丁桂伶，王翊虹，姚 康，劉歡歡，王強(qiáng)強(qiáng)

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

泥石流多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)應(yīng)用
——以北京房山南窖泥石流為例

丁桂伶，王翊虹，姚 康，劉歡歡，王強(qiáng)強(qiáng)

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

2012年7月21日特大暴雨誘發(fā)的泥石流災(zāi)害，給北京山區(qū)居民生命財產(chǎn)帶來了巨大損失。為掌握泥石流災(zāi)害誘發(fā)因素，減少泥石流危害，以北京市房山區(qū)南窖鄉(xiāng)南窖溝為例。在對南窖溝詳細(xì)調(diào)查掌握其形成條件和發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，安裝布設(shè)了雨量、土壤含水率、泥位計及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等12臺自動化專業(yè)監(jiān)測設(shè)備。同時，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸管理進(jìn)行歸納總結(jié)。重點分析研究了2015年汛期專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測模式及多參數(shù)聯(lián)動的泥石流災(zāi)害綜合預(yù)警模型。

多參數(shù)；動態(tài)監(jiān)測；監(jiān)測網(wǎng)；預(yù)警系統(tǒng)

0 前言

北京山區(qū)地質(zhì)地貌條件復(fù)雜、斷裂構(gòu)造發(fā)育、地形落差大、匯流作用強(qiáng)、人類工程活動影響強(qiáng)烈，發(fā)育了大量泥石流。1950年8月4日泥石流造成門頭溝區(qū)清水與齋堂兩地84人死亡、24人重傷；1969年8月10日懷柔琉璃廟、崎峰茶、八道河、西莊及密云縣石城鎮(zhèn)等地46條溝谷發(fā)生泥石流，造成147人死亡，22人重傷；1991年6月10日泥石流造成密云縣馮家峪鎮(zhèn)28人死亡，2012年7月21日特大暴雨給首都帶來一場特大自然災(zāi)害并誘發(fā)了崩塌、泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，造成了79人失蹤和巨大的財產(chǎn)損失。

正是由于泥石流災(zāi)害的復(fù)雜性，如果僅采用單一的方法預(yù)測預(yù)警都存在著相當(dāng)大的風(fēng)險。近年來學(xué)者們都開始釆用多種手段、多種方法的預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)。集成式的系統(tǒng)可將不同信息進(jìn)行對比、驗證，從而提高預(yù)報警報的精度。1961年中科院在云南蔣家溝建立了東川泥石流觀測研究站，采用流速儀、雨量計、次聲儀及泥深測量儀等專業(yè)監(jiān)測設(shè)備獲取了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為泥石流的理論研究提供數(shù)據(jù)支持（康志成等，2004）。西南交通大學(xué)通過分析泥石流形成機(jī)制、運動過程特征、成災(zāi)模式等因素，提出了泥石流實時降雨量、土體降雨入滲深度、次聲、泥位作為山區(qū)泥石流災(zāi)害預(yù)警關(guān)鍵參數(shù)（李朝安，2012）。貴州省以望謨河泥石流為例，實現(xiàn)了對流域內(nèi)雨量、次聲、水位、影像信息的實時動態(tài)監(jiān)控（趙星等，2014）。大量的國內(nèi)外研究成果認(rèn)為泥石流監(jiān)測是泥石流研究的先行手段，而泥石流預(yù)警則是根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，對外發(fā)布警報（楊順等，2014）。

截至目前，北京市已完成密云、門頭溝和房山3個區(qū)縣119處泥石流自動雨量、土壤含水率、次聲、3G視頻及泥位等專業(yè)監(jiān)測設(shè)備的安裝、聯(lián)調(diào)聯(lián)試、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸及日常管理，初步實現(xiàn)3個區(qū)縣泥石流災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報。本文以其中的房山區(qū)南窖溝泥石流作為案例研究，分析了北京地區(qū)泥石流多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)。

