師 哲，張平倉，舒安平

（1.長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010；2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京 100875）

泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)研究

師 哲1，張平倉1，舒安平2

（1.長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010；
2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京 100875）

泥石流是一種常見的山地災(zāi)害，具有發(fā)生突然、歷時短暫、來勢兇猛和破壞力強等特點。溝谷型泥石流由上而下可分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)3個區(qū)段?；谀嗍鳟a(chǎn)生、運動、危害的各個階段的特點，采用雨量遙測、地聲遙測、泥位遙測以及有線泥位、沖擊力和攝像監(jiān)測等子系統(tǒng)和綜控中心組成泥石流自動化監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的各監(jiān)測站均可自帶動力和自動控制，儀器設(shè)備集成度高，便于進行各種工況下的野外監(jiān)測。系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測泥石流災(zāi)害，有效降低泥石流的危害性。

泥石流；自動雨量站；超聲波泥位計；次聲監(jiān)測儀；監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)

1 概 述

泥石流是一種常見的山地災(zāi)害，它是含有大量砂石塊的特殊山洪，具有發(fā)生突然、歷時短暫、來勢兇猛和破壞力強等特點。我國山地面積廣闊，約占全國陸地面積的2／3。由于地勢高差大、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育和巖石破碎，第四紀(jì)沉積物深厚，降雨季節(jié)性強且暴雨集中，加上人類活動的影響，導(dǎo)致泥石流災(zāi)害發(fā)生頻繁。受泥石流災(zāi)害威脅的縣城有近百座，每年由泥石流造成的直接經(jīng)濟損失超過20億元，傷亡人數(shù)300人以上，歷史上一次致死百人以上的惡性泥石流災(zāi)害達數(shù)十次，是我國面臨的一個重要的生態(tài)環(huán)境問題和民生問題。

泥石流從其組成來看，主要是水及固體顆粒，屬于典型的固液兩相流。泥石流固體物質(zhì)與泥石流的體積比一般為30%～70%，遠比一般挾沙水流高。在我國實測到的泥石流最高容重為2.37 t／m3，泥石流中固體物質(zhì)含量高，且顆粒粒徑分布極廣，也使泥石流運動特性變得極為復(fù)雜。由于泥石流發(fā)生在陡峻的山區(qū)，運動速度最高可達10 m／s以上。泥石流不僅以驚人的動力作用給山區(qū)及河谷地貌造成不同程度的破壞，而且泥石流沖積扇還可將土地演變成荒廢的砂石灘地，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成極大的不良影響。泥石流的危害具有“來勢迅猛，影響深遠”的特點，因而一直為學(xué)術(shù)界和工程界所關(guān)注［1］。

在泥石流形成條件中，陡峻的地形和一定儲量的松散固體物質(zhì)是泥石流形成的內(nèi)在因素，一定強度的降雨是激發(fā)泥石流的外在動力因素。我國絕大部分泥石流爆發(fā)都是由暴雨激發(fā)而引起的，由于不同地區(qū)的下墊面及產(chǎn)匯流條件差別很大，地形坡度及固體松散物質(zhì)的性質(zhì)各異，因此泥石流爆發(fā)的臨界強度也不同。

泥石流溝大體可分為山坡型及溝谷型。山坡型泥石流雖匯流面積小，泥石流流量不大，但因坡陡、流速快、來勢猛，往往幾分鐘就可造成巨大損失。溝谷型往往有幾條支流匯入主溝而組成，流域范圍至上而下可分為形成區(qū)（由降雨形成的清水供給區(qū)和固體物質(zhì)補給區(qū)構(gòu)成）、流通區(qū)和堆積區(qū)3個區(qū)段。

