降雨量预测研究现状论文

地质灾害形成机理与调查评价科技研究

（1）降雨诱发型滑坡和泥石流的形成机理

近30年来，降雨型滑坡研究是滑坡研究中的热点课题之一，其核心是通过研究降雨与滑坡的各种关系，预测可能的滑坡状态。据初步统计，全球至少有23个国家的学者对降雨型滑坡进行了不同程度的研究，美国、意大利、日本、英国、澳大利亚、新西兰以及中国香港和内地学者发表的研究论文较多。1984年后，中国香港政府加大了对降雨型滑坡的研究力度。除每年进行降雨滑坡的调查外，特别加强从更深层次上研究滑坡与降雨的关系，降雨滑坡分布发育规律，降雨入渗的水文地质模型，以及应用概率统计和其他数学方法建立更精确的滑坡—降雨关系。随着研究程度的深入，研究者一致认为香港火成岩风化层的非饱和土和残积土特有的性质控制着浅层降雨型滑坡的形成机理。研究结果表明，降雨型滑坡形成机理的本质在于雨水入渗斜坡后破坏了斜坡的应力平衡。因而，从理论上解释雨水入渗后斜坡应力的变化过程，以及雨水在斜坡中的渗透特性和渗透过程，是降雨型滑坡成因机理研究的关键。

（2）岩溶塌陷发育机理和判据研究

日本学者Nogushi（1970）、苏联学者Xоменко（1986）、美国学者Ralphj Hodek（1984）和Thom-as （1995）、俄罗斯学者Anikeev（1999）等，先后采用物理模型试验或数值分析的方法，系统研究了非黏性土潜蚀塌陷的过程。国外一些学者还尝试采用岩土工程离心机进行塌陷试验，如：Borms和Bennermark（1967），Marir（1984），Bertin（1978），Howell和Jenkins（1984），Sterling和Ronayne（1984），Craig（1990），Abdulla和Goodings（1996），运用离心机模拟塌陷破坏机理和导致塌陷的临界组合条件，重点研究了上覆在洞穴上方的弱固结砂层的塌陷破坏与洞穴开口大小、洞穴自身强度、弱固结砂层强度和厚度、上覆砂层的厚度，以及地表荷载的关系。

美国、意大利、英国开展的基于GIS技术的地质灾害的风险评价工作中，包含了岩溶塌陷危险性评价。

（3）区域滑坡和泥石流调查与危险性评价

早期的地质灾害空间预测主要依据野外调查与航空相片解译情况，由专家进行地质灾害敏感性判断和评价，故称之为专家评价法（Aleotti和Chowdhury，1999）。该方法评价结果精度取决于野外调查的详细程度和专家的知识与经验，评价中运用的隐含规则使结果分析与更新困难，而且不同调查者与专家得出的结果无法进行比较。

20世纪70年代，以美国加利福尼亚旧金山地区圣马提俄郡的滑坡敏感性图为代表，利用多参数图的加权（或不加权）叠加得到区域滑坡灾害预测图的方法得到大力推广。该方法的优点是克服了使用隐含规则的问题；缺点是权重的确定仍保持主观性，模型的推广应用有一定困难。

20世纪80年代，受统计回归分析和判别分析在石油运移与矿床预测中应用的启发，Carrara（1983）将多元统计分析预测方法引用到区域滑坡空间预测中，并使该技术在世界各国得到迅速发展与推广。如Haruyama和Kawakami（1984）利用数学统计理论对日本活火山地区降雨引发的滑坡灾害进行了危险度评价。Baeza和Corominas（1996）利用统计判别分析模型进行了浅层滑坡敏感性评估，其斜坡破坏的正确预测率达到，说明了统计预测的适用性。Carrara，Cardinali和Guzzetti等（1991）将统计模型与GIS结合，应用于意大利中部某小型汇水盆地的滑坡危险性评估，结果证明统计分析与GIS的综合使用是一种快速、可行、费用低的区域滑坡危险性评价与制图方法。

