十堰市地质灾害专业监测成功预警预报分析及思考

刘 伟， 张庚丽， 费红霞

(十堰市自然资源和规划局,湖北 十堰 442000)

十堰市位于鄂西北山区,因“武当山”、“丹江水”、“汽车城”三张世界级名片闪耀全球。全市地质灾害多发频发,是全省乃至全国高发易发区,目前已查明地质灾害4 887处。近年来,随着地质灾害防治科技水平的不断提高,地质灾害专业监测预警建设受重视的程度越来越高。为积极贯彻落实习近平总书记在2018年关于大力提高中国自然灾害防治能力的指示精神,在湖北省自然资源厅和湖北省地质局的大力支持下,十堰市自2017年以来先后建设了近百处地质灾害隐患专业监测点,在项目点选取、监测方案比选、施工建设、运行维护、阈值设定以及预警预报等方面积累了一定的经验。这些经验对指导今后地质灾害专业监测预警预报建设提供了参考与依据,具有借鉴和推广价值。

1 研究区背景

十堰市位于湖北省西北部,地处秦巴山区腹地、汉江中上游,是鄂豫陕渝毗邻地区的中心城市,也是南水北调中线工程核心水源区和主要淹没区。区内地质构造复杂,分布有青峰、老白等多条区域性断裂带,加之广泛出露的变质岩、第四系松散岩等软弱易滑地层,以及丹江口库区蓄水效应长期作用等多种因素的影响,十堰市境内地质灾害发育异常严重。据统计,十堰市98.7%版图面积属地质灾害易发区,75.7%的区域属高中易发区,已查明地质灾害隐患点达4 887处,直接受地质灾害威胁的人口22.22万人,资产157.34亿元,地质灾害极大地威胁着人民群众的生命财产安全。近年来,为不断提升科技防灾能力,十堰市大力开展地质灾害专业监测预警建设,成效显著,对全市地质灾害防治具有极大的现实意义和深远影响。

2 专业监测预警建设

2.1 基本情况

自2017年以来,十堰市逐渐建成地质灾害自动化专业监测预警预报系统,其中包括一级专业监测1处、二级专业监测14处、三级专业监测80余处。主要监测手段有地表位移监测、深部位移监测、地表裂缝监测、视频监测、地下水位监测、土体含水率监测、库水位监测、雨量监测等。

2.2 监测成效分析

2017年十堰市遭受了自1952年有气象资料记录以来“历史最强秋汛”,持续降雨27 d,全市平均雨量330 mm,局部地区达500 mm,加上丹江口库区水位升高助推,全市地质灾害呈暴发式激增,滑坡面积、体量、点数和危害程度历史罕见。一个月内,全市境内突发地质灾害1 227起,超100万m3以上滑坡9起。在湖北省自然资源厅、湖北省地质局的大力支持下,原十堰市国土资源局迅速对房县白鹤镇伏溪村三组滑坡、竹山县潘口乡李家坪滑坡等变形严重、威胁巨大的5处滑坡开展了地质灾害自动化专业监测示范建设,共布设了76套自动化专业监测设备,包含地表位移监测、深部位移监测、地下水位监测、地表裂缝监测、雨量监测等多种手段。本文以最具代表性的房县白鹤镇伏溪村三组滑坡自动化专业监测情况进行分析研究。

房县白鹤镇伏溪村三组滑坡位于白鹤镇集镇范围内,方量375×104m3,直接威胁1 118人,灾险情等级属特大型。2017年10月14日,滑坡出现变形,且逐步扩大；10月18日启动地表位移监测(监测曲线如图1)。据监测结果显示,10月18日—11月19日,滑坡体仍处于快速变形阶段,随着降雨结束,加之临灾处置工作到位,滑坡变形减缓,整个滑坡体再次趋于基本稳定状态。后期因受降雨影响,滑坡再次出现多次局部少量滑移,但通过监测数据分析及地表巡查判断滑坡未再次出现整体滑动。专业监测能准确掌握滑坡变形滑移迹象,方便专业人士进行量化分析,为临灾处置提供了重要的依据。

