基于单体和区域尺度的黄土滑坡监测预警方法与实例*

唐亚明，薛 强，李政国，冯 卫

（1.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西西安710054；2.国土资源部黄土地质灾害重点实验室，陕西西安710054）

基于单体和区域尺度的黄土滑坡监测预警方法与实例*

唐亚明，薛 强，李政国，冯 卫

（1.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西西安710054；2.国土资源部黄土地质灾害重点实验室，陕西西安710054）

不同类型的黄土滑坡其变形破坏特征存在不同，所适用的监测手段也不尽相同，而且区域性滑坡监测的思路和方法与单体有很大差异，因此对滑坡监测预警的技术方法做一个系统研究很有必要。该文从单体和区域两个尺度，从方法和实例两个角度，分别探讨了黄土滑坡监测预警的方法和实例。在单体尺度上，黄土崩塌、滑塌、滑坡有不同的变形破坏特征，应该根据各自的特点采用合适的监测技术和方法。在区域尺度上，可通过触发因素（降雨）的监测来进行滑坡预警，将滑坡风险区划与降雨临界值耦合以设定区域性的滑坡预警级别。据此分别对宝塔山斜坡和延安市宝塔区进行了单体滑坡监测和区域性滑坡预警。

黄土滑坡；地质灾害；滑坡监测方法；监测预警；小流域地质灾害监测

滑坡监测是滑坡预警的基础，是减少地质灾害风险的有效措施之一，且由于其与工程治理相比具有成本优势，因此越来越受到人们的重视。滑坡监测分为单体的和区域性的两种。

单体滑坡监测指的是对同一个滑坡布置多种监测手段，以判断滑坡的活动性，并进行预报预警。许多学者对单体滑坡的监测技术方法进行了研究［1-4］，在工程界滑坡监测作为一种技术手段也在广泛使用。如中国地质调查局在重庆巫山县建立的具有国际先进水平的滑坡监测示范站［5］，在四川丹巴的甲居寨滑坡进行的InSAR和GPS的联合监测等［6］，均取得了良好的监测效果。用于单体滑坡监测的技术有很多种类，监测仪器也多种多样（表1）。每类监测采取的方法手段不同，使用的仪器不同，获取的参数也不同［7］。目前国内外在滑坡监测的技术、方法、手段上并无太大差距，监测数据的采集和传输也都实现了自动化、远程化［8］。GPS、钻孔倾斜仪、孔隙水压力计、自动化雨量站这些专业仪器已成为滑坡监测的常规设备，只是由于价格因素得不到广泛普及。近来，一些新技术能够很快应用到滑坡监测领域，如InSAR、BOTDR［9-10］、三维激光扫描等［11］。

区域上的滑坡监测是一种面积性工作，通常由政府相关部门进行，它需要掌握一定区域内的滑坡活动情况，并做到面上防控，以求灾害损失降低到最小。对于区域性的滑坡监测而言，由于需要监测的国土面积太大，其中的滑坡隐患点数量又太多，不可能对每一个单体滑坡都进行监测，因而必须转换思路，从宏观上和整体上进行把控。实际上，地质演变是一个缓慢的过程，而各类滑坡的发生往往是触发因素在短期内或瞬间作用引发的，因此，我们可以将对滑坡的监测转换为对滑坡触发因素的监测。而在各种触发因素中，降雨监测不仅在技术方法上是可行的，而且在预警效果上是有效的。通过统计研究降雨与滑坡发生的关系，可获取触发某类滑坡的降雨量阈值，藉此便可进行区域性的滑坡预警预报。许多学者对各地区的滑坡降雨临界值进行了研究［7，12-14］，并且开发了滑坡预警预报模型和系统［15］，进行实际的滑坡预报预警工作。

