泥石流預(yù)警技術(shù)的分類及組織體系

泥石流預(yù)警技術(shù)的分類及組織體系

1泥石流預(yù)警概述山區(qū)的人口幾乎沒有。由于地勢平坦，土壤肥沃，水源豐富，交通便利，泥石流沉積已成為山區(qū)重要遺址的首選。中國大陸有近千座縣級以上城市-包括西寧等省級城市-建在泥石流堆積扇上,受到泥石流的威脅。在中國大陸泥石流每年造成數(shù)百人傷亡,而且隨著極端氣候事件的頻發(fā)及居民區(qū)規(guī)模的增大,泥石流災(zāi)害有愈演愈烈的趨勢。泥石流已經(jīng)成為嚴重制約我國廣大山區(qū)交通運輸、資源開發(fā)、生產(chǎn)發(fā)展、工程安全和生命財產(chǎn)的重要因素。泥石流預(yù)警作為一種非工程措施,可以彌補工程建設(shè)造價高昂或超大規(guī)模泥石流防災(zāi)方面的不足,近年來發(fā)展較為迅速,在泥石流減災(zāi)實踐中也取得了較為顯著的效益。發(fā)生于2010年8月13日四川綿竹市清平鄉(xiāng)文家溝的泥石流就是成功預(yù)警的典型案例,從激發(fā)雨量、泥石流規(guī)模等方面來看,均不亞于2010年8月8日的舟曲三眼峪泥石流,但由于提前預(yù)警,及時轉(zhuǎn)移了人員,最終造成的損失大大小于后者(表1)。目前的研究和實踐中,泥石流預(yù)警的技術(shù)手段盡管多樣,但在不同區(qū)域和不同情況下實施時存在技術(shù)方法選擇困難、減災(zāi)投資與效益難以比較和評價等現(xiàn)實問題,這在一定程度上制約了泥石流預(yù)警的深入研究和防災(zāi)減災(zāi)功能的發(fā)揮。本文初步界定了泥石流預(yù)警的概念,分析了目前常用的各種預(yù)警方法,提出了泥石流預(yù)警技術(shù)的分類及其整合方案,探討了泥石流預(yù)警從設(shè)計方案、具體使用技術(shù)選擇到預(yù)警結(jié)論發(fā)布等環(huán)節(jié)的具體實施方法。旨在有效進行泥石流災(zāi)害監(jiān)測,科學(xué)地進行預(yù)警,充分發(fā)揮減災(zāi)技術(shù)的成效,為泥石流災(zāi)害防治提供切實可行的方法選擇和理論支持。2泥石流預(yù)報的概念早在1970年代,前蘇聯(lián)學(xué)者就提出了泥石流時間預(yù)報、空間預(yù)報、規(guī)模和特征值預(yù)報的概念;日本在同時也對泥石流預(yù)報展開了研究;國內(nèi)譚萬沛第一次對泥石流預(yù)報按時間尺度進行了分類,崔鵬將泥石流預(yù)報按不同的依據(jù)進行了進一步的分類,韋方強系統(tǒng)地提出了泥石流預(yù)報的分類體系,這些研究對泥石流預(yù)警的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響。章書成總結(jié)了一些常用的泥石流暴發(fā)及運動信息的監(jiān)測和判斷技術(shù),并籠統(tǒng)地稱之為泥石流的預(yù)警報;中國鐵道科學(xué)院鐵道建筑研究所提出了泥石流警報這個名詞,劉傳正對其進行了定義,但沒有將其與泥石流預(yù)報的概念進行區(qū)別。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上對泥石流預(yù)報、警報及預(yù)警的概念進行具體界定,并對各概念的內(nèi)涵進行初步闡述。2.1長、中、短期分布泥石流預(yù)報即泥石流暴發(fā)之前做出的泥石流是否暴發(fā)及可能暴發(fā)時間、規(guī)模、危害范圍和強度的判斷。該定義與已往概念最主要的區(qū)別就是將預(yù)報限定為泥石流暴發(fā)之前,其它方面保持傳統(tǒng)定義,如也可分為長、中、短期。預(yù)報內(nèi)容包括泥石流發(fā)生地點、規(guī)模、危害范圍和強度。