泥石流監(jiān)測預(yù)警的思考

泥石流監(jiān)測預(yù)警的思考

中國是世界上受泥石流襲擊影響最大的國家之一。泥石流災(zāi)害嚴(yán)重威脅著經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展。特別是汶川地震以后,地表遭強(qiáng)烈擾動,山體松動,使得泥石流形成條件發(fā)生了劇烈變化,固體松散物質(zhì)條件、微地貌條件和水文條件等都急劇變化,泥石流更容易暴發(fā)。2008年9月24日,北川老縣城西山坡花石板溝暴發(fā)大規(guī)模泥石流,掩埋地震遺址;2010年8月13日,地震災(zāi)區(qū)大范圍的群發(fā)泥石流沖毀、掩埋地震災(zāi)區(qū)民房等重建設(shè)施,并且造成人員傷亡,再一次給災(zāi)區(qū)人民帶來了巨大災(zāi)難。研究資料表明,地震過后,10~20a是泥石流活動期,泥石流將成為震后主要災(zāi)害。泥石流成因復(fù)雜、量大面廣、治理成本高,目前還無法進(jìn)行全面大規(guī)模的治理,因此泥石流監(jiān)測預(yù)警成為一項重要的減災(zāi)手段。1流量監(jiān)測內(nèi)容和技術(shù)方法1.1泥石流監(jiān)測內(nèi)容泥石流觀測是泥石流理論研究、實驗研究、機(jī)理分析、物理和數(shù)學(xué)模擬的基礎(chǔ)。預(yù)測泥石流的憑據(jù)是能夠反映泥石流是否發(fā)生以及泥石流暴發(fā)后運(yùn)動特性的有關(guān)信息,即泥石流形成條件組合和運(yùn)動特性組合,因此泥石流監(jiān)測內(nèi)容可分為形成條件(固體物質(zhì)來源、氣象水文條件等)監(jiān)測、運(yùn)動特征(動態(tài)要素、動力要素和輸移沖淤等)監(jiān)測、流體特征(物質(zhì)組成及其物理化學(xué)性質(zhì)等)監(jiān)測。(1)監(jiān)測內(nèi)容和方法泥石流固體物質(zhì)來源監(jiān)測即泥石流物源監(jiān)測。泥石流固體物質(zhì)來源是泥石流形成的物質(zhì)基礎(chǔ),應(yīng)在研究其他地質(zhì)環(huán)境和固體物質(zhì)、性質(zhì)、類型、規(guī)模的基礎(chǔ)上,進(jìn)行穩(wěn)定狀態(tài)監(jiān)測。組成泥石流體的物質(zhì)成分主要是石塊、泥沙和水。固體松散物質(zhì)監(jiān)測的主要內(nèi)容是溝道上游形成區(qū)固體松散物質(zhì)(不穩(wěn)定邊坡)位移,包括深部位移監(jiān)測、地表變形監(jiān)測、傾斜儀監(jiān)測、次生報警儀監(jiān)測和宏觀前兆監(jiān)測。固E-mail:fanghuihuahust@163.com體物質(zhì)來源于松散物質(zhì)(含松散體巖土層和人工棄石、棄渣等堆積物)的,應(yīng)監(jiān)測其在受暴雨、洪流沖蝕等作用下的穩(wěn)定狀態(tài)。泥石流物源觀測即泥石流形成過程監(jiān)測,泥石流物源包括形成區(qū)固體松散物質(zhì)。泥石流形成還與形成區(qū)含水量、水勢及孔隙水壓力等息息相關(guān),因此,泥石流物源觀測為固體松散物質(zhì)形成和變形有關(guān)的物理量監(jiān)測,一般包括地表水動態(tài)、地下水動態(tài)和人類活動情況觀測。地表水動態(tài)包括與固體松散物質(zhì)形成和活動有關(guān)的地表水水位、流量、含沙量等動態(tài)變化,以及地表水沖蝕情況和沖蝕作用對滑坡、崩塌的影響。地下水動態(tài)包括固體松散物質(zhì)范圍內(nèi)鉆孔、井、洞、坑、盲溝等地下水水位、水壓、水量、水溫、水質(zhì)等的動態(tài)變化,泉水的流量、水溫、水質(zhì)等的動態(tài)變化,土體含水量等的動態(tài)變化。人類活動情況主要是與滑坡、崩塌有關(guān)的人類工程活動,包括掘洞、削坡、加載、爆破、振動以及高山湖、水庫或渠道滲漏、潰決等。(2)地面降雨監(jiān)測泥石流氣象水文條件監(jiān)測即泥石流激發(fā)條件監(jiān)測。