北京市泥石流特點及專業(yè)監(jiān)測體系建設(shè)初探

王海芝

摘? 要：針對北京市泥石流規(guī)?！靶《ⅰ?、發(fā)生時間“與強降雨相伴”的特點，提出了對泥石流開展激發(fā)因素、響應(yīng)因素、表達(dá)因素及展現(xiàn)因素等多因素聯(lián)合專業(yè)監(jiān)測體系建設(shè)的方案。 該方案在監(jiān)測方法上采用了一溝一體系的多因素監(jiān)測方法，充分采集各種影響因素的實時數(shù)據(jù)，提高了專業(yè)監(jiān)測的準(zhǔn)確性;在數(shù)據(jù)傳輸上采用了GPRS和北斗衛(wèi)星傳輸雙通道，避免了因極端天氣導(dǎo)致傳輸信號缺失而無法及時接收現(xiàn)場數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性;在數(shù)據(jù)的應(yīng)用上兼顧了受威脅群眾防災(zāi)減災(zāi)需求及管理部門掌握現(xiàn)場信息的需求，提高了專業(yè)監(jiān)測的實用性。該體系的運營，將全面提升北京市泥石流專業(yè)監(jiān)測預(yù)警的水平，為北京市防災(zāi)減災(zāi)提供高精技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：泥石流;多因素;監(jiān)測;體系

中圖分類號：P642.23? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2019）02-0025-06

Abstract： This paper makes a comprehensive analysis on the distributions， magnitude， and pattern of the debris flows in Beijing. Most of the debris flows in Beijing are small and scattered， and usually are coincided to heavy rain. Based on these characteristics， a project， which integrates the monitoring factors of triggering， response， expression， and exhibition， is provoked. In the monitoring method， the scheme adopts a multi-factor monitoring method of “one ditch and one system”， which fully collects real-time data of various influencing factors and improves the accuracy of professional monitoring effect; GPRS and Beidou satellite are used for data transmission， which avoids missing the transmission signal due to extreme weather， and will not receive field data in time， and ensures real-time data transmission. In the application of data， it takes into account the needs of the threatened masses for disaster prevention and mitigation as well as the needs of the management departments for command， and improves the practicability of professional monitoring system. The operation of the system will comprehensively improve the professional monitoring and early warning level of debris flow in Beijing， and provide high-precision technical support for disaster prevention and mitigation in Beijing.

Keywords： Debris flow; Multi-factors; Monitoring; System

0 前言

近幾年來，突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測已成為突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)重要的科學(xué)手段。北京市作為突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的首都城市，突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測走在了國內(nèi)乃至國際前列。北京市在突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，遴選出具備開展專業(yè)監(jiān)測的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害隱患，采用目前國內(nèi)外先進(jìn)的專業(yè)監(jiān)測方法，建立突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，利用現(xiàn)場實時專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報，提高突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警水平，為防災(zāi)減災(zāi)提供專業(yè)技術(shù)支撐。

1 北京市泥石流特點

泥石流是北京地區(qū)主要的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害類型之一，據(jù)北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查（北京市地質(zhì)研究所，2014），全市共有856處泥石流隱患，廣泛分布于北京市10個行政區(qū)的山區(qū)、淺山區(qū)（圖1，表1）。從泥石流規(guī)模等級看（表2），小型泥石流占泥石流隱患數(shù)量的83.2%（712處），大型泥石流僅占1.2%（10處），北京市泥石流發(fā)育規(guī)模及分布的顯著特點是：“小而散”。

北京市泥石流多為暴雨激發(fā)，因此，泥石流發(fā)生的時間與強降雨時間是高度一致的。北京位于半干旱半濕潤氣候區(qū)，平均年降水量并不多，平均暴雨日數(shù)僅為1～3天，但歷時短局地降水強度大，從歷史泥石流發(fā)生時間看，泥石流多發(fā)生在7月下旬、8月上旬，即業(yè)界俗稱的“七下八上”，與北京地區(qū)大暴雨集中出現(xiàn)的時段一致。2012年7月21日（簡稱“7·21”），北京市普降大暴雨，其中房山區(qū)降水量最大，平均降雨量460mm（圖2），本次降雨房山區(qū)河北鎮(zhèn)西區(qū)溝（含曬臺溝、口兒溝、老窯溝、杏園溝、朱家溝5條支溝）發(fā)生了泥石流。2016年7月20日，房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)普降暴雨，其中堂上村日降雨量達(dá)140mm，江心臺溝發(fā)生了泥石流。

