泥石流專業監測預警關鍵技術的應用

趙安文，劉奕含

泥石流專業監測預警關鍵技術的應用

趙安文1，劉奕含2

（1.山西省地質環境監測中心，山西 太原 030024；2.中國冶金地質總局三局，山西 太原 030024）

對泥石流進行監測時，需全面考慮泥石流變形破壞特征、發展演化趨勢與相關影響因素，從而科學開展泥石流專業監測和預警，避免給人民生命財產安全帶來危害。立足泥石流監測項目的相關內容，對泥石流監測技術和方法進行了分析，以供借鑒。

泥石流；專業監測；預警關鍵技術；監測方法

1 引言

泥石流災害嚴重影響了國民經濟的持續健康發展，給社會的安定埋下了一定的隱患。特別是在固體物源和水文地質條件具備時，如降水量比較大、溝谷山體結構失穩、人工棄渣堆積等情況下，極易導致泥石流爆發。此外，泥石流由于成因復雜，涉及多方面的防御標準和較高的治理成本，實現全面治理，還需要社會經濟的不斷進步，因此開展泥石流監測預警成為當前重要的減災方式。

2 泥石流監測內容

依據DZ/T 0221—2006《崩塌·滑坡·泥石流監測規 范》，泥石流監測內容分為形成條件（固體物質來源、氣象水文條件等）監測、運動特征（流動動態要素、動力要素和輸移沖淤等）監測、流體特征（物質組成及其物理化學性質等）監測。而目前主要實際運行的泥石流監測包括以下五個方面。

泥石流監測內容如圖1所示。

圖1 泥石流監測內容示意圖

2.1 泥石流物源監測

固體物質來源是形成泥石流的重要物質基礎，其中，泥石流的物源主要來自于滑坡和崩塌土體，需要對其周圍的地質環境和固體物質性質、類型和空間進行全面的監測。因此，在進行物源監測的前期，應查明泥石流形成區的溝谷堵塞、匯水范圍、溝谷坡度、巖層軟硬夾層及風化斷裂發育程度對滑坡、崩塌等不良地質現象的影響，重點要考慮形成泥石流物源的類型、儲量、分布及可能參與泥石流的移動厚度等情況。隨著降雨過程的推進，松散土體內的含水量不斷增加，土體顆粒之間的摩擦力降低，土體內的孔隙壓力上升，最終土體液化，形成泥石流的物源。因此土體含水量的變化是對降雨過程變化的響應，是影響泥石流形成的動態可監測因素，通過土體孔隙水壓力和含水率變化的動態監測[1]，能較好反映土體的失穩過程[1]。

2.2 氣象水文條件監測

泥石流的形成離不開水源，水源是泥石流必要的激發動力來源。水源主要以大氣降水、地表徑流、冰雪融水、潰決以及地下水等為主。

針對大氣降水來講，需要重點對降雨量開展監測，掌握降雨強度和降雨時間，對于一些冰雪融水也要做好融水量的統計。尤其一些泥石流常發生區域會涉及有水庫和湖泊，需要對其潰決和滲漏進行有效評估。

泥石流引發最直接的原因大多和大氣降水有關。因此，針對大氣降水，要重點進行流域點雨量監測和雷達雨量監測。點雨量監測是進行現場降雨監測，位置應該選擇在泥石流暴雨區，特別是在易構成泥石流物源儲量最大的形成區內。通過對泥石流形成區進行實時雨量監測、雨量計算和統計分析泥石流的發生情況，按照短期突然降雨型、中期持續降雨型和長期間斷降雨型[2]，分別建立有關的泥石流激發雨量預測模型[3]，即引發泥石流的臨界預警雨量。準確地自動識別一次降雨過程的起止時間，主要包括10 min、1 h以及24 h預警雨量指標，以短信群發的形式，提前做好預警信息的發布[4]。

2.3 流動動態監測

流動動態是泥石流的基本特征值，其中泥（水）位變化和流速變化是泥石流運動的可測值。特別是對于缺資料區域，建立低頻率泥石流監測預警系統尤為重要。

泥（水）位和流速變化數據的采集，是泥石流臨災預警的第一現場數據。在使用過程中，可以將泥（水）位報警儀探頭和流速計按照不同高度位置來均勻布置，隨著飽和的泥（水）位變化，傳感器會將變幅信號傳遞到數據采集報警儀，然后系統會根據警報的信息進行存儲和顯示，達到預警閾值時，發出預警信息[5]。安裝布設時，要充分考慮下游保護區的撤離時間和距離，通過對溝谷內飽和泥（水）位和流速進行分級監測和報警，可以及時引導下游居民安全撤離，減少泥石流造成的危害。

