宝兴县冷木沟泥石流灾害监测预警系统应用研究

2013-12-06裴向军朱继良

长春工程学院学报（自然科学版） 2013年4期

杜鹏，裴向军，朱继良，李鹏

（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定071051）

0 引言

冷木沟泥石流位于雅安市宝兴县穆坪镇冷木沟村，沟口地理坐标为东经103°25′40″，北纬31°04′43″。监测区位于S210线和宝兴河交汇处西侧，有乡村公路直接到达监测区，交通较为便利。

2012年，冷木沟泥石流沟暴发了“8.18”大规模泥石流，不仅导致沟道内堆积大量的松散物，而且也导致部分沟道岸坡的稳定性降低。同时，2013年“4.20”芦山地震诱发了大量的崩塌、滑坡和不稳定斜坡等，为泥石流的暴发提供了大量的物源，进一步提升了冷木沟暴发泥石流的可能性。为了保证宝兴县人民生命财产的安全，对冷木沟建立全面系统的泥石流灾害监测预警是十分重要的。［1］

1 冷木沟泥石流地质背景

1.1 区域地质概况［2］

宝兴县地处四川盆地与青藏高原东南缘的过渡地带，为龙门山断褶强烈侵蚀斜坡式中高山区，地形变化总趋势为北西高而南东低。监测区历经多次构造变动，形成了不同特征的构造体系，处于巨型“歹”字型构造体系中部与龙门山北东向构造带结合部位，地质构造复杂，褶皱断裂发育。以赶羊沟断裂（龙门后山断裂）为界，北部为金汤弧形构造带，中南部为龙门山构造带。对监测区影响较大的主要为龙门山构造带的宝兴背斜、赶羊沟断裂、五龙断裂及大川—双石断裂。

图1 宝兴县交通位置图

工作区属龙门山构造带西南段，本区挽近期地壳运动以间歇性大面积抬升为主，属四川盆地活动断层构造区，其晚期活动性均较强，为松潘、龙门山地震带的一部分。据四川省地震局1985年—1994年观测资料，震中位于宝兴县境内的地震有11次，最大震级4.5级，最小震级为3.1级，根据地震烈度＜3度的为无感烈度、3～6度为有感地震、＞6度为破坏性地震，到目前为止，震中在宝兴县境内的均为有感地震。2008年5月12日，汶川发生8.0级特大地震，即发生于龙门山断裂带上，由于断裂的破裂是从映秀向北延伸，宝兴县位于龙门山断裂带的西南段，受地震影响相对较弱。2013年4月20日，庐山发生7.0级强烈地震，宝兴县受地震影响较强，其地震烈度为Ⅶ度。

冷木沟泥石流流域内出露的地层主要为元古界澄江—晋宁期第三期及第五期岩浆岩（）、古生界二迭系下统茅口组（p1）灰岩及第四系全新统崩坡积（）、滑坡堆积、泥石流堆积层（。

1.2 冷木沟流域特征

冷木沟位于宝兴县城区北部，宝兴河左岸，平面形态略呈椭圆形，流域面积9.44km2。沟域最高点高程3 044m，沟口高程为996m，相对高差2 048m。冷木沟沟道弯曲，河床粗糙，沟谷形态为“V”型。总体沿东西展布，冷木沟流域形态为典型的“喇叭口”型，主沟长约3.98km，平均纵比降212‰。沟域最高点高程3 044m，沟口高程为996m，相对高差2 048m。冷木沟流域内主要发育6条支沟，左岸1条，右岸5条（图2）。

图2 冷木沟水系分布图

1.3 气象水文特征

该区雨量充沛，暴雨强度大。据宝兴气象站资料，多年平均降雨量1 101.5mm，最大年降雨量为1 279.0mm，最大日降雨量达123.5mm，最大3小时降雨量80.0mm以上。

2 部署方案

冷木沟泥石流的监测预警部署主要围绕其诱发因素、形成条件、规模、运动特点和及时快捷的预警系统而展开的。泥石流类型为暴雨类—沟谷型—大型—中频—黏性泥石流。

2.1 监测内容

根据监测紧迫性，可分为应急监测与长期监测两部分。应急监测主要保障今年汛期的安全，长期监测除满足今年安全度汛外，还要保障县城的长治久安，其中，沟道岸坡、治理工程的检测与监测也是较为重要的一部分。

根据应急监测的特点，本次监测的主要内容有：雨量、泥水位、地声、可视化监测。

长期监测主要内容包括：流速、流量、冲击力、侵蚀度、拦挡工程和滑坡监测等。其中，滑坡监测以地表监测为主，辅以必要的深部监测。

2.2 主要监测预警设备

（1）雨量计由雨量传感器、自动采集传输仪和太阳能电瓶组成，用来监测降雨量并进行数据自动采集传输。

（2）电磁波雷达泥水位传感器采用发射—反射—接收的工作模式，实现泥水位传感器对被测泥石流之间距离的精确测量并进行自动传输。测试表达式如式（1）所示。

式中：D为泥位传感器到被测泥石流的距离；C为光速；T为电磁波运行时间。

（3）泥石流地声（振动）波具有它独特的振动频率、波形，通过检波器测出泥石流地声波的主频范围，并与沟道环境背景产生的振动区别开来，并根据泥石流地声强度（振幅）与泥石流流量成正比的关系进行监测，地声自动监测报警装置拾取到的震动信号电压幅度超过预先设定的警戒值时，做声光实时报警。

（4）为能够在夜间、阴雨天对泥石流进行清晰流畅的观测，在选择视频传感器方面要求具备激光、夜视功能，本次视频监测仪选择两种视频监测仪，分别是远距离和近距离激光夜视视频监测仪。