20世纪90年代以来，随着计算机技术和信息科学的高速发展，以处理和分析地理空间数据为主要特点，具有属性数据库与图形库动态连接功能的地理信息系统（GIS）技术得到了空前发展，其与定量化的地质灾害空间预测模型方法的结合也成为地质灾害研究的新领域。

Mario Mejia-Navarro和Ellen （1994）在哥伦比亚的麦德林（Medellin）地区分析滑坡、泥石流等斜坡不稳定性引起的区域地质灾害敏感性和土地及生命易损性的基础上，利用GIS技术将两者合成产生了风险评价分区图。Anbalagan和Bhawani Singh（1996）在Anbalagan（1992）关于山区滑坡灾害评估和区划制图研究的基础上，提出了风险评价制图的新方法——风险评价矩阵（RAM）。

Aleollt（2000）采用GIS技术对意大利北部阿尔卑斯山前缘的皮埃德蒙特（Piedmont）地区的滑坡、洪水、雪崩、山谷口堆积等灾害的危险性及综合风险进行了区划性制图研究。Michael-Leiba等（2000）在澳大利亚的一项城市发展规划项目的斜坡地质灾害研究中，把斜坡灾害的危险性、易损性、风险评价作为一体，以GIS软件为技术平台，分别采用平面和三维评价系统，对凯恩斯（Cairns）地区进行了斜坡地质灾害的危险性和风险区划研究。Ragozin（2000）从理论上研究了滑坡灾害风险评价中的危险性、易损性和风险性。提出了考虑危险性评估目标有效期限在内的单个滑坡灾害危险性指标，并用其主要控制因素的概率乘积表示；对于区域性滑坡灾害评估，用给定地区的面积、滑坡发生面积、滑坡数量和时间之间的关系建立定量模型。

监测预报技术方法研究

（1）诱发滑坡和泥石流的临界降雨量与气象预警研究

在诱发地质灾害的降雨临界值研究方面，各国学者用来确定降雨诱发滑坡临界值的方法很多，其不同点在于考虑的因素不同。Glade（1997）建立了确定诱发滑坡的降雨临界值的三个模型，并在新西兰的惠灵顿地区进行了验证。三个模型要求的基本数据为：日降雨量、滑坡发生日期和土体潜在日蒸发量（通过Thornthwaite method方法计算得到）。模型建立的前提是：①假设最大日降雨量的地区，蒸发量最小；②滑坡由最大降雨量诱发。这三个模型基本概括了当前确定诱发滑坡的降雨临界值的方法。

在对美国旧金山湾地区1986年2月12～21日的滑坡和泥石流灾害预警工作中，首先由美国地质调查局分析确定，通过当地电台、电视台以及美国国家气象中心的特别预报方式来进行预警。这次滑坡泥石流灾害的预警分为两个阶段：第一次是2月14日的6个小时灾害危险期，另一次是17～19日之间的60小时的灾害危险期。由于地质条件的复杂性和地形条件的变化，这两次预报主要是针对整个旧金山海湾地区，而不是某一个特定的滑坡灾害地点。根据滑坡泥石流灾害发生后的调查，10处滑坡泥石流灾害发生点有目击者能提供精确的时间，其中有8处滑坡泥石流所发生的时间与预警的时间段一致。

据研究，旧金山湾地区的6小时降雨量达到4英时（即）时，就可能引发大面积泥石流。为了监测降雨期间地下水位的变化，他们还设置了若干个孔隙水压力计以观测斜坡中地下水位变化。旧金山海湾地区实时区域滑坡预警系统包括降雨与滑坡发生的经验和分析关系式，实时雨量监测数据，国家气象服务中心降雨预报以及滑坡易发区略图。

1984年开始，香港地区采用雷达图像解译小范围地质构造，用于确定滑坡发生的潜在区域。进而建立了用于滑坡灾害的降雨量监测网络，其中自动雨量计1999年由48个扩展为86个。将雨量资料定时传给管理部门。如预测24小时内降雨量达到175mm或60分钟内市区内雨量超过70mm，即认为达到滑坡预报阈值，即由政府发出通报。香港平均每年约发出三次山洪滑坡暴发警报。

