地质灾害防灾减灾技术研究现状及发展综述

闻绍毅，李洋

（1.辽宁省国土资源厅信息中心，辽宁 沈阳 110032；2.辽宁省地质矿产研究院，辽宁 沈阳 110032）

地质灾害防灾减灾技术研究现状及发展综述

闻绍毅1，李洋2

（1.辽宁省国土资源厅信息中心，辽宁 沈阳 110032；2.辽宁省地质矿产研究院，辽宁 沈阳 110032）

中国是地质灾害最为严重的国家之一.许多学者和机构对如何防范地质灾害、减轻地质灾害的影响进行了研究.根据这些研究将地质灾害防灾减灾技术总结为4类：地质灾害监测，地质灾害预测预警，地质灾害风险评估和地质灾害风险管理.对国内外地质灾害的监测、预警、风险评估和风险管理等方面的研究进行了总结.分析了目前的发展状况和存在的问题.

地质灾害；灾害监测；风险评估；风险管理

1 前言

地质灾害是自然因素和社会因素的耦合体，是自然因素或者社会因素引起的危害人民生命、财产安全的各种灾害的总和，如：滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝、地面塌陷、地面沉降等都属于地质灾害.中国地质灾害种类多、分布广、危害大，是地质灾害最为严重的国家之一.崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害频繁发生，经常造成生命和财产的重大损失.据统计，近年来除地震以外的各类地质灾害平均每年造成1000多人死亡，经济财产损失上百亿元［1］.

地质灾害多表现为突发性，其给国民经济建设及人民生命财产带来了严重的危害.因此，对地质灾害进行监测、预测预报以及防治，是刻不容缓的工作之一［2］.

1 地质灾害防灾减灾主要技术发展现状

本文根据学者们的研究将地质灾害防灾减灾技术总结为4类：地质灾害监测，地质灾害预测预警，地质灾害风险评估和地质灾害风险管理技术.

1.1 地质灾害监测技术

以监测地质灾害时空域演变信息、诱发因素等为主要任务，最大程度获取连续的空间变形数据［3-4］.应用于地质灾害的稳定性评价、预测预报和防治工程效果评估.地质灾害监测是集地质灾害形成机理、监测仪器、时空技术和预测预报技术为一体的综合技术.目前地质灾害的监测技术方法研究与应用主要围绕崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害进行［3］.

1.1.1 位移监测法

通过测量灾害体的位置变化信息实现对灾害体的监测，如监测滑坡体裂缝两边的相对位置变化实现对滑坡的监测.由于获得的是灾害体位移形变的直观信息，特别是位移形变信息，成为常规监测技术用于地质灾害监测的主要技术［3］.

随着现代科学技术的发展和学科间的相互渗透，目前除采用常规的测量设备，如卷尺、测距仪等，3S技术已经大量应用于地质灾害发生的全过程中.此外，激光扫描、时域反射技术（TDR）、合成孔径干涉雷达（InSAR）、核磁共振技术（NUMIS），以及光纤应变分析等技术相继应用于地质灾害的调查与监测中［4］.其中光纤应变分析技术之布里渊散射光时域反射技术（BOTDR）主要利用光纤中的自然布里渊散射光的频移变化量与光纤所受的轴向应变之间的线性关系得到光纤的轴向应变.BOTDR应用于地质灾害监测尚处于起步阶段［3］.

在实际工作中，根据不同种类地质灾害和不同类型地质灾害的物质组成等因素，研究选取适当的监测方法,建立典型地质灾害监测的优化集成方案.如三峡库区管理部门为实现对库区15 000 km2范围内2 548处地质灾害进行监测，综合采用了宏观简易地质监测法、大地精密测量法、GPS法、仪器仪表监测法和综合自动遥测法，实现了群测群防和专业监测相结合，取得了一定的效果［5］.

1.1.2 环境监测法

通过监测孕灾环境的物理场、化学场、地下水、气象等环境变化信息实现对灾害体的监测，如磁场、放射性元素监测、地下水温度、地下水位、地下水质、降水等的变化监测.地质灾害发生前地质灾害体或孕灾环境往往会发生物理、化学场变化，同时地下水的本体特征也会发生相应的变化.

强降雨容易引发山洪泥石流.2012年夏季，我国各地因区域或局地强烈降雨引起的山洪泥石流或城市内涝灾害等造成的人员伤亡事件达数百人，特别是北京“7.21”暴雨洪涝灾害造成77人死亡，房山、通州、石景山等11区（县）12.4万人受灾，4.3万人紧急转移安置.此外，仵彦卿［6］研究认为岩土体中应力的变化会导致地下水的补给、径流和排泄条件的改变，从而成为诱发地质灾害的主导因素，并运用岩体水力学理论分析了地震孕震规律及进行地震预报与控制的可能性.叶树林等［7］研究发现当发生滑坡时滑坡体边界部位放射性元素氡明显聚集.

