泥石流专业监测预警关键技术的应用

2020-04-18赵安文刘奕含

科技与创新 2020年6期

关键词：泥石流降雨预警

赵安文，刘奕含

泥石流专业监测预警关键技术的应用

赵安文1，刘奕含2

（1.山西省地质环境监测中心，山西太原 030024；2.中国冶金地质总局三局，山西太原 030024）

对泥石流进行监测时，需全面考虑泥石流变形破坏特征、发展演化趋势与相关影响因素，从而科学开展泥石流专业监测和预警，避免给人民生命财产安全带来危害。立足泥石流监测项目的相关内容，对泥石流监测技术和方法进行了分析，以供借鉴。

泥石流；专业监测；预警关键技术；监测方法

1 引言

泥石流灾害严重影响了国民经济的持续健康发展，给社会的安定埋下了一定的隐患。特别是在固体物源和水文地质条件具备时，如降水量比较大、沟谷山体结构失稳、人工弃渣堆积等情况下，极易导致泥石流爆发。此外，泥石流由于成因复杂，涉及多方面的防御标准和较高的治理成本，实现全面治理，还需要社会经济的不断进步，因此开展泥石流监测预警成为当前重要的减灾方式。

2 泥石流监测内容

依据DZ/T 0221—2006《崩塌·滑坡·泥石流监测规范》，泥石流监测内容分为形成条件（固体物质来源、气象水文条件等）监测、运动特征（流动动态要素、动力要素和输移冲淤等）监测、流体特征（物质组成及其物理化学性质等）监测。而目前主要实际运行的泥石流监测包括以下五个方面。

泥石流监测内容如图1所示。

图1 泥石流监测内容示意图

2.1 泥石流物源监测

固体物质来源是形成泥石流的重要物质基础，其中，泥石流的物源主要来自于滑坡和崩塌土体，需要对其周围的地质环境和固体物质性质、类型和空间进行全面的监测。因此，在进行物源监测的前期，应查明泥石流形成区的沟谷堵塞、汇水范围、沟谷坡度、岩层软硬夹层及风化断裂发育程度对滑坡、崩塌等不良地质现象的影响，重点要考虑形成泥石流物源的类型、储量、分布及可能参与泥石流的移动厚度等情况。随着降雨过程的推进，松散土体内的含水量不断增加，土体颗粒之间的摩擦力降低，土体内的孔隙压力上升，最终土体液化，形成泥石流的物源。因此土体含水量的变化是对降雨过程变化的响应，是影响泥石流形成的动态可监测因素，通过土体孔隙水压力和含水率变化的动态监测[1]，能较好反映土体的失稳过程[1]。

2.2 气象水文条件监测

泥石流的形成离不开水源，水源是泥石流必要的激发动力来源。水源主要以大气降水、地表径流、冰雪融水、溃决以及地下水等为主。

针对大气降水来讲，需要重点对降雨量开展监测，掌握降雨强度和降雨时间，对于一些冰雪融水也要做好融水量的统计。尤其一些泥石流常发生区域会涉及有水库和湖泊，需要对其溃决和渗漏进行有效评估。

泥石流引发最直接的原因大多和大气降水有关。因此，针对大气降水，要重点进行流域点雨量监测和雷达雨量监测。点雨量监测是进行现场降雨监测，位置应该选择在泥石流暴雨区，特别是在易构成泥石流物源储量最大的形成区内。通过对泥石流形成区进行实时雨量监测、雨量计算和统计分析泥石流的发生情况，按照短期突然降雨型、中期持续降雨型和长期间断降雨型[2]，分别建立有关的泥石流激发雨量预测模型[3]，即引发泥石流的临界预警雨量。准确地自动识别一次降雨过程的起止时间，主要包括10 min、1 h以及24 h预警雨量指标，以短信群发的形式，提前做好预警信息的发布[4]。

