十堰市地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測成功預警預報分析及思考

劉 偉， 張庚麗， 費紅霞

(十堰市自然資源和規(guī)劃局,湖北 十堰 442000)

十堰市位于鄂西北山區(qū),因“武當山”、“丹江水”、“汽車城”三張世界級名片閃耀全球。全市地質(zhì)災害多發(fā)頻發(fā),是全省乃至全國高發(fā)易發(fā)區(qū),目前已查明地質(zhì)災害4 887處。近年來,隨著地質(zhì)災害防治科技水平的不斷提高,地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測預警建設受重視的程度越來越高。為積極貫徹落實習近平總書記在2018年關(guān)于大力提高中國自然災害防治能力的指示精神,在湖北省自然資源廳和湖北省地質(zhì)局的大力支持下,十堰市自2017年以來先后建設了近百處地質(zhì)災害隱患專業(yè)監(jiān)測點,在項目點選取、監(jiān)測方案比選、施工建設、運行維護、閾值設定以及預警預報等方面積累了一定的經(jīng)驗。這些經(jīng)驗對指導今后地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測預警預報建設提供了參考與依據(jù),具有借鑒和推廣價值。

1 研究區(qū)背景

十堰市位于湖北省西北部,地處秦巴山區(qū)腹地、漢江中上游,是鄂豫陜渝毗鄰地區(qū)的中心城市,也是南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)和主要淹沒區(qū)。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復雜,分布有青峰、老白等多條區(qū)域性斷裂帶,加之廣泛出露的變質(zhì)巖、第四系松散巖等軟弱易滑地層,以及丹江口庫區(qū)蓄水效應長期作用等多種因素的影響,十堰市境內(nèi)地質(zhì)災害發(fā)育異常嚴重。據(jù)統(tǒng)計,十堰市98.7%版圖面積屬地質(zhì)災害易發(fā)區(qū),75.7%的區(qū)域?qū)俑咧幸装l(fā)區(qū),已查明地質(zhì)災害隱患點達4 887處,直接受地質(zhì)災害威脅的人口22.22萬人,資產(chǎn)157.34億元,地質(zhì)災害極大地威脅著人民群眾的生命財產(chǎn)安全。近年來,為不斷提升科技防災能力,十堰市大力開展地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測預警建設,成效顯著,對全市地質(zhì)災害防治具有極大的現(xiàn)實意義和深遠影響。

2 專業(yè)監(jiān)測預警建設

2.1 基本情況

自2017年以來,十堰市逐漸建成地質(zhì)災害自動化專業(yè)監(jiān)測預警預報系統(tǒng),其中包括一級專業(yè)監(jiān)測1處、二級專業(yè)監(jiān)測14處、三級專業(yè)監(jiān)測80余處。主要監(jiān)測手段有地表位移監(jiān)測、深部位移監(jiān)測、地表裂縫監(jiān)測、視頻監(jiān)測、地下水位監(jiān)測、土體含水率監(jiān)測、庫水位監(jiān)測、雨量監(jiān)測等。

2.2 監(jiān)測成效分析

2017年十堰市遭受了自1952年有氣象資料記錄以來“歷史最強秋汛”,持續(xù)降雨27 d,全市平均雨量330 mm,局部地區(qū)達500 mm,加上丹江口庫區(qū)水位升高助推,全市地質(zhì)災害呈暴發(fā)式激增,滑坡面積、體量、點數(shù)和危害程度歷史罕見。一個月內(nèi),全市境內(nèi)突發(fā)地質(zhì)災害1 227起,超100萬m3以上滑坡9起。在湖北省自然資源廳、湖北省地質(zhì)局的大力支持下,原十堰市國土資源局迅速對房縣白鶴鎮(zhèn)伏溪村三組滑坡、竹山縣潘口鄉(xiāng)李家坪滑坡等變形嚴重、威脅巨大的5處滑坡開展了地質(zhì)災害自動化專業(yè)監(jiān)測示范建設,共布設了76套自動化專業(yè)監(jiān)測設備,包含地表位移監(jiān)測、深部位移監(jiān)測、地下水位監(jiān)測、地表裂縫監(jiān)測、雨量監(jiān)測等多種手段。本文以最具代表性的房縣白鶴鎮(zhèn)伏溪村三組滑坡自動化專業(yè)監(jiān)測情況進行分析研究。