（2）滑坡和泥石流灾害监测技术方法研究

对于滑坡和泥石流的监测，在美国、瑞士、意大利、日本、韩国等发达国家已经做了很多工作，特别是单体滑坡已经达到真正实时监测的阶段。监测内容包括地面位移、地裂缝、地下位移、地下水位（水压力）和水温、地声等。监测技术采用常规监测、自动观测、GPS和卫星通信等相结合（图，）。在我国的香港特别行政区，也建立了比较完善的基于降雨监测的地质灾害监测网络。

图 使用太阳能无线遥控系统（左图）和变形计（右图）

图 瑞士南部Canton Ticino地区的滑坡实时监测（据）

（3）地面沉降监测预测新技术新方法研究

在美国、荷兰、日本等发达国家，地下水水位往往与基岩标、分层标布设在同一孔内同时进行自动化监测（图）。一是可以判明是否是由于过量抽取地下水所致，即地面沉降的形成原因；二是可以与监测到的地面沉降数据进行动态的耦合分析，得出地下水开采量（水位）与地面沉降量的相关关系；再通过水流模型可对地面沉降进行预报预测。同时，作为地下水位的实时监测数据，能够直接成为地下水资源管理的可靠依据。

图 分层标自动监测系统及原理示意图（据Amelung等，1999）

在美国加利福尼亚州萨克拉门托，GPS测量已经取代了区域性的地面标高的水准测量。1986年在该区建了38个GPS监测站，1989年后达到了68个。采用严格的测量程序，其大地高程的精度可达到毫米级。我国上海经过近两年应用Ashtech Z12双频GPS信号接收机测定大地高程，于1999年也取得了大地高程精度达3mm的好成果。其优点是对于区域性地面沉降的大范围监测具有事半功倍的效果。

根据美国地调局资料，美国用于探测地面沉降的干涉合成孔径雷达（InSAR）技术还处于开发和试验之中（图）。Gabriel等率先于1989年发表了《测绘大区微小高程变化：雷达干扰测量法》的文章。1993年，Massonet等利用雷达干扰测量法测绘了着陆器地震的地面形变场区。Van der Kooij等用太空飞船干涉卫星孔径雷达资料调查研究了荷兰格洛宁根（Groningen）天然气开采区的地面沉降问题。Marco等利用美国实验研究学会干涉卫星孔径雷达资料对美国贝尔瑞吉（Belridge）油田1992～1996年的地面沉降进行了详细的研究。由于这种探测技术的使用，地面沉降测量的精度已达毫米级，其探测结果能很好地处理成平面二维沉降等值线图。而且该方法可以省去常规水准标石测量的许多人力和物力的投入。因此，不能低估这一新技术的开发应用前景，在目前情况下可以参照国外成功的经验在我国进行试验。

（4）岩溶塌陷监测技术研究

美国学者Benson（1987）提出利用地质雷达进行监测预报的方法，并在美国北卡罗来纳州威尔明顿（Wilmington）西南部的一条军用铁路进行了试验，监测周期为半年，取得了良好的效果。2002年，在国土资源大调查项目的支持下，中国地质科学院岩溶地质研究所在广西桂林柘木镇建立了我国第一个岩溶塌陷灾害监测站，为深入系统地研究岩溶塌陷预测预报方法提供了良好的条件。

图 合成孔径雷达干涉测量获得的内华达州拉斯维加斯谷地

（5）地质灾害监测预警信息传输处理与发布系统研究

发达国家和地区已经越来越重视地质灾害监测的信息化工作。例如美国、日本、意大利、法国和韩国等建立了地质灾害实时监测系统，在实际应用中可以做到实时预警。针对单种地质灾害开展监测预警方面的研究工作较多，多灾种的集成系统尚不多见。

