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警應(yīng)急能力和預(yù)報質(zhì)量得到提升，受到了社會公眾的廣泛關(guān)注。2003 年8 月收集、分析已有資料，研究各類突發(fā)性、緩變性地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生機制、分布規(guī)律、發(fā)生和發(fā)展趨勢。在分析研究氣象因素與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系的基礎(chǔ)上，初步建立了汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)。2003年8 月20 日—9 月30 日，山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站和山東省氣象中心根據(jù)前期和實際降水過程，結(jié)合具體地質(zhì)環(huán)境條件和人類活動等因素采用專家評判法做出預(yù)報。2004 年在專項費用的支持下，開始系統(tǒng)性預(yù)警預(yù)報研究，完成了致災(zāi)因素危險性相關(guān)分析與歸一化處理研究；完成了山東省第一張坡度、巖性、構(gòu)造致災(zāi)營力分區(qū)圖，并對諸致災(zāi)營力進行了空間屬性處理；研發(fā)了山東省第一套地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)；確立了以致災(zāi)營力分析為理論基礎(chǔ)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報方法和預(yù)警預(yù)報模型，將基本預(yù)報計算單元空間尺度推進到了0.25 km×0.25 km。2005 年建立了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警會商室，安裝了可視化會商系統(tǒng)，建立了山東地質(zhì)環(huán)境信息網(wǎng)，為開展預(yù)警預(yù)報工作提供了理想的硬件和軟件環(huán)境。2006年進一步完善了已有的預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，完善了地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報值班及信息反饋制度，規(guī)范了與中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院、山東省氣象臺的兩級會商及預(yù)報產(chǎn)品的會商、簽批和發(fā)布程序，完善了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警信息發(fā)布渠道，加強了與各大新聞媒體的合作。2011 年進一步與有關(guān)技術(shù)公司合作，在地質(zhì)災(zāi)害綜合量化預(yù)報研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了山東地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)。

2003—2012 年期間每年不斷完善預(yù)警預(yù)報工作流程，深化了基礎(chǔ)理論研究，不斷優(yōu)化了預(yù)警預(yù)報軟件；加大了與省氣象局、地震局、省電視臺、省災(zāi)害防御協(xié)會等相關(guān)單位的合作力度，并與原省國土廳測繪局合作，將“影像山東三維地理信息平臺”應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作中，該平臺包含了全省15.0 m、2.5 m、0.3 m 等多分辨率的影像數(shù)據(jù)，5 m 格網(wǎng)間距的高程數(shù)據(jù)及地名、交通等基礎(chǔ)矢量框架要素，平臺加載了地質(zhì)災(zāi)害點信息后，實現(xiàn)了與地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)的結(jié)合，同時基于該平臺初步建立了山東省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急指揮系統(tǒng)，該系統(tǒng)投入運行后，大大提高了山東省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報的信息化和科學化水平。2005 年5 月23 日在濟南召開的全國地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報經(jīng)驗交流會上山東省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作方法被當作典范向全國推廣。2011 年山東省的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報方法被山東省國土資源廳評為“全省國土資源系統(tǒng)先進工作法”。提交的《山東省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報研究》獲“山東省國土資源科學技術(shù)進步一等獎”，并通過國家一級科技查新。研究方法和綜合研究成果在國內(nèi)同類項目實施過程中，起到一定的指導作用。

2 預(yù)警預(yù)報工作發(fā)展提高階段2013—2015 年

2013 年在第一代預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在MapGIS K9 平臺基礎(chǔ)上開發(fā)了山東省第二套地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。系統(tǒng)分預(yù)警分析、預(yù)警發(fā)布、氣象信息、災(zāi)點查詢、災(zāi)點管理5 個子系統(tǒng)。新系統(tǒng)具有優(yōu)良的空間分析功能和數(shù)字地面模型分析功能、有先進的算法模型，實現(xiàn)了“人-軟件-業(yè)務(wù)流程”的有機統(tǒng)一，系統(tǒng)功能齊全，業(yè)務(wù)覆蓋面廣，準確高效，易學易用。2013—2015 年期間，對第二套預(yù)警預(yù)報軟件進行了正式運行、檢驗和不斷修正。新軟件對數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化組織和算法進行了優(yōu)化升級，實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)自動獲取與自動離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理，軟件的智能化程度較舊版本有了很大提高。經(jīng)過3 年的運行和校驗，其效果良好，預(yù)報精度、準確度、智能化程度都較以前有很大提高。同時還對1:5 萬災(zāi)害調(diào)查成果中1371 個群測群防員聯(lián)系方式進行了核實，與移動公司協(xié)商并簽訂合同，實現(xiàn)了預(yù)警信息面向群測群防員的直接發(fā)送，增強了預(yù)警效果，擴大了預(yù)警信息受眾面。黃色及以上預(yù)警短信均能通過移動短信代理服務(wù)器，第一時間發(fā)送到省廳領(lǐng)導、站領(lǐng)導、站中層、17 地市國土局分管局長、地環(huán)科科長、地環(huán)站站長、17 地市各縣、市、區(qū)國土局（國土所）有關(guān)人員及各地市群測群防員共3068 人手機上。每年內(nèi)還積極幫助和推進了各市級、縣級地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作。

