北京山區(qū)泥石流專業(yè)監(jiān)測技術(shù)要求及實踐

廖海軍

(北京市地質(zhì)災(zāi)害防治研究所，北京 100120)

0 引言

泥石流是山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，指由于降雨等在溝谷或山坡上產(chǎn)生的一種攜帶大量泥沙等固體物質(zhì)的特殊洪流[1]。在重力的驅(qū)動下，泥石流可能會沿著溝谷或河道移動數(shù)公里，并通過漸進夾帶而擴大其規(guī)模[2-4]，具有突發(fā)性和高流動性，因此具有極強的破壞性，常常造成山區(qū)居民群死群傷[5-6]。以北京市為例，據(jù)資料統(tǒng)計，近70 a來泥石流災(zāi)害已造成北京市約530 人死亡，520余人受傷，2萬余間房屋損壞[7]，對當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉa(chǎn)和生活造成極大威脅。

自然資源部明確提出，地質(zhì)災(zāi)害早期識別以及監(jiān)測預(yù)警的核心工作是確定隱患點的位置以及災(zāi)害發(fā)生的時間[8]。北京山區(qū)溝谷眾多，如何從龐雜的泥石流隱患溝中挑選出需要監(jiān)測的泥石流溝，并選擇合理的方法以及合適可靠的地點進行監(jiān)測，是泥石流監(jiān)測預(yù)警的關(guān)鍵[9]。本文以北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)兩期工程建設(shè)中的實踐工作為基礎(chǔ)，根據(jù)北京山區(qū)泥石流發(fā)育特點[10-11]，對泥石流監(jiān)測點的勘選工作進行了分析和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合前人研究工作[12]提出了北京市監(jiān)測預(yù)警泥石流溝的選取標(biāo)準(zhǔn)，為泥石流監(jiān)測預(yù)警的前期選點提供思路和方法。

1 研究區(qū)概況

1.1 泥石流規(guī)模及空間分布規(guī)律

北京市泥石流數(shù)量多而規(guī)模小，分布面積廣而不均，調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：小型泥石流占全部泥石流隱患溝比例的83.2%，中型泥石流占15.6%，大型泥石流僅占1.2%(表1)，無巨型泥石流。

表1 北京市泥石流溝規(guī)模等級統(tǒng)計Tab.1 Statistical table of debris flow vally in Beijing by scale and grade

北京市泥石流分布如圖1。

圖1 北京市泥石流分布Fig.1 Distribution of debris flow in Beijing

研究表明:小型泥石流主要分布在淺山區(qū)(深山與平原的過渡地帶)，該區(qū)域地形切割強烈，溝谷多呈“V”字型，兩側(cè)松散物質(zhì)豐富，為泥石流的潛在物源。中、大型泥石流則零星分布于北部與西部的中山、高山區(qū)，該區(qū)域地形坡度較陡，溝谷狹窄，溝床縱坡大，泥石流溝口與溝頭高差一般為300～500 m，形態(tài)大多呈“V”字型，坡面松散物質(zhì)較少。

1.2 泥石流物質(zhì)組成、發(fā)育形態(tài)及發(fā)育階段

(1)物質(zhì)組成。根據(jù)物質(zhì)組成和顆粒物粒徑大小可將泥石流劃分為泥石流、水石流和泥流3類，泥石流主要由大的塊石、碎石、粗顆粒砂石夾細(xì)顆粒黏性土、粉土組成，顆粒不均，差異較大；水石流主要由塊石、砂粒組成，粒徑大，堆積物分選性較強；泥流主要由較細(xì)粒的黏土粉質(zhì)、泥砂組成，無碎石，呈泥狀，黏性較大。北京市的泥石流以泥石流和水石流為主，前者占63.8%，后者占33.3%，泥流僅占2.9%(表2)。