根據(jù)預(yù)報地點的特征,可分為區(qū)域泥石流預(yù)報和溝谷泥石流預(yù)報。泥石流的區(qū)域預(yù)報是對一個較大區(qū)域內(nèi)泥石流發(fā)生情況的預(yù)報,泥石流單溝預(yù)報是針對具體的某條泥石流溝(坡面)的泥石流活動進行預(yù)報。中、長期預(yù)報確定性差,只能做到泥石流趨勢預(yù)測;泥石流短期預(yù)報一般基于天氣預(yù)報數(shù)據(jù),而天氣預(yù)報本身的可靠度較低,加之涉及的范圍大,準確性也難以得到保證,一般在泥石流的區(qū)域預(yù)報中使用。與之相比較,泥石流的短臨預(yù)報主要基于降水監(jiān)測數(shù)據(jù),具有較好的確定性,可以用于具體溝谷的泥石流預(yù)報。2.2泥石流預(yù)報的提前量泥石流警報是流域上游泥石流暴發(fā)后,通過儀器或人工監(jiān)測泥石流暴發(fā)及其特征的信息,做出的泥石流可能到達承災(zāi)區(qū)的時間、規(guī)模和危害的判斷。泥石流警報的信息來源為泥石流暴發(fā)和活動過程的監(jiān)測,而泥石流預(yù)報則主要監(jiān)測泥石流暴發(fā)之前的激發(fā)因素,這是二者最根本的區(qū)別。從監(jiān)測到泥石流暴發(fā)或運動信息到泥石流到達危害區(qū)的時間稱之為泥石流警報的提前量,也就是泥石流從監(jiān)測點運動到危害區(qū)所需要的時間。警報的提前量是提供給危害區(qū)人員應(yīng)對泥石流災(zāi)害的時間,因為上游泥石流已經(jīng)發(fā)生,這個時間一般很短,但它卻為減少人員傷亡提供了難得的時間保障。2.3減少危險區(qū)的災(zāi)害,減輕社會災(zāi)害泥石流預(yù)警是泥石流預(yù)報和警報的統(tǒng)稱。泥石流預(yù)警做為一項重要的非工程減災(zāi)措施,通過判斷泥石流發(fā)生的時間、地點、規(guī)模、危害范圍以及可能造成的損失,使危險區(qū)的居民及時得到預(yù)警信息,積極采取預(yù)防措施,達到保障人民生命財產(chǎn)安全、減輕災(zāi)害的目的。如前所述,若只考慮目前的預(yù)報效果,泥石流預(yù)報中只有臨災(zāi)預(yù)報可能達到確定性預(yù)報,因此在一般泥石流預(yù)警工作中也主要指泥石流的臨災(zāi)預(yù)報和警報,這與譚萬沛的定義是一致的。3專業(yè)預(yù)警和簡易預(yù)警技術(shù)泥石流預(yù)警技術(shù)指分析判斷泥石流暴發(fā)與否及確定泥石流危害時間、危害范圍及強度的技術(shù)方法。根據(jù)所采用儀器設(shè)備和分析方法可以分為專業(yè)預(yù)警技術(shù)和簡易預(yù)警技術(shù)兩類(表2)。泥石流簡易預(yù)警主要靠人工觀測或借助于簡單設(shè)備的人工觀測為主,對規(guī)模和危害程度的判斷也主要依靠觀測者的經(jīng)驗。泥石流專業(yè)預(yù)警所使用的設(shè)備精度、分辨率、自動化程度等較高,對規(guī)模和危害程度的判斷多通過根據(jù)物理原理或統(tǒng)計分析建立的模型進行。3.1泥石流萌發(fā)的東南角泥石流簡易預(yù)警技術(shù)的信息通過巡視、人工觀測或借助于簡單儀器的人工觀測手段得到,包括降水、徑流、泥石流活動等信息。根據(jù)經(jīng)驗或使用簡單工具判斷降水量及降雨強度、溝內(nèi)徑流等情況,發(fā)現(xiàn)和判斷泥石流暴發(fā)的前兆。泥石流暴發(fā)的前兆現(xiàn)象包括在暴雨或大雨條件下發(fā)生崩塌、滑坡堵斷溝谷的現(xiàn)象,流域內(nèi)發(fā)出強烈的泥腥味,雷鳴般的巨響,夜間發(fā)出閃電般的火花,長流水溝突然斷流等現(xiàn)象。