3 預(yù)警預(yù)報工作不斷完善階段2016—2021 年

2016 年通過綜合分析山東省近年開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的成果，在原有系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上，通過增加降雨量來源數(shù)據(jù)（在原有的國家級氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上增加了省氣象臺在全省已建成區(qū)域氣象站實時降水、精細化格點預(yù)報、強降水落區(qū)預(yù)報等資料）、增加地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價因子（地震、道路建設(shè)）、增加地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)計算方法等措施，開展了地質(zhì)災(zāi)害精細化預(yù)警預(yù)報研究，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了山東省地質(zhì)災(zāi)害精細化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。該系統(tǒng)中地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)營力數(shù)學分析計算方法主要有歸一化方法、證據(jù)權(quán)方法和信息量方法等。其中歸一化模型算法是山東省經(jīng)過多年實踐的模型算法；信息量和證據(jù)權(quán)算法是目前國內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價中比較主流的模型算法。山東省地質(zhì)災(zāi)害精細化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)同時提供這3 種不同的計算方法。實際工作運行中以歸一化法為主，信息量法、證據(jù)權(quán)法輔助檢驗歸一化法預(yù)警成果，校核預(yù)警成果準確性。山東省地質(zhì)災(zāi)害精細化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)通過地質(zhì)災(zāi)害自身（坡度、巖性、構(gòu)造、地震、人類工程活動等）致災(zāi)營力值以及誘發(fā)（歷史降雨、預(yù)報降雨等）致災(zāi)營力值的地理信息系統(tǒng)疊加計算，同時參考預(yù)警區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害隱患點等信息，制作預(yù)警預(yù)報產(chǎn)品，并對預(yù)警預(yù)報產(chǎn)品進行入庫、簽批和發(fā)布（短信、郵件和Web 等方式）。系統(tǒng)通過實現(xiàn)以上流程，得到預(yù)警結(jié)果，用于山東省地質(zhì)災(zāi)害氣象風險精細化預(yù)警預(yù)報工作的開展。依托山東省地質(zhì)環(huán)境信息平臺，采用大數(shù)據(jù)、云計算及互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，首次實現(xiàn)了預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)與各相關(guān)平臺的集成和數(shù)據(jù)共享，提升了山東省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作的便利性、可靠性、穩(wěn)定性，提高了山東省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作的信息化水平。

2017 年根據(jù)汛期地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況和系統(tǒng)運行情況，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行了更新；通過調(diào)整數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、調(diào)整數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)化查詢語言、調(diào)整服務(wù)器內(nèi)存分配及數(shù)據(jù)庫緩存處理等方式對數(shù)據(jù)庫進行了優(yōu)化；通過調(diào)整代碼中預(yù)警計算的工具、方法、優(yōu)化計算步驟等措施對系統(tǒng)預(yù)警分析計算方法及數(shù)據(jù)處理速度進行了優(yōu)化；完善了氣象數(shù)據(jù)查詢等功能模塊；根據(jù)汛期系統(tǒng)運行情況對預(yù)警模型進行了校驗。

2018 年通過增加虛擬機數(shù)量、更新部署系統(tǒng)服務(wù)，提高了系統(tǒng)運行速度；簡化了預(yù)警策略，提升了數(shù)據(jù)查詢速度；從構(gòu)架和功能上不斷完善，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2019 年繼續(xù)對預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)進行優(yōu)化、升級，完善了系統(tǒng)架構(gòu)與功能，實現(xiàn)了多源異構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成與分析，避免了資源浪費。

2020 年優(yōu)化了格點運算功能，調(diào)整了后臺雨量數(shù)據(jù)格式。

2021 年優(yōu)化了監(jiān)測雨量站數(shù)據(jù)同步功能，提高了預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)自動化程度。

近幾年，山東省每年都建設(shè)了一定數(shù)量的地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測站，安裝了裂縫計、內(nèi)部位移計、表面位移計、泥水位計、視頻等設(shè)備，地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖像可直觀地反映地質(zhì)災(zāi)害隱患點的狀態(tài)變化情況；每年對已建地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測站進行了及時維護、維修、數(shù)據(jù)分析研判，地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)運行穩(wěn)定、監(jiān)測預(yù)警信息獲取、發(fā)布及時。利用地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測站實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報精度。另外，安裝了一體化雨量計的地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測站實現(xiàn)了雨量數(shù)據(jù)直接參與到地質(zhì)災(zāi)害精細化預(yù)警預(yù)報致災(zāi)概率計算中，使得系統(tǒng)參與計算實際降水量數(shù)據(jù)更加接近實際情況，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報精度得到較大提高。