1 泥石流溝特征

南窖溝位于北京市房山區(qū)西北部山區(qū)，總面積約24km2（表1），流域內(nèi)有水峪村、南窖村、中窖村、花港村、北安村及三合村等村落（圖1），居住人口可達(dá)七千人左右，溝內(nèi)若爆發(fā)泥石流將直接對溝內(nèi)人員生命財產(chǎn)造成威脅。受“7·21”暴雨影響，南窖鄉(xiāng)南窖村發(fā)生泥石流災(zāi)害。災(zāi)害造成多處坡體崩塌，河道堵塞，房屋、道路、橋梁與河堤等人工建筑被毀，損失嚴(yán)重。此處泥石流災(zāi)害主要特征有3個方面（圖2、圖3）：

表1 南窖泥石流溝幾何特征參數(shù)表Tab. 1 the geometric features parameter of Nanjiao gully

圖1 南窖村泥石流溝平面示意圖Fig. 1 The characteristics of Nanjiao river valley

圖2 “7·21”南窖溝溝道沖毀照片F(xiàn)ig. 2 Lots of coal deposition within the channel

圖3 “7·21”南窖溝泥石流截面示意圖Fig. 3 A cross section of Nanjiao gully

2 多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

2.1 預(yù)警關(guān)鍵參數(shù)

北京山區(qū)泥石流監(jiān)測主要是根據(jù)泥石流形成、運動及成災(zāi)機(jī)制，監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵參數(shù)主要是泥石流的誘發(fā)因素降雨量，泥石流形成的地表土體體積含水率、運動過程中的泥位和次聲，災(zāi)害發(fā)生時視頻等要素。

2.2 監(jiān)測網(wǎng)方案

據(jù)泥石流勘查規(guī)范、泥石流監(jiān)測預(yù)警規(guī)范及已有的研究成果總結(jié)，泥石流監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)原則為分段逐級布設(shè)：形成區(qū)布設(shè)泥石流雨量及土壤含水率監(jiān)測點，流通區(qū)靠上布設(shè)泥石流次聲監(jiān)測點，流通區(qū)靠下布設(shè)泥石流泥位監(jiān)測點，堆積區(qū)布設(shè)視頻監(jiān)控設(shè)備。房山南窖泥石流溝作為北京山區(qū)示范研究溝，共布設(shè)了12套專業(yè)監(jiān)測設(shè)備（圖4），其中雨量計6套，土壤含水率2套，泥位計2套，視頻監(jiān)測儀2套。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)實時自動傳輸

泥石流監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實時傳輸是構(gòu)建自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，根據(jù)北京地區(qū)泥石流分布等基本特征及傳輸方式的優(yōu)缺點，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方式采用的是以GPRS通訊為主，北斗衛(wèi)星通訊為輔，各自有以下優(yōu)點：

圖4 南窖泥石流災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)示意圖Fig. 4 Automatic monitoring network of debris fl ow

（1）GPRS通訊

GPRS（General packet radio service）是GSM支持的一種數(shù)據(jù)傳輸方式，具有以下優(yōu)點：①GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，山區(qū)也有較強(qiáng)的信號；②接入及接入等待時間短，可快速建立連接；③數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸速率一般在56 kbps以上；④實時在線功能，保證數(shù)據(jù)的實時傳輸，且支持高速的數(shù)據(jù)傳輸要求；⑤費用低。

（2）北斗衛(wèi)星通訊

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的導(dǎo)航定位通信系統(tǒng)，信號覆蓋我國領(lǐng)土及周邊地區(qū)，其具有定位及通信復(fù)合功能，能夠提供授時和雙向短報文通信功能，為泥石流災(zāi)害監(jiān)測提供了一種穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式（朱永輝等，2010），具有以下優(yōu)勢：①監(jiān)測數(shù)據(jù)保證實時傳輸；②覆蓋范圍大；③具有獨立的集團(tuán)組網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊功能，受天氣影響較小，特別適合于分布于大面積范圍內(nèi)的用戶監(jiān)控管理和數(shù)據(jù)采集與傳輸應(yīng)用；④我國自主研發(fā)的，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸可靠、穩(wěn)定、安全。

