摘要
天津市蓟州区北部山区为崩塌、滑坡、泥石流易发区，对人民生命和财产安全造成了严重威胁。为减轻人防压力，发挥技防优势，本文在摸清天津市蓟州区地质灾害风险隐患底数，客观认识地质灾害风险水平的基础上，详细研究了地质灾害灾情与降雨量关系，并紧密结合风险区划结果，按照中—低风险区、高—极高风险区分别提出最大1 h、最大3 h、最大6 h、最大12 h和最大24 h降雨量预警阈值，以及当日、当日+前2 日、当日+前5日、当日+前15日的降雨预警阈值，从空间分布和时间精度两个维度优化了地质灾害预警模型，从而打破了以往整个蓟州区仅一套前期降雨量为预警判据，一发预警全区紧张的尴尬局面，大力提高了突发性地质灾害监测预警精度，有效提升了地质灾害防治精准服务能力。
Abstract
The north mountainous area of Jizhou is prone to collapse, landslide and debris flow, posing a serious threat to people's lives and property. In order to reduce the pressure of civil defense and give full play to the advantages of technical defense, in this paper, based on the understanding of the potential risk base of geological hazards in Jizhou, and the objective understanding of the risk level of geological hazards, the relationship between geological disaster and rainfall is studied in detail, and the results of risk regionalization are closely combined, the maximum 1 h, maximum 3 h, maximum 6 h, maximum 12 h and maximum 24 h rainfall warning thresholds are put forward according to the middle-low risk region and the high-very high risk region, respectively, as well as the precipitation warning thresholds of the day, the day +2 days, the day +5 days, the day +15 days, the geological disaster warning model is optimized from the two dimensions of spatial distribution and time precision, thus breaking the previous embarrassing situation, in which only one set of early rainfall was used as an early warning criterion for the whole of Jizhou, and only one set of early warning for the whole region was used as an early warning, greatly improving the monitoring and early warning accuracy of sudden geological disasters, effectively enhanced the geological disaster prevention and control precision service capacity.
0 引言