2.3 流动动态监测

流动动态是泥石流的基本特征值，其中泥（水）位变化和流速变化是泥石流运动的可测值。特别是对于缺资料区域，建立低频率泥石流监测预警系统尤为重要。

泥（水）位和流速变化数据的采集，是泥石流临灾预警的第一现场数据。在使用过程中，可以将泥（水）位报警仪探头和流速计按照不同高度位置来均匀布置，随着饱和的泥（水）位变化，传感器会将变幅信号传递到数据采集报警仪，然后系统会根据警报的信息进行存储和显示，达到预警阈值时，发出预警信息[5]。安装布设时，要充分考虑下游保护区的撤离时间和距离，通过对沟谷内饱和泥（水）位和流速进行分级监测和报警，可以及时引导下游居民安全撤离，减少泥石流造成的危害。

2.4 动力要素监测

目前采取的动力要素监测内容，主要根据次声和地声的频谱、振幅变化情况反映泥石流发生的规模及强度。地声是针对泥石流流体携带的大颗粒物质在运动过程中碰撞、摩擦产生的振动波监测，次声是针对泥石流在形成和运动过程中产生的次声波监测[6]。由于各沟道地质条件各异，泥石流流动情况及其引发的振动资料极为缺乏，因此振动监测设备的预警阈值需要通过对长时间序列振动观测数据的分析进而确定。

2.5 泥石流流体特征监测

泥石流流体特征监测以取样分析为主，取样监测点宜与泥石流运动速度监测点或泥（水）位监测点相互结合布设。通过泥石流流体特征的监测，结合室内试验和数值模拟，可以计算出泥石流的输砂量和总径流量、固定总径流量等，同时研究颗粒启动与水流条件的关系，为后续泥石流的防治提供参考[7]。

3 泥石流监测方法和仪器分析

开展泥石流监测，需要有相应的地质调查、测绘、勘查等资料作依据，在对流域进行综合评估的基础上进行。泥石流监测技术以泥石流沟谷的基本特征和危害对象、危害形式和危害程度等内容作为依据而设定，要从防灾减灾和成本等方面开展综合考虑。

3.1 遥感技术图像采集方法

在遥感图像上表示间接解译标志，主要是对泥石流所发生的时间、环境以及目标地物等进行标识。体现出泥石流的具体信息，由此可以来推测泥石流灾情的具体情况以及范围。虽然无法直接预测出泥石流的发生，但通过遥感、工程地质分析原理和灾害评价分析相结合，对泥石流灾害的范围、面积、位置进行预估，可以有效掌握泥石流空间的发育概况和物源演变规律[8]。

3.2 自动化专业监测仪器

通过设置感测器来感受暴雨泥石流的频率信号，多要素选择监测数据采集和传输的新技术、新方法，可以实现自动化专业监测预警。结合常见的泥石流变形破坏特征、发展演化趋势与相关影响因素，目前国内泥石流监测内容主要有物源变化、降雨量、流量、泥（水）位、土壤含水率、次声、振动、重度和粘度、视频等[9]。

针对上述监测内容，以非接触式的警报仪器为主，这些仪器可以通过信号采集存储传输等手段，判断泥石流爆发的规模，从而在不需要接触泥石流的情况下，感应到泥石流的泥位、声音、影像和震感，运用当前先进的数字图像处理方法，自动识别泥石流的数据。泥石流监测项目仪器及布设如表1所示。

表1 泥石流监测项目仪器及布设表

内容分类监测对象监测仪器或方法布设位置形成条件固体物质来源崩塌、滑坡、松散物的稳定状态及参与泥石流活动情况。泥石流物源区松散土体在失稳过程中的含水率变化遥感方法、土壤含水率监测仪、视频形成区气象水文条件泥石流激发降雨量（10 min及1 h的降雨量）和降雨历时自动雨量计形成区运动特征流动动态要素流态和流速、泥位、流面宽度、爬高、阵流次数、沟床纵横坡度变化等泥（水）位计、测速仪、视频流通区动力要素流体动压力、龙头冲击力、石块冲击力和泥石流动声频谱、振幅等次声报警器、地声报警器流通区输移冲淤输移冲淤变化和堆积情况视频流通区流体特征物质组成重度、粘度、块度、颗粒组成采样器、粘度计、比重计、流塑限仪、密度仪、砂浆流变仪、电子秤等流通区、堆积区物理化学性质结构构造和物理化学性质、内在联系与流变模式等备注宏观前兆及影响因素监测要与群防群测、人工巡查和专业监测相结合