趙安文，劉奕含

泥石流專業(yè)監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

趙安文1，劉奕含2

（1.山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，山西 太原 030024；2.中國冶金地質(zhì)總局三局，山西 太原 030024）

對泥石流進行監(jiān)測時，需全面考慮泥石流變形破壞特征、發(fā)展演化趨勢與相關(guān)影響因素，從而科學開展泥石流專業(yè)監(jiān)測和預(yù)警，避免給人民生命財產(chǎn)安全帶來危害。立足泥石流監(jiān)測項目的相關(guān)內(nèi)容，對泥石流監(jiān)測技術(shù)和方法進行了分析，以供借鑒。

泥石流；專業(yè)監(jiān)測；預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)；監(jiān)測方法

1 引言

泥石流災(zāi)害嚴重影響了國民經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)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(zhì)條件具備時，如降水量比較大、溝谷山體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、人工棄渣堆積等情況下，極易導(dǎo)致泥石流爆發(fā)。此外，泥石流由于成因復(fù)雜，涉及多方面的防御標準和較高的治理成本，實現(xiàn)全面治理，還需要社會經(jīng)濟的不斷進步，因此開展泥石流監(jiān)測預(yù)警成為當前重要的減災(zāi)方式。

2 泥石流監(jiān)測內(nèi)容

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

泥石流監(jiān)測內(nèi)容如圖1所示。

圖1 泥石流監(jiān)測內(nèi)容示意圖

2.1 泥石流物源監(jiān)測

固體物質(zhì)來源是形成泥石流的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，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(zhì)環(huán)境和固體物質(zhì)性質(zhì)、類型和空間進行全面的監(jiān)測。因此，在進行物源監(jiān)測的前期，應(yīng)查明泥石流形成區(qū)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(fā)育程度對滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)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(nèi)的含水量不斷增加，土體顆粒之間的摩擦力降低，土體內(nèi)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(yīng)，是影響泥石流形成的動態(tài)可監(jiān)測因素，通過土體孔隙水壓力和含水率變化的動態(tài)監(jiān)測[1]，能較好反映土體的失穩(wěn)過程[1]。

2.2 氣象水文條件監(jiān)測

泥石流的形成離不開水源，水源是泥石流必要的激發(fā)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(jiān)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(tǒng)計。尤其一些泥石流常發(fā)生區(qū)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(fā)最直接的原因大多和大氣降水有關(guān)。因此，針對大氣降水，要重點進行流域點雨量監(jiān)測和雷達雨量監(jiān)測。點雨量監(jiān)測是進行現(xiàn)場降雨監(jiān)測，位置應(yīng)該選擇在泥石流暴雨區(qū)，特別是在易構(gòu)成泥石流物源儲量最大的形成區(qū)內(nèi)。通過對泥石流形成區(qū)進行實時雨量監(jiān)測、雨量計算和統(tǒng)計分析泥石流的發(fā)生情況，按照短期突然降雨型、中期持續(xù)降雨型和長期間斷降雨型[2]，分別建立有關(guān)的泥石流激發(fā)雨量預(yù)測模型[3]，即引發(fā)泥石流的臨界預(yù)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(yù)警雨量指標，以短信群發(fā)的形式，提前做好預(yù)警信息的發(fā)布[4]。

2.3 流動動態(tài)監(jiān)測

流動動態(tài)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(qū)域，建立低頻率泥石流監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)尤為重要。

泥（水）位和流速變化數(shù)據(jù)的采集，是泥石流臨災(zāi)預(yù)警的第一現(xiàn)場數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)采集報警儀，然后系統(tǒng)會根據(jù)警報的信息進行存儲和顯示，達到預(yù)警閾值時，發(fā)出預(yù)警信息[5]。安裝布設(shè)時，要充分考慮下游保護區(qū)的撤離時間和距離，通過對溝谷內(nèi)飽和泥（水）位和流速進行分級監(jiān)測和報警，可以及時引導(dǎo)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(jiān)測

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

2.5 泥石流流體特征監(jiān)測

泥石流流體特征監(jiān)測以取樣分析為主，取樣監(jiān)測點宜與泥石流運動速度監(jiān)測點或泥（水）位監(jiān)測點相互結(jié)合布設(shè)。通過泥石流流體特征的監(jiān)測，結(jié)合室內(nèi)試驗和數(shù)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(guān)系，為后續(xù)泥石流的防治提供參考[7]。

3 泥石流監(jiān)測方法和儀器分析

開展泥石流監(jiān)測，需要有相應(yīng)的地質(zhì)調(diào)查、測繪、勘查等資料作依據(jù)，在對流域進行綜合評估的基礎(chǔ)上進行。泥石流監(jiān)測技術(shù)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(nèi)容作為依據(jù)而設(shè)定，要從防災(zāi)減災(zāi)和成本等方面開展綜合考慮。

3.1 遙感技術(shù)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(fā)生的時間、環(huán)境以及目標地物等進行標識。體現(xiàn)出泥石流的具體信息，由此可以來推測泥石流災(zāi)情的具體情況以及范圍。雖然無法直接預(yù)測出泥石流的發(fā)生，但通過遙感、工程地質(zhì)分析原理和災(zāi)害評價分析相結(jié)合，對泥石流災(zāi)害的范圍、面積、位置進行預(yù)估，可以有效掌握泥石流空間的發(fā)育概況和物源演變規(guī)律[8]。

3.2 自動化專業(yè)監(jiān)測儀器

通過設(shè)置感測器來感受暴雨泥石流的頻率信號，多要素選擇監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男录夹g(shù)、新方法，可以實現(xiàn)自動化專業(yè)監(jiān)測預(yù)警。結(jié)合常見的泥石流變形破壞特征、發(fā)展演化趨勢與相關(guān)影響因素，目前國內(nèi)泥石流監(jiān)測內(nèi)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(jiān)測內(nèi)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?shù)仁侄危袛嗄嗍鞅l(fā)的規(guī)模，從而在不需要接觸泥石流的情況下，感應(yīng)到泥石流的泥位、聲音、影像和震感，運用當前先進的數(shù)字圖像處理方法，自動識別泥石流的數(shù)據(jù)。泥石流監(jiān)測項目儀器及布設(shè)如表1所示。

表1 泥石流監(jiān)測項目儀器及布設(shè)表

內(nèi)容分類監(jiān)測對象監(jiān)測儀器或方法布設(shè)位置 形成條件固體物質(zhì)來源崩塌、滑坡、松散物的穩(wěn)定狀態(tài)及參與泥石流活動情況。泥石流物源區(qū)松散土體在失穩(wěn)過程中的含水率變化遙感方法、土壤含水率監(jiān)測儀、視頻形成區(qū) 氣象水文條件泥石流激發(fā)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(qū) 運動特征流動動態(tài)要素流態(tài)和流速、泥位、流面寬度、爬高、陣流次數(shù)、溝床縱橫坡度變化等泥（水）位計、測速儀、視頻流通區(qū) 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(qū) 輸移沖淤輸移沖淤變化和堆積情況視頻流通區(qū) 流體特征物質(zhì)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(qū)、堆積區(qū) 物理化學性質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造和物理化學性質(zhì)、內(nèi)在聯(lián)系與流變模式等 備注宏觀前兆及影響因素監(jiān)測要與群防群測、人工巡查和專業(yè)監(jiān)測相結(jié)合

4 結(jié)束語

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

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2095－6835（2020）06－0125－03

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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(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)方面研究工作。

〔編輯：嚴麗琴〕