泥石流簡易預(yù)警技術(shù)使用的工具和判斷方法簡單易行,容易掌握,在目前中國的泥石流減災(zāi)實踐中起著重要作用。但簡易預(yù)警技術(shù)的監(jiān)測與判斷多通過人的主觀經(jīng)驗,預(yù)警的準確性較差。3.2專業(yè)泥石流預(yù)警技術(shù)3.2.1泥石流預(yù)報模型的研究現(xiàn)狀泥石流專業(yè)預(yù)報技術(shù)目前主要針對暴雨泥石流,從所依據(jù)的原理可分為統(tǒng)計學(xué)模型和機理型模型,因泥石流的起動機理研究目前還處于探索階段,預(yù)報還是以統(tǒng)計模型為主。西班牙JordiCorominas等通過分析東比利牛斯山Llobregat河附近的降雨資料和泥石流發(fā)生的關(guān)系,得出在無前期降雨條件和有前期降雨的條件下的臨界雨量值;PietroAleotti以意大利西北部PiedmontRegion為例,通過研究降水事件與泥石流發(fā)生之間的統(tǒng)計關(guān)系,確定了該區(qū)導(dǎo)致泥石流發(fā)生的降水閾值。CrozierandEyles提出了“前期日降雨經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀庇糜谔囟ń涤陾l件下泥石流災(zāi)害事件的發(fā)生概率的預(yù)報并經(jīng)過ThomasGlade等人的驗證。F.G.Bell等建立了南非Durban地區(qū)臨界降雨系數(shù),并考慮了前期累計降雨量對泥石流起動的影響;美國國家氣象局(NWS)和美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)從1986—1995年在舊金山海灣地區(qū)合作進行了泥石流災(zāi)害早期預(yù)警系統(tǒng)的試運行工作,在降雨定量評價和預(yù)報方面取得了顯著的進步,比較成功地開發(fā)出泥石流預(yù)報災(zāi)害的模型。國內(nèi)也出現(xiàn)了一些較為成熟的基于降水監(jiān)測的泥石流預(yù)報模型,如蔣家溝泥石流預(yù)報模型、鐵道部西南分院的泥石流組合預(yù)報模型、北京山區(qū)山洪泥石流預(yù)報模型等。國內(nèi)外泥石流預(yù)報模型都是研究者在長期野外監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上建立的,在所在的實驗區(qū)得到了較為理想的使用,體現(xiàn)著前人的聰明才智和工作積累?？上У氖沁@些模型的推廣應(yīng)用還存在一些欠缺。部分模型在建立之初考慮了推廣的可能,有的甚至給出了推廣使用的具體方法,如陳精日的蔣家溝泥石流預(yù)報模型不僅給出了模型的表達式,而且對其中參數(shù)在不同區(qū)域如何獲取也提供了思路;鐵道部西南分院的泥石流組合預(yù)報模型也給出了推廣應(yīng)用的方法。通過查閱文獻了解到,目前還沒有報道這些方法推廣使用的范例,也就不清楚是否得到過有效的驗證,很難判斷其推廣的可行性和改進途徑。因而,在實際使用中如何判斷和確定各類預(yù)報模型的適用性,依然是值得探討的問題。由于蔣家溝是典型的降雨泥石流,暴發(fā)頻繁,過程完整,而且對該溝泥石流已經(jīng)進行了長達50余年的觀測,蔣家溝泥石流預(yù)報模型是在全國多個泥石流觀測站觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,借鑒國內(nèi)外已有模型而建立的,可以作為降雨泥石流預(yù)報模型推廣的候選模型。同時,為了滿足更精細的分級預(yù)報要求,對該模型進行了一些改進。蔣家溝泥石流預(yù)報模型是根據(jù)云南東川蔣家溝、西藏波密古鄉(xiāng)溝和加馬其美溝、甘肅武都火燒溝、四川西昌黑沙河和攀枝花三灘溝等流域大量、長系列的觀測數(shù)據(jù)提出的,可考慮用于全國范圍內(nèi)降雨型單溝泥石流的預(yù)報,其模型的表達式如式(1)。