图1 房县白鹤镇伏溪村三组滑坡专业监测变形—时间曲线图
Fig.1 Professional monitoring deformation time curve of landslide in group 3,Fuxi Village,Baihe Town,Fangxian County

2.3 存在问题

(1) 自动化专业监测系统建设、运维费用过高。目前,市面上推广地质灾害专业监测预警设备的公司多,设备品牌繁杂,性能参差不齐,而且监测设备单价高。单个隐患点要实现有效的自动化专业监测,初期建设费用动辄几十万甚至上百万,另外后期运维费用高,设备老化快,部分高额设备一旦受损则极易报废,因此目前无法大批量开展自动化专业监测预警建设工作。

(2) 监测工作受外界影响大,干扰因素多。从十堰市2017年开展的自动化专业监测预警建设工作的效果来看,自动化专业监测受到设备性能、软件运行效果、人工活动等因素影响较大,特别是数据接收后,原始数据结算、翻译、转换时常出现系统性错误,导致监测数据显示异常,形成不必要的工作负担。

(3) 尚未建立统一的自动化专业监测预警预报规范或标准。自动化专业监测已可实现监测数据的实时回传、查看,但是在预警预报工作上,目前国家未出台统一的可做参考的自动化专业监测预警预报规范或标准,导致目前所开展的自动化专业监测存在重监测、轻预警的现象。

3 成功预警预报实例分析

3.1 基本情况

幸福小区滑坡位于张湾区汉江街办刘家村幸福小区后方山体。滑坡平面为不规则形状,坡向132°,自然坡度35°左右,滑坡面积约1.6×104m2,方量约为8×104m3,直接威胁2栋4F居民楼共8户32人,间接威胁10余栋居民楼,威胁人民群众财产约2 000万元。2019年1月,自然资源和规划部门在滑坡后侧下挫裂缝处安装了1台地表裂缝监测仪,6月又另建设了1台地表位移监测仪和4台GNSS地表位移监测仪,所有设备建设完成后均设置了位移变形初始预警阈值(20 mm)。

3.2 避险过程介绍

2019年8月6日06：38—08：15,十堰市自然资源和规划局工作人员相继收到张湾区幸福小区滑坡体后侧地表裂缝监测站发送的位移变形预警短信82条,数据显示滑坡正在快速变形。在收到第一条报警信息后,该市自然资源和规划局第一时间赶赴滑坡现场,会同地方党委政府紧急撤离滑坡体前受威胁的8户32人。08：17,滑坡后缘约2 000 m3土体发生下滑,最大下挫高度达4 m,同时约1 000余立方米土体下滑至坡脚,堆积在房屋后侧。因预警及时,处置得当,此次滑坡未造成人员伤亡和重大经济损失。

3.3 监测预警分析

幸福小区滑坡自动化专业监测裂缝报警器监测滑坡变形滑移数据如表1。

表1 幸福小区滑坡自动化监测数据统计表Table 1 Statistics of landslide automatic monitoring data in Xingfu District

由此可得幸福小区滑坡累计位移—时间曲线(图2)。

从滑坡累计位移—时间曲线来看,该滑坡属渐变型滑坡类型[1],基本满足初始变形、匀速变形、加速变形及急剧变形这一完整的滑坡变形过程[2],但因受强降雨影响严重,导致滑坡的变形阶段骤缩,滑坡从初始变形启动到发生滑塌,整个过程仅103 min,初始变形过程仅持续几分钟。

以往对于滑坡变形阶段的研究以及预警阈值的设定主要以日平均变形量来考虑[3],其适用于较大规模滑坡整体稳定性预警预报,而十堰境内大量分布的几千或万余立方米的小型滑坡,受强降雨诱发因素影响强烈,滑塌启动快、突发性强,其监测预警频次应适当增加,预警阈值的设定需考虑以小时为单位,必要时以分钟为宜。