2.4 動力要素監測

目前采取的動力要素監測內容，主要根據次聲和地聲的頻譜、振幅變化情況反映泥石流發生的規模及強度。地聲是針對泥石流流體攜帶的大顆粒物質在運動過程中碰撞、摩擦產生的振動波監測，次聲是針對泥石流在形成和運動過程中產生的次聲波監測[6]。由于各溝道地質條件各異，泥石流流動情況及其引發的振動資料極為缺乏，因此振動監測設備的預警閾值需要通過對長時間序列振動觀測數據的分析進而確定。

2.5 泥石流流體特征監測

泥石流流體特征監測以取樣分析為主，取樣監測點宜與泥石流運動速度監測點或泥（水）位監測點相互結合布設。通過泥石流流體特征的監測，結合室內試驗和數值模擬，可以計算出泥石流的輸砂量和總徑流量、固定總徑流量等，同時研究顆粒啟動與水流條件的關系，為后續泥石流的防治提供參考[7]。

3 泥石流監測方法和儀器分析

開展泥石流監測，需要有相應的地質調查、測繪、勘查等資料作依據，在對流域進行綜合評估的基礎上進行。泥石流監測技術以泥石流溝谷的基本特征和危害對象、危害形式和危害程度等內容作為依據而設定，要從防災減災和成本等方面開展綜合考慮。

3.1 遙感技術圖像采集方法

在遙感圖像上表示間接解譯標志，主要是對泥石流所發生的時間、環境以及目標地物等進行標識。體現出泥石流的具體信息，由此可以來推測泥石流災情的具體情況以及范圍。雖然無法直接預測出泥石流的發生，但通過遙感、工程地質分析原理和災害評價分析相結合，對泥石流災害的范圍、面積、位置進行預估，可以有效掌握泥石流空間的發育概況和物源演變規律[8]。

3.2 自動化專業監測儀器

通過設置感測器來感受暴雨泥石流的頻率信號，多要素選擇監測數據采集和傳輸的新技術、新方法，可以實現自動化專業監測預警。結合常見的泥石流變形破壞特征、發展演化趨勢與相關影響因素，目前國內泥石流監測內容主要有物源變化、降雨量、流量、泥（水）位、土壤含水率、次聲、振動、重度和粘度、視頻等[9]。

針對上述監測內容，以非接觸式的警報儀器為主，這些儀器可以通過信號采集存儲傳輸等手段，判斷泥石流爆發的規模，從而在不需要接觸泥石流的情況下，感應到泥石流的泥位、聲音、影像和震感，運用當前先進的數字圖像處理方法，自動識別泥石流的數據。泥石流監測項目儀器及布設如表1所示。

表1 泥石流監測項目儀器及布設表

內容分類監測對象監測儀器或方法布設位置 形成條件固體物質來源崩塌、滑坡、松散物的穩定狀態及參與泥石流活動情況。泥石流物源區松散土體在失穩過程中的含水率變化遙感方法、土壤含水率監測儀、視頻形成區 氣象水文條件泥石流激發降雨量（10 min及1 h的降雨量）和降雨歷時自動雨量計形成區 運動特征流動動態要素流態和流速、泥位、流面寬度、爬高、陣流次數、溝床縱橫坡度變化等泥（水）位計、測速儀、視頻流通區 動力要素流體動壓力、龍頭沖擊力、石塊沖擊力和泥石流動聲頻譜、振幅等次聲報警器、地聲報警器流通區 輸移沖淤輸移沖淤變化和堆積情況視頻流通區 流體特征物質組成重度、粘度、塊度、顆粒組成采樣器、粘度計、比重計、流塑限儀、密度儀、砂漿流變儀、電子秤等流通區、堆積區 物理化學性質結構構造和物理化學性質、內在聯系與流變模式等 備注宏觀前兆及影響因素監測要與群防群測、人工巡查和專業監測相結合

4 結束語

任何時期，做好泥石流監測預警都是一項極其重要的工作。在泥石流監測工作中，主要通過一些科學的技術手段對泥石流發生規模、危害和造成的損失進行預測，從而可以及時將災害信息傳達到危險區的群眾，積極采取各種救災和避災的措施，將泥石流這一自然災害的破壞降到最低，從而更好地為人們的生命財產安全做好保障。

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2095－6835（2020）06－0125－03

P642.23

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.049

趙安文（1968—），男，山西平順人，大學本科，高級工程師，主要從事水文地質、工程地質、環境地質方面研究工作。

〔編輯：嚴麗琴〕