式中:R10為激發(fā)泥石流所需的10min雨量;A為沒有前期降水量土壤干燥條件下激發(fā)泥石流所需的10min降雨量;P*為補給物質(zhì)達到飽和時所需的雨量;C為前期降雨量使補給物質(zhì)達到飽和時泥石流暴發(fā)所需10min雨量;Rt為泥石流發(fā)生時刻前的當日降雨;為泥石流發(fā)生前20d內(nèi)的有效降雨,i=1,2,…,20,Ri為泥石流發(fā)生前i天降雨量,K為遞減系數(shù)。泥石流發(fā)生前20d各天雨量、泥石流發(fā)生時刻當日降雨量Rt通過降雨監(jiān)測獲得;土壤干燥條件下激發(fā)泥石流所需的10min降雨量A和前期降雨量使補給物質(zhì)達到飽和時泥石流暴發(fā)所需10min雨量C,通過歷史泥石流活動的實際監(jiān)測獲得;前期降雨量使補給物質(zhì)達到飽和時的前期雨量P*,通過實際監(jiān)測或?qū)嶒灥姆椒ǐ@取;遞減系數(shù)根據(jù)實際降雨監(jiān)測或?qū)嶒灁?shù)據(jù)取值,一般為0.5~0.9,也可根據(jù)當?shù)馗稍锒葏⒖急?確定。3.2.2泥石流中監(jiān)測儀器的設(shè)置和使用前蘇聯(lián)早在1970年代就開始利用地震傳感器進行泥石流警報;通過接觸式探測器或檢知設(shè)備測定泥石流泥位并進行警報的技術(shù)也在同一時代誕生,由前蘇聯(lián)和日本最早開始使用;中國也在1980年開始陸續(xù)成功研制了超聲波泥位警報器、泥石流地聲警報器、泥石流次聲警報器等多種泥石流警報儀器。使用泥位監(jiān)測儀進行泥石流警報時,要在溝谷的流通區(qū)設(shè)置監(jiān)測斷面,選定距保護對象有一定距離、且比較順直的溝道作為監(jiān)測斷面,對選定的監(jiān)測斷面根據(jù)需要進行斷面修整、溝床固化等工程處理后布置監(jiān)測設(shè)備。因泥石流破壞性強,需要選擇非接觸式的監(jiān)測儀器。目前泥石流泥位監(jiān)測主要通過超聲波、激光等非接觸式測距儀器測量。泥石流泥位監(jiān)測所用儀器應(yīng)能監(jiān)測到泥位和時刻,并能夠在線實時傳輸,測量精度不應(yīng)小于實際泥位的1/10。用于監(jiān)測泥石流的設(shè)備還有泥石流次聲警報器、泥石流地聲警報器等。這類儀器專為泥石流警報開發(fā),針對性強,具有一定的實用性,但受研究水平和安裝條件等的限制,準確性還有待于提高。泥石流警報的可靠性高,但能夠提供的避災(zāi)時間短,另外各種警報儀器在使用上都有其限制條件,如泥位儀、地聲探測儀等儀器多要靠近泥石流溝谷,易遭受泥石流損壞,次聲探測儀又受研究水平所限,誤報率較高。在儀器選擇上一般綜合考慮,組合使用,最大限度地提高預(yù)警準確度,減少漏報和誤報。4單一技術(shù)組合預(yù)警信息事關(guān)重大,必須提高預(yù)警的準確性,降低誤報和漏報。漏報會造成巨大的人員和財產(chǎn)損失,這是易于理解的;其實誤報產(chǎn)生的后果也是相當嚴重的,特別是多次誤報,可能造成社會恐慌和人力財力的浪費,而且會使民眾對預(yù)警信息產(chǎn)生不信任,以至于發(fā)布的準確預(yù)警信息得不到重視,造成巨大損失。由于自然條件的差異和技術(shù)的局限,單一的預(yù)警技術(shù)難以滿足減災(zāi)需求,為提高預(yù)警的準確性,需要將多種技術(shù)組合起來使用。本文把多種預(yù)警技術(shù)的組合方式稱為泥石流預(yù)警的組織體系。根據(jù)所使用的觀測技術(shù)及分析判斷方法的專業(yè)水平,將泥石流預(yù)警的組織體系分為:群測群防預(yù)警體系、群專結(jié)合預(yù)警體系和專業(yè)預(yù)警體系。