（5）裂缝报警器需要固定安装在裂缝的一侧，将拉线直拴在裂缝的另一侧嵌入墙内的水泥钉上，当裂缝张开加大超过3mm（此值可以自由设定）时，报警器的电源开关钉被拔下，电源接通，报警器便会发出声光报警。需要及时查看和避灾，确保人身生命财产安全。电源开关钉插入，电源断开，停止报警。

（6）LD500A地质灾害监测无线预警系统是一款多功能远距离地质灾害监测无线预警系统。系统主机采用专用数字信号处理芯片，可同时管理多台不同地质灾害监测传感器系统无线发射副机，接收灵敏较高，可实现现场语音报告监测点的警情。

2.3 监测方案

应急监测阶段主要针对暴雨沟谷型泥石流的诱发因素和运动特点，采用降雨量、泥水位、地声和视频监测。

总体思路为：把监测预警等级划分为蓝、黄、橙、红4级（见表1）。根据监测数据或视频图像进行综合分析，当达到某一预警等级值或情况时，启动相应的预警预案。首先，雨量作为第一要素。根据当地经验，据累积降雨量、日降雨量、小时降雨量和10分钟降雨量等，确定相应的等级。其次，泥水位作为第二要素。根据沟口排导堤断面宽度和高度的情况，决定泥水位值及其预警等级；同时，考虑地声和沟道内易于壅塞段的情况。第三，视频图像为第三要素。在上述基础上，结合实时泥石流的流动形态视频图像和群测群防员了解的情况启动相应的等级。第四，防灾警报仪作为最后一道关口，至关重要。结合上述综合情况，进行专家、政府管理人员会商，启动各级应急预案，尤其是第一级应急预案。由于地质条件和降雨的复杂性及科学理论不完全成熟性，启动各级应急预案时应审慎，但应把握“宁愿听到骂声也不愿听到哭声”的原则。

表1 监测预警等级划分

仪器主要部署在泥石流的形成区和流通区。冷木沟泥石流沟部署了4套视频、3套自动雨量计、2套泥水位、2套地声和1套防灾警报仪。其中，3套雨量计安装在形成流通区，3套视频安装在形成流通区，1套视频安装在流通堆积区，2套泥水位和2套地声安装在形成流通区，1套防灾警报仪安装在沟口堆积区影响范围之外（见图3）。

图3 冷木沟泥石流监测部署示意图

2.4 监测方案实施

北斗自动雨量计、泥石流综合监测系统的主机部分统一采用地质灾害多参数采集传输仪，通过分别连接不同的前端传感器实施不同的功能。采集的数据通过北斗卫星网络以短报文数据封装格式传输到后台监控存储服务器，完全实现了无人值守，远程实时动态监测；后台监控存储服务器存储的数据可以通过小型的乡镇级GIS系统的显示与预报，既实现了大型专业监测系统的基本功能，又极大地降低了系统建造与运行的成本。

服务器软件运行在远程数据中心，用于接收回传的数据，下发控制命令，可以连接200个前端监控仪器，可以同时向多台从服务器转发实时数据。其中报警手机功能用于设定可以直接接收报警短信的手机号码，目前下位机可以预置4个号码；在打开报警开关后，当采集的信号大于或小于设定的报警阈值时，可以把报警短信直接发送到相关手机上面，以提高报警相应速度。

2.5 监测目的

根据泥石流的形成条件、诱发因素、启动机理、运动特点和发展趋势，采用降雨量、地声、泥水位、断线、视频、防灾报警仪和信息化管理系统等多种手段，实现地表与地下、野外与室内、自动化与人工、数据与视频、硬件与软件、直接与间接等相结合的监测方法，建立系统化立体监测网，进行全天候监测，使监测设备不论在应急监测期间还是在长期监测中，都能发挥重要的作用。同时，以降雨量为第一级预警，泥位、地声、断线为二级预警，视频和人工为三级预警，并辅以群测群防员和值班员（乡、村级），县市级和省部级等多级联合监测预警，以达到“多手段、多层次、应急与长期、科普与科研、指导和引领、群专结合、多级监测预警”的主要目的。

3 冷木沟泥石流监测成功预警实例

2013年5月23日16时许，在冷木沟内发生了一次特大暴雨，所有仪器正常运行，并成功完成预警工作，给当地的老百姓吃下了一颗日后的定心丸。

下午16：10左右，宝兴县城突遭降雨，安装的各个仪器实时准确地将现场数据传回宝兴县国土资源局地质灾害监测信息中心，冷木沟北斗自动雨量计首先检测到有降雨量，在16：05已经检测到有2.5mm的降雨量，此时，相关技术人员已经到达监测信息中心，实时观测大屏幕监控画面和监测数据，在17：05，冷木沟北斗自动雨量计检测到一小时降雨量达到45mm；17：13，通过冷木沟2号泥石流监测点传回来的数据显示1小时降雨量已经达到63mm，同时泥水位的监测数据显示为11.109m，已经达到仪器预先设定的报警阈值，就在此时，放置在监测信息中心的无线报警主机实时发出报警信号，显示在冷木沟2号泥石流监测点的泥水位值超过预警阈值，同时，通过视频监控画面发现，在冷木沟1号视频监控仪监控到的泥石流沟里的水量已经很大，超过1号大坝冲向了大坝一侧的道路，并且流量在不断增加，经过在场的专家协商后，县领导下达冷木沟下游群众紧急撤离命令，被疏散的500余名群众按照前期应急演练路线，全部迅速地安全撤离至临时安置地。2分钟后，冷木沟1号视频监控显示了更大的洪峰通过监控断面，冲毁道路，与之前预测判断一致。18：05降雨结束，洪峰慢慢退去，泥石流威胁警报解除。