对滑坡变形过程中位移变化量、速率与时间的关系进行分析,得出以下曲线(图3)。

图2 幸福小区滑坡累计位移—时间曲线
Fig.2 Accumulated displacement—time curve of landslide in Xingfu District

图3 幸福小区滑坡位移变化量、速率随时间变化曲线
Fig.3 Curve of displacement and velocity of landslide with time in Xingfu District

结合滑坡累计位移—时间曲线以及位移变化量、速率随时间变化曲线进行分析[4],可得出幸福小区滑坡变形阶段情况如表2。

滑坡处于初始变形阶段时长2 min,占比1.94%；

表2 幸福小区滑坡变形演化过程情况统计表Table 2 Statistical table of landslide deformation and evolution process in Xingfu District

匀速变形阶段50 min,占比48.54%；加速变形阶段39 min,占比37.87%；急剧变形阶段(滑塌)12 min,占比11.65%。据此可以得出,对初步变形维持时间短,滑坡快速进入匀速、加速阶段的滑动现象需格外防范,此现象可能预示滑坡的整个演化过程非常短,虽演化阶段依然保留初始变形、匀速变形、加速变形及急剧变形的过程,但整个演化过程可能只持续百余分钟甚至几十分钟。

另外,滑坡匀速变形、加速变形两个阶段总时长89 min,占整个滑坡变形过程比例达86.41%。由此可见,滑坡的匀速变形和加速变形阶段是紧急处置灾险情的关键时期,一旦滑坡进入匀速变形、加速变形阶段必须设定相应预警阈值。预警阈值的设定以滑坡变形速率为参照,当变形速率基本保持恒定,处于匀速变形阶段时,需发布一般预警进行提醒防范。一旦变形速率发生变化且呈增长趋势,必须发出紧急预警预报,并立即采取措施加强防治或紧急撤离受威胁人员,避免出现人员伤亡和重大经济损失。

4 结论及认识

(1) 自动化专业监测预警是今后一段时期地质灾害预防的重点内容,但其规模化建设必须重点解决以下几方面问题：①自动化专业监测系统建设、运维费用过高；②监测工作受外界影响大,干扰因素多。专业监测受到设备性能、软件运行效果、人工活动等多因素影响大,特别是数据接收后,原始数据的结算、翻译、转换时常出现系统性错误,导致监测数据显示异常,造成不必要的工作负担；③尚未建立统一的自动化专业监测预警预报规范或标准,存在重监测、轻预警的现象。

(2) 以往对于滑坡变形阶段的研究以及预警阈值的设定主要以日平均变形量来考虑,其适用于较大规模滑坡整体稳定性预警预报,而对于十堰境内大量分布的几千或万余立方米的小型滑坡而言,受强降雨诱发因素影响强烈,滑塌启动快、突发性强,其监测预警频次应适当增加,预警阈值的设定需考虑以小时为单位,必要时以分钟为宜。

(3) 对于初步变形维持时间短,滑坡快速进入匀速、加速阶段的滑动迹象需格外防范,其可能预示滑坡的整个演化过程非常短,虽演化阶段依然保留初始变形、匀速变形、加速变形及急剧变形过程,但整个演化过程可能只持续百余分钟甚至几十分钟。

(4) 滑坡处于匀速变形和加速变形阶段期间是紧急处置灾险情的关键时期,一旦滑坡进入匀速变形、加速变形阶段必须设定相应预警阈值。预警阈值的设定以滑坡变形速率为参照,当变形速率基本保持恒定,处于匀速变形阶段时,需发布一般预警进行提醒防范。一旦变形速率发生变化且呈增长趋势,必须发出紧急预警预报,并立即采取措施加强防治或紧急撤离受威胁人员,避免出现人员伤亡和重大经济损失。