泥石流災害監測預警及自動預警方法研究

高立兵 高寧寧

甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100

1 概述

泥石流災害防治是一項復雜的涉及民生的工作，由于泥石流監測預警在資金投入和群眾意愿上有較大優勢，所以泥石流隱患點防治大多以監測預警為主[1]。劉傳正提出了在我國建立地質災害監測預警臺網的設想，其中包括監測預警臺網的系統體系和總體要求，并探討了如何建立地質災害預警工程系統[2-4]，為了實現地質災害防治的規范化建設[5]，針對泥石流災害獨特的地質特征和演變過程，建立泥石流綜合監測和自動化預警機制具有重要的現實意義。目前，泥石流地質災害的監測預警在群測群防工作中存在監測精度不高、新方法推廣不到位、應對突發性泥石流預警能力弱及新技術等問題，預警工作以監測人員的經驗為主，對于應對夜間暴雨、點暴雨、夜間隱患變形等突發事件難以及時發布預警信息，由此可見，這種傳統的監測預警方法已經很難滿足當前泥石流防災工作的需要。因此，建立一套泥石流綜合監測的自動預警方法和機制，可以在一定程度上彌補傳統泥石流監測預警方法所存在的不足。

2 泥石流監測目的與監測預警類型

2.1 監測的任務和目的

泥石流預警的起點和基礎是泥石流監測。根據泥石流的不同發展階段，泥石流預警可以劃分為長期預報與災害預警。具體精度和時間范疇可劃分為4 個層次：臨災監測、短期監測、中期監測和長期監測[6]。本文針對目前泥石流的不同發展階段制定了對應任務和目的。

長期監測（1 ～10 年以上）：該時期泥石流發育階段屬于初始變形階段，防治方法主要為前期預測，分析劃分泥石流重點災害點，并進行風險預測和穩定性評價。

中期監測（1 月～1 年以上）：該時期泥石流發育階段屬于勻速變形階段，防治方法主要為單獨危險點預測，在出現地質變形的單泥石流點要相應建立重點危險群，并對其進行可能危害、危險性和發展趨勢的預測，在此基礎上建立泥石流災害防治草案。

短期監測（幾日～1 月）：該時期泥石流發育階段屬于加速變形階段，災害防治要針對有明顯變形的單個泥石流災害點，并在分析泥石流災害演變規律的基礎上對泥石流災害體未來的發展過程和變形趨勢做出判斷，做好防治工程設計，制訂泥石流災害防治方案。

臨災監測（幾小時～1 天）：該時期泥石流發育階段屬于臨滑階段。在這一階段災害防治要針對災害前兆更加明顯、具有更明顯變形特征和趨勢的重點災害點做好預警和防治工作，做好具體防治方案，必要的情況下要制訂群眾撤離方案。

2.2 泥石流監測布置方案設計

在全面了解泥石流工程的具體形成機制、地質環境條件、演變過程的基礎上，最終確定了監測內容和泥石流監測的相關儀器。監測內容包含能直接反映泥石流穩定性的地表裂縫、地表位移、深部傾斜和地表傾斜等監測，以及能反映泥石流誘發因素的降雨監測。根據泥石流的發展過程特點，監測內容主要包括：如降雨等形成條件監測，如泥位的移動監測，流體特性監控等。目前，大多數監測儀器都是自動采集數據的，必須先對儀器進行調試，檢查儀器是否正常工作，獲得初始監測值，然后配合監控數據接收器完成數據采集頻率等參數設置。針對泥石流災害的監測內容和方法繪制了典型的泥石流監控剖面布局圖（圖1）。

圖1 典型的泥石流監控剖面布局

2.3 泥石流監測預警的類型

在對泥石流形成機制和演變過程進行大量研究的基礎上，人們自然而然地把研究重點放在泥石流預警預報上，經歷了現象與經驗預警、統計分析預警、灰色系統預警和非線性理論預警。目前，已發展成為一種多模型、多準則的綜合實時跟蹤預警系統。泥石流監測預警可歸納為區域性泥石流監測預警和單一泥石流監測預警兩種類型。

單一泥石流監測預警通常是在傳統工程地質領域對泥石流體邊坡穩定性進行長期研究的前提下進行的，通過部署專業的監測設備進行實時觀測，并需要系統的理論分析和專家會商決策，才能在災害面前做出最終結論向有關管理部門報告，并由政府發布預警信息。常見的定量計算方法有極限平衡法和數值分析方法。這些評價方法在單體泥石流預警研究中，也常常作為構建泥石流預警模型與判據的理論分析依據。

區域性泥石流監測預警的出現則受益于GIS 技術和計算機的大范圍應用,在對一定空間內的泥石流進行調查評價和對相關監測數據綜合分析的基礎上，給出未來一段時間內可能發生泥石流的位置和風險，也稱為泥石流時空預警警告。其主要工作是建立地形、巖土結構、地質構造、地層巖性等泥石流發生的控制因素和降雨、地震、人類活動等誘發因素之間的關系，找出它們的作用規律，以及確定以控制因素為基礎的泥石流危險性，而誘發因素在不同地區或同一地區不同地點往往存在較大差異。

