山東省地質災害預警預報工作進展與展望

沙令寶，張 曄，魏 嘉，賀 敬，王慶兵

（山東省國土空間生態修復中心，山東 濟南 250014）

0 引言

山東省獨特的地層巖性特征、構造特征和氣象特征為地質災害的多樣與頻發提供了條件。隨著社會經濟的持續發展，人類工程經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，地質災害頻頻發生。

山東省突發性地質災害多發生在魯中南及魯東丘陵山區，對人民的生命財產和生產活動構成重大威脅，85%的地質災害與強降水有著密切關系，因而開展地質災害氣象預警預報工作十分必要。為了加強地質災害防治工作，最大限度地減少地質災害造成的經濟損失和人員傷亡，2003 年7 月山東省開始開展地質災害預警預報工作，具體業務由山東省國土空間生態修復中心（原山東省地質環境監測總站）與山東省氣象臺共同承擔，預警預報工作時間主要為每年6—9 月。山東省地質災害預警預報工作主要經歷了3 個階段。

1 預警預報工作起步發展階段2003—2012 年

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

2003—2012 年期間每年不斷完善預警預報工作流程，深化了基礎理論研究，不斷優化了預警預報軟件；加大了與省氣象局、地震局、省電視臺、省災害防御協會等相關單位的合作力度，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”應用于地質災害預警預報工作中，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據，5 m 格網間距的高程數據及地名、交通等基礎矢量框架要素，平臺加載了地質災害點信息后，實現了與地質災害氣象預警預報系統的結合，同時基于該平臺初步建立了山東省地質災害應急指揮系統，該系統投入運行后，大大提高了山東省地質災害預警預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災害預警預報經驗交流會上山東省地質災害預警預報工作方法被當作典范向全國推廣。2011 年山東省的地質災害預警預報方法被山東省國土資源廳評為“全省國土資源系統先進工作法”。提交的《山東省地質災害預警預報研究》獲“山東省國土資源科學技術進步一等獎”，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同類項目實施過程中，起到一定的指導作用。

2 預警預報工作發展提高階段2013—2015 年

2013 年在第一代預警預報系統的基礎上，在MapGIS K9 平臺基礎上開發了山東省第二套地質災害預警預報系統。系統分預警分析、預警發布、氣象信息、災點查詢、災點管理5 個子系統。新系統具有優良的空間分析功能和數字地面模型分析功能、有先進的算法模型，實現了“人-軟件-業務流程”的有機統一，系統功能齊全，業務覆蓋面廣，準確高效，易學易用。2013—2015 年期間，對第二套預警預報軟件進行了正式運行、檢驗和不斷修正。新軟件對數據的網格化組織和算法進行了優化升級，實現了氣象數據自動獲取與自動離散數據網格化處理，軟件的智能化程度較舊版本有了很大提高。經過3 年的運行和校驗，其效果良好，預報精度、準確度、智能化程度都較以前有很大提高。同時還對1:5 萬災害調查成果中1371 個群測群防員聯系方式進行了核實，與移動公司協商并簽訂合同，實現了預警信息面向群測群防員的直接發送，增強了預警效果，擴大了預警信息受眾面。黃色及以上預警短信均能通過移動短信代理服務器，第一時間發送到省廳領導、站領導、站中層、17 地市國土局分管局長、地環科科長、地環站站長、17 地市各縣、市、區國土局（國土所）有關人員及各地市群測群防員共3068 人手機上。每年內還積極幫助和推進了各市級、縣級地質災害預警預報工作。

3 預警預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災害調查的成果，在原有系統軟件的基礎上，通過增加降雨量來源數據（在原有的國家級氣象站監測數據的基礎上增加了省氣象臺在全省已建成區域氣象站實時降水、精細化格點預報、強降水落區預報等資料）、增加地質災害易發性評價因子（地震、道路建設）、增加地質災害易發性分區計算方法等措施，開展了地質災害精細化預警預報研究，在此基礎上研發了山東省地質災害精細化預警預報系統。該系統中地質災害致災營力數學分析計算方法主要有歸一化方法、證據權方法和信息量方法等。其中歸一化模型算法是山東省經過多年實踐的模型算法；信息量和證據權算法是目前國內地質災害易發性評價中比較主流的模型算法。山東省地質災害精細化預警預報系統同時提供這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、證據權法輔助檢驗歸一化法預警成果，校核預警成果準確性。山東省地質災害精細化預警預報系統通過地質災害自身（坡度、巖性、構造、地震、人類工程活動等）致災營力值以及誘發（歷史降雨、預報降雨等）致災營力值的地理信息系統疊加計算，同時參考預警區域內地質災害隱患點等信息，制作預警預報產品，并對預警預報產品進行入庫、簽批和發布（短信、郵件和Web 等方式）。系統通過實現以上流程，得到預警結果，用于山東省地質災害氣象風險精細化預警預報工作的開展。依托山東省地質環境信息平臺，采用大數據、云計算及互聯網等信息技術，首次實現了預警預報系統與各相關平臺的集成和數據共享，提升了山東省地質災害預警預報工作的便利性、可靠性、穩定性，提高了山東省地質災害預警預報工作的信息化水平。