泥石流基礎(chǔ)研究和泥石流區(qū)的動態(tài)監(jiān)測必須進行野外現(xiàn)場科學(xué)試驗觀測。傳統(tǒng)的泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警方法是在野外建立簡易監(jiān)測點，采用簡易的觀測方法，即主要利用人工觀測雨量和發(fā)生泥石流后預(yù)警，檢測儀器科技含量不高，方法單一，遇到雷雨天氣通訊難以暢通，特別是夜間，監(jiān)測預(yù)警工作很難實施。我國從20世紀(jì)60年代就開始研究泥石流的監(jiān)測技術(shù)，而泥石流預(yù)報的時間尺度構(gòu)成了泥石流監(jiān)測預(yù)報的核心。從泥石流發(fā)生條件和成災(zāi)條件方面考慮，泥石流的監(jiān)測預(yù)報可以分為長期監(jiān)測預(yù)報、中期監(jiān)測預(yù)報、短期監(jiān)測預(yù)報和臨監(jiān)測警報。長期監(jiān)測預(yù)報是數(shù)月到數(shù)年的趨勢預(yù)測，一般不太引起人們的注意。中短期預(yù)報是氣象部門對天氣的預(yù)報信息，中期預(yù)報又可分為季、月、旬、周幾種尺度，屬于險情監(jiān)測預(yù)報和防災(zāi)預(yù)報，可以在較長時間范圍內(nèi)提醒人們提前安排好減災(zāi)防災(zāi)工作。臨監(jiān)測警報即零小時到數(shù)小時內(nèi)的預(yù)報，是依據(jù)每小時的雨量圖、雨勢情報、危險前兆、監(jiān)測儀器制定依據(jù)。對城鎮(zhèn)、工礦和交通運輸部門的泥石流臨災(zāi)避難與救助有重要意義。然而，現(xiàn)有的各種野外泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警方法和設(shè)備都存在科技含量不高、監(jiān)測精度差、成果不及時和可靠度不夠的缺點［2－4］。因此，亟待提供一種改進的泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)以克服上述缺陷。針對這些問題，2008年長江科學(xué)院提出了一種準(zhǔn)確、快速、方便、全自動一體化的泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)［5］。它基于泥石流產(chǎn)生、運動、危害的各個階段的特點，采用雨量遙測、地聲遙測、泥位遙測以及有線泥位、沖擊力和攝像監(jiān)測等子系統(tǒng)和綜控中心組成泥石流自動化監(jiān)測系統(tǒng)。它既可以全自動監(jiān)測預(yù)報泥石流的爆發(fā)，還能夠?qū)崟r、全程地監(jiān)測和收集有關(guān)泥石流形成、運動規(guī)律、災(zāi)害程度等多方面的信息數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測泥石流災(zāi)害，及時防護和避險，保障人們的生命和財產(chǎn)安全，有效降低泥石流的危害性。

2 泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)工作原理及構(gòu)成

2.1 泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)工作原理

為了解決上述技術(shù)問題，泥石流自動監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，包括位于泥石流形成區(qū)域的至少一個自動雨量監(jiān)測站、位于泥石流流通區(qū)的至少一個次聲監(jiān)測站、布設(shè)于監(jiān)測斷面的至少一個泥位監(jiān)測站以及泥石流輔助監(jiān)測子系統(tǒng)并與上述各監(jiān)測站交互的綜合控制中心。自動雨量監(jiān)測站包括太陽能蓄電池、雨量筒和雨量監(jiān)測報警儀，太陽能蓄電池為雨量監(jiān)測報警儀和雨量筒供電，雨量監(jiān)測報警儀通過雨量筒采集雨量信號并將該雨量信號上傳。次聲監(jiān)測站包括太陽能蓄電池、次聲傳感器以及次聲數(shù)據(jù)采集終端，太陽能蓄電池為次聲傳感器以及次聲數(shù)據(jù)采集終端供電，次聲數(shù)據(jù)采集終端采集次聲信號并將其上傳。自動泥位監(jiān)測站包括太陽能蓄電池、接觸式和／或非接觸式泥位計和泥位數(shù)據(jù)采集終端，太陽能蓄電池為泥位計和泥位數(shù)據(jù)采集終端供電，泥位數(shù)據(jù)采集終端通過泥位計采集泥位數(shù)據(jù)并將其上傳。綜合控制中心根據(jù)接收到的雨量信號、次聲信號和泥位監(jiān)測預(yù)報預(yù)警信號，按照事先設(shè)定的程序發(fā)布不同的預(yù)報預(yù)警方案。

本系統(tǒng)各監(jiān)測點子系統(tǒng)采集的災(zāi)害信息通過傳輸網(wǎng)絡(luò)匯集到綜控中心，綜控中心是全自動監(jiān)測系統(tǒng)的中樞部分，負責(zé)全部系統(tǒng)的調(diào)度控制、子系統(tǒng)的信息收集、數(shù)據(jù)分析和圖表輸出等主要任務(wù)。中心站對信息進行處理、顯示和儲存，同級和上級部門可通過網(wǎng)絡(luò)等各種方式進行實時監(jiān)控和查詢；綜控中心可隨時訪問和修改各子系統(tǒng)的工作狀態(tài)和系統(tǒng)的各項參數(shù)。

