美国降雨诱发浅层滑坡和泥石流预警Word文件下载.docx

1、由于这些损失主要为私有财产损失，大部分伤亡是由岩崩而致，因此，远比降水诱发的山体滑坡更难预测，只有少量公共资源投入滑坡预警系统的开发。因此，仅少数地区建立了有效的滑坡预警系统。此外，监测网络和专业人员不足（在许多地方，缺乏预警标准），影响了现有预警系统发出有效警告的能力。降雨诱发滑坡的有效早期预警系统必须具有强大的气象、水文地质和岩土工程组成部分。幸运的是，在美国，气象监测、预测和预警系统非常发达，因此本文的重点是研究滑坡早期预警系统的水文地质和岩土工程。本文简要地回顾了美国滑坡早期预警系统的历史、滑坡预警的社会和经济、技术和操作问题、可利用的预警标准、实时监测功能、早期预警系统的滑坡敏感性和

2、灾害图等。对过去和现在的预警系统作简要说明，并以华盛顿西雅图区的滑坡早期预警系统为例，详细说明了美国已经实施的浅层山体滑坡早期预警。二、历 史1969年南加州发生灾难性洪水和泥石流后，Campbell（1975）开发了最早的预测系统之一，判断泥石流启动所需的降雨强度，这是泥石流预警系统的雏形。由于世界各地都广泛存在暴雨诱发的滑坡，一些研究人员开始尝试确定与泥石流和滑坡发生相关的降雨量（Tubbs，1974；Caine，1980；Wieczorek和Sarmiento，1983；Cannon和Ellen，1985；Cannon，1988）。世界上早期的滑坡预警系统可能于1977年在香港运行（Ch

3、an等，2003）。1983年春天在犹他州，大量的雪融水诱发了泥石流，于是在1984年春季首次尝试运行泥石流预警系统（Wieczorek等，1983；McCarter和Kaliser，1985）。从盐湖城拉德峡谷潜在滑坡区获得的降水、气温和斜坡运动数据，使得地方官员于1984年5月下旬提前进行了泥石流预警。1985年，美国地质调查局（USGS）与国家气象局（NWS）合作，尝试着在加利福尼亚州旧金山海湾地区运行滑坡预警系统（Keefer等，1987）。10年后，由于人员和资金投入不足，导致系统关闭（Wilson，2004）。但是，在上世纪80年代末和90年代，由于出现大量诱发滑坡的风暴，刺激了继

4、续研究当地或滑坡发生区域的降水阈值工作（Wieczorek，1987；Jibson，1989；Wilson等，1992；Larsen和Simon，1993；Wilson和Wieczorek，1995；Montgomery等，2000；Wieczorek等，2000；Wiley，2000；Chleborad，2000，2003；Godt等，2006）。美国西部日益严重的野火刺激着对火灾地区的泥石流进行研究，包括确定最近发生火灾地区的降水阈值（Cannon等，2003，2008；Cannon和Gartner，2005）。自旧金山湾区预警系统关闭后，仍在持续研究预警系统。1996年的暴雨造成了多人死

5、亡，从而使得俄勒冈州在旧金山湾区预警系统之后，开始开发滑坡早期预警系统模型（Wiley，2000；Mills，2002）。美国地质调查局与西雅图市（以及随后的NWS）合作，研究降雨阈值，成为开发西雅图地区滑坡预报系统模型的基础（Chleborad，2003）。美国地质调查局还发布了几次警告，在阿巴拉契亚地区，由于最近发生的飓风可能会在部分地区形成泥石流（GF Wieczorek，2004，2005）。在最近发生过火灾的一些犹他州社区，根据暴雨提出了泥石流警告。由于这些警告，一些受影响的社区开始进行疏散，直到建造好防护结构（Giraud，2005年）。在2005年2月4日，美国国家海洋和大气局和

6、美国地质调查局达成一项协议，合作进行试点研究，对最近发生火灾的南加州地区发出泥石流预警（NOAA-USUS泥石流特别工作组，2005）。美国地质调查局提供火灾地区的泥石流和暴雨山洪阈值。从2005年冬季至今，NOAA-USUS已联合开发了很多预警系统，来预报潜在的泥石流（Restrepo等，2009）。此外，国家气象局负责对与南加州、西部俄勒冈州和华盛顿州西雅图山区或滑坡敏感区灾害相关的天气进行预报（见表1），通常包括暴雨山洪期间发生的滑坡和流石流。然而，NWS发生的滑坡或泥石流预警是临时性的，通常不是基于任何既定的标准，而是暴雨和洪水与滑坡和泥石流的一般联系。表1 美国泥石流和浅层滑坡预警系