山東省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作已經(jīng)開展了19年，在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報理論與方法及模型建立、預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)、工作組織領(lǐng)導、工作機制建設(shè)、預(yù)報精度等方面都取得了可喜成績，為山東省長期開展地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作打下了穩(wěn)固的基礎(chǔ)，山東省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報整體工作水平處于國內(nèi)前列。19 年來共取得地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報成果2277 個，發(fā)布黃色及以上地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報信息228 次，成功預(yù)報了235 起地質(zhì)災(zāi)害。汛期制作的228 期黃色及以上預(yù)警預(yù)報產(chǎn)品均通過山東衛(wèi)視、山東人民廣播電臺、山東廣播經(jīng)濟頻道、山東地質(zhì)環(huán)境信息網(wǎng)、山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心網(wǎng)站、山東省自然資源廳網(wǎng)站、齊魯晚報、生活日報、濟南時報等新聞媒體向公眾進行了發(fā)布，同時通過中國移動通信JX01 移動代理服務(wù)器、中國移動云移動代理服務(wù)器等為全省各級國土和自然資源相關(guān)部門、技術(shù)人員及群測群防員等提供地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報信息620 000 余條。

山東省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作在提高政府職能部門地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)工作效率的同時，也提高了受災(zāi)害威脅地區(qū)人們的防災(zāi)減災(zāi)意識，取得了良好的防災(zāi)減災(zāi)效果，社會經(jīng)濟效益明顯，達到了預(yù)期目的。

4 山東省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作展望

由于工程建設(shè)等人類活動的影響以及每年強降雨和臺風等極端天氣仍頻繁發(fā)生，繼續(xù)開展并加強山東省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作仍是全省建設(shè)中國特色社會主義的必然要求。

（1）在山東省地市級和縣（市、區(qū)）級深化地質(zhì)災(zāi)害精細化預(yù)警預(yù)報工作，做到省、市、縣三級地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作全覆蓋，提高地質(zhì)災(zāi)害防治效果。

（2）加大全省地質(zhì)災(zāi)害一體化自動化監(jiān)測站建設(shè)力度，增加參與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報分析計算一體化自動化雨量站數(shù)量，以提高預(yù)警預(yù)報精度與準確度。

（3）科學結(jié)合多種學科，對地質(zhì)災(zāi)害進行仿真，分析引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的具體因素，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的準確預(yù)警預(yù)報將成為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報的主要發(fā)展趨勢[1]。

（4）完善現(xiàn)有的省級地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，充分利用大數(shù)據(jù)和人工智能開展地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報研究。例如，在給定區(qū)域的臨界雨量判定方面，可以采取基于機器深度學習的方式，在大量已有災(zāi)險情與雨量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上判定某處給定區(qū)域的臨界雨量[2]。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習算法與地質(zhì)災(zāi)害特性相結(jié)合，開發(fā)學習引擎，對誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)數(shù)據(jù)進行深度學習，挖掘災(zāi)害發(fā)生與自然、人為因素的關(guān)系，獲得地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警模型庫，并在不斷自我學習中對模型進行優(yōu)化和完善，實現(xiàn)對潛在地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的有效預(yù)測[3]。提高地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)智能化程度，不斷積累災(zāi)害樣本，不斷修正完善預(yù)警預(yù)報模型，提高地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報精度。

（5）深化氣象、水文監(jiān)測預(yù)報新成果共享及運用。在提升地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作精度的同時，在時間上實現(xiàn)實時臨災(zāi)預(yù)警，解決預(yù)警時效問題[4]。

（6）對于降雨型滑坡預(yù)警預(yù)報，可采用數(shù)值模擬法，即基于動力學原理，充分考慮降雨過程及其特征對滑坡地質(zhì)災(zāi)害的影響，采用數(shù)值模擬方法進行動態(tài)分析和反演地質(zhì)災(zāi)害受降雨的影響及變化特征[5]。

5 結(jié)語

山東省自2003 年開展地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作以來，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報技術(shù)趨于成熟，工作體系得到了不斷完善，為全省地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)工作提供了有力的技術(shù)支撐。深化地市級和縣（市、區(qū)）級地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作是今后迫切的任務(wù)。人工智能、深度學習、仿真和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的興起和發(fā)展，給地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，在今后的工作中，還需充分利用這些新興技術(shù)深化預(yù)警預(yù)報理論，使得預(yù)警預(yù)報模型更接近現(xiàn)實，從而提高預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)的智能化程度。