當(dāng)泥石流形成區(qū)發(fā)生降雨時，雨量監(jiān)測子系統(tǒng)開始采集雨量數(shù)據(jù)，并把降雨信息發(fā)回綜控中心；當(dāng)降雨量（或雨強）達到和超過泥石流形成的臨界雨量值時，首先發(fā)出預(yù)警預(yù)報；隨著泥石流形成匯集于支溝，支溝上的地聲監(jiān)測子系統(tǒng)發(fā)出第二次報警；當(dāng)泥石流匯入到主溝的上中游時，位于上中游的泥位遙測子系統(tǒng)被啟動，并發(fā)出第三次報警信號；最后，輔助監(jiān)測子系統(tǒng)也進入監(jiān)測狀態(tài)。當(dāng)泥石流達到預(yù)定的上下觀測斷面，并超過臨界值時，有線泥位自動發(fā)出緊急報警。

在整個過程中，各個子系統(tǒng)都把各種信息數(shù)據(jù)通過有線或無線方式連續(xù)不斷地送到綜控中心。在綜控中心，利用計算機對這些數(shù)據(jù)進行分析處理，可以實時在線顯示曲線過程及數(shù)據(jù)存儲，并根據(jù)各監(jiān)測區(qū)域的預(yù)報預(yù)警信號綜合發(fā)布預(yù)報預(yù)警方案。

2.2 泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)共由5個部分構(gòu)成（見圖1），即：①綜控中心；②自動遙測雨量子系統(tǒng)；③無線地聲子系統(tǒng)；④無線泥位子系統(tǒng)；⑤有線泥位接口、沖擊力和攝像接口。

圖1 泥石流自動監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 Automatically monitoring and warning systems of debris flow

雨量自動監(jiān)測站：核心設(shè)備是遙測終端，配置雨量傳感器、通訊終端、電源系統(tǒng)及避雷設(shè)備，實現(xiàn)雨情信息的自動采集和自動傳輸，設(shè)備運行狀態(tài)自動上報，系統(tǒng)遠程配置和管理。

泥石流次聲監(jiān)測站：配置次聲傳感器、通訊終端、電源系統(tǒng)及避雷設(shè)備，實現(xiàn)泥石流次聲信息的自動采集和自動傳輸。

泥位自動監(jiān)測站：配置超聲泥位計、通訊終端、電源系統(tǒng)及避雷設(shè)備，實現(xiàn)泥位超聲波信息的自動采集和自動傳輸，設(shè)備運行狀態(tài)自動上報，系統(tǒng)遠程配置和管理。

三類監(jiān)測站均采用太陽能浮充蓄電池方式供電。因太陽能蓄電池是采用直流供電方式，運用充電控制器進行鉗位控制，以防止電壓過壓或欠壓現(xiàn)象，從而保證在至少7 d連續(xù)陰雨天氣情況下，能維持監(jiān)測站的工作。

輔助監(jiān)測儀：配置在流通區(qū)域且與綜控中心交互的沖擊力泥石流監(jiān)測儀、斷線式泥石流監(jiān)測儀和龍頭高度檢知線，攝像機中的一種或多種。

3 泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)主要技術(shù)特點

泥石流的發(fā)生必須具備3個必要條件：物源條件、水源條件和溝床坡度條件。對于暴雨型泥石流而言，降雨不僅是泥石流體的主要組成部分，也是泥石流激發(fā)的決定性因素。在同一條泥石流溝中，當(dāng)無地震等極端事件發(fā)生時，流域內(nèi)溝床條件在一定時期內(nèi)，可認(rèn)為是相對穩(wěn)定的，而降雨條件和固體物質(zhì)的儲備分布在流域內(nèi)存在一定的時空變化。對某一泥石流溝道，泥石流是否發(fā)生，決定于流域內(nèi)的降雨條件及固體物質(zhì)的儲備和分布狀況。因此，在查清溝道內(nèi)可形成泥石流的松散固體物質(zhì)的儲備及分布的情況下，利用降雨資料預(yù)測泥石流是國內(nèi)外目前通行的一種方法。通過網(wǎng)絡(luò)配合雨量監(jiān)測報警系統(tǒng)，根據(jù)當(dāng)?shù)啬嗍靼l(fā)生的臨界雨量，在一次降雨總量或雨強達到一定指標(biāo)時立即發(fā)出預(yù)警報信號。

利用降雨條件對泥石流發(fā)生進行預(yù)警，關(guān)鍵在于雨量閾值的確定。由于不同流域的水文條件、氣象條件、植被條件、地質(zhì)巖性，泥石流溝的類型等多種因素的影響，雨量閾值不是一個確定的值，對每一條泥石流溝及其每一個雨量監(jiān)測點都應(yīng)該進行專門的研究，從而確定出激發(fā)泥石流的最小雨量閾值，達到預(yù)警的目的。