誘發(fā)泥石流發(fā)生的水源因素主要有降雨、冰雪融化以及潰壩,其中降雨引起的泥石流(降雨型泥石流)分布最廣,目前研究主要以降雨泥石流監(jiān)測為主,主要監(jiān)測內(nèi)容包括地面降雨量觀測、氣象雨量預(yù)測、測雨雷達(dá)監(jiān)測。①地面降雨量觀測。對于單溝或相鄰幾條溝的小規(guī)模泥石流臨近監(jiān)測預(yù)警均采用地面降雨數(shù)據(jù)分析方法,在溝谷附近廣泛設(shè)置雨量計,實時監(jiān)測降雨量和雨強(qiáng),對歷次泥石流發(fā)生或未發(fā)生時上游形成區(qū)降雨資料進(jìn)行統(tǒng)計分析,建立預(yù)報圖。②氣象雨量預(yù)測。根據(jù)氣象臺發(fā)布的雨量預(yù)報進(jìn)行泥石流預(yù)測,提供未來24h和更長時間的降雨可能性預(yù)報,大雨洪水實況監(jiān)測和短時間降雨預(yù)測等,根據(jù)這些數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定的危險降雨量標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行綜合判別。③測雨雷達(dá)監(jiān)測。將小型測雨雷達(dá)裝置設(shè)置在泥石流溝廣度視野范圍內(nèi),監(jiān)測泥石流溝周圍的云雨分布規(guī)律、雨區(qū)移動、雨勢的興衰、降雨量、降雨強(qiáng)度等,根據(jù)相應(yīng)降雨數(shù)據(jù)及泥石流臨界降雨量進(jìn)行預(yù)報。(3)主要監(jiān)測內(nèi)容泥石流運(yùn)動特征包括泥石流動態(tài)要素和泥石流動力要素。動態(tài)要素監(jiān)測包括暴發(fā)時間、歷時、過程、類型、流態(tài)和流速、流量、泥位、流面寬度、爬高、陣流次數(shù)、溝床縱橫坡度變化、輸移沖淤變化和堆積情況監(jiān)測等,并取樣分析、測定輸沙率、輸沙量或泥石流流量、總徑流量、固體總徑流量等。泥石流動力要素監(jiān)測內(nèi)容包括泥石流流體動壓力、龍頭沖擊力、石塊沖擊力和泥石流地聲頻譜、振幅等。(4)流量特征的監(jiān)測泥石流流體特征監(jiān)測內(nèi)容包括固體物質(zhì)組成(巖性或礦物成分)、塊度、顆粒組成和流體稠度、重度(重力密度)、可溶鹽等物理化學(xué)特性。1.2全自動化監(jiān)測儀器自動監(jiān)測泥石流監(jiān)測應(yīng)在對泥石流流域全面考察、對泥石流的形成與活動特征等較深入了解的基礎(chǔ)上展開。泥石流監(jiān)測技術(shù)方法主要根據(jù)流域大小、暴發(fā)規(guī)模等而設(shè)定。從科學(xué)、防災(zāi)減災(zāi)、實施可行性以及成本等方面考慮,泥石流監(jiān)測方法可分為泥石流常規(guī)監(jiān)測方法和先進(jìn)的泥石流自動監(jiān)測方法。泥石流常規(guī)監(jiān)測即簡易的人工監(jiān)測,當(dāng)溪溝上游出現(xiàn)暴雨時,觀測人員立即觀測坡面垮塌和溝道洪水情況,一旦發(fā)現(xiàn)坡面大量垮塌(即發(fā)生大量的坡面泥石流),溝道洪水流量和含沙量急聚上升或溝道洪水突然斷流,立即發(fā)出預(yù)警信號。該方法簡便、直觀、可靠、成本低,便于普及,不受環(huán)境影響,但精度稍差、信息量少,僅適用于群測群防監(jiān)測。先進(jìn)的泥石流自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測即儀器監(jiān)測法,包括自動監(jiān)測法和遙控監(jiān)測法。自動監(jiān)測法簡便、直觀,儀器自動記錄、處理,技術(shù)人員定期去采集數(shù)據(jù),精度較高,資料可靠,節(jié)約人力和資源,適用于各種監(jiān)測項目。