表1 滑坡监测技术方法分类

本文从单体和区域两个尺度，从方法和实例两个角度，分别探讨黄土滑坡的监测预警。

1 单体黄土滑坡监测方法

人们往往认为滑坡监测使用的方法越全越好，使用的仪器越多越好。但根据我们的实践和经验认为，尽管有多种监测方法，但这些方法并非适用于所有的滑坡，如土质滑坡和岩质滑坡、浅表层碎屑滑坡和深层整体滑坡、有水滑坡和无水滑坡，它们适用的监测技术是不同的。在实践中如果忽略这一点，会造成监测手段的不匹配和资源浪费。根据我们在黄土地区的滑坡监测工作经验，广义的黄土滑坡应包括黄土崩塌、黄土滑塌、黄土滑动等，它们有各自的变形破坏特征，应当选用适合各自特征的监测技术和方法。

1.1 黄土崩塌的监测

崩塌容易发生在高陡的边坡上，坡体顶部常有裂隙、各类黄土洞穴等，在降雨、地震等诱发因素作用下，危岩体脱离母体并沿原始坡面下落、崩落、滚落至坡脚。崩塌发生得很突然，崩塌体运动速度又非常快，坡体内部也没有滑动面。因此传统的表面位移、深部位移、应力、应变、声发射、孔隙水压力等监测手段无法施行。常用的监测手段就是人工调查和巡视，在居住区的房前屋后进行定期的巡查，发现高陡边坡，并且其顶部发育有裂隙、陷穴、暗穴等情况的应引起注意，应进一步调查并确定隐患点，确定隐患点后，最有效的防治措施是清除危岩体。

黄土崩塌的规模一般不大，从延安市宝塔区地质灾害详细调查的统计结果看，全区已发生的崩塌共有52个，其中中型和小型的占46个，大型的仅有6个。对某些大型的黄土崩塌隐患体，不宜清除，又不宜搬迁，并且在其上发现有裂缝发育，具备仪器安装条件的，可以采用裂缝位移计进行监测，但由于崩塌往往瞬时发生并破坏监测仪器，实际中难以做到有效预警，因此应同时加强人工巡查。

1.2 黄土滑塌的监测

黄土滑塌规模一般比崩塌要大，兼具滑坡和崩塌的特点，滑塌体的前半部分为滑动破坏，后半部分为拉张破坏，因此一些滑坡和崩塌监测手段对其都可使用。在滑塌体表面可布设测点，使用全站仪或高精度GPS进行表面位移的监测。可在坡体前半部分钻孔，布设固定式或移动式钻孔倾斜仪，进行深部位移的监测。在坡体的后半部分，由于其表现为崩塌式破坏，不宜布设监测钻孔，可在裂缝发育处布设裂缝位移计，进行相对位移的监测。

应力、应变的监测更适用于岩质滑坡，在黄土滑塌中较难找到合适的监测点，且监测意义不大。发生黄土滑塌的坡体中有许多并无饱水带存在，因此无法进行地下水位和孔隙水压力监测，但可进行土体含水量监测。

1.3 黄土滑动的监测

黄土滑坡分为黄土层内滑动、黄土—古土壤接触面滑动、黄土—三趾马红土接触面滑动、黄土—基岩接触面滑动四种类型。黄土滑动与一般的土质滑坡类似，适用于土质滑坡的监测技术手段均适用于黄土滑动。可在黄土滑动体的表面或深部进行绝对位移、相对位移、深部位移的监测。此外，在黄土与其他各类岩性的接触面上一般都会有水的滞留和作用，因此对地下水的监测也可以实施，地下水位监测、孔隙水压力监测、土体含水量监测等是有效手段。应力、应变监测如果有恰当的安装点也可实施。

2 单体黄土滑坡监测实例

2.1 滑坡概况

宝塔山滑坡位于陕西省延安市宝塔区，位于延河边一黄土梁的梁坡上（图1）。该处地层主要为第四系黄土下伏侏罗系砂岩，黄土中夹有早更新统薄层透镜状砂砾石层。上更新统黄土最大厚度为12.5 m，中更新统黄土最大厚度为63.6 m，黄土平均厚度20～30 m，侏罗系延安组砂岩厚度较大，钻孔未揭露完全，基岩面以下5 m内未见地下水存在。