地质灾害治理工程技术研究

（1）地质灾害防治理论

重视基于地质灾害形成机理的地质灾害防治理论研究。如日本针对温泉地区的滑坡特点，研究采用排气工程和地下水截水工程进行滑坡综合防护；法国针对降雨诱发的粘土滑坡采用虹吸排水技术；美国和日本在研究植被覆盖好的地区发生的浅层滑坡，开展采用调整植物类型的生物措施研究等。在地质灾害的防治工程中，普遍采用生物防护系统，注重生态环境保护，日本在滑坡治理中，抗滑桩和建筑地基结合，实现防治工程与土地开发利用相结合。

（2）地质灾害防治工程设计技术方法

国外对于复杂支挡结构设计技术、地下水排水技术设计，基于环境和景观设计的技术规程和实用的计算机软件开发等方面，都进行了大量研究，形成了比较配套的设计计算理论方法和产业化软件。如：美国开发了三维连续体的快速拉格朗日分析软件——FLAC3D，三维模拟离散元程序——3DEC；加拿大开发的地质工程问题和地质环境模拟分析的软件包——GEO-SLOPE Office（GEO-SLOPE Office for Windows），已经广泛应用于世界上许多国家的滑坡等地质灾害防治工程设计，形成了模块化的设计软件和方法。

（3）地质灾害治理工程技术

在治理技术上，广泛应用土工织物、预应力复杂支挡结构、地下水排水技术。尤其以美国、西欧、日本和我国的香港特别行政区在地质灾害治理方面投入大，成就显著。如日本地附山滑坡治理工程，耗资达150亿日元（约15亿人民币），可算得上地质灾害防治工程的博物馆。

国外对崩塌和滑坡灾害治理的常见技术工程包括：①冲刷防护工程：防冲坝、沉积坝、护岸、防波坝、丁坝；②减重和反压工程；③地面排水工程：地面排水沟、防渗工程；④地下排水工程：地下排水沟、泄水洞、水平钻孔、集水井和虹吸排水工程；⑤地下截水工程：隔渗芯墙截水，灌浆截水，化学固化法截水；⑥支挡工程：挡土墙、格栅墙、抗滑桩、岩石锚杆；⑦排气工程：用于治理温泉地区的滑坡；⑧生物护坡技术和轻型网状防护系统结合用于崩塌和小型滑坡灾害的治理。

由于水是形成滑坡的重要诱发因素，地面排水工程和地下排水工程总是被首先考虑的治理技术，也是在大型滑坡防治中首选采用的治理技术。美国、日本、新西兰等国在滑坡治理中广泛应用地下排水工程技术，采用水平钻孔排水和排水井、排水隧洞联合排水技术治理滑坡。法国采用虹吸排水技术治理100多处降雨诱发的粘土滑坡。它是一个密封的聚氯乙烯管系统。该技术的最大优点是可以自流排水，降低滑坡的地下水位。

在支挡工程技术应用方面，研究应用大截面抗滑桩、锚索抗滑桩、锚索、小型钢架桩加锚索、微型桩群等多种支挡结构，并在锚索防腐技术、通用的计算方法、设计软件和技术标准方面取得明显进展。减重和反压工程是经济有效的防治滑坡的工程措施。英国Huchinson提出的“中性线”方法为减重和反压计算提供了理论依据。

近年来，发达国家在地质灾害防治工程实践中，在崩塌和小型滑坡灾害治理中应用轻型网状防护系统与生物护坡系统的配合技术，使防治工程进一步向轻型化和美观化方向发展。如SNS柔性支护系统和生物护坡系统，在欧洲许多国家应用比较普遍。

国际地质灾害防治科技研究发展趋势分析

地质灾害防治科技未来总体发展趋势是：重视地质灾害早期预测、预警能力建设，提高地质灾害领域防灾减灾科技水平和能力，建立3S（即：RS——遥感，GPS——全球定位系统和GIS——地理信息系统）技术平台，发展和建立区域地质灾害动态实时监测网站和预测预警信息系统，建立地质灾害信息系统平台和共享通道，提高地质灾害减灾防灾技术的支撑能力。

对地质灾害形成机理的深入研究一直是国际地质灾害研究的难点，而降雨型滑坡研究是滑坡研究中的热点课题之一，重点是研究诱发泥石流、浅层滑坡的临界降雨量随区域和气候变化而变化，揭示降雨与滑坡的各种关系，预测可能的滑坡状态。