北京市泥石流發(fā)生時間的特點是“與強降雨相伴”，也就是說，強降雨往往伴隨著泥石流的發(fā)生。因此，北京市泥石流的專業(yè)監(jiān)測手段，主要是圍繞著降雨過程各階段的參數(shù)不同變化而開展的。

2 國內(nèi)外泥石流監(jiān)測簡況

國際上泥石流監(jiān)測開展的較早并取得了較好的監(jiān)測成果。1986—1995年，美國國家氣象局（NWS）和美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）建立了泥石流監(jiān)測系統(tǒng)（Keefer，1987），通過開展對包含降水、流域土壤含水量及孔隙水壓力等內(nèi)容的監(jiān)測，在舊金山灣區(qū)進(jìn)行試驗，取得了成功。日本（Onodera，1974）、香港（Brand，1984）、新西蘭（Crozier，1999）、南非（Garland）等相繼建立了泥石流監(jiān)測系統(tǒng)。

近年來，我國泥石流災(zāi)害頻發(fā)，造成巨大的損失，引起相關(guān)部門的高度重視，許多專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)相繼建立起來。如國土資源部開展了典型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與示范治理的計劃項目，相繼在四川的雅安、延安寶塔及北京地區(qū)等開展了專業(yè)監(jiān)測示范研究，建立了專業(yè)監(jiān)測示范點，取得了令人滿意的監(jiān)測成果（北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，2012）。

3 泥石流監(jiān)測方法及專業(yè)監(jiān)測體系構(gòu)架

泥石流監(jiān)測是泥石流研究的先行手段，是泥石流機理分析、物理過程及預(yù)警的基礎(chǔ)。根據(jù)泥石流發(fā)生的必要條件，泥石流監(jiān)測的主要內(nèi)容包括泥石流的形成條件、運動特征及流體特征等（中華人民共和國國土資源部，2006）。國際上主要通過使用地震波（Arattano，1999）、地面震動（Hurlimann，2003）等方法對泥石流開展監(jiān)測，國內(nèi)主要通過監(jiān)測雨量、地聲（陳精日， 1991）、超聲波（康志成，1991）、次聲（唐川，2008）等方法對泥石流進(jìn)行專業(yè)監(jiān)測預(yù)警。

北京市泥石流專業(yè)監(jiān)測是在充分考慮泥石流特點的前提下，采用目前國內(nèi)外先進(jìn)的專業(yè)監(jiān)測方法，建設(shè)成北京特色的專業(yè)監(jiān)測體系，該專業(yè)監(jiān)測體系由數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)傳輸—及數(shù)據(jù)處理三大模塊構(gòu)成（圖3）。數(shù)據(jù)采集采用國內(nèi)外各類專業(yè)監(jiān)測儀器，通過專業(yè)監(jiān)測儀器將隱患現(xiàn)場的各類因素的實時變化采集變成可識別的數(shù)字信號后，通過傳輸系統(tǒng)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析之后進(jìn)行應(yīng)用。

4 數(shù)據(jù)采集的模式

根據(jù)北京市泥石流“小而散”及“降雨激發(fā)”的特點，每條泥石流溝在布設(shè)條件允許的前提下，至少布設(shè)1臺套雨量監(jiān)測站并盡可能多地布設(shè)監(jiān)測泥石流各類因素的專業(yè)監(jiān)測儀器，形成“一溝一體系”的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)（圖4）。

根據(jù)泥石流發(fā)生不同階段不同因素的特點，分別從泥石流發(fā)生的激發(fā)因素、響應(yīng)因素、表達(dá)因素及展現(xiàn)因素4個方面對泥石流進(jìn)行多方位專業(yè)監(jiān)測（表3）。

激發(fā)因素的監(jiān)測? 北京市泥石流多為暴雨激發(fā)，因此，雨量監(jiān)測是北京市泥石流專業(yè)監(jiān)測首選的必要的監(jiān)測因素。通過安裝在泥石流溝形成區(qū)的一體化自動雨量站（照片1）實時采集雨量信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，能及時得到泥石流隱患現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，為泥石流的預(yù)警提供各時段的現(xiàn)場降雨量。

響應(yīng)因素的監(jiān)測? 隨著降雨過程的推進(jìn)，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，因此，在有條件的溝谷中安裝一體化土壤含水率監(jiān)測站（照片2），實時監(jiān)測松散土體內(nèi)含水量的變化情況，作為泥石流監(jiān)測預(yù)警的輔助分析數(shù)據(jù)。