图1 宝塔山黄土滑坡全貌

宝塔山滑坡由新、老两个滑坡复合而成。老滑坡东西长85 m，南北宽95 m，坡高66 m，滑体坡度45～50°，后壁1～3 m。新滑坡位于老滑坡体中部，东西长59 m，南北宽53 m。据勘探，老滑坡滑面为上陡下缓的圆弧形状，剪出口位于半胶结的Qlal＋Pl砂砾石顶面，后部滑面倾角大于60°，滑体最大厚度20 m，总体积9.4万m3。新滑坡滑面较浅，滑体最大厚度10.5 m，体积1.6万m3。

2.2 监测系统

由于滑坡规模不大，加之其上不适宜施工混凝土基座安装GPS测点，故地表绝对位移监测没有实施；同时，滑坡体上及其后缘也未发现拉张裂缝等，故地表相对位移监测也无法实施；因此，仅对其进行深部位移监测。选用C12型固定式钻孔倾斜仪，仪器的工作范围不小于±30°，分辨率15″（0.015 mm／m）。在滑坡体上分别布置3个深部位移监测孔（图2）。ZK1号监测孔深度35.50 m，共安装5个倾斜仪：1＃～5＃测点，深度分别为10.70 m、14.00 m、19.50 m、25.50 m、34.40 m。ZK2号监测孔深度12.35 m，共安装3个倾斜仪：6＃～8＃测点，深度分别为3.70 m、9.20 m、10.90 m。ZK3号监测孔深度16.00 m，共安装3个倾斜仪：9＃～11＃测点，深度分别为14.05 m、11.15 m、5.75 m。各测点的测线外接数据采集器，可以采集到各个时刻在钻孔的各测点深度上的位移量大小。所有监测数据均由数据采集器按设定好的时间间隔自动采集和远程实时传输，每隔2 h采集1次，通过GPRS网络传输至固定IP地址接收。

图2 宝塔山黄土滑坡深部位移监测点分布剖面

2.3 监测曲线及结果分析

据2008年9月5日-2012年5月5日各测点数据绘出的深部位移量随时间变化的关系曲线（图3）分析，位于滑坡体中上部ZK1钻孔内的的1＃～5＃传感器、位于滑坡下部ZK2钻孔内的6＃～8＃传感器，以及位于滑坡体左下部ZK3钻孔内的9＃～11＃传感器在监测周期内均未发生明显变化。部分测点发生了小幅波动，但位移均在0.05 mm之内，量值很小，且呈来回波动之势，是由仪器本身的不稳定性带来的。结合监测曲线和地质条件综合分析，宝塔山斜坡地段不具备发生深大滑坡的危险，但若遇到特大暴雨，或持续连阴雨，则有发生浅表层滑塌的风险。

图3 宝塔山黄土滑坡深部位移监测结果曲线（2008年9月-2012年5月）

3 区域性黄土滑坡监测预警方法

3.1 降雨型黄土滑坡预警指标及等级

降雨是触发黄土滑坡最重要和最广泛的因素，因此，对于黄土滑坡设定雨量预警指标，用降雨临界值来设定预警等级，在理论和实践上均是可行的。黄土滑坡的降雨预警指标有3类，分别是：第一类预警指标R0为当日降雨量，其临界值为10 mm、30mm、50mm；第二类预警指标R总为当日及前15 d累计雨量，其临界值为10 mm、43 mm、100mm；第三类预警指标P为滑坡发生概率。

式中：R1为前1 d降雨量，R2为前2 d降雨量，R3为前3 d降雨量，第三类预警指标的临界值分别为25%、50%、75%［12］。这样，利用一个地区的滑坡风险区划［16］，结合降雨临界值，就可以设定不同的预警级别。