7、统位置旧金山海湾区南加利福尼亚阿巴拉契亚山脉西俄勒冈州华盛顿西雅图操作者USGS和NOAAUSGSODF（止于2007年）ODOT、DOGAMI和NWS（自2007年始）USGS、西雅图NWS状态19851995年得到正式许可运行自2005年得到正式许可运行，原型自2004年该区受到大型飓风威胁后活跃自1997年没有提供资金的授权运行原型，自2002年得到非正式许可运行预警方法NWS特别天气声明，山洪暴发警示NWS山洪暴发关注和警示USGS新闻公告DOGAMI新闻公告，NWS山洪暴发关注自2006年NWS特别天气声明广播媒介收音机，电视AWIPS、CAP、DMIS、互联网、NOAA天气预报收音

8、机互联网、CAP和DMIS互联网、收音机和电视互联网、收音机、电视、CAP和DMIS降雨阈值SBCBSCBRVCROSW先期降水是否融雪偶尔野火地图比例尺无1:100,0007,500,00024,000地图参考Cannon等，2007Radbruch-Hall等，1982Hoffmeister等，2002Harp等，2008岩土工程监测地下水位土壤含水量，孔隙水压力验证USGS、NWS自愿者DOGAMI西雅图市、USGS主要参考文献Keefer等，1987；Wilson，1997USGS，2005Baum，2007DOGAMI，2005；Wiley，2000Chleborad等，2008；G

9、odt等，2006备注：CAP，公共预警协议；DMIS，灾害管理信息系统；DOGAMI，俄勒冈州地质与原料工业部；NOAA，美国国家海洋和大气管理局；NWS，国家气象局；ODF，俄勒冈州林业局；ODOT，俄勒冈州交通局。三、经济和社会的问题及需求虽然对潜在的降水诱发滑坡进行预警在技术上是可行的，但是，只有当生命或财产处于风险时，滑坡预警系统运行才会比较现实，具有较高的成本效益。仅在少数地区，支持这一决策的滑坡损失数据是可以得到的（Fleming和Taylor，1980；Highland，2006；Crovelli和Coe，2009）。滑坡易发地区的人口增长，对于滑坡早期预警系统的广泛实施，将会

10、造成更大的压力和经济刺激。然而，缺乏重要的滑坡敏感性信息和降水阈值，将会影响这一系统在美国许多地区的实施。即使早期滑坡预警系统的所有组成部分都存在，仍有一些社会问题必须克服（Wilson，2004）。包括公众对滑坡灾害、机构的作用和任务不理解，很难迅速沟通，从而使预警系统失效，无法采取适当的行动。频繁的假警报（警告后并没有发生山体滑坡），或更糟糕的是，没有发出预警就发生了山体滑坡，会使公众对预警系统失去信心。开发适合于地区和公众的明确警告用语和指示，通过一些教育计划来确保滑坡易发区的居民了解灾害，并在预警后采取适当行动，才能克服上述这些问题。（一）公众教育即使在山体滑坡发生频率相对较高，且有一

11、些形式预警系统存在的地区，大部分公众仍不了解山体滑坡及其影响，并对滑坡警告做出恰当的反应。有几个因素造成这种信息缺失，需要继续对公众进行教育：只有一小部分公众见证过或经历过滑坡，即使是在滑坡高发区，滑坡也并不经常发生，以至于公众忘记这一灾害。由于公众对于相关机构的任务存在不同的理解，因此，有时会增加滑坡预警意图和意义的混乱。例如，除了最近砍伐木材的地区，即使已知破坏性的泥石流起源于最近没有砍伐木材的地区，俄勒冈的居民通常会忽视俄勒冈林业部门（ODF）的泥石流警告（John Seward，ODF，2006）。大多数滑坡在发生特定季节或一段时间内的地区，需要在季初开始发布年报，有效地提醒新闻媒体和

