第二节 城市灾害的极早期预警

一、城市灾害极早期预警的概念

城市灾害极早期预警在国际上并没有明确的定义和清晰的界定，能够借鉴的资料很少。城市灾害极早期预警其实是从以灾害预防为目的深入研究提出的基本要求。其通俗的含义是比一般的灾害报警更早的提前发现灾害微征兆。

美国安全工程师Heinrich在1931出版的著作《安全事故预防：一个科学的方法》提出了全球著名的“安全金字塔”法则，该法则通过分析55万起工伤事故的发生概率，认为，在1个死亡重伤害事故背后，一定有29起轻伤害事故，29起轻伤害事故背后，一定有300起无伤害虚惊事件，以及大量的不安全行为和不安全状态存在。

“安全金字塔”法则告诉我们，当我们消除了无伤害虚惊事件（安全隐患），就不会发生死亡重伤害事故。按照Heinrich的概念在城市灾害极早期预警中，灾害的微征兆就体现在300起无伤害虚惊事件中，当我们把握住这些微征兆，死亡重伤害事故就可以避免。

通常来说，从时间上看，危房和危桥极早期预警比通常的报警可以提前数天，电气火灾极早期预警比传统电气火灾报警提前数分钟，合理的地震预警站点布局的地震预警比现有预警系统提前数十秒，优化的森林防火瞭望塔布局也大大提高了林火观测覆盖率。

城市灾害极早期预警最终体现在时域和空域上，在时域上提前发现灾害迹象，在空域上消除监测盲区，隐患的及时发现和消除本身也是城市灾害极早期预警的重要组成部分。

尽管城市灾害极早期预警的研究还停留在单项技术的研究上，但是随着科学技术的迅速发展，在光谱、物理、化学和大数据分析上已经可以实现城市灾害的极早期预警。

二、时域上的极早期预警技术实现

所谓时域上的极早期预警就是为发现灾害征兆后的应急处理争取时间，争取的时间越长越有可能制止灾害发生或大幅度减少灾害带来的损失。大多数城市灾害（如地震、洪水、电气火灾、桥梁坍塌、滑坡等）的发生都有微信号前兆或弱迹象，这些微征兆为城市灾害极早期预警提供了可行性。例如：

（1）电气火灾前期的过负荷、电缆外套PVC的热分解；

（2）滑坡前期的暴雨；

（3）桥梁垮塌前期以及地基微小应力变化；

（4）危房垮塌前开始的微小倾斜；

（5）重大危险源仓储容器倒塌或腐蚀导致的微泄漏。

当我们分析和重建以往城市灾害的整个发生过程中，通常会在整个时间轴上发现有长期的安全隐患存在的“带病”时段、在灾害初起时微征兆时段、灾害事件明显征兆时段、灾害事件爆发时段、灾害事件发展时段和灾害事件逐渐完结时段。长期的安全隐患存在的“带病”时段不是本书讨论的重点，本书最为关心的是在灾害初起时微征兆时段中的两个关键：（1）这些微征兆是否是灾害发生的充分条件；（2）如何提取这些微征兆信息。当这两个关键彻底解决，该种灾害的极早期预警在技术上就可以实现，就会争取到更充裕时间提前制止灾害的发生。

如果人们漠视或难以捕捉这些微信号前兆或弱迹象，灾害事件过程将进一步恶化进入灾害事件明显征兆时段；当灾害要件（如应力、温度等）达到阈值时，灾害将不可避免。因此，能否准确捕捉和实时提取这些微信号前兆或弱迹象是实现时域上的极早期预警的关键。成功的极早期预警可以为人们赢得极其宝贵的应急处置时间。

根据瑞士Securitas安全集团在欧洲安全服务的经验有表2-3所示数据，仅供参考。

对上述城市灾害来说，提前发现数天甚至数分钟就完全能处理隐患，从而避免重大灾害的发生。

在序言中已经介绍过，从灾害预防的手段时间轴纵向上，城市灾害的预防和救援应建立“5+1”道防线，五道防线具体包括隐患排查防线、极早期预警和报警防线、现场应急处置防线、智能疏散防线、应急指挥和救援防线，所谓“+1”道防线是实战训练。

本书主要研究防线二中的极早期预警，此时灾害初始，尚未形成规模，因此能实现抢在时间上极早期预警就有可能避免一场大灾害。

三、空域上的极早期预警技术实现

空域上的极早期预警通常是指对城市灾害发生区域内的监测站点优化布局，可以消除或减少预警盲区，以空间换时间，从而达到城市灾害极早期预警的目的。

简单地说，空域上的极早期预警的目标就是用最小的投入增加可监测域，同时大大压缩不可监测域。

（一）地震监测台站的优化布局实现极早期预警

地震预警与其他城市灾害的极早期预警定义有所不同。

地震预警：在地震发生后，利用震源附近地震台站观测到的地震波初期信息，快速估计地震参数并预测地震对周边地区的影响，抢在破坏性地震波到达震中周边地区之前，发布各地的震动强度和到达时间的预警信息，使企业和公众能够提早采取地震应急处置措施，进而减轻地震人员伤亡和地震灾害损失。