房縣白鶴鎮(zhèn)伏溪村三組滑坡位于白鶴鎮(zhèn)集鎮(zhèn)范圍內(nèi),方量375×104m3,直接威脅1 118人,災險情等級屬特大型。2017年10月14日,滑坡出現(xiàn)變形,且逐步擴大；10月18日啟動地表位移監(jiān)測(監(jiān)測曲線如圖1)。據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示,10月18日—11月19日,滑坡體仍處于快速變形階段,隨著降雨結(jié)束,加之臨災處置工作到位,滑坡變形減緩,整個滑坡體再次趨于基本穩(wěn)定狀態(tài)。后期因受降雨影響,滑坡再次出現(xiàn)多次局部少量滑移,但通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及地表巡查判斷滑坡未再次出現(xiàn)整體滑動。專業(yè)監(jiān)測能準確掌握滑坡變形滑移跡象,方便專業(yè)人士進行量化分析,為臨災處置提供了重要的依據(jù)。

圖1 房縣白鶴鎮(zhèn)伏溪村三組滑坡專業(yè)監(jiān)測變形—時間曲線圖
Fig.1 Professional monitoring deformation time curve of landslide in group 3,Fuxi Village,Baihe Town,Fangxian County

2.3 存在問題

(1) 自動化專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)建設、運維費用過高。目前,市面上推廣地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測預警設備的公司多,設備品牌繁雜,性能參差不齊,而且監(jiān)測設備單價高。單個隱患點要實現(xiàn)有效的自動化專業(yè)監(jiān)測,初期建設費用動輒幾十萬甚至上百萬,另外后期運維費用高,設備老化快,部分高額設備一旦受損則極易報廢,因此目前無法大批量開展自動化專業(yè)監(jiān)測預警建設工作。

(2) 監(jiān)測工作受外界影響大,干擾因素多。從十堰市2017年開展的自動化專業(yè)監(jiān)測預警建設工作的效果來看,自動化專業(yè)監(jiān)測受到設備性能、軟件運行效果、人工活動等因素影響較大,特別是數(shù)據(jù)接收后,原始數(shù)據(jù)結(jié)算、翻譯、轉(zhuǎn)換時常出現(xiàn)系統(tǒng)性錯誤,導致監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示異常,形成不必要的工作負擔。

(3) 尚未建立統(tǒng)一的自動化專業(yè)監(jiān)測預警預報規(guī)范或標準。自動化專業(yè)監(jiān)測已可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時回傳、查看,但是在預警預報工作上,目前國家未出臺統(tǒng)一的可做參考的自動化專業(yè)監(jiān)測預警預報規(guī)范或標準,導致目前所開展的自動化專業(yè)監(jiān)測存在重監(jiān)測、輕預警的現(xiàn)象。

3 成功預警預報實例分析

3.1 基本情況

幸福小區(qū)滑坡位于張灣區(qū)漢江街辦劉家村幸福小區(qū)后方山體?；缕矫鏋椴灰?guī)則形狀,坡向132°,自然坡度35°左右,滑坡面積約1.6×104m2,方量約為8×104m3,直接威脅2棟4F居民樓共8戶32人,間接威脅10余棟居民樓,威脅人民群眾財產(chǎn)約2 000萬元。2019年1月,自然資源和規(guī)劃部門在滑坡后側(cè)下挫裂縫處安裝了1臺地表裂縫監(jiān)測儀,6月又另建設了1臺地表位移監(jiān)測儀和4臺GNSS地表位移監(jiān)測儀,所有設備建設完成后均設置了位移變形初始預警閾值(20 mm)。

3.2 避險過程介紹

2019年8月6日06：38—08：15,十堰市自然資源和規(guī)劃局工作人員相繼收到張灣區(qū)幸福小區(qū)滑坡體后側(cè)地表裂縫監(jiān)測站發(fā)送的位移變形預警短信82條,數(shù)據(jù)顯示滑坡正在快速變形。在收到第一條報警信息后,該市自然資源和規(guī)劃局第一時間趕赴滑坡現(xiàn)場,會同地方黨委政府緊急撤離滑坡體前受威脅的8戶32人。08：17,滑坡后緣約2 000 m3土體發(fā)生下滑,最大下挫高度達4 m,同時約1 000余立方米土體下滑至坡腳,堆積在房屋后側(cè)。因預警及時,處置得當,此次滑坡未造成人員傷亡和重大經(jīng)濟損失。

3.3 監(jiān)測預警分析

幸福小區(qū)滑坡自動化專業(yè)監(jiān)測裂縫報警器監(jiān)測滑坡變形滑移數(shù)據(jù)如表1。

表1 幸福小區(qū)滑坡自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Statistics of landslide automatic monitoring data in Xingfu District

由此可得幸福小區(qū)滑坡累計位移—時間曲線(圖2)。

從滑坡累計位移—時間曲線來看,該滑坡屬漸變型滑坡類型[1],基本滿足初始變形、勻速變形、加速變形及急劇變形這一完整的滑坡變形過程[2],但因受強降雨影響嚴重,導致滑坡的變形階段驟縮,滑坡從初始變形啟動到發(fā)生滑塌,整個過程僅103 min,初始變形過程僅持續(xù)幾分鐘。