12、公众预防即将到来的滑坡（Wilson，2004）。（二）通讯、警告用语及指示在一些文献中提出了一些警告语言（Keefer等，1987；Wilson等，1993；Wieczorek和Glade，2005；NOAA-USGS泥石流特别工作组，2005）。主要内容包括：（1）预期的危险；（2）适当的行动；（3）受影响地区；（4）何时发表声明；（5）有效期；（6）在何时得到进一步的指示。指示包括：（1）如何应对滑坡，（2）在可能导致山体滑坡大暴雨发生时应该做什么和（3）在何处获得更多的信息。依据不同地区的地形和主要降水模式，指示可以稍做变动，实例可以参见美国地质调查局相关网站，网址为http:/lan

13、dslides.usgs.gov/learning/publications.php#factsheets，2009年4月8日）和美国红十字会内容概要说明书（网址为http:/www.redcross.org/，2009年4月8号），等等。四、技术基础和操作要素在美国的不同地区，滑坡知识和资源对潜在降水诱发滑坡发出警报或警告具有很大差异，但通过以前的研究和经验，可以指导将来工作的改进，并扩展到其它地区。现有的预警系统提供了公共安全领域的一项重要服务，但最近的一些潜在滑坡警报过于一般化，需要进行改进以发挥其作用。在相关机构向决策者和公众发布包括足够详细的信息，包括滑坡发生的时间、位置和强度等滑坡

14、警报之前，运行基础平面台和一些用于监测、预报和核查的信息必须到位。以下信息是进行滑坡预测的基础：（1）滑坡敏感性或灾害图，说明处于风险的地区；（2）滑坡发生需要的地下水或土壤含水量水平；（3）滑坡启动所需的降雨强度和历时；（4）实时气象数据和预报。在一些地区，必须考虑植被、融雪和其它水文地质或岩土工程要素。最后，需要进行现场踏勘，检查和提高预报（警告）的精确度，下文对这些要素进行详细说明。（一）滑坡敏感性、灾害或风险图滑坡发生的降水阈值会制约滑坡的发生，然而，无法在空间分布中进行明确。为了做出有效的响应，应急管理机构和公众需要知道警告的区域范围，否则，根本无法做出响应。虽然预测特定暴雨发生时滑

15、坡的确切位置一般不太可能，但是如果降雨量超过阈值，则通过滑坡敏感性或概率图，可以识别出预期发生滑坡的地区。理想情况下，根据这些地图，应该可以识别泥石流堆积泛滥区（NOAA-USGS泥石流特别工作组，2005），以及泥石流或其它迅速运动的滑坡可能启动的区域。比例尺为1:25,0001:100,000的滑坡灾害图通常足够进行应急准备和规划，但在进行土地开发利用规划时，需要更为详细的图件。采用地理信息系统技术，可以将实时降水量或定量降水预报结果覆盖在滑坡敏感性图上，这样预测和应急机构可以确定哪些地区在特定暴雨来临时，面临的滑坡风险最大。令人遗憾的是，在美国许多地区无滑坡图可以利用，而现有滑坡图的质量

16、和比例尺相差也较大（Brabb等，2000）。只有极少数填图区进行了足够详细的研究，通过滑坡特征和沉积物情况，能充分了解与目前灾害水平的相关程度。在美国，只有极少数地区，滑坡图可以充分用于滑坡预警系统，华盛顿州的西雅图是美国极少数几个地区之一，其余包括旧金山海湾地区（Wilson，2004）、南加州最近遭受火灾地区（Cannon等，2007，2008），均有降雨阈值和足够详细的滑坡灾害图，可用于滑坡预警（Baum等，2005；Schulz，2007；Harp等，2008；（二）植被、先前的降雨量和土壤含水量山坡上有无植被对于泥石流的启动机制和预警阈值有着重要的影响。在经受火灾和植被稀疏的地区，

17、因为表层的土壤松散，会受到降雨和径流的全面影响，通常更容易受到侵蚀、并形成细沟。因此简言之，在下覆为火成岩的植被稀疏地区，中等强度的降雨会造成严重的水土流失和泥石流（Cannon等，2003；Coe等，2008）。在美国，季节性、先前的暴雨和降雨差异很大，世界各地普遍如此（Wieczorek和Glade，2005）。在预测经受火灾和植被稀疏地区的泥石流时，先前的降雨量作用不那么显著（Cannon和Gartner，2005；Coe等，2008），但可能是泥石流强度的一个重要控制因素。经受火灾和植被稀疏地区的预警阈值主要是在短期，中等强度的暴雨区。有植被覆盖的山坡发生的泥石流，通常来自于浅层山体滑