地震直接威胁到速度400km/h高铁上全体人员的安全，据不完全统计，超过50km/h的火车直接碰撞事故（碰撞和脱轨死亡率有很大不同），车上人员死亡率接近100%。地震直接影响核电站的核安全、公路隧道内人车安全等。

由于地震震源的不确定性，使得覆盖全国，特别是覆盖地震重点防御区域的地震台站网络布局，决定了能否实现极早期预警。布局过稀或者布局不均衡预警效果不明显，可能造成花费巨资建立的地震预警系统能力不足。

由图2-12可见，实现在破坏区和轻度破坏区的地震预警具有现实意义。

由图2-13所示：

震中距：地面上任何一点到震中的距离。

震源深度：震源与其在地面上的垂直投影点的距离。

通过计算表明，在震源深度为10千米时，地震台站网络布局的不同台间距（30千米、50千米、70千米、90千米）处的第一报预警信息发布时的可用预警时间（见图2-14）。随着观测台网台间距的减小，不同震中距处的可用预警时间也将随之增加。同时随着震中距的增大，相同台网密度时的可用预警时间也将随之增多。[10]

另外，从图2-14中可以注意到，当地震监测台站间距＞12千米左右，减小地震监测台站间距（意味着地震台站投入加大）与获得的预警时间增量相比已经意义不大。

（二）大兴安岭的森林火灾极早期预警

大兴安岭地区是祖国最北部边疆，地处黑龙江省西北部，大兴安岭山脉北段中部，位于东经121°12′至127°00′，北纬50°10′至53°33′，东西横跨6个经度，南北纵越3个纬度。行政区东西最宽450千米，南北最长500千米，北与俄罗斯隔江相望；东南与黑河市接壤；西与内蒙古呼伦贝尔市毗邻。总面积835万公顷，其中有林地面积673.8万公顷，森林覆盖率80.87%，活立木总蓄积5.23亿立方米，是我国重点国有林区，也是国家生态安全的重要保障区和生态功能区。

大兴安岭是全国三大雷击火高发区之一。特殊的气候条件和森林类型使之成为森林火灾的易发区和多发区，而且一旦发生森林火灾，扑救十分困难。受贝加尔湖气旋和蒙古气旋暖区影响，每年5月都呈高温、干燥的气候特征，地面迅速升温，蒸发量为降水量的6倍，植被干燥易燃；加之大兴安岭又经常处在强暖脊控制下，大风天数多，高火险时段持续时间长。近年来，受极端天气影响，5月下旬开始，干雷暴活动频繁，往往发生大范围干雷暴天气，从而引发大范围雷击火。大兴安岭的森林主要以针阔叶混交林为主，而且由于连年采伐，火灾频发，林分密度变小，森林质量下降，阳性植物生长茂盛，林内湿度减少，涵养水分能力减弱，林内通风条件极好，可燃物载量加大，森林的耐火性差，防护作用减弱，极易发生较大森林火灾。

2013年以前，大兴安岭地区有瞭望塔198座，分布在835万公顷的广阔地域中，单塔监测密度为4.21万公顷，瞭望塔数目偏少，即便在晴朗白天瞭望观测覆盖率仅为78%左右，夜间观测覆盖率不到10%，平均瞭望覆盖率近似值为70%，较少的瞭望塔难以保障瞭望范围和瞭望效果，特别是受地形条件限制和天气影响，林火定位误差较大，有时甚至无法察觉火灾的发生，瞭望存在一定比例的盲区和死角。实际还存在另外问题，大兴安岭地区与俄罗斯有600多千米的边界线，当靠近我国边界线上的俄罗斯森林出现林火时（俄罗斯经常有意放火烧荒），距离林火较远的瞭望塔很难判断，是发生火灾还是俄罗斯计划烧荒，火灾是发生在我国境内还是发生在俄罗斯境内。在这种情况下容易延误救火时机，造成小火酿大灾的局面。[11]

依照《全国森林防火中长期发展规划（20092015）》提出的观测覆盖率90%的目标，在空域上的森林火灾观测覆盖率的提高，意味着减少预警盲区，对发生在预警盲区的火灾可以实现极早期预警。

为此要达到观测覆盖率90%的指标，就必须增加瞭望塔数量。如何在满足观测覆盖率指标下确定增加多少瞭望塔，增加的瞭望塔设置在什么地方，涉及瞭望塔的最优布局。有关瞭望塔的最优布局见本书第八章第三节“基于数字地球的VR技术在森林防火预警上的应用”。