綜上兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，可知：GPRS覆蓋范圍廣，傳輸速率滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸要求，GPRS通訊為南窖溝泥石流監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕侄危?dāng)傳輸數(shù)據(jù)量大的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)時，則采用、3G/4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方式，實現(xiàn)泥石流災(zāi)害無線自動化監(jiān)測；北斗系統(tǒng)覆蓋范圍更廣更大，主要用于泥石流災(zāi)害監(jiān)測點在無GPRS信號覆蓋范圍條件下除視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)以外的小量數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 監(jiān)測預(yù)警臨界值確定

（1）降雨量

白利平等（2008）學(xué)者已對歷史上北京市泥石流災(zāi)害發(fā)生時的降雨量進(jìn)行分析計算，提出了泥石流災(zāi)害發(fā)生的最大10分鐘、最大1小時和當(dāng)日激發(fā)雨量是泥石流發(fā)生的主要誘發(fā)因素，而前期雨量對泥石流災(zāi)害的發(fā)生影響很小。依據(jù)該成果，本文對南窖溝以往泥石流災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，提出了北京地區(qū)泥石流災(zāi)害雨量閾值為：最大10分鐘雨量≥5.1 mm；最大1小時雨量≥24.3 mm;當(dāng)日激發(fā)雨量≥100 mm.

（2）土壤含水量

胡凱衡等（2014）學(xué)者基于國內(nèi)外泥石流啟動的觀測試驗數(shù)據(jù)，利用逐步回歸分析法，建立了臨界含水量公式： ，式中：Wa為臨界土體體積含水率，（%）；K為土體滲透系數(shù)， ；Cc為土體顆粒級配分布曲率系數(shù)；n為土體孔隙率（%）。依據(jù)該成果，本文通過現(xiàn)場詳細(xì)調(diào)查及室內(nèi)土工試驗測得南窖泥石流溝土體滲透系數(shù)、土體顆粒級配分布曲率系數(shù)、土體孔隙率分別為2.95mm/s、30.1、0.76，經(jīng)計算獲得了南窖泥石流溝臨界體積含水量為26.02 %。

（3）泥位

李朝安等（2011）學(xué)者根據(jù)實時監(jiān)測到的泥石流溝道泥位值，提出了根據(jù)泥位的預(yù)報判別式：D=H/h。式中：D為危險度，H為泥位，h為安全泥位。0＜H＜正常洪水位，則為安全狀態(tài)；正常洪水位＜H＜0.9h，處于安全狀態(tài)，但發(fā)泥石流黃色預(yù)警；H≥1.1h，處于危險狀態(tài)，發(fā)出泥石流紅色預(yù)警；0.9h≤H＜1.1h，處于災(zāi)變的臨界狀態(tài)，發(fā)泥石流橙色預(yù)警。

本次根據(jù)全國山洪災(zāi)害防治項目組2014年3月下發(fā)的《山洪災(zāi)害分析評價技術(shù)要求》，采用曼寧公式得出各設(shè)計斷面的水位流量關(guān)系曲線，繪制洪水位線（圖5），分別計算出了南窖溝的100年、50年、20年、10年及一年一遇的洪峰水位值為3.8m、3.62m、3.5m、2.3m、0.7m。依據(jù)上述資料，可以進(jìn)行南窖泥石流溝的泥位臨界值判斷。

圖5 南窖溝泥位計安裝斷面洪水位線Fig. 5 the design fl ood line in Nanjiao gully

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)管理

泥石流災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理主要包括泥石流災(zāi)害雨量、泥位、含水率及視頻等監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸和集成（圖6），本文主要研究數(shù)據(jù)集成環(huán)節(jié)的“地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)”的設(shè)計與實現(xiàn)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