18、坡，一般是在重大的先行降雨，以及中等到较长历时的降雨之后，特别是在美国西部的地区，降水明显是季节性的。在降雨全年分布相对均匀的湿润地区，例如弗吉尼亚州、波多黎各和夏威夷，土壤含水量相对较高，与太平洋沿岸土壤为季节性湿润和干燥的地区相比，滑坡诱发暴雨之前的先行降雨的影响相对较小。另外，虽然先行土壤含水条件可能不是滑坡或泥石流发生的强预测要素，但在特定的暴雨期间，土壤含水量先行条件更为重要，有可能产生更丰富、规模更大的泥石流。（三）融 雪在美国西部，快速融雪已成为若干重大滑坡及众多小滑坡的诱发因素（Wieczorek等，1989；Chleborad等，1998，2000）。多数降雨阈值没有具体指出

19、融雪，然而，初步研究表明，估计或测量融雪，并将融雪速度结合在降雨阈值分析中是可行的（Chleborad，2000）。一些初步工作也表明，空气湿度可能有助于预测融雪诱发滑坡的时间（Chleborad，1998），但是，可能需要在融雪时，利用工具监测孔隙水压力上升和相关的现象，以准确预测融雪诱发的滑坡。（四）降雨阈值变异性和不确定性仅在相对较少的地区，有浅层山体滑坡和泥石流的明确的降雨和相关的先行降水阈值。降雨强度-历时阈值（ID）或给定时间内的累积降雨量可以互换使用（Baum，2007）。在美国，滑坡发生的降雨强度和历时要求会相差几个数量级。Rossi等（2006）和Guzzetti等（2008

20、）发现，全球范围的变化更大（高达4个数量级）。在美国费吉尼亚州蓝岭、波多黎各湿润地区、俄勒风州和华盛顿州低地，降雨强度阈值最高；在火灾地区降雨历时阈值最低（不足1小时），在俄勒冈州和华盛顿的部分地区，降雨历时阈值最高。累积降雨量，即诱发山体滑坡典型的降雨量，一般随降雨历时的增加而增加（Baum，2007），而且降雨量和降雨历时变化可以达到3个数量级。不仅在全国，而且在不同的地方和区域，降雨阈值变化也很大。在俄勒冈州西部，24小时的累计降雨量，可能引发山体滑坡从不到50mm至超过250mm（Wiley，2000）。在旧金山湾区，由于地形的影响，降雨阈值也相差很大（Cannon，1988；Wils

21、on和Jayko，1997；Wilson，2004）。整个美国的滑坡易发区，都存在类似的变化，这样就很难开发和应用阈值。开发新地区的降水阈值非常耗时，因为需要投入相当大的人力去寻找和编制山体滑坡历史纪录，以及同期的雨量数据。Wilson（2000，2004）提出一种方法，初步估算西海岸地区的降雨阈值，采用超过概率20%的参考风暴来确定气候变化的影响。遗憾的是，并没有得到广泛的测试，在美国其它地区是否适用尚不确定。滑坡启动所需的降水量和先行条件，因气候、地质和植被而异，因此，从一个地方到另一个地方阈值是高度变化的。USGS正在开发的模拟技术，可以更迅速地进行滑坡敏感性和降雨阈值分析（Baum等，

22、2008；Godt等，2008；Salciarini等，2008）。目前采用的大多数阈值，是基于对历史滑坡和降雨量数据的分析，许多公布的阈值是从少数暴雨导出的数据获得的，因此具有高度不确定性。一些研究者采用某些方法，界定历史上诱发少数滑坡的降雨量-强度最小或“安全”阈值，以及历史上产生很多山体滑坡的降雨强度最小或“安全”阈值（Wilson等，1992；基于附加历史资料的概率分析，可用于量化降雨阈值的不确定性。例如，Chleborad等（2006，2008）采用25年的历史记录，完整地分析了超出阈值和滑坡发生之间的关系，在下文中对研究结果进行了总结。NWS确定泥石流预告准确性流最低为45%，仅计