应用GIS技术开展地质灾害的区域特征分析和灾情空间制图正成为热点。通过计算机高技术手段（GIS，GPS，RS等）将灾情分析与危险性评价、风险性预测有机结合起来，形成实时预警决策体系将成为灾害地质研究的一个重要趋势。

在各种监测技术方面，发达国家在加强各类地质灾害实时监测台站建设的同时，均十分重视高新技术的应用，高科技空间对地观测技术在地质灾害方面的应用研究也是发达国家的重要研究方向。各种更为先进的遥感探测系统的应用逐步深入，美国、法国、意大利和日本等国都将GPS、干涉雷达遥感在滑坡、地面沉降等动态调查和监测中的应用作为重点研究方向。

近年来，发达国家在地质灾害治理工程技术方面具有如下特点和发展趋势。

在防治理论上：重视基于地质灾害形成机理的地质灾害防治理论研究；注重防治工程与生态环境保护和土地利用结合；形成模块化的设计软件和方法，研究开发新的治理技术方法。

在灾害信息处理方面：各种高速的数值预报已逐步实现；高速、智能化、综合化的通信网络技术、分布式数据库技术和海量数据操作技术的发展，又使灾害通信、计算机网络和信息开发处理融为一体，形成了综合的灾害信息网络系统，使各种分散的灾害信息真正做到资源共享；人工智能、多媒体和三维模拟技术的发展，推动了灾害信息产品的应用和再加工。

(1)对中国夏季降水量的年代际异常特征及可能成因研究表明：1)从降水年代际分量来看,近30年中国夏季降水经历了两次转折,第一次发生在20世纪90年代初,第二次发生在21世纪初。进入90年代,中国南方地区夏季整体进入一个多雨期。21世纪后,中国江淮地区夏季降水年代际偏多,中国长江以南和黄河以北地区降水年代际偏少。2)当850hPa我国北方为异常反气旋性环流控制,南方为异常气旋性环流控制,200hPa西风急流位置偏南,500hPa高度场呈现EAP型和EU型的负位相,100hPa南亚高压主体偏西时,长江以南地区夏季降水偏多,而陕北高原和渭河平原地区降水偏少。3)从近30年来看,西太副高东西位置与华南地区夏季降水年代际分量一直呈显著正相关关系。SST年代际变化在很大程度上影响了降水的年代际变化,但这种影响存在着不稳定性(时间和空间域)。(2)对中国夏季降水年际变率的年代际异常特征及可能机制研究表明：1)近30年中国夏季降水年际变率整体经历了弱-强-弱的三个阶段。2)西南、南海及东南三个通道的水汽通量和来源于鄂霍次克海附近以及极地冷空气活动的年际变率强弱改变直接影响着我国夏季旱涝发生频次。3)近30年来,印度洋和太平洋SST年际变率同样经历了弱-强-弱三个阶段。在赤道太平洋与中国夏季降水年际变率的年代际转折密切相关的区域位于nin03区。1993-2003年印度洋SST年际变率主导着夏季旱涝,而在2004-2013年东太平洋SST年际变率与降水的联系更为密切。4)中国夏季降水年际变率年代际异常的一种可能机制：前冬东太平洋／印度洋SST年际变率增强(减弱),则Walker环流年际变率增强(减弱),引起暖池对流年际变率改变,同时暖池对流的改变又影响着夏季东亚大气环流,最终导致中国夏季降水年际变率年代际异常。(3)对中国夏季降水及其年际变率年代际异常之间的关系研究表明：1)年代际异常为年际变率提供了背景,在不同的年代际背景下,夏季降水年际变率也发生年代际变化。2)华南、华北降水年代际分量与降水年际变率两者第一次突变时间比较一致,而江淮降水年代际分量的第一次突变略早于年际变率的第二次突变。3)在华南、江淮、华北地区,当夏季降水由年代际偏少突变为偏多时,对应年际变率强度由弱变强,反之亦然。