（1）雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖6 泥石流災(zāi)害無線自動化監(jiān)測示意圖Fig. 6 Automatic monitoring of debris fl ow

北京地區(qū)的主汛期一般從每年的7月至9月，本次搜集北京南窖泥石流溝安裝的4臺雨量監(jiān)測儀的自2015年7月1日至2015年9月30日的降雨數(shù)據(jù)（圖7），各雨量儀分別安裝在南窖溝的主溝的形成區(qū)、主溝道的流通區(qū)、中窖村所在的右支溝及大西溝村所在左支溝。

由圖7可知：（1）北京地區(qū)2015年7月1日至9月30日經(jīng)歷了四次集中降雨，其中2015年7月17日降雨量最大，日降雨量高達(dá)180.5 mm；（2）南窖泥石流溝不同位置處的降雨量值具有一致性，均在同一天出現(xiàn)了峰值；（3）在大暴雨時在泥石流溝主溝的形成區(qū)值最大，主溝流通區(qū)降雨值其次，左右支溝相對較小。但當(dāng)雨量較小時，泥石流溝不同位置處的雨量值則沒有一定的規(guī)律性。

圖7 雨量監(jiān)測成果Fig. 7 The results of rainfall monitoring

（2）土壤含水量監(jiān)測數(shù)據(jù)

南窖鄉(xiāng)中窖村東南溝土壤含水率儀分別在距地表30cm、60cm、100cm深度處埋設(shè)了3個傳感器探頭，本次工作搜集了2015年7—9月僅100天的降雨及土壤含水率的監(jiān)測數(shù)據(jù)

由圖8可以看出：（1）土壤含水率的變化與降雨的變化趨勢是一致的，在降雨集中的時間點土壤含水率值出現(xiàn)峰值；（2）由于中窖村溝道內(nèi)的物源以第四系堆積的碎石土為主，在30cm、60cm、100cm不同深度處的土壤含水率的變化趨勢具有很好的一致性，但由于降雨在入滲的過程中有部分損失，所以隨著土壤含水率儀傳感器探頭埋深的增加，其值有變小的趨勢；（3）土壤含水率的值隨著集中降雨會有突變，但并不會隨著降雨減少或停止而回到降雨前的值，入滲到堆積體內(nèi)的降雨量消散的過程很慢。

圖8 土壤含水量-時間監(jiān)測成果Fig. 8 The results of soil water content--time line

圖9 泥位-時間監(jiān)測成果Fig. 9 The results of mud meter--time line

（3）泥位計

對南窖溝中下游安裝的泥位計與雨量計在2015年7月23日—7月29日一次集中降雨過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析（圖9），可以看出：當(dāng)降雨一段時間后，溝道內(nèi)才會形成徑流，溝道內(nèi)泥位值測得的時間要比雨量計略微之后；當(dāng)降雨減小或者停止時，泥石流溝道內(nèi)徑流不會立刻斷流，而是滯后減退的。

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗閾值對比分析

將目前已有的雨量、土壤含水率及泥位研究閾值與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，2015年7月17日南窖溝日降雨量高達(dá)180.5 mm，遠(yuǎn)超過了目前已有成果給出的北京市地區(qū)100 mm的臨界雨量閾值。2015年7月17日南窖溝在距地表30 cm深度處，有3次監(jiān)測數(shù)據(jù)短時間內(nèi)達(dá)到了27.9%、26.9%、26.7%，其值超過了按照目前較為成熟方法計算出的臨界含水量值26.02%。2015年7月17日南窖溝溝道內(nèi)未形成徑流，泥位計未監(jiān)測到數(shù)據(jù)，而在2015年7月28日南窖溝的最大泥位值為0.74 m，略大于1年一遇的洪水位0.7m，且隨后很快減退了。