天津市蓟州区地处燕山山脉与华北平原交接地带，其北部山区为侵蚀剥蚀低山区，海拔40～800 m，6—9 月为雨季，雨量较大且集中，占全年降水量的80%以上，是地质灾害的多发期；同时公路、房地产、旅游、水利等工程建设不断增加，人为因素导致的开山、削坡等活动均易形成崩塌、滑坡、泥石流等隐患。地质灾害给当地人民的生命财产造成了危害，同时也影响了天津市城市规划布局、成为制约天津市经济和社会可持续发展的一个不可忽略的因素。如何确定合理的降雨阈值和建立可靠的预警模型，有效提高预警精度一直是困扰大家的难题。
刘艳辉等（2008）、魏平新和李秀娟（2015）提出区域地质灾害气象风险预警主要包括隐式统计模型、显式统计预警和动力预警3种类型。美国、巴西等国家均开展了基于统计的临界降雨阈值模型研究（Cannon and Ellen，1985；Glade et al.，2000；Aleotti，2004）。国内李华宏等（2016）、杨竹云等 （2019a，2019b）以地质灾害影响指数和有效降水量致灾概率建立地质灾害气象分线预警模型，并进行了改进；刘艳辉和苏永超（2019）采用预警指数划分预警等级，建立四川青川县地质灾害气象风险预警模型；丁永福等（2020）研究了数据分析技术在特高压直流工程施工中地质灾害预警的应用；王颖等 （2021）通过GIS技术和层次分析法构建北京山区泥石流短期预警预报模型；朱文慧等（2022）以黄冈市为例研究了地质灾害精细化气象风险预警模型；张云卫等（2023）开展了鄂州市地质灾害气象风险预警模型建立与应用；凌成（2024）利用 GIS 空间数据分析技术构建地质灾害预警模型；段中满等（2024） 研究了湖南省地质灾害发生与降水的耦合关系，提高地质灾害防治中降水预报的精准性；魏平新等 （2024）构建降雨量-斜坡稳定系数动力预警模型进行地质灾害气象风险预警；刘国超等（2024）构建基于数据-知识双驱动预警模型，实现高精度可解释的地灾预测建模。大部分学者建立的模型虽然都考虑了多个地质影响因素和降雨诱发因素，但预警模型等级多是采用预警指数进行划分，只有专业的人员才能理解。本文利用实际地质灾害灾情样本，结合风险区划和降雨阈值，从空间分布和时间精度两个维度优化了地质灾害预警模型，采用降雨量确定地质灾害预警等级，简单直观，实用性强，对天津市蓟州区北部山区地质灾害监测预警具有重要意义。
1 地质灾害风险情况
1.1 摸清地质灾害风险隐患底数
蓟州区位于天津市北部，是天津市唯一有山区的区县，山青水美，风光秀丽，北依燕山，与北京市和河北省接壤，区境东西最宽点56 km，南北最长点 55 km，总面积约1590 km²，被誉为天津市“京津后花园”。北部山区为低山丘陵、山间盆地区，共涉及14 个乡镇，总面积 840.3 km2，是天津市突发性地质灾害易发区。根据《天津市第一次地质灾害风险普查》和《蓟州山区突发地质灾害汛后核查报告（2023 年度）》，截止 2023 年底，北部山区存在地质灾害隐患 241处，分布于其中的 12个乡镇，包括下营镇、官庄镇、穿芳峪镇、渔阳镇、罗庄子镇、许家台镇、孙各庄镇、马伸桥镇、白涧镇、别山镇、西龙虎峪镇和州河湾镇。地质灾害密度最大的为穿芳峪镇，达到0.69 处/km2，地质灾害密度最小的为州河湾镇，仅 0.02 处/km2（表1）。按类型划分，崩塌 209 处，滑坡 22处，泥石流9处，地面塌陷1处；按规模划分，中型 8处，小型233处；按风险划分，高风险地质灾害隐患 4处，中风险地质灾害隐患76处，低风险地质灾害隐患164处；地质灾害隐患点威胁对象主要为居民点、公路、矿山和景区等；总威胁人数 600 余人，共威胁财产5000多万元。
表1各乡镇地质灾害隐患分类统计
1.2 客观认识地质灾害风险水平
按照《地质灾害风险调查评价技术要求（1∶ 50000）》，在详细分析地质灾害孕灾条件基础上，崩塌和滑坡地质灾害选择地貌类型、地形坡度、坡向、地形起伏度、与断裂褶皱距离、地层岩性作为评价因子，泥石流地质灾害选择泥沙沿程补给长度比、沟口泥石流堆积活动、河沟纵坡降、区域构造影响程度和流域植被覆盖率等作为评价因子，开展地质灾害易发性评价；然后结合降雨影响等级进行地质灾害危险性评价；接着从威胁人数和威胁财产两方面开展承灾体易损性评价；综合危险性和易损性评价结果，开展地质灾害风险区划，将蓟州区地质灾害风险划分为高、中和低 3个级别，包括 2个高风险区、8个中风险区和1个低风险区（图1、图2）。