表達(dá)因素的監(jiān)測? 泥石流發(fā)生之時，溝內(nèi)的次聲、泥水位及變化數(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)。泥石流次聲（照片3）信號是一個卓越頻率（5-15Hz）范圍內(nèi)的確定信號，并且根據(jù)泥石流次聲的聲壓值，判斷泥石流的發(fā)生及泥石流可能的規(guī)模（章書成，2010）。泥水位（照片4，照片5）是通過采用超聲設(shè)備采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

展現(xiàn)因素的監(jiān)測? 泥石流發(fā)生的現(xiàn)場活動情況的捕捉，是泥石流研究重要的資料，也是對救災(zāi)現(xiàn)場指揮部署的重要依據(jù)，因此，對有條件安裝視頻的重點隱患，采用視頻監(jiān)控（照片6）的專業(yè)監(jiān)測方法。

5 信息傳輸?shù)哪Ｊ?/p>

GPRS是基于地面基站和地面發(fā)射塔的無線通信，具有傳輸速率高，實時性強，使用成本低等優(yōu)點（陳明金，2004）。但是，由于其所基于的地面發(fā)射塔在極端氣候環(huán)境條件下易損壞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法及時傳輸，因此，就必須選用一種不受惡劣氣候影響的通信方式來作為備用通信方式，而北斗衛(wèi)星基于衛(wèi)星傳輸，能彌補GPRS這一缺點（譚承軍，2014），因此通信方式宜采用GPRS、北斗衛(wèi)星雙系統(tǒng)（張志龍，2005），二者共同作用，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟婚g斷性。因此，泥石流專業(yè)監(jiān)測儀器采集數(shù)據(jù)的傳輸均采用GPRS和北斗衛(wèi)星兩種傳輸方式，兩種傳輸方式能自動切換，確保數(shù)據(jù)能實時傳輸。

由于一體化視頻野外監(jiān)控站采集的圖像為高清圖像，數(shù)據(jù)傳輸量大，GPRS傳輸方式無法支撐如此大量數(shù)據(jù)的傳輸，根據(jù)現(xiàn)在信息傳輸?shù)哪Ｊ?，選用了光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸，將實時采集到的高清圖像傳到數(shù)據(jù)中心及相關(guān)管理部門。

6 數(shù)據(jù)的應(yīng)用模式

基于數(shù)據(jù)采集設(shè)備的多樣化，數(shù)據(jù)的應(yīng)用也是多層次的。根據(jù)采集數(shù)據(jù)是直接應(yīng)用于預(yù)警預(yù)報還是間接用于預(yù)警預(yù)報分為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用兩種類型。其中次聲數(shù)據(jù)通過聲頻轉(zhuǎn)換，在隱患現(xiàn)場進(jìn)行預(yù)警信息的發(fā)布，屬于直接應(yīng)用數(shù)據(jù)。而降雨量、泥水位及土壤含水率數(shù)據(jù)經(jīng)綜合分析之后，應(yīng)用于預(yù)警預(yù)報，屬于間接應(yīng)用數(shù)據(jù)。視頻圖像的采集，更多的應(yīng)用于領(lǐng)導(dǎo)部署工作及技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場情況研判。

7 結(jié)論

北京市泥石流專業(yè)監(jiān)測體系是在全面考慮泥石流特點的基礎(chǔ)上建立的專業(yè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，是目前國內(nèi)硬件系統(tǒng)建設(shè)最完善的泥石流專業(yè)監(jiān)測體系，具有全面性、先進(jìn)性和實用性。專業(yè)監(jiān)測因素全面，基本形成一溝一體系的多因素數(shù)據(jù)采集網(wǎng);數(shù)據(jù)傳輸全面實現(xiàn)兩種自動切換模式，確保全天候數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞?數(shù)據(jù)應(yīng)用多層次，防災(zāi)減災(zāi)及災(zāi)害管理全面兼顧。

北京市泥石流多因素專業(yè)監(jiān)測體系作為北京市泥石流專業(yè)監(jiān)測的一個新平臺的建設(shè)及運營，預(yù)示著北京市泥石流的預(yù)警預(yù)報從此跨入了以專業(yè)監(jiān)測為主導(dǎo)的監(jiān)測體系，泥石流預(yù)警預(yù)報的影響因素從僅僅依靠氣象站的單因素的雨量預(yù)報向多因素聯(lián)合預(yù)報轉(zhuǎn)變，泥石流預(yù)警預(yù)報的時間模式從單一時間維度向多層次時間維度的模式發(fā)展，必將在泥石流的預(yù)報精度上大大提高，為首都的防災(zāi)減災(zāi)做出新的貢獻(xiàn)。

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