按上述數(shù)據(jù)分析可知：若按照單一雨量指標(biāo)作為預(yù)警閾值，可以判斷南窖溝7月17日很大可能發(fā)生了泥石流災(zāi)害；若按照單一土壤含水率作為預(yù)警閾值，可以判斷南窖溝在7月17日很可能發(fā)生了泥石流災(zāi)害。但將雨量、土壤含水率及泥位3個指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合對比分析，不難看出南窖溝2015年汛期僅在7月17日發(fā)生了大暴雨，但未在溝道內(nèi)形成徑流，未發(fā)生泥石流災(zāi)害。

據(jù)北京市國土資源局應(yīng)急調(diào)查隊資料顯示，北京市房山區(qū)南窖鄉(xiāng)南窖溝2015年度均未發(fā)生泥石流災(zāi)害。這一論證與雨量、土壤含水率及泥位3項監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析的結(jié)論是一致的。因此，僅用一種監(jiān)測數(shù)據(jù)及預(yù)警閾值很難對泥石流災(zāi)害，做出較為全面準(zhǔn)確的預(yù)警預(yù)報。

4 結(jié)論

（1）在充分考慮先進(jìn)性的基礎(chǔ)上，還要確保監(jiān)測技術(shù)的可操作性，優(yōu)先選擇成熟穩(wěn)定、應(yīng)用程度高的監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備，監(jiān)測儀器專業(yè)化、自動化、遠(yuǎn)程遙測化程度高，多種監(jiān)測方法相互驗證，確保資料準(zhǔn)確可靠。

（2）總結(jié)分析了南窖溝布設(shè)的12套專業(yè)監(jiān)測設(shè)備，提出了監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)原則為分段逐級布設(shè)，即上游（形成區(qū)）布設(shè)泥石流雨量及土壤含水率監(jiān)測點，中游（流通區(qū)）靠上布設(shè)泥石流次聲監(jiān)測點，中游（流通區(qū)）靠下布設(shè)泥石流泥位監(jiān)測點，下游（堆積區(qū)）布設(shè)視頻監(jiān)控設(shè)備。

（3）泥石流監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實時傳輸是構(gòu)建自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，根據(jù)北京地區(qū)泥石流分布等基本特征及傳輸方式的優(yōu)缺點，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方式采用的是以GPRS通訊為主，北斗衛(wèi)星通訊為輔。

（4）采用單一監(jiān)測指標(biāo)及預(yù)警閾值很難對泥石流災(zāi)害做出較為準(zhǔn)確的預(yù)警預(yù)報，建議泥石流災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警應(yīng)采用多參數(shù)動態(tài)的監(jiān)測模式及多參數(shù)聯(lián)動的綜合預(yù)警模型。

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Application of Early Warning Technology to Multi-parameter and Dynamic Monitoring of Debris fl ow —A Case Study of Nanjiao Gully in Fangshan District, Beijing

DING Guiling, WANG Yihong, MAO Jian, YAO Kang, LIU Huanhuan, WANG Qiangqiang

(Beijing Institute of Geology, Beijing, 100120)

Lots of debris fl ow happened on 21th July, 2012, in Beijing , which caused great loss to local residents. Based on fi eld geological survey, an automatic monitoring and warning system is constructed to decrease the harm. The reasonable fi eld monitoring system is composed of rain gauge, water content of mud and mud level meters as well as video device, which constitute the monitoring network. The twelve suits of monitoring equipment had been used in Nanjiao Gully in Fangshan District. This paper key research has analyzed and studied monitoring data and existing results on July to September in 2015. On this basis, it found that the automation system can make effectively real-time dynamic monitoring and early warning.

Multi-parameter; Dynamic monitoring; Monitoring network; Early warning system

P642.23

A

1007-1903（2017）01-0111-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.020

北京市科學(xué)技術(shù)委員會科技計劃項目（Z141100003614052）資助；北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)（一期）工程（京發(fā)改[2011]1527號）資助

丁桂伶（1982- ），女，博士，高工，主要從事地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警及減災(zāi)防災(zāi)研究。E-mail：06115242@bjtu.edu.cn