图1地质灾害风险评价流程图
图2蓟州区北部山区地质灾害风险区划图
2 地质灾害降雨阈值研究
天津市蓟州北部山区 16 处地质灾害隐患安装了物联网自动化监测设备，开发了地质灾害监测预警系统，初步建成突发性地质灾害物联网监测网络。但如何确定合理的监测预警模型，充分发挥技防能力是技术瓶颈。
经统计，天津市自 1956 年有灾情记载以来，截止 2023年底，共发生 85起地质灾害灾情，严重年份为 1958 年、2012 年和 2021 年。2021 年天津市平均降雨量为984.1 mm，比多年平均降雨量偏多73.5%，并且 6—9 月汛期降雨量异常大，共引发 16 起地质灾害灾情，资料记录详实，具有研究价值。
本文采用统计学方法，收集2021年实际发生的 16起地质灾害灾情，以及发生日期的实际逐时过程降雨量资料（图3），开展基于短历时过程降雨的降雨阈值分析，研究 1 h降雨量、最大 3 h降雨量、最大 6 h降雨量、最大12 h降雨量和最大24 h降雨量的预警阈值；收集 2021 年 16 起地质灾害灾情发生日期当日、前2日、前5日和前15日的降雨量资料（图4），开展基于前期降雨的降雨阈值分析，研究当日+前2 日、当日+前5日、当日+前15日的预警阈值。
图3小时降雨强度-历时分布图
图4当日降雨与（当日+前期降雨）分布图
2.1 基于短历时过程降雨的降雨阈值研究
选择与地质灾害灾情强相关的雨量站，分别进行降雨强度（I）-历时（D）拟合（图5～图8），通过拟合确定各个雨量站不同时间的最大降雨量，并对四组数据进行分析和取平均值，得到引发地质灾害灾情的最大 1 h、最大 3 h、最大 6 h、最大 12 h 和最大 24 h 降雨量分别为 117.70 mm、149.95 mm、175.14 mm、204.96 mm和240.30 mm（表2）。
图5B011附近6月25日灾情降雨强度-历时拟合图
2.2 基于前期降雨的降雨阈值研究
对 2021 年的 16 起地质灾害灾情发生当日+前 2 日、当日+前 5 日和当日+前 15 日降雨量数据进行统计，分别开展降雨量趋势拟合（图9～图11）。通过拟合确定当日降雨与发生当日+前 2 日、当日+前 5 日和当日+前 15 日降雨量的拟合方程（表3），将不同的当日预警降雨量带入即可分别反算出对应的当日+前 2 日、当日+前 5 日和当日+前 15 日的预警降雨量。
图6H001附近7月12日灾情降雨强度-历时拟合图
图7H021附近7月12日灾情降雨强度-历时拟合图
图8H021附近7月30日灾情降雨强度-历时拟合图
图9当日与（当日+前2日）降雨量相关性拟合图
表2降雨强度（I）-历时（D）阈值拟合结果统计
图10当日与（当日+前5日）降雨量相关性拟合图
图11当日与（当日+前15日）降雨量相关性拟合图
表3当日与（当日+前期）降雨量阈值拟合结果统计
3 优化地质灾害预警模型
以往整个蓟州区均采用相同的当日、当日+前n 日累计降雨量作为预警判据，一发预警信息，全区紧张，甚至浪费大量人力、物力和财力。本次利用地质灾害灾情与降雨关系研究的降雨阈值成果，在两方面对预警模型进行了优化：一方面将 1 日降雨量预警阈值进一步优化为最大 1 h、最大 3 h、最大 6 h、最大 12 h和最大 24 h降雨量预警阈值；另一方面紧密结合地质灾害风险区划成果，将蓟州区全域按照中—低风险区、高—极高风险区分别提出降雨量预警阈值。
3.1 基于短历时过程降雨的预警模型优化
参考地质灾害灾情小时降雨量的降雨强度 （I）—历时（D）阈值拟合结果，对于中—低风险区，笔者考虑参照平均值确定红色预警阈值，参照平均值的 70% 左右确定橙色预警阈值，参照平均值的 40% 左右确定黄色预警阈值；对于高—极高风险区，发生地质灾害的风险更大，考虑按照中—低风险区的 80% 左右确定不同级别的预警阈值（表4和表5）。