1.1.3 地质灾害监测系统

随着高新技术的发展，地质灾害监测系统的总体结构具有一定的数字化、自动化和网络实时动态化特点，即将灾害发生前的特征信息通过传感器转化为数字化信息，自动采集或汇集，数字化传输，数据库存储并提供使用，在全国范围内通过互联网实现前兆数据的分布式共享.建立多维地质灾害监测系统，即三维空间和不同的时间尺度，可分为大时间尺度的面上扫描和小时间尺度的单体突发性地质灾害的实时监测［2，8］.

廖椿庭［8］提出具有数字化、自动化和网络功能的地质灾害监测系统，将灾害发生前的特征信息通过传感器转化为数字化信息，数字化传输，数据库存储并提供使用.并介绍了位移传感器的实验研究和在长江三峡链子崖危岩体监测中的应用情况.

1991～1995 年期间，中国有关部门组织相关的科学研究机构、高等院校应用RS和GIS的高新技术进行了“重大自然灾害监测与评估系统”的研究与应用工作，并在若干地区建立具有应用性质的工程性试验系统，对重大自然灾害进行监测和评估.该项目的实施为建立一个完全实用化的业务运行系统提供了技术方法和科学积累［9］.

1.2 地质灾害预测预警技术

该技术研究一直是世界性的难题.20世纪90年代后期，随着计算机技术、3S技术、高精度动态监测技术和信息技术的快速发展，突发地质灾害的预测预报理论基础和预测模型研究方面取得了明显进展［10］.无论是地质灾害空间预测、时间预测，还是时空预测，均已进入半定量—定量预测模型共存，确定性模型、统计模型、灰色模型和信息模型共同发展的阶段.特别是20世纪以来，人工智能预测预报模型、非线性预测预报模型和基于GIS技术的信息模型的快速发展，给地质灾害预测预警研究带来了新的挑战和希望.

1.2.1 确定性预测模型

以物理力学为基础，主要从地质灾害形成演化的静力学和动力学原理出发，探讨地质灾害形成演化过程和机理，从不断认识和揭示地质灾害形成机理方面研究建立数学表达式或经验表达式，预测地质灾害的分布规律和动态过程.这类预测模型的本质特征是:预测方程和变量都是确定的.

20世纪80年代开始，晏同珍［11］等从地质灾害动力学方面探索地质灾害破裂源、扩展源和启动过程及爆发机理.随后非线性动力学开始兴起，秦四清［12］、吴树仁［10］等探讨了地质灾害尖点突变失稳过程、涨落和反馈机制及非线性响应等.这类模型长期以来为广大工程设计人员所熟知，并大量采用，具有一定的战术意义.其多适用于单体地质灾害预测评价，而不适用于大面积的区域预测.随着地质灾害复杂性现象的不断揭示，这种简单处理问题的方法逐渐暴露出很多缺陷，至20世纪90年代后期，这类模型逐渐被破坏概率和其他统计模型所取代.

1.2.2 统计预测模型

以统计学和应用数学作为地质灾害预测预报的理论基础，把地质灾害系统看作为不确定的随机事件，从概率统计分析角度揭示地质灾害的分布规律和动态过程，建立预测模型，而不考虑形成机理.其重点在于：对现有地质灾害现象、信息、标志及其类似不稳定现象所处地质环境条件和影响因素进行统计分析，并在计算概率的基础上，依据统计学和概率论原理建立拟合模型，预测预报地质灾害的时、空分布规律.如晏同珍［11］等研究了多元回归模型和泊松旋回模型在地质灾害预测中的应用.这类模型的本质特征是：预测模型和变量是随机的、不确定的，通过统计概率确定，在一定程度上反应了地质灾害系统的某些共同特征和规律.因此，在区域地质灾害预测和中长期时间预测方面有所成效.但是这类模型要求的统计样本量大、耗资大、耗时长，抽样统计过程中又易受人为影响，最关键是地质灾害具有复杂多变性.因而，这类模型往往在关键事例上只能起到事后修改验证的作用.

立雇身文字人立[朵]……/钞用,今为身闲，别无[营]……/人阿兀丁家内作杂用……/每月工钱中统钞……/不令拖欠。如有雇身……/独身，乃连死伤，一……/当罪。并不干雇主之事……/本人一面承当。一写……/悔者罚钞一面无词……/用。/至正十一年九月初……/同雇身……/知见人……/知见人……

1.2.3 灰色模型

这类模型以灰色控制系统理论为基础，同时考虑地质灾害的确定性成分和随机因素.其预测方程多为确定性的（或近于确定性的），而其预测参数和因子则可用概率统计方法来确定，而不完全是用确定性的测试或计算求得.其典型代表有：破坏概率模型、模糊数学模型、灰色V生长模型、信息模型（综合模型和逻辑信息模型）、灰色系统模型等.这类模型在样品统计过程中，更注重于统计样品的质量，预测方程通常较简单，易于推广普及.这类模型既适合于单体地质灾害时间预报，也适合于地质灾害空间预测，故已成为目前地质灾害时、空预报预测研究中的主导模型.