3 泥石流綜合監測自動預警方法的建立

3.1 泥石流監測預警方法

泥石流災害的主要誘發因素是降雨，所以泥石流的監測和預警主要集中在對降雨監測數據的分析上。根據累積降雨量、降雨強度、前期降雨量和降雨延時等幾個主要降雨參數，不同學者建立了多種泥石流降雨警戒值模型，選擇不同的降雨特征參數建立不同的泥石流降雨預警模型。一是以累積雨量和降雨強度為判定指標，該模型的泥石流臨界降雨量通過有效降雨強度和有效累積降雨量給出。二是以降雨延時和累積降雨量為判斷指標，如范正成對臺東地區泥石流的研究就采用了該模型。三是以降雨延時和降雨強度為判斷指標，來劃分引發泥石流的降雨邊界線。四是以前期降雨量和降雨強度為確定指標。例如，在云南蔣家溝泥石流災害監測過程中，吳積善等以前期降雨量和10 分鐘降雨量為參數建立了泥石流預警判斷條件，陳偉等劃定的各概率的預警基線是建立在引發泥石流災害的同日降水和前3 天降水及非降雨資料的基礎上，并采用概率統計方法得出的，劉傳正通過統計分析不同時段的過程降水數據建立了泥石流災害預警的準則模型圖。五是以其他降雨參數為判斷指標，建立泥石流降雨警戒值模型。

3.2 泥石流綜合監測及自動預警方法的建立

本文將泥石流災害綜合監測和自動預警劃分為數據監測、綜合分析和預警信息發布3 個階段。

數據監測階段：該階段重點是實時跟蹤泥石流溝區域的降雨情況。泥石流溝可設置多個進行雨量監測的點。降雨監測站可能會發回錯誤的數據，當系統監測到雨量站數據異常時，會對異常數據進行檢查或對現場儀表的工作情況進行檢查并通知相關工作人員，并對引起泥石流雨量監測預警系統啟動的相關降雨參數做了設定（圖2）。

圖2 數據監測及預警流程

異常判定公式為：

其中：Mi表示第i 個監測值，Mmax表示其中雨量監測值的最大值。

綜合分析階段：泥石流災害的預警需根據群測群防監測綜合分析、泥水位預警標準和降雨預警標準得出，其中又以后兩種判斷標準為主，而建立的多準則綜合預警模型。根據概率統計原理，對泥石流預警等級進行劃分，然后依據實時雨量的監測結果，系統會相應啟動預警程序，并對累計雨量和雨量強度按一定時間間隔進行統計，整體掌握降雨的趨勢，做出相應預警。

預警信息發布階段：系統會將泥石流災害預警信息發送給相關用戶，包括普通用戶和專家用戶。專家用戶可以根據系統的泥石流預警數據進行分析和商討，并重新設置泥石流預警等級，決定是否需要向下一級普通用戶進行發布，專家用戶可以有效地減少錯誤預警的發布；普通用戶包括受泥石流威脅對象、監控責任人、系統管理人員等相關用戶，此類用戶可以查看相關預警信息但無法對預警數據和等級進行修改。

4 泥石流災害預警等級劃分和防治措施

根據《中華人民共和國突發事件應對法》，地質災害監測預警等級劃分為四級、三級、二級和一級，四級是最低級別。泥石流災害中，根據泥石流災害體的地質變形階段也將其監測預警等級劃分為4 個等級，可以理解為：注意級、警示級、警戒級及警報級。當泥石流災害體初步發生變形進入長期預報范疇時，各相關部門應對其進行可能危害、危險性和發展趨勢的預測，并有針對性地制定相應的預警和防治措施與方案（圖3）。

圖3 預警等級劃分和防治措施

（1）注意級預警：泥石流不太可能發生，屬于四級預警（藍色）。該階段處于均速變形，地形表面發生一定宏觀變形，由于其在小范圍內的變形不太明顯，可以考慮采用一些宏觀監測手段，如遙感監測。該級別預警信息提示各相關部門要初步篩選重點泥石流災害點。

（2）警示級預警：泥石流有較高的發生可能性，屬于三級預警（黃色）。該階段處于初期加速變形階段，地表的宏觀變形比較明顯，其在小范圍內的變形也可以監測到，再配合采用一些宏觀監測手段。該級別預警信息提示各相關部門要圈定出重點泥石流災害點，對其附近居民、企事業單位、學校、廠礦等給予提醒。

（3）警戒級預警：泥石流發生的可能性大，屬于二級預警（橙色）。該階段處于中后期加速變形階段，地表的宏觀變形明顯，重點泥石流災害體出現比較明顯的前兆，在宏觀監測的基礎上要對可能發生泥石流的重點災害體采用精密的監測。該級別預警信息提示各相關部門要在重點防治區域停止相關戶外生活和工作，安排專門的值班人員和救援人員，必要時要對該區域的居民進行轉移。

（4）警報級預警：泥石流發生的可能性很大，屬于一級預警（紅色）。該階段處于臨滑階段，地表的宏觀變形明顯，在宏觀監測的基礎上要對可能發生泥石流的重點災害體采用精密的監測。該級別預警信息提示各相關部門要做好指定泥石流災害點附近居民及相關單位的臨時避險方案，轉移相關人員和重要財產，停止一切非泥石流搶險防治工作，封閉道路，安排專門的值班人員和救援人員，準備充分的應急救援設備，密切關注災害預警信息。

5 結論

根據泥石流不同發展階段的變形特征，給出了各個階段監測預警的目的與任務，并結合泥石流監測布置方案設計、泥石流監測預警類型及監測預警方法的總結分析，建立了一套泥石流綜合檢測自動預警方法，并將其詳細劃分為監測數據監控、監測預警綜合分析和預警信息發布3 個階段，基于監測數據分析判斷泥石流發展趨勢，并向受到災害體威脅的區域預先發出警報，并根據不同的泥石流監測預警等級，為相關政府及部門提供了相應的應對措施及建議，為各部門采取防災措施、群眾及時轉移爭取寶貴時間，達到趨利避害的作用。