2017 年根據汛期地質災害發生情況和系統運行情況，對系統數據庫進行了更新；通過調整數據結構設計、調整數據庫結構化查詢語言、調整服務器內存分配及數據庫緩存處理等方式對數據庫進行了優化；通過調整代碼中預警計算的工具、方法、優化計算步驟等措施對系統預警分析計算方法及數據處理速度進行了優化；完善了氣象數據查詢等功能模塊；根據汛期系統運行情況對預警模型進行了校驗。

2018 年通過增加虛擬機數量、更新部署系統服務，提高了系統運行速度；簡化了預警策略，提升了數據查詢速度；從構架和功能上不斷完善，提高了系統的穩定性。

2019 年繼續對預警預報系統進行優化、升級，完善了系統架構與功能，實現了多源異構監測數據的集成與分析，避免了資源浪費。

2020 年優化了格點運算功能，調整了后臺雨量數據格式。

2021 年優化了監測雨量站數據同步功能，提高了預警預報系統自動化程度。

近幾年，山東省每年都建設了一定數量的地質災害自動化監測站，安裝了裂縫計、內部位移計、表面位移計、泥水位計、視頻等設備，地質災害自動化監測站監測數據和圖像可直觀地反映地質災害隱患點的狀態變化情況；每年對已建地質災害自動化監測站進行了及時維護、維修、數據分析研判，地質災害自動化監測預警系統運行穩定、監測預警信息獲取、發布及時。利用地質災害自動化監測站實時監測數據，提高了地質災害預警預報精度。另外，安裝了一體化雨量計的地質災害自動化監測站實現了雨量數據直接參與到地質災害精細化預警預報致災概率計算中，使得系統參與計算實際降水量數據更加接近實際情況，地質災害預警預報精度得到較大提高。

山東省地質災害預警預報工作已經開展了19年，在地質災害預警預報理論與方法及模型建立、預警預報系統建設、工作組織領導、工作機制建設、預報精度等方面都取得了可喜成績，為山東省長期開展地質災害預警預報工作打下了穩固的基礎，山東省地質災害預警預報整體工作水平處于國內前列。19 年來共取得地質災害預警預報成果2277 個，發布黃色及以上地質災害預警預報信息228 次，成功預報了235 起地質災害。汛期制作的228 期黃色及以上預警預報產品均通過山東衛視、山東人民廣播電臺、山東廣播經濟頻道、山東地質環境信息網、山東省國土空間生態修復中心網站、山東省自然資源廳網站、齊魯晚報、生活日報、濟南時報等新聞媒體向公眾進行了發布，同時通過中國移動通信JX01 移動代理服務器、中國移動云移動代理服務器等為全省各級國土和自然資源相關部門、技術人員及群測群防員等提供地質災害預警預報信息620 000 余條。

山東省地質災害預警預報工作在提高政府職能部門地質災害防災減災工作效率的同時，也提高了受災害威脅地區人們的防災減災意識，取得了良好的防災減災效果，社會經濟效益明顯，達到了預期目的。

4 山東省地質災害預警預報工作展望

由于工程建設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生，繼續開展并加強山東省地質災害預警預報工作仍是全省建設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）級深化地質災害精細化預警預報工作，做到省、市、縣三級地質災害預警預報工作全覆蓋，提高地質災害防治效果。

（2）加大全省地質災害一體化自動化監測站建設力度，增加參與地質災害預警預報分析計算一體化自動化雨量站數量，以提高預警預報精度與準確度。

（3）科學結合多種學科，對地質災害進行仿真，分析引發地質災害的具體因素，實現地質災害的準確預警預報將成為地質災害預警預報的主要發展趨勢[1]。

（4）完善現有的省級地質災害預警預報系統，充分利用大數據和人工智能開展地質災害預警預報研究。例如，在給定區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，在大量已有災險情與雨量數據的基礎上判定某處給定區域的臨界雨量[2]。將神經網絡學習算法與地質災害特性相結合，開發學習引擎，對誘發地質災害的相關數據進行深度學習，挖掘災害發生與自然、人為因素的關系，獲得地質災害監測預警模型庫，并在不斷自我學習中對模型進行優化和完善，實現對潛在地質災害區域的有效預測[3]。提高地質災害預警預報系統智能化程度，不斷積累災害樣本，不斷修正完善預警預報模型，提高地質災害預警預報精度。

（5）深化氣象、水文監測預報新成果共享及運用。在提升地質災害預警工作精度的同時，在時間上實現實時臨災預警，解決預警時效問題[4]。

（6）對于降雨型滑坡預警預報，可采用數值模擬法，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災害的影響，采用數值模擬方法進行動態分析和反演地質災害受降雨的影響及變化特征[5]。

5 結語

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