遙控監(jiān)測法自動化程度高,可全天候觀測,安全、快速、省人力,可自動采集、存儲、打印和顯示觀測值,可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,但精度相對較低,儀器易出故障,穩(wěn)定性差,資料需用其他監(jiān)測方法校核后才能使用。該方法受氣候等外界因素影響較大,適用于加速變形階段監(jiān)測及施工安全監(jiān)測。在溝道內(nèi)或者在危險區(qū)內(nèi)布設(shè)各種自動監(jiān)測儀器,一旦監(jiān)測到洪水泥石流或者嚴(yán)重垮塌現(xiàn)象,立即向下游發(fā)出警報。可通過位移或變形監(jiān)測法監(jiān)測泥石流固體物質(zhì)來源,可以在不同地質(zhì)條件地段設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)片蝕監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測不同降雨條件下溝道兩旁松散物質(zhì)的沖刷侵蝕量。對暴雨型泥石流,應(yīng)設(shè)立以監(jiān)測降雨為主的氣象站,監(jiān)測氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、降雨量(時段降雨量和連續(xù)變化降雨量)等。在有條件時,宜利用遙測雨量監(jiān)測系統(tǒng)、測雨雷達(dá)超短時監(jiān)測系統(tǒng)、氣象衛(wèi)星短時監(jiān)測系統(tǒng)等自動化監(jiān)測儀器,進(jìn)行降雨量監(jiān)測。對冰雪消融型泥石流,還應(yīng)對冰雪消融量進(jìn)行監(jiān)測。泥石流動態(tài)要素、動力要素監(jiān)測,應(yīng)在選定的若干個斷面上進(jìn)行。常用的儀器(方法)有雷達(dá)測速儀、各種傳感器與沖擊力儀、超聲波泥位計(帶報警器)、無線遙測地聲儀(帶報警器)、無線遙測次聲儀(帶警報器)、地震式泥石流報警器,以及重復(fù)水準(zhǔn)測量、動態(tài)立體攝影測量等。2泥石流形成原因分析泥石流科學(xué)預(yù)警即基于泥石流起動機(jī)理的警報,主要是通過設(shè)立傳感器感受暴雨泥石流幅頻信號,再通過先進(jìn)的傳輸手段建立預(yù)警系統(tǒng)。國內(nèi)外眾多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對泥石流形成的基本條件和激發(fā)因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究,提出了泥石流發(fā)生的判別依據(jù),開展了泥石流監(jiān)測,并建立了泥石流的判別模式。泥石流監(jiān)測和警報儀器在泥石流防災(zāi)減災(zāi)中發(fā)揮了重要作用,儀器可分為接觸式警報儀器和非接觸式警報儀器。(1)鋼索和鋼索監(jiān)測器等在泥石流溝道內(nèi)布設(shè)應(yīng)力、應(yīng)變和位移等傳感器,傳感器自動感應(yīng)溝道內(nèi)各處的應(yīng)力、應(yīng)變及位移變化,根據(jù)各物理量的變化判斷泥石流是否發(fā)生,并估計其規(guī)模。主要的接觸式警報儀器有鋼索監(jiān)測器、壓力式泥位計、沖擊力監(jiān)測器等。鋼索監(jiān)測器是利用泥石碰觸鋼線使鋼線斷裂,造成探測器內(nèi)部感測軸位移形成通路而傳出信號。鋼索監(jiān)測器由于需要沖擊力使鋼線斷裂,因此較適用于泥石流流動沖刷段。該監(jiān)測儀器省電、可靠性高,可分級預(yù)警,但對泥流敏感性較差。泥石流進(jìn)入主溝溝床后,多表現(xiàn)出陣性特征,而且泥石流形狀前陡后緩,對溝床基地的壓力變化呈準(zhǔn)周期變化,壓力式泥位計可以監(jiān)測泥石流主溝溝床底部的壓力變化,從而監(jiān)測泥石流運(yùn)動。沖擊力監(jiān)測器可以測量泥石流沖擊力,從而確定泥石流是否發(fā)生。根據(jù)沖擊力的大小還可以判斷泥石流的規(guī)模,進(jìn)行災(zāi)害規(guī)模分級,從而發(fā)出不同級別的預(yù)警信號。