中—低风险区地质灾害预警等级与短历时降雨阈值参考值：1 h、3 h、6 h、12 h、24 h降雨量分别为 ＜50 mm、＜60 mm、＜70 mm、＜85 mm、＜ 100 mm 时，建议为蓝色预警；1 h、3 h、6 h、12 h、24 h降雨量分别为 50～85 mm、60～105 mm、70～125 mm、85～145 mm、100～170 mm 时，建议发布黄色预警；1 h、 3 h、6 h、12 h、24 h降雨量分别为85～120 mm、105～150 mm、125～175 mm、145～205 mm、170～240 mm 时，建议发布橙色预警；1 h、3 h、6 h、12 h、24 h降雨量分别为 ＞120 mm、＞150 mm、＞175 mm、＞205 mm、＞240 mm时，建议发布红色预警。
高—极高风险区地质灾害预警等级与短历时降雨阈值参考值：1 h、3 h、6 h、12 h、24 h降雨量分别为＜40 mm、＜50 mm、＜60 mm、＜70 mm、＜80 mm 时，建议为蓝色预警；1 h、3 h、6 h、12 h、24 h降雨量分别为 40～70 mm、50～85 mm、60～100 mm、70～120 mm、80～140 mm 时，建议发布黄色预警；1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 降雨量分别为 70～100 mm、85～120 mm、100～140 mm、120～165 mm、140～195 mm 时，建议发布橙色预警；1 h、3 h、6 h、12 h、24 h降雨量分别为 ＞100 mm、＞120 mm、＞140 mm、＞165 mm、＞195 mm时，建议发布红色预警。
表4中—低风险区地质灾害预警等级与短历时降雨阈值参考值
表5高—极高风险区地质灾害预警等级与短历时降雨阈值参考值
3.2 基于前期降雨的预警模型优化
分别以中—低风险区和高—极高风险区的24 h 地质灾害预报等级与降雨阈值参考值作为当日降雨量，利用相关性拟合方程，反算对应的当日+前 2 日、当日+前5日和当日+前15日的预警降雨量（表6和表7）。
中—低风险区不同前期降雨的地质灾害预警等级与前期降雨阈值参考值：当日+前2日、当日+前 5 日、当日+前 15 日降雨量分别为<140 mm、<170 mm、<300 mm时，建议发布蓝色预警；当日+前2日、当日+前 5 日、当日+前 15 日降雨量分别为 140~215 mm、170~250 mm、300~405 mm 时，建议发布黄色预警；当日+前2日、当日+前5日、当日+前15日降雨量分别为 215~290 mm、250~330 mm、405~510 mm 时，建议发布橙色预警；当日+前 2 日、当日+前 5 日、当日+前 15 日降雨量分别达到>290 mm、>330 mm、>510 mm时，建议发布红色预警。
高—极高风险区不同前期降雨的地质灾害预警等级与前期降雨阈值参考值：当日+前2日、当日+ 前 5 日、当日+前 15 日降雨量分别为<120 mm、<150 mm、<270 mm时，建议发布蓝色预警；当日+前2日、当日+前 5 日、当日+前 15 日降雨量分别为 120~180 mm、150~215 mm、270~360 mm 时，建议发布黄色预警；当日+前2日、当日+前5日、当日+前15日降雨量分别为 180~240 mm、215~280 mm、360~445 mm 时，建议发布橙色预警；当日+前 2 日、当日+前 5 日、当日+前 15 日降雨量分别为>240 mm、>280 mm、>445 mm时，建议发布红色预警。
表6中—低风险区地质灾害预警等级与前期降雨阈值参考值
表7高—极高风险区地质灾害预警等级与前期降雨阈值参考值
4 结论及建议
（1）天津市通过开展地质灾害风险普查工作，摸清了蓟州区地质灾害风险隐患底数，客观认识了地质灾害风险水平，为地质灾害防治提供了详细的基础数据。
（2）本文研究地质灾害灾情与降雨量关系，并紧密结合风险评价结果，从时间精度和空间分布两个维度优化了地质灾害预警模型，采用降雨量确定地质灾害预警等级，简单直观，实用性强，大力提高了突发性地质灾害监测预警精度，有效提升了地质灾害防治精准服务能力。
（3）天津市发生的地质灾害灾情相对较少，研究样本有限，因此，建议在以后工作中要多积累，从规划资源系统、水利系统、交通委、农业农村委等多收集实际样本，对监测预警模型不断优化，为保障人民生命财产安全提供有效的地质技术支撑。