23、算那些认为“威胁生命和财产”的活动（Restrepo，2009）。（五）实时监控实时气象和岩土工程（水文）监测是任何滑坡预警系统的基础（Keefer等，1987；Baum等，2005；滑坡易发地区的雨量计对于准确地确定阈值超标具有重要作用。估计降水的天气雷达或卫星技术可以提供一些细节的重要补充，指出在特别暴雨来临时最有可能发生滑坡的区域（Wilson，2004；监测土壤含水量、孔隙水压力和地面变形，可以提供一些补充信息，以确定可能造成滑坡超出阈值的暴雨（Baum等，2005；Reid等，2008；Godt等，2009）。在土壤含水量具有强烈季节性变化的地区，如西海岸，这一监测工作非常有价值，但

24、在其它地区可能也比较有用。岩土工程监测也是确定融雪对斜坡不稳定性贡献的最有效方法。（六）验 证验证非常重要，但有时在自然事件预测系统，如降雨、洪水或山崩时，这一功能会被忽略（NOAA-USGS泥石流特别工作组，2005）。滑坡时间、位置、与暴雨的关系以及警告，提供了评价和完善预警标准的基础，包括降雨强度、历时、阈值和先行降水或土壤含水量标准。这些记录提供了根据阈值超标确定滑坡概率的方法（Chleborad等，2008）。收集这些资料是极其耗费人力的，通常包括对目击者进行访问，并进行实地调查。通常根据参与预警系统运行的地质机构提供核查（表1）。美国地质调查局目前正在探索建立一个数据库和网站向公众

25、收集滑坡报告，问题作为验证的补充手段（Highland等，2009年）。五、美国的滑坡预警系统在美国，尚无充分发展的滑坡预警系统，但在几个地区，有一定水平的预警能力（见表1）。尽管1974年颁布的灾害救济法（斯塔福德法）要求美国地质调查局局长负责发布灾害警报，包括地震、火山爆发、山体滑坡和其它地质灾害，但该机构缺乏需要运行完整的全国滑坡预警系统的资料。因此，一些其它机构提供了特点地区的滑坡警告。在美国，不同机构采用的降水诱发滑坡早期预警方法有许多共同点（见表1），均依赖于降水监测和预测，有些会考虑温度和融雪（Chleborad，2000），大多数采用与最近的降水量紧密相关的预警阈值。土壤含水量

26、、地下水压力或地面变形岩土工程监测，对于预警工作也非常重要（Keefer等，1987；大多数预警方案均依靠于NWS、与州新闻发布的预警机构的直接沟通，发布预警或警告。一般来说，地质机构（USFS和州地质调查局）负责提供预警阈值和滑坡敏感性图（美国地质调查局，2005），当降水量超过阈值时，由NWS发布警告，有时会向地质机构征求意见（见表1）。Baum（2007）简单地描述了其中几个机构如果发布警报信号。华盛顿州西雅图预警系统说明了美国实施的滑坡预警系统的几个方面。（一）背 景发生在华盛顿州西雅图滑坡对沿海断崖和山坡，以及普吉特海湾地区的滑坡，对人群、公共和私人财产、生命线、公用事业和企业造成了

27、极大的危害。大多数滑坡发生在冰川沉积物或坡积土范围内（Tubbs，1974；Baum等，2005）。浅层平移土体滑坡是最常见的类型，但也会发生泥石流和快速土流、土倾倒、相关的土崩和岩崩、大型的平移和旋转土体滑坡。大量证据表明，先行的土壤含水量会影响西雅图的边坡稳定。历史上，几乎所有的山体滑坡均发生在冬季的雨季（Laprade等，2000）。在西雅图进行了为期4年的土壤含水量和孔隙水压力监测结果表明，土壤含水量和孔隙水压力会随着空间和季节性变化，当土壤含水量较高（饱和程度高于6080%）时，会发生相关的浅层滑坡（Baum等，2005；1934、1972、1986、1990、1996、1997和2001年的冬季暴雨诱发了上百次的滑坡（Tubbs，1974；Gerstel等，1997；Laprade等，2000；Chleborad，2000，2003）。1996和1997年的滑坡对私人和公共财产造成了极大的危害，并造成4人死亡（Gerstel等，19