(2)發(fā)育形態(tài)。北京山區(qū)泥石流以溝谷型為主，約占96.3%，坡面泥石流較少，約3.7%(表2)。溝谷型泥石流流域范圍大小不一，形態(tài)多樣，一般呈扇形或不規(guī)則的長條形，溝源呈半圓形圍谷，溝長坡緩，一般可以較明顯地劃分出泥石流的形成區(qū)(清水區(qū))、流通區(qū)和堆積區(qū)。坡面型泥石流面積一般較小，極少超過0.5 km2，呈斗狀，無流通區(qū)，形成區(qū)與堆積區(qū)直接相連。

表2 北京山區(qū)泥石流類型統(tǒng)計Tab.2 Statistical table of debris flow types in Beijing mountainous area

(3)發(fā)育階段。根據(jù)泥石流的物質(zhì)組成、發(fā)育形態(tài)及堆積物特征可以判斷泥石流的發(fā)育階段，發(fā)現(xiàn)全市處于發(fā)育期的泥石流隱患有274個、處于旺盛期的有97個、處于衰敗期的有418個、處于停歇期的有67個(表2)。

1.3 泥石流活動規(guī)律

根據(jù)歷史泥石流活動資料，可以發(fā)現(xiàn)泥石流的活動周期與極端氣候下的降雨周期基本一致，在時間上基本重合，集中發(fā)生在7月底至8月初，在空間上泥石流的活動區(qū)域隨暴雨中心的移動而改變。

北京山區(qū)近150 a來有歷史記載且比較嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害活動共有26次，其中1867—1949年共發(fā)生泥石流13次，平均6.3 a一次，1949—2021年發(fā)生死亡人數(shù)5人以上的泥石流13次，平均5.5 a一次(表3)。

表3 北京市1949—2021年主要泥石流損失情況統(tǒng)計Tab.3 Statistical table of major debris flow losses in Beijing from 1949 to 2021

2 監(jiān)測對象的選擇及監(jiān)測方法

2.1 監(jiān)測對象的選擇

北京山區(qū)泥石流溝隱患數(shù)量多且具有“小而散”的特點，使得監(jiān)測預(yù)警不可能對每一條泥石流溝進行。如何在數(shù)量眾多的泥石流溝隱患中進行合理的篩選，最終選擇監(jiān)測對象，是監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)工程建設(shè)的首要任務(wù)。對擬監(jiān)測的泥石流溝選擇應(yīng)遵循以下原則。

(1)威脅5人以上居民點和旅游景區(qū)的泥石流溝。北京市泥石流溝按威脅對象的不同可分為6類：居民點、景區(qū)、學(xué)校、道路、礦山及水庫和其他。建設(shè)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)工程的目的是保護人民群眾的生命財產(chǎn)安全，因此從威脅居民點、學(xué)校和旅游景區(qū)等人口聚集區(qū)的泥石流溝中進行選擇，由于北京市山區(qū)沒有泥石流溝威脅中小學(xué)校，故選擇威脅5人以上居民點和旅游景區(qū)的泥石流溝作為監(jiān)測對象。

(2)規(guī)模中型以上及中易發(fā)的泥石流溝。從泥石流溝的規(guī)模來看，全市泥石流溝以小型為主，中型泥石流溝134條，大型泥石流溝10條。相較于小型泥石流溝，中型及大型泥石流溝具有更強的破壞性，因此將中型規(guī)模及以上的泥石流溝全部納入監(jiān)測范圍。同時，走訪當(dāng)?shù)卮迕瘢儐枤v史災(zāi)情或險情，對群眾報災(zāi)的小型泥石流納入監(jiān)測范圍。

從泥石流易發(fā)性來看，本市無高易發(fā)泥石流溝，中易發(fā)泥石流溝223條，低易發(fā)泥石流溝633條。易發(fā)性高低決定了泥石流溝發(fā)生災(zāi)害的頻率，易發(fā)性越高，發(fā)生泥石流的頻率越大，危害性也越大，因此將中易發(fā)的泥石流溝全部納入監(jiān)測范圍。同時征求泥石流溝所在村委會及地方政府對泥石流隱患的監(jiān)測意見，在取得地方政府的同意和支持后，將地方及村民上報的泥石流溝隱患納入監(jiān)測范圍(圖2)。