沖擊力監(jiān)測器造價高、易毀壞,通過觀測試驗建立的模型移植性差。(2)紅外光遮斷器—非接觸式警報儀器。非接觸式警報儀器通過儀器在不接觸泥石流體的情況下獲得泥石流的影像、聲音、振動、泥位等信息,判斷泥石流是否發(fā)生,并估計其規(guī)模,主要有攝像機(jī)、超聲波(激光)泥位報警儀、地聲警報器、次聲警報器等。影像監(jiān)視可以直觀判斷泥石流是否暴發(fā)與規(guī)模。通過數(shù)字圖像處理方法,可以實現(xiàn)數(shù)碼攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù)中泥石流的自動識別,并判斷其規(guī)模大小。該方法可直觀判斷泥石流發(fā)生與運(yùn)動情況(需專人值守),但耗電量大,對圖像處理設(shè)備要求高。紅外線光遮斷器原理與鋼索監(jiān)測器原理相同,泥石流碰觸遮斷紅外光線使探測器觸發(fā)信號傳至數(shù)據(jù)采集器,和鋼索監(jiān)測器不同的是,紅外線光遮斷器為非接觸式警報儀器,一端發(fā)射信號,另一端接收信號,平時為通路狀態(tài),一旦泥石流遮斷光線而觸發(fā)警報。該儀器造價低、判別模型簡單、技術(shù)成熟,但受天氣影響大。超聲波泥位報警儀是利用回波測距的原理,測得傳感器斷面的泥石流流深,從而推斷泥石流的規(guī)模。可根據(jù)事先計算的不同頻率洪水位設(shè)定警報閾值,從而實現(xiàn)自動分級預(yù)警。該儀器可靠、預(yù)警模型簡單實用,但耗電量大、成本較高。泥石流運(yùn)動過程中摩擦、撞擊溝床和岸壁而產(chǎn)生震動,并沿溝床方向傳遞稱為泥石流地聲。地聲信號的強(qiáng)度與泥石流規(guī)模成正比,采用地聲傳感器觀測泥石流運(yùn)動過程中在巖土體中傳播的振動波,當(dāng)采集的信號超過預(yù)設(shè)的閾值時進(jìn)行報警。地聲傳感器與主機(jī)分離,需要通訊模塊,耗電量大,測量可靠性受地質(zhì)條件影響大。3泥石流預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)泥石流預(yù)警體系的屬性、特征和預(yù)警信息獲取方法,可將其劃分為專業(yè)預(yù)警體系、半專業(yè)預(yù)警體系、簡易預(yù)警體系和群測群防預(yù)警體系。3.1群測群防,臨災(zāi)業(yè)務(wù)指導(dǎo)專業(yè)預(yù)警體系主要承擔(dān)中規(guī)模泥石流可能形成的大災(zāi),大規(guī)模泥石流可能形成的大災(zāi)和特大災(zāi),特大規(guī)模泥石流可能形成的中災(zāi)、大災(zāi)、特大災(zāi)和超特大災(zāi)的預(yù)警任務(wù),同時還負(fù)責(zé)群測群防和臨災(zāi)業(yè)務(wù)指導(dǎo)工作。其預(yù)警信息獲取的方法為專業(yè)儀器監(jiān)測,數(shù)據(jù)應(yīng)實時傳輸,同時進(jìn)行計算判斷。專業(yè)預(yù)警體系是在各級政府主管部門或流域管理機(jī)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)下,以流域或省(市、區(qū))為單元,組建泥石流預(yù)警中心站,以泥石流預(yù)警中心站為依托,在市(地、州)組建泥石流預(yù)警一級指導(dǎo)站,在縣(市、區(qū))組建泥石流預(yù)警二級指導(dǎo)站,在鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道辦)根據(jù)需要設(shè)立若干個泥石流監(jiān)測預(yù)警點(diǎn)的泥石流預(yù)警體系。3.2泥石流特殊預(yù)警半專業(yè)預(yù)警體系主要承擔(dān)小、中、大規(guī)模泥石流可能形成的中災(zāi),特大規(guī)模泥石流可能形成的小災(zāi)的預(yù)警任務(wù),同時還承擔(dān)根據(jù)工程建設(shè)需要而開展的泥石流特殊預(yù)警任務(wù)。其預(yù)警信息獲取的方法主要為儀器監(jiān)測,也可輔助以人工簡易監(jiān)測。