1.2.4 人工智能模型

计算机技术和人工智能技术的高速发展和推广应用，为地质灾害预测预报带来新的机遇.其中地质灾害预测专家系统和神经网络模型发展迅速.这类模型充分利用人工智能技术，将著名专家知识本身解决问题的功能和人脑神经网络认知、获取、提炼、分析处理资料信息的特殊方式和功能，特别是存储记忆和联想功能，用计算机软件程序化表达出来，建立以人工智能的符号系统和信息处理为基础的人脑机理的新模型，这将是地质灾害预测研究的重要发展方向.

该模型强调人脑智能处理各种复杂问题的经验、演绎判断和联想功能，而不单纯是用公式推理方法提示地质灾害系统从简单到复杂的随机干扰因素，以及从无序到有序的动态演化过程中的确定性与随机性、必然性与偶然性之间的关系.首次把预测理论中的确定论和概率论两套对立的预测观有机联系在一起，深化了关于必然性与偶然性、局部与整体、有限与无限、简单与复杂等哲学范畴内的基本概念的认识，使地质灾害时、空预报预测过程中建立有随机事件影响的确定性预测方程或受偶然性支配的预测模型成为可能.

1.3 地质灾害风险评估技术

地质灾害风险评价是一个多因子、多层次、多标度的动态和非线性系统，要重视该系统运作和发展规律. 21世纪以来，地质灾害风险评价研究越来越受重视.目前，地质灾害风险评价研究工作涵盖了地质灾害大部分领域.国内地质灾害风险评价主要内容及指标包括下列3方面［13-14］.

1）危险性分析通过对历史地质灾害活动程度以及对地质灾害各种活动条件的综合分析，评价地质灾害活动的危险程度，确定地质灾害活动的密度、强度、规模、发生概率、发展速率，以及可能造成的危害区的位置、范围.

2）易损性分析通过对评价区内各类受灾体数量、价值和对不同种类、不同强度地质灾害的抗御能力进行综合分析.并对防治工程、减灾能力进行分析.综合两方面因素，评估并确定可能遭受地质灾害危害的人口、工程、财产以及国土资源的数量及其破坏损失率.

3）期望损失分析在危险性分析和易损性分析的基础上，计算评价地质灾害的期望损失与损失极值，即未来一定时期内地质灾害可能造成的人口伤亡与经济损失的平均值，资源环境破坏程度和可能造成的人口伤亡与经济损失的最高值.

在上述3个方面分析中，危险性分析和易损性分析是地质灾害风险评价的基础.通过这两方面的分析，确定风险区位置、范围以及地质灾害活动的分布密度与时间概率，进而确定可能遭受地质灾害的人口、工程、财产以及资源、环境的空间分布与破坏损失率.期望损失分析是地质灾害风险评价的核心，其目标是预测地质灾害可能造成的人口伤亡、经济损失以及资源、环境的破坏损失程度，综合反映地质灾害的风险水平.这3个方面分析相互联系，形成具有层次特点的地质灾害风险评价系统.

目前地质灾害风险评估的主要方法有模糊综合评判法、人工神经网络法、GIS技术、信息量模型、层次分析法等［15］.单独使用一种方法进行地质灾害风险评价有时会存在很多缺点.在现实工作中，往往采用多种方法的组合，如层次分析模糊评判法、信息模糊评判法、基于GIS的人工神经网络法和基于GIS的信息量叠加法等.

越来越多的灾害管理部门和专家注重开展专门的灾害评价研究，并越来越强调其成果的应用，研究内容越来越广泛.除了对地质灾害活动强度（危险性）的分析日益定量化外，对受灾体易损性的分析也不断加强，而且逐步形成了跨学科、跨领域的相互交叉的综合研究体系.研究的方法和手段越来越丰富.除了计算机技术得到广泛应用外，遥感技术、卫星定位技术等多种高科技手段也为地质灾害评价所使用［16］.基于防灾减灾事业发展和对地质灾害风险评价认识的提高，地质灾害风险评价研究必将得到进一步发展［15］.

1.4 地质灾害风险管理技术

该管理技术是国际上较为前沿的问题.国外在这一领域已做了大量的工作，形成了比较规范化的工作方法.而我国地质灾害的风险管理仍处于早期阶段.简单地说，灾害风险管理涉及5个方面，即灾害的发育分布特征、成灾因素、风险分析、风险评估和风险控制.就地质灾害领域而言，包括地质灾害调查、监测、评估以及政府编制防治预案、应急方案等［17］.