通過各類資料的篩選和比較，再結(jié)合遙感影像解譯識別結(jié)果，在確定泥石流監(jiān)測溝之后，由勘選人員通過實地踏勘調(diào)查擬監(jiān)測泥石流溝的基本情況，最終確定監(jiān)測目標(biāo)。通過篩選，從全市856條泥石流溝中確定了449條進行監(jiān)測(圖3)。

圖2 北京市泥石流監(jiān)測對象的確定流程Fig.2 Determination of debris flow monitoring objects in Beijing

圖3 北京山區(qū)泥石流溝監(jiān)測位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of monitoring location of debris flow gully in Beijing mountainous area

2.2 監(jiān)測方法

泥石流溝監(jiān)測的方法較多，北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要采用自動遙測法，針對誘發(fā)因素、物理場以及泥石流發(fā)生前或發(fā)生時的特征等進行監(jiān)測(圖4)。

(1)誘發(fā)因素監(jiān)測。誘發(fā)因素監(jiān)測是泥石流溝專業(yè)監(jiān)測中不可缺少的組成部分。由于降水是泥石流災(zāi)害發(fā)生的直接誘因，因此，對泥石流溝內(nèi)的雨量監(jiān)測尤為重要。雨量監(jiān)測采用一體化自動雨量計，雨量數(shù)據(jù)發(fā)送頻率可隨時在后臺進行人工設(shè)置干預(yù)，在汛期或極端天氣下，數(shù)據(jù)采集及發(fā)送時間間隔可根據(jù)需要實時調(diào)整，并通過北斗衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)實時傳送到數(shù)據(jù)中心。

(2)物理場監(jiān)測。泥石流物理場監(jiān)測主要采用次聲監(jiān)測，一體化次聲監(jiān)測儀可以在泥石流災(zāi)害發(fā)生前提前捕捉到次聲信號，有充裕的時間來實現(xiàn)預(yù)警，通知受威脅群眾撤離。

圖4 北京泥石流監(jiān)測主要方法Fig.4 Main methods for febris flow monitoring in Beijing

(3)其他監(jiān)測。泥石流專業(yè)監(jiān)測還可以開展溝域內(nèi)的土壤含水率、泥水位、流速監(jiān)測及視頻監(jiān)控，在汛期因極端天氣多地爆發(fā)險情時，還可以開展應(yīng)急遙感監(jiān)測。

3 監(jiān)測設(shè)備安裝位置要求

3.1 一般要求

在保證設(shè)備安全性、數(shù)據(jù)有效性、環(huán)境適宜性、位置最優(yōu)性的前提下，需要地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)技術(shù)人員對每一處擬安裝設(shè)備點進行實地踏勘，選擇確定最佳監(jiān)測設(shè)備安裝位置(表4)。一般來說，為確保供電、通訊，安裝位置還應(yīng)滿足以下要求：

(1)應(yīng)選在空曠無遮擋、地形平坦的地段，監(jiān)測設(shè)備頂部周圍90°、半徑3.0 m范圍內(nèi)不能有建筑及樹木。

(2)監(jiān)測點南側(cè)無嚴(yán)重遮擋，便于太陽能電池板采光。

(3)需保證通信信號(移動、聯(lián)通、電信)3格及以上，否則只能使用北斗通信。監(jiān)測點正南面45°以上無山體遮擋，否則影響北斗通信成功率。

表4 北京市泥石流溝專業(yè)監(jiān)測設(shè)備點位勘選要求Tab.4 Requirements for site selection of professional monitoring equipment for Beijing debris

3.2 專業(yè)監(jiān)測點具體要求

(1)雨量監(jiān)測點勘選要求。降雨是暴雨型泥石流的直接觸發(fā)因素,雨量監(jiān)測點一般布設(shè)在泥石流溝中、上游(形成區(qū)或清水區(qū))地勢較高處。同時要考慮泥石流流域特征，主溝長度小于3.0 km的安裝一個即可，支溝內(nèi)有松散物源或主溝長度大于3.0 km時，需要在有松散物源的支溝和主溝中不同海拔的位置布設(shè)監(jiān)測點。