根據(jù)泥石流災(zāi)害規(guī)模、等級等劃分標(biāo)準(zhǔn)以及對已發(fā)生過的泥石流災(zāi)害狀態(tài)的調(diào)查，結(jié)合對定點泥石流溝道的形態(tài)參數(shù)的實地勘察，分析泥石流規(guī)模與致災(zāi)規(guī)模之間的相互關(guān)系，確定泥石流危害程度及其特征參數(shù)（如流量、泥位等）之間的對應(yīng)關(guān)系，并將泥位、流量等設(shè)計參數(shù)輸入泥位觀測預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)進行試運行，經(jīng)過對參數(shù)的修正后構(gòu)建泥位預(yù)報系統(tǒng)。

3.1 雨量閾值研究

泥石流雨量預(yù)警系統(tǒng)主要對泥石流溝進行水源觀測，在監(jiān)測區(qū)內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的遙測雨量站，及時掌握降雨情況。由于各泥石流溝流域情況、溝道情況、泥石流形成條件和泥石流類型等差異明顯，因此在建立泥石流監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)時，需要收集整理基礎(chǔ)資料如流域雨量、溝道雨量、鄰近地區(qū)雨量、水文、災(zāi)害資料，并進行流域地形地貌、地質(zhì)巖性、泥石流類型、源區(qū)范圍等的考察和資料分析。在合理布設(shè)雨量監(jiān)測站后，對各站的雨量閾值進行分析計算，確定泥石流的臨界雨量范圍，一旦降雨達到臨界雨量，發(fā)布泥石流警報。

3.2 泥位閾值研究

從泥位閾值主要影響因素出發(fā)，首先通過建立泥位要素與泥石流災(zāi)害規(guī)模之間的相關(guān)關(guān)系，然后分析泥位要素與泥石流災(zāi)害預(yù)警預(yù)報警戒級別之間的對應(yīng)關(guān)系，通過實測溝道斷面積和數(shù)學(xué)模型計算，研究確定泥位閾值，最終建立泥位監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)。

3.3 泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)實例

寧南縣位于四川涼山彝族自治州東南部，坐落在泥石流堆積扇上部，西北、東北、東南三面環(huán)山而開口向西南。后山史家溝流域面積1.639 km2，溝長3 670 m，溝頭到溝口高差達1 420 m。溝道穿縣城而過，匯入金沙江三級支流黑水河，溝道形勢見圖2。根據(jù)《崩塌、滑坡、泥石流監(jiān)測規(guī)程》（DZ／T 0223－2004）、《長江上游滑坡泥石流監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)手冊》（2007.12），后山泥石流為最重度危險區(qū)，監(jiān)測預(yù)警點級別為Ⅰ級。

自動雨量監(jiān)測：根據(jù)雨量站布置原則和溝道實際情況，共布置3臺自動雨量監(jiān)測站。一臺設(shè)在溝道的卡口，2臺放置在泥石流形成區(qū)的兩側(cè)，分別在水井灣（海拔2 140 m）、官村子（海拔1 670 m）和預(yù)警站站房房頂（海拔1 230 m）。

泥石流泥位監(jiān)測：在流通區(qū)上游及監(jiān)測站房附近各設(shè)置監(jiān)測斷面一處，分別采用超聲泥位儀和泥位標(biāo)尺的斷面監(jiān)測方法監(jiān)測泥位，并在監(jiān)測站房附近斷面進行流速監(jiān)測。

泥石流次聲報警：在距站房1 076 m的V型溝道中泥石流形成區(qū)地段安裝次聲報警儀探頭。在山堡上安裝次聲報警儀發(fā)射器和發(fā)射天線。

輸移和沖淤觀測：布設(shè)固定的沖淤測量斷面，采用測速儀和超聲波泥位計進行觀測。采取在已建排導(dǎo)槽地段，設(shè)置第一、第二固定沖淤測量斷面，并結(jié)合采用超聲波泥位計進行觀測。

圖2 后山史家溝泥石流溝形勢圖Fig.2 Houshan Shijiagou debris flow situation

4 結(jié) 語

（1）泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)包括泥石流形成區(qū)的雨量監(jiān)測站、流通區(qū)的次聲監(jiān)測站、監(jiān)測斷面的泥位監(jiān)測站、輔助監(jiān)測儀等以及與之交互的綜合控制中心。主要解決的技術(shù)問題在于提供一種準(zhǔn)確、快速、方便、全自動一體化的測報系統(tǒng)，為泥石流防災(zāi)避險提供高質(zhì)量的臨監(jiān)測警報。該系統(tǒng)能夠保證實現(xiàn)不同條件下及早監(jiān)測泥石流的形成、運動和發(fā)展以及提前預(yù)報預(yù)警，避免泥石流災(zāi)害的功能要求，對防災(zāi)避災(zāi)非常有實用價值。