灾害风险管理是当前灾害管理研究的核心和热点.借鉴国内外研究成果［18-23］，本文认为基于灾害风险理论的风险管理应该由以下5个部分构成.

1）风险识别.在明确灾害风险管理对象和目标的基础上，鉴别形成风险的来源、范围、特性及与其行为或现象相关的不确定性，收集相关基础资料和数据，建立灾害管理数据库并确定相关的方法理论和标准.这是风险管理的起点，在很大程度上界定了风险的本质特征.

2）风险分析.利用主观或客观的概率，评估产生错误的可能性；模拟风险源与其可能产生的影响之间的关系；评估出各种可供选择的风险概率值，主要包括致灾因子分析、暴露要素分析、脆弱性分析、建立灾损曲线以及风险的建模.

3）风险评估.此是风险分析过程和风险管理之间的衔接步骤.之前着眼于分析灾害本身，之后便转移到了灾害对人类社会危害的可能性上.主要是开展致灾因子评估、脆弱性评估、抗灾能力和灾后恢复能力的评估.

4）风险接受、减缓和规避.根据风险评估的结果，选择并制定风险接受和规避的决策和措施，并对决策的可行性、科学性等进行评估，在确定决策的合理性后进行决策的开展与实施，同时对决策实施过程进行监控和信息反馈.这一步代表风险决策.它针对每一种决策，对所有的成本、效益和风险进行评估，包括各种不同决策之间的成本核算，可能导致的社会经济、环境或政治问题，以及目前的决策对今后的选择可能产生的影响，即得出风险的可接受程度，相应也可得出风险的不可接受程度.

5）风险管理.代表在风险接受和规避基础上的“执行”的过程.简而言之，就是一套用来处理风险的方法.具体地讲，风险管理就是：当认定风险可接受时，就保持该状态，并力图获得最大效益；当认定风险不可接受时，则采取相应措施降低风险，例如规避、满足效益优先原则前提下的治理、系统功能转化等，并跟踪监控措施对于降低风险的效果，反馈信息到风险评价和风险管理系统，实现动态的风险控制.

2 结论与启示

1）地质灾害监测技术取得了长足的进展.现代物理和3S技术已广泛、成功地应用于新型监测仪表（器）和监测方法中.但也仍然存在一些问题，如重视地质灾害的监测工作，但监测信息却没有得到充分的应用.在许多工程中，地质灾害监测信息得到应用的不多，用以现场、指导生产和解决实际问题的则更少.

2）地质灾害预测及预警中建立了半定量和定量的地质灾害预测模型.人工智能模型和GIS等新技术的应用为地质灾害的预测提供了新的思路和方法.

3）地质灾害的风险评价方面形成了跨学科、跨领域的相互交叉的综合研究体系.地质灾害风险评价得到越来越广泛的重视，研究内容越来越丰富，计算机技术、遥感技术、卫星定位技术等多种高科技手段在地质灾害评价中得到广泛应用.但是仍然没有形成完善的理论与方法体系，也没有统一的评价标准，灾害风险评价成果没有得到充分的实践应用.

4）地质灾害的风险管理方面注重灾前研究，灾后管理研究较少.地质灾害的风险管理包括5个部分，目前地质的研究多注重于监测、分析和评估部分，而对于风险的减缓和决策等多是表现为政策性等的描述，较少有具体的方法或系统方面的研究.目前还没有建立各种地质灾害的风险接受、减缓和规避的统一标准，也缺乏对地质灾害监测、预测预警、评估和风险决策，以及灾后救援的信息管理系统.

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A REVIEW OF TECHNOLOGY FOR GEOLOGICAL HAZARD PREVENTION AND REDUCTION

WEN Shao-yi1,LI Yang2
（1.Information Center,Liaoning Bureau of Land and Resources,Shenyang 110032,China; 2.Liaoning Institute of Geology and Mineral Resources,Shenyang 110032,China）

Chinaisamongthecountrieswithmostseriousgeologicalhazards.Manyhavestudiedonhowtopreventorreduce the impact of geological hazards.The technology for geological hazard prevention and reduction involves four aspects: monitoring,prediction and early warning,risk assessment and risk management.With summarization of the studies on the technologiesbothinChinaandabroad,thecurrentdevelopmentandexistingproblemsinthefieldareanalyzed.

geological hazards;hazard monitoring,risk assessment;risk management

1671-1947（2014）03-0296-05

P694

A

2013－05－31；

2013-11-11.编辑：李兰英．

闻绍毅（1973—），女，工程师，主要从事地质信息化方向研究工作，通信地址辽宁省沈阳市皇姑区北陵大街26号甲2，E-mail//57226126@qq.com