(2)土壤含水率監(jiān)測點勘選要求。土壤含水率監(jiān)測點須設(shè)在泥石流溝道中游，在形成區(qū)松散物源厚度較大的穩(wěn)定臺面上，一般厚度大于1.0 m，保證傳感器可以埋設(shè)在同一監(jiān)測斷面地表以下0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m和1.0 m處。

(3)次聲監(jiān)測點勘選要求。次聲監(jiān)測點須布設(shè)在泥石流溝的下游或流通區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)離河道的開闊地帶，避免泥石流發(fā)生造成設(shè)備損毀。對于主溝長度超過3.0 km的溝道，還可以將次聲監(jiān)測儀布設(shè)于泥石流溝的中游溝道開闊地段處，有支溝的泥石流溝還要在物源豐富的支溝中游布設(shè)次聲監(jiān)測點。

(4)泥水位監(jiān)測點勘選要求。泥水位監(jiān)測點須布設(shè)在泥石流堆積區(qū)或溝道中下游，而且只能在有溝谷匯水或“V”字型溝內(nèi)布設(shè)，才能有效采集數(shù)據(jù)。開闊平坦、無法形成集中匯流的泥石流溝不宜布設(shè)泥水位監(jiān)測點。

(5)流速監(jiān)測點勘選要求。流速監(jiān)測點布設(shè)在泥石流溝的流通區(qū)，所選斷面應(yīng)是能代表整個溝谷的典型斷面，不宜過寬，溝內(nèi)如有溝渠處最佳。一旦發(fā)生泥石流，所測到的流速應(yīng)能代表或接近整個泥石流的平均流速。

(6)視頻監(jiān)控點勘選要求。視頻監(jiān)控點須布設(shè)于泥石流溝下游溝谷出口拐彎處高地或突出的高地平臺，通過攝像頭調(diào)節(jié)可以觀察到溝谷中、上游實時情況，也能觀測到出口處的受威脅居民區(qū)，有利于實時察看泥石流發(fā)生時的情況，便于上級領(lǐng)導(dǎo)指揮、決策和調(diào)度。所選點位應(yīng)確保攝像頭至少180°范圍內(nèi)無視野遮擋。

4 泥石流溝監(jiān)測設(shè)備勘選實例

4.1 泥石流基本概況

小梁后溝印子峪泥石流溝流域面積約為2.13 km2，規(guī)模為中型，屬溝谷型泥石流溝。該流域內(nèi)第四系主要為沖洪積形成的卵礫石、沙等，物源儲量為15.41萬m3，單位面積儲量為7.23萬m3/km2，主溝長約2.9 km，溝床坡降比123.02‰，支溝內(nèi)有殘坡積物堆積，泥石流易發(fā)性等級為中易發(fā)。目前，受小梁后溝印子峪泥石流隱患威脅的居民約160人。

4.2 泥石流溝專業(yè)監(jiān)測設(shè)備點位勘選情況

依據(jù)野外勘選監(jiān)測點的原則和要求，結(jié)合小梁后溝印子峪泥石流溝的特征進行監(jiān)測設(shè)備點位勘選、確定。在小梁后溝印子峪主溝內(nèi)共放置泥石流監(jiān)測設(shè)備8臺(表5)，其中一體化自動雨量監(jiān)測站2處、一體化土壤含水率監(jiān)測站2處、一體化次聲監(jiān)測站1處、一體化泥位監(jiān)測站1處、一體化流速監(jiān)測站1處、一體化視頻監(jiān)站控1處(圖5)。

表5 小梁后溝印子峪泥石流溝專業(yè)監(jiān)測設(shè)備點位勘選情況Tab.5 Site selection of professional monitoring equipment for Yinziyu debris flow vally

圖5 小梁后溝印子峪泥石流溝專業(yè)監(jiān)測設(shè)備位置Fig.5 Location map of professional monitoring equipment for Yinziyu debris flow vally