本文以危害區(qū)險情級別即保護對象的重要性為標準,使之與泥石流預(yù)警的組織體系相對應(yīng)(表5)。4.1簡易儀器預(yù)警群測群防預(yù)警體系主要用于小型險情的泥石流預(yù)警。其預(yù)警技術(shù)以簡易方法為主,預(yù)警信息獲取主要采用人工巡查和人工巡查與簡易儀器相結(jié)合的監(jiān)測方法,預(yù)警結(jié)論主要通過主觀經(jīng)驗判斷得出。4.2工簡易監(jiān)測預(yù)警相結(jié)合監(jiān)測群專結(jié)合的預(yù)警體系主要用于中型或大型險情的泥石流預(yù)警,采用專業(yè)和人工簡易監(jiān)測預(yù)警相結(jié)合的方法,監(jiān)測點一般布置1~3個,泥石流監(jiān)測內(nèi)容要包括雨量和泥位監(jiān)測,預(yù)警信息主要通過專業(yè)儀器監(jiān)測獲取,也可輔以人工簡易監(jiān)測;監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸、處理及預(yù)警結(jié)論的判斷以專業(yè)預(yù)警技術(shù)為主。4.3模型的計算和判斷專業(yè)預(yù)警體系主要用于大型、特大型險情的泥石流預(yù)警,數(shù)據(jù)應(yīng)實時傳輸,使用專用模型進行計算和判斷。監(jiān)測點布置3個以上,泥石流的監(jiān)測內(nèi)容主要包括雨量和泥石流泥位監(jiān)測。預(yù)警信息由專業(yè)儀器監(jiān)測獲取,監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)在線實時傳輸,建立各監(jiān)測點的預(yù)警判據(jù)進行實時計算判斷,進行預(yù)報和警報,并實現(xiàn)分級預(yù)警。5泥石流情報信息預(yù)警預(yù)警結(jié)果可分為紅、橙、黃、藍4級。由于降雨預(yù)報的準確性還比較較低,以降水預(yù)報為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的泥石流預(yù)報最高發(fā)布橙色預(yù)警,泥石流紅色預(yù)警的預(yù)報基礎(chǔ)必須為實際監(jiān)測的降水數(shù)據(jù)。泥石流警報是在泥石流暴發(fā)后探測到的暴發(fā)及運動信息,是一個確定性的信息,若信息判斷無誤,則說明上游肯定暴發(fā)了泥石流,因而,泥石流警報結(jié)論均發(fā)布紅色預(yù)警信息。建議的各級預(yù)警的發(fā)布時機、應(yīng)對措施及發(fā)布部門見表6。做出預(yù)警結(jié)論后應(yīng)進行校驗和分析,確定無誤再根據(jù)確定的險情等級上報和發(fā)布數(shù)據(jù)。預(yù)警結(jié)果的發(fā)布應(yīng)通過相關(guān)主管部門的審批或授權(quán)。紅色以下級別預(yù)警信息發(fā)出后應(yīng)繼續(xù)監(jiān)測,并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整預(yù)警等級。6泥石流區(qū)域預(yù)警模型鑒于泥石流預(yù)警所依賴的信息,本文將其分為預(yù)報和警報兩類。泥石流預(yù)報所依賴的信息是激發(fā)泥石流的相關(guān)因素,鑒于暴雨泥石流預(yù)報危害最為嚴重,研究也最為深入,本文著重討論了暴雨泥石流的預(yù)報。實際上其它類型的泥石流也可以預(yù)報,如冰雪融水泥石流有可能根據(jù)氣溫預(yù)測或監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)報