以往對于滑坡變形階段的研究以及預警閾值的設定主要以日平均變形量來考慮[3],其適用于較大規(guī)?；抡w穩(wěn)定性預警預報,而十堰境內(nèi)大量分布的幾千或萬余立方米的小型滑坡,受強降雨誘發(fā)因素影響強烈,滑塌啟動快、突發(fā)性強,其監(jiān)測預警頻次應適當增加,預警閾值的設定需考慮以小時為單位,必要時以分鐘為宜。

對滑坡變形過程中位移變化量、速率與時間的關(guān)系進行分析,得出以下曲線(圖3)。

圖2 幸福小區(qū)滑坡累計位移—時間曲線
Fig.2 Accumulated displacement—time curve of landslide in Xingfu District

圖3 幸福小區(qū)滑坡位移變化量、速率隨時間變化曲線
Fig.3 Curve of displacement and velocity of landslide with time in Xingfu District

結(jié)合滑坡累計位移—時間曲線以及位移變化量、速率隨時間變化曲線進行分析[4],可得出幸福小區(qū)滑坡變形階段情況如表2。

滑坡處于初始變形階段時長2 min,占比1.94%；

表2 幸福小區(qū)滑坡變形演化過程情況統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of landslide deformation and evolution process in Xingfu District

勻速變形階段50 min,占比48.54%；加速變形階段39 min,占比37.87%；急劇變形階段(滑塌)12 min,占比11.65%。據(jù)此可以得出,對初步變形維持時間短,滑坡快速進入勻速、加速階段的滑動現(xiàn)象需格外防范,此現(xiàn)象可能預示滑坡的整個演化過程非常短,雖演化階段依然保留初始變形、勻速變形、加速變形及急劇變形的過程,但整個演化過程可能只持續(xù)百余分鐘甚至幾十分鐘。

另外,滑坡勻速變形、加速變形兩個階段總時長89 min,占整個滑坡變形過程比例達86.41%。由此可見,滑坡的勻速變形和加速變形階段是緊急處置災險情的關(guān)鍵時期,一旦滑坡進入勻速變形、加速變形階段必須設定相應預警閾值。預警閾值的設定以滑坡變形速率為參照,當變形速率基本保持恒定,處于勻速變形階段時,需發(fā)布一般預警進行提醒防范。一旦變形速率發(fā)生變化且呈增長趨勢,必須發(fā)出緊急預警預報,并立即采取措施加強防治或緊急撤離受威脅人員,避免出現(xiàn)人員傷亡和重大經(jīng)濟損失。

4 結(jié)論及認識

(1) 自動化專業(yè)監(jiān)測預警是今后一段時期地質(zhì)災害預防的重點內(nèi)容,但其規(guī)?；ㄔO必須重點解決以下幾方面問題：①自動化專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)建設、運維費用過高；②監(jiān)測工作受外界影響大,干擾因素多。專業(yè)監(jiān)測受到設備性能、軟件運行效果、人工活動等多因素影響大,特別是數(shù)據(jù)接收后,原始數(shù)據(jù)的結(jié)算、翻譯、轉(zhuǎn)換時常出現(xiàn)系統(tǒng)性錯誤,導致監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示異常,造成不必要的工作負擔；③尚未建立統(tǒng)一的自動化專業(yè)監(jiān)測預警預報規(guī)范或標準,存在重監(jiān)測、輕預警的現(xiàn)象。

(2) 以往對于滑坡變形階段的研究以及預警閾值的設定主要以日平均變形量來考慮,其適用于較大規(guī)模滑坡整體穩(wěn)定性預警預報,而對于十堰境內(nèi)大量分布的幾千或萬余立方米的小型滑坡而言,受強降雨誘發(fā)因素影響強烈,滑塌啟動快、突發(fā)性強,其監(jiān)測預警頻次應適當增加,預警閾值的設定需考慮以小時為單位,必要時以分鐘為宜。

(3) 對于初步變形維持時間短,滑坡快速進入勻速、加速階段的滑動跡象需格外防范,其可能預示滑坡的整個演化過程非常短,雖演化階段依然保留初始變形、勻速變形、加速變形及急劇變形過程,但整個演化過程可能只持續(xù)百余分鐘甚至幾十分鐘。

(4) 滑坡處于勻速變形和加速變形階段期間是緊急處置災險情的關(guān)鍵時期,一旦滑坡進入勻速變形、加速變形階段必須設定相應預警閾值。預警閾值的設定以滑坡變形速率為參照,當變形速率基本保持恒定,處于勻速變形階段時,需發(fā)布一般預警進行提醒防范。一旦變形速率發(fā)生變化且呈增長趨勢,必須發(fā)出緊急預警預報,并立即采取措施加強防治或緊急撤離受威脅人員,避免出現(xiàn)人員傷亡和重大經(jīng)濟損失。