4.3 監(jiān)測情況

(1)監(jiān)測設(shè)備運行基本情況。小梁后溝印子峪泥石流溝內(nèi)的專業(yè)設(shè)備安裝、調(diào)試完成后，自2018年3月15日開始發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)。截止目前，已經(jīng)安全穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)4 a多，通過接收到的數(shù)據(jù)分析來看，各項設(shè)備運行穩(wěn)定、正常，除人為破壞外無設(shè)備損壞或損毀情況。在環(huán)境適宜性、位置最優(yōu)性的監(jiān)測設(shè)備布設(shè)前提要求下，設(shè)備安全性、數(shù)據(jù)有效性得到保證。

(2)數(shù)據(jù)有效性分析。小梁后溝印子峪4 a多來未發(fā)生泥石流災(zāi)害，即使在超長汛期達(dá)122 d、共下79場雨的2021年也未發(fā)生。但通過對2018—2021年主汛期各項監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，小梁后溝印子峪泥石流溝內(nèi)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)完好，一體化雨量監(jiān)測站和土壤含水率數(shù)據(jù)變化較為明顯，尤其是雨量統(tǒng)計，與全市數(shù)據(jù)吻合，有力地證明了設(shè)備運行穩(wěn)定有效(表6)。

表6 2018—2021年北京主汛期(6月1日—9月15日)降雨量Tab.6 Precipitation during the main flood season (Jun.1st—Sep.15th) of Beijing (2018—2021)

2021年主汛期7月12日凌晨3:30分開始的一場降雨，持續(xù)時間長達(dá)30 h。此次降雨時間長，雨強不大，小梁后溝印子峪24 h最大降雨量達(dá)223.6 mm。第一次較大小時雨強發(fā)生在7月12日04:00—05:00，最大小時雨強30.0 mm，由于山區(qū)土壤干旱，土壤含水率在雨后約4 h才達(dá)到32.94%的次高值(圖6)。最大小時雨強39.6 mm發(fā)生在7月12日19:55—20:55，即開始降雨后約16 h，土壤含水率在此時達(dá)到峰值34.91%(圖6)。

圖6 2021年7月12日降雨后印子峪不同深度土壤含水率變化Fig.6 Change of soil moisture content at different depths of Yinziyu after rainfall on July 12,2021

此后雨量逐漸減小，土壤含水率逐漸降低。由于溝谷內(nèi)未形成有效徑流，泥水位和流速均無數(shù)據(jù)，泥石流未發(fā)生，次生儀也未發(fā)送有效數(shù)據(jù)。獲取到的數(shù)據(jù)表明各類專業(yè)監(jiān)測儀器運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常、有效。

5 結(jié)論

結(jié)合在北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)兩期工程建設(shè)中所做工作，對北京市泥石流溝的分布特征及泥石流監(jiān)測溝選擇進行分析，得到以下結(jié)論：

(1)北京山區(qū)泥石流數(shù)量較多，規(guī)模上以小型為主，主要分布在淺山區(qū)；物質(zhì)組成上以泥石流和水石流為主，形態(tài)上主要為溝谷型，發(fā)育階段主要以衰退期為主，其次為發(fā)育期；發(fā)生時間受降雨控制較大，集中在7月底至8月初。選擇危害性大的泥石流溝監(jiān)測是監(jiān)測預(yù)警工作的首要任務(wù)。

(2)建立了根據(jù)泥石流威脅人數(shù)、規(guī)模、易發(fā)性等級及實地調(diào)查情況的確定監(jiān)測泥石流溝的標(biāo)準(zhǔn)，并采用數(shù)據(jù)庫篩選、地方及村民上報、遙感影像核實、野外現(xiàn)場勘選等方法最終從北京市856條泥石流溝中確定了449需要監(jiān)測的泥石流溝。

(3)從誘發(fā)因素、物理場以及泥石流發(fā)生前或發(fā)生時的特征等來實施泥石流溝監(jiān)測，確定專業(yè)監(jiān)測設(shè)備,同時按照監(jiān)測設(shè)備安全性、監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性、監(jiān)測環(huán)境適宜性和監(jiān)測位置最優(yōu)性的原則來最終確定專業(yè)監(jiān)測設(shè)備的安裝位置。通過小梁后溝印子峪泥石流溝專業(yè)監(jiān)測實踐驗證了上述原則、方法和技術(shù)的合理性。