研究区可分为滑坡高风险、中风险、低风险三类区域。根据风险区划的高低和降雨临界值大小的对比关系，可按表2来设定预警级别，共设定I级、II级、III级、IV级、V级预警。I级表示极有可能发生滑坡并由此带来很大的危害，需要最强的预警；II级表示很有可能发生滑坡并由此带来大的危害，需要强预警；III级表示有可能发生滑坡并由此带来一定的危害，需要预警；IV级表示只有在不利的情况下才可能发生滑坡，需要一定程度的关注；V级表示只有在最不利情况下才可能发生滑坡，需要轻微关注即可。为了更有效地防范地质灾害，需要向社会发布某些高级别的预警以引起公众的注意，可将I级和II级预警靶区向公共发布，III级及以下则不需发布。

3.2 降雨监测点布设方法

在条件允许的情况下，雨量站的布设应遵循以下三个原则。

表2 区域性黄土滑坡降雨预警指标及等级

（1）每个小流域应布设一个以上的雨量站。黄土地貌单元主要由一个个的沟壑系统组成，每个小流域由一条主沟及若干支沟组成，同一小流域由于沟壑系统发育阶段的一致性，往往具备相似的流水侵蚀深度、坡体结构和岩土体条件，因此其黄土滑坡的发育条件也是相似的。换言之，同一条小流域往往处在同一个易发程度分区里，因此使用相同的降雨监测值进行临界预警也是比较恰当的。而且黄土高原区的降雨局地性很强，尤其是大暴雨，往往在相邻的两个沟内雨量有很大的差异，因此，如果条件许可，在每个小流域内布设1个雨量站是必要的，且应尽量布设在中游地段，如果流域上下游高差很大，有必要增加雨量站。

（2）每个乡镇均应布设雨量站。滑坡监测预警的最终目的是为了减灾防灾，这是一项行政职能。一般而言，县级国土资源局是行政主管部门，而随着责任的逐级落实，直接责任主体是在乡镇。因此为了更实效地进行监测、预警，以及应对灾害，应加强乡镇一级的技术力量，在每个乡镇布设一个自动雨量站就尤为重要。

（3）在黄土滑坡的高风险区应加密布设。高风险区由于滑坡密度较大，人员财产分布较多，应更好地控制局地降雨量的差异性，以达到精细化降雨预报和滑坡预警的功效。

3.3 区域监测预警系统设计

系统由数据库和模型库组成。数据库包括自然地理、地质灾害及隐患点、承灾体、区划结果、降雨监测、滑坡专业监测、简易监测、人工巡查、综合文档等7类数据库。模型库包括风险评价、监测数据集成、预警预报、Web发布、应急管理等5个模型库。其中预警预报模型是整个监测预警系统的核心，它以自然地理、人文经济、地质环境等作为基础信息，以详细调查和补充调查的地质灾害隐患区或隐患点作为预警对象，以降雨监测数据、气象预报数据、地质灾害危险区划、危害程度信息等作为输入信息，以预警判据作为运算法则，通过模型运算，便可输出模型运算结果，即地质灾害预警预报产品（图4）。

图4 地质灾害监测预警模型结构图

4 区域性黄土滑坡监测预警实例

4.1 自动雨量站布设及安装

本次在延安市宝塔区进行滑坡监测预警，该区共20个乡镇，总面积3 556 km2。区内主要发育各类黄土滑坡，雨量站的布设基本遵循了上述三条原则，共建有18个自动雨量站。其中北部区域滑坡发育较多且人口密度大，因此雨量站布设较密；而南部区域主要为林区，滑坡发育较少且人口稀少，雨量站布设较稀疏。

雨量站由雨量计、数据采集设备箱、一体化支架、混凝土基桩组成。其选址应选在野外开阔地，站址周围45°范围内不能有建筑及树木，GPRS／GSM信号稳定，还应考虑设备的安全问题。混凝土基桩应埋入地面以下40 cm，一面朝南便于太阳能电池板采光，设计尺寸：底座40×40 cm，顶面30×30 cm，高110 cm。雨量计的测量单元为32位CPU，配置了大容量固态内存，数据可以存储5年；集成了RS232／RS485接口、GPRS通信模块、短距无线通信模块，提供多信道多路由通信功能，测量精度为0.5 mm，能够满足监测需求。