半專業(yè)預(yù)警體系是在政府主管部門或流域管理機(jī)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)下,以泥石流預(yù)警中心站為依托,根據(jù)泥石流活動的實際狀況和廣大群眾或國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的特殊需要,在市(地、州)或縣(市、區(qū))組建的群測群防預(yù)警與專業(yè)預(yù)警相結(jié)合的泥石流預(yù)警體系。3.3泥石流發(fā)生情況監(jiān)測泥石流簡易預(yù)報預(yù)警技術(shù)任務(wù)及適用條件:通過巡查、人工監(jiān)測或借助于簡單儀器的人工監(jiān)測手段得到降雨、徑流信息,根據(jù)經(jīng)驗判斷泥石流是否暴發(fā)及可能產(chǎn)生的危害。3.3.1滑坡觀測點(diǎn)和溝道上游泥石流可能發(fā)生的分析監(jiān)測人員在接收到當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的降雨、氣溫等天氣預(yù)報信息后,注意觀察泥石流流域是否降雨,降雨期間監(jiān)測流域的降雨過程和降雨量,根據(jù)經(jīng)驗判斷降雨激發(fā)泥石流的可能性。監(jiān)測溝岸滑坡(崩塌)活動情況和溝谷中松散土石堆積物變化情況,分析滑坡(崩塌)堵塞溝道及引發(fā)潰決型泥石流的可能性;下游溝道突然斷流,可能是上游發(fā)生滑坡(崩塌)或支溝泥石流堵塞溝道、潰決型泥石流即將發(fā)生的前兆;當(dāng)監(jiān)測到溝道下游水流突然變渾濁或聽到上游傳來異常聲響時,也可能是上游有泥石流發(fā)生,應(yīng)發(fā)出警報。有條件時,應(yīng)在溝道上游泥石流形成區(qū)設(shè)置觀測點(diǎn),發(fā)現(xiàn)形成泥石流后,及時向下游發(fā)出警報。此外,汛期應(yīng)加強(qiáng)對城鎮(zhèn)、村莊、廠礦上游堰塞湖、尾礦庫和棄渣場等的巡查,發(fā)現(xiàn)壩體不穩(wěn)定時,及時向上級報告,采取預(yù)防措施,防止壩體潰決引發(fā)泥石流災(zāi)害;發(fā)現(xiàn)壩體潰決時,發(fā)出警報。3.3.2安裝人工雨量器及運(yùn)能器簡易儀器監(jiān)測主要有降雨監(jiān)測和水位和泥位斷面標(biāo)尺監(jiān)測。降雨監(jiān)測是在監(jiān)測點(diǎn)安裝人工雨量器或虹吸式自計雨量計,監(jiān)測降水,當(dāng)降雨量及雨強(qiáng)達(dá)到或接近臨界雨量值(閥值)時,發(fā)出警報。水位和泥位斷面標(biāo)尺監(jiān)測就是事先在監(jiān)測斷面做好標(biāo)尺,監(jiān)測溝道內(nèi)水位和泥位變化情況。3.4息獲取方法群測群防預(yù)警體系主要承擔(dān)轄區(qū)內(nèi)區(qū)域泥石流和已查明的大、中、小規(guī)模泥石流可能形成的小災(zāi)的預(yù)警任務(wù)。其預(yù)警技術(shù)以簡易方法為主,其警報信息獲取的方法主要為人工巡查與簡易儀器監(jiān)測相結(jié)合。群測群防預(yù)警體系是在各級政府主管部門或流域管理機(jī)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)下,以流域或行政區(qū)為單元,以縣(市)政府為主體,鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、村(居)委會以及當(dāng)?shù)鼐用駞⑴c的泥石流、滑坡預(yù)警體系。在縣(市)、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、村(居)委會設(shè)群測群防領(lǐng)導(dǎo)小組;在每個村民組設(shè)若干群測群防監(jiān)測員,承擔(dān)整個村民組的泥石流監(jiān)測預(yù)警工作;在