（2）與現(xiàn)有技術(shù)相比，系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)生泥石流區(qū)域的具體情況，將各監(jiān)測站分別在泥石流不同區(qū)域布置，使其成為多級泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)運行期間，由雨量監(jiān)測站、次聲監(jiān)測站和泥位監(jiān)測站等自動采集有關(guān)測量指標(biāo)數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到綜合控制中心，綜合控制中心實時在線顯示曲線過程及數(shù)據(jù)存儲，并根據(jù)各監(jiān)測區(qū)域的預(yù)報預(yù)警信號綜合確定發(fā)布預(yù)報預(yù)警方案。

（3）由于本系統(tǒng)的各監(jiān)測站均可自帶動力和自動控制，儀器設(shè)備集成度高，便于進行各種工況下的野外監(jiān)測。而且，由于其采用太陽能蓄電池，并以遙測終端和通訊終端設(shè)備實現(xiàn)雨量、次聲及泥位的自動采集、傳輸，在野外情況下采用有人看管、無人值守的管理模式，節(jié)省人力資源，保證工作人員的安全。對泥石流的監(jiān)測精確度高，大大提高了工作效率，具有較大的推廣應(yīng)用價值。

［1］ 費祥俊，舒安平.泥石流運動機理與災(zāi)害防治［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.（FEIXiang-jun，SHU Anping.Debris Flow Mechanism and Disaster Prevention［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2004.（in Chinese））

［2］ 崔 鵬，劉世建，譚萬沛.中國泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警研究現(xiàn)狀與展望［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2000，9（2）：10－15.（CUI Peng，LIU Shi-jian，TAN Wan-pei.Progress of debris flow forecast in China［J］.Journal of natural disasters，2000，9（2）：10－15.（in Chinese））

［3］ 劉 飛，陳勁松.山洪誘發(fā)的泥石流監(jiān)測技術(shù)研究［R］.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2004.（LIU Fei，CHEN Jin-song.Research on debris flow induced by flush flood monitoring technique［R］.China university of Geosciences，2004.（in Chinese））

［4］ 《長江流域水土保持技術(shù)手冊》編輯委員會.長江流域水土保持技術(shù)手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.（《Yangtze River soil and water conservation technicalmanual》editorial board.Yangtze River Soil and Water Conservation Technical Manual［M］.Beijing：China Water Power Press，1999.（in Chinese））

［5］ 師 哲，趙 健，劉曉璐，等.長江上游水土保持重點防治區(qū)滑坡泥石流預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)項目初步設(shè)計報告［R］.武漢：長江科學(xué)院，2008.（SHI Zhe，ZHAO Jian，LIU Xiao-lu.Landslide and debris flow early warning system project preliminary design report of soil and water conservation key control district in upper reach of Yangtze River［R］.Wuhan：Yangtze River scientific research institute，2008.（in Chinese））

（編輯：王 慰）

Forecast and Early Warning System for Debris Flow M onitoring

SHIZhe1，ZHANG Ping-cang1，SHU An-ping2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.State Key Laboratory ofWater Environment Simulation，School of Environment，Beijing Normal University，Beijing 100875，China）

Debris flow is a common geo-hazard，with characteristic of suddeness，short duration，ferocious power and strong destruction and so on.From top-down，the gully debris flow can be divided into formation zone，circulation zone and accumulation zone.Based on the characteristics in occurring stage，movement stage and damage stage，a debris flow automaticmonitoring system was composed of several subsystems and an integrated control center.The subsystems included rainfall telemetry，ground acoustic telemetry，mud-position telemetry，wired mud-location，impact force and camera monitoring.Each monitoring station of the system was equipped with power and automatic control.The aparatus has a high integrated level，which is easy to carry out field monitoring under various conditions.The system canmonitor the debris flow quickly and accurately so as to reduce the damage of debris flow

debris flow；automatic rainfall staion；ultrasonic mud gauge；infrasound monitor；forecast and early

S157

A

1001－5485（2010）11－0115－05

2010-09-10

國家“十一五”科技支撐計劃項目（2008BAD98B02）；國家自然基金項目（10672125）

師 哲（1964-），男，甘肅會寧人，高級工程師，從事泥沙及水土保持研究，（電話）027-82926391（電子信箱）shizhemail＠126.com。

warning system