4.2 预警系统及预警结果

借助延安市已有的气象数据传输网络，以本地和远程双服务器构成数据存储模式，将各台站的温度、降水以及天气预报数据传输存储到服务器中，实现所有雨量站实况数据和未来7 d（168 h）区域预报数据的自动传输。根据开发的“延安市地质灾害监测预警信息系统”，将雨量监测数据与系统接口，通过雨量插值分析模块确定区域内任一点降雨量大小，再通过预警分析模型即可对任意一点的预警级别进行判断。将预警级别输出到1∶5万地理底图上，即可得到预警结果图。如图5是宝塔区2013年08月26日20：00点至27日20：00点的地质灾害风险预警结果，可以看出，该时间段内无I级（可能性很大）和II级（可能性大）的预警，仅在局部区域有III级预警（图5中黄色）。

图5 延安市宝塔区区域性黄土滑坡监测预警结果图

5 结论

（1）在单体尺度上，黄土崩塌、黄土滑塌、黄土滑动有不同的变形破坏特征，应根据各自的特点采用合适的监测技术方法，这样不仅技术合理，而且经济合理。

（2）根据单体滑坡监测方法，对宝塔山黄土滑坡进行了深部位移监测。据监测曲线和地质情况分析，该斜坡体较为稳定，若遇特大暴雨或持续连阴雨，则可能发生滑坡。

（3）在区域尺度上，可通过触发因素的监测来进行滑坡预警，降雨监测是一种有效的方法，并且雨量站的布设应满足一定的要求。可将黄土滑坡风险区划与降雨临界值耦合设定预警级别，以进行区域性的滑坡预警。

（4）根据区域滑坡监测方法，在延安市宝塔区建立了18个自动雨量站，利用开发的“延安市地质灾害监测预警信息系统”可对区内黄土滑坡风险进行预警预报。

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Loess Landslide M onitoring and Early-warning M ethods and Practices on Scale of Single Slope and Regional Scope

Tang Yaming，Xue Qiang，Li Zhengguo and Feng Wei
（1.Xi’an Center of China Geology Survey，Xi’an 710054，China；2.Key Laboratory for Geo-hazards in Loess Area，China Ministry of Land and Resources，Xi’an 710054，China）

Themonitoringmethods that applied on different types of loess landslides should not be the same，which is due to the different characteristics of deformation of them.Furthermore，themonitoringmethod of a region differs greatly from of a single.So it is very necessary to study the loess landslidesmonitoringmethods comprehensively.On the scale of single to region；and also on the view ofmethods to practice，we discuss the loess landslide monitoring and early-warning separately.For the scale of single slope，the loess fall，loess slump and loess slide have the different characteristics of their deformation，so it should be applied suitablemonitoring methods on each of them.For the scale of region，the landslide early-warning can be done bymonitoring the triggering factors for example rainfall.The alert level is set by the regional landslides risk zoning and the rainfall threshold.We practice themethods ofmonitoring single loess landslide on Baotashan slope，meanwhile themethods ofmonitoring regional loess landslide in Baota District of Yan’an area，and got the results separately.

loess landslide；geo-hazards；landslidemonitoringmethods；monitoring and early-warning；geohazardsmonitoring in smallwatershed

P694；X43

A

1000-811X（2015）04-0091-06

10.3969／j.issn.1000-811X.2015.04.018

唐亚明，薛强，李政国，等.基于单体和区域尺度的黄土滑坡监测预警方法与实例［J］.灾害学，2015，30（4）：91-95.［Tang Yaming，Xue Qiang，Li Zhengguo，etal.Loess Landslide Monitoring and Early-warning Methods and Practices on Scale of Single Slope and Regional Scope［J］.Journal of Catastrophology，2015，30（4）：91-95.］*

2015-03-16 修回日期：2015-05-30

国家自然科学基金项目（41202256）；中国地质调查局项目（1212010740907，12120114035701）

唐亚明（1973-），女，湖南永州人，博士，教授级高级工程师，从事地质灾害调查和研究工作.

E-mail：tangyaming73＠sohu.com