泥石流监测预报预警系统研究

师 哲，张平仓，舒安平

（1.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010；2.北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室，北京 100875）

泥石流监测预报预警系统研究

师 哲1，张平仓1，舒安平2

（1.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010；
2.北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室，北京 100875）

泥石流是一种常见的山地灾害，具有发生突然、历时短暂、来势凶猛和破坏力强等特点。沟谷型泥石流由上而下可分为形成区、流通区和堆积区3个区段。基于泥石流产生、运动、危害的各个阶段的特点，采用雨量遥测、地声遥测、泥位遥测以及有线泥位、冲击力和摄像监测等子系统和综控中心组成泥石流自动化监测系统。系统的各监测站均可自带动力和自动控制，仪器设备集成度高，便于进行各种工况下的野外监测。系统可以快速、准确地监测泥石流灾害，有效降低泥石流的危害性。

泥石流；自动雨量站；超声波泥位计；次声监测仪；监测预报预警系统

1 概 述

泥石流是一种常见的山地灾害，它是含有大量砂石块的特殊山洪，具有发生突然、历时短暂、来势凶猛和破坏力强等特点。我国山地面积广阔，约占全国陆地面积的2／3。由于地势高差大、地质构造发育和岩石破碎，第四纪沉积物深厚，降雨季节性强且暴雨集中，加上人类活动的影响，导致泥石流灾害发生频繁。受泥石流灾害威胁的县城有近百座，每年由泥石流造成的直接经济损失超过20亿元，伤亡人数300人以上，历史上一次致死百人以上的恶性泥石流灾害达数十次，是我国面临的一个重要的生态环境问题和民生问题。

泥石流从其组成来看，主要是水及固体颗粒，属于典型的固液两相流。泥石流固体物质与泥石流的体积比一般为30%～70%，远比一般挟沙水流高。在我国实测到的泥石流最高容重为2.37 t／m3，泥石流中固体物质含量高，且颗粒粒径分布极广，也使泥石流运动特性变得极为复杂。由于泥石流发生在陡峻的山区，运动速度最高可达10 m／s以上。泥石流不仅以惊人的动力作用给山区及河谷地貌造成不同程度的破坏，而且泥石流冲积扇还可将土地演变成荒废的砂石滩地，对区域生态环境造成极大的不良影响。泥石流的危害具有“来势迅猛，影响深远”的特点，因而一直为学术界和工程界所关注［1］。

在泥石流形成条件中，陡峻的地形和一定储量的松散固体物质是泥石流形成的内在因素，一定强度的降雨是激发泥石流的外在动力因素。我国绝大部分泥石流爆发都是由暴雨激发而引起的，由于不同地区的下垫面及产汇流条件差别很大，地形坡度及固体松散物质的性质各异，因此泥石流爆发的临界强度也不同。

泥石流沟大体可分为山坡型及沟谷型。山坡型泥石流虽汇流面积小，泥石流流量不大，但因坡陡、流速快、来势猛，往往几分钟就可造成巨大损失。沟谷型往往有几条支流汇入主沟而组成，流域范围至上而下可分为形成区（由降雨形成的清水供给区和固体物质补给区构成）、流通区和堆积区3个区段。

泥石流基础研究和泥石流区的动态监测必须进行野外现场科学试验观测。传统的泥石流监测预报预警方法是在野外建立简易监测点，采用简易的观测方法，即主要利用人工观测雨量和发生泥石流后预警，检测仪器科技含量不高，方法单一，遇到雷雨天气通讯难以畅通，特别是夜间，监测预警工作很难实施。我国从20世纪60年代就开始研究泥石流的监测技术，而泥石流预报的时间尺度构成了泥石流监测预报的核心。从泥石流发生条件和成灾条件方面考虑，泥石流的监测预报可以分为长期监测预报、中期监测预报、短期监测预报和临监测警报。长期监测预报是数月到数年的趋势预测，一般不太引起人们的注意。中短期预报是气象部门对天气的预报信息，中期预报又可分为季、月、旬、周几种尺度，属于险情监测预报和防灾预报，可以在较长时间范围内提醒人们提前安排好减灾防灾工作。临监测警报即零小时到数小时内的预报，是依据每小时的雨量图、雨势情报、危险前兆、监测仪器制定依据。对城镇、工矿和交通运输部门的泥石流临灾避难与救助有重要意义。然而，现有的各种野外泥石流监测预报预警方法和设备都存在科技含量不高、监测精度差、成果不及时和可靠度不够的缺点［2－4］。因此，亟待提供一种改进的泥石流监测预报预警系统以克服上述缺陷。针对这些问题，2008年长江科学院提出了一种准确、快速、方便、全自动一体化的泥石流监测预报预警系统［5］。它基于泥石流产生、运动、危害的各个阶段的特点，采用雨量遥测、地声遥测、泥位遥测以及有线泥位、冲击力和摄像监测等子系统和综控中心组成泥石流自动化监测系统。它既可以全自动监测预报泥石流的爆发，还能够实时、全程地监测和收集有关泥石流形成、运动规律、灾害程度等多方面的信息数据。该系统可以快速、准确地监测泥石流灾害，及时防护和避险，保障人们的生命和财产安全，有效降低泥石流的危害性。

2 泥石流监测预报预警系统工作原理及构成

2.1 泥石流监测预报预警系统工作原理

为了解决上述技术问题，泥石流自动监测预报预警系统，包括位于泥石流形成区域的至少一个自动雨量监测站、位于泥石流流通区的至少一个次声监测站、布设于监测断面的至少一个泥位监测站以及泥石流辅助监测子系统并与上述各监测站交互的综合控制中心。自动雨量监测站包括太阳能蓄电池、雨量筒和雨量监测报警仪，太阳能蓄电池为雨量监测报警仪和雨量筒供电，雨量监测报警仪通过雨量筒采集雨量信号并将该雨量信号上传。次声监测站包括太阳能蓄电池、次声传感器以及次声数据采集终端，太阳能蓄电池为次声传感器以及次声数据采集终端供电，次声数据采集终端采集次声信号并将其上传。自动泥位监测站包括太阳能蓄电池、接触式和／或非接触式泥位计和泥位数据采集终端，太阳能蓄电池为泥位计和泥位数据采集终端供电，泥位数据采集终端通过泥位计采集泥位数据并将其上传。综合控制中心根据接收到的雨量信号、次声信号和泥位监测预报预警信号，按照事先设定的程序发布不同的预报预警方案。

本系统各监测点子系统采集的灾害信息通过传输网络汇集到综控中心，综控中心是全自动监测系统的中枢部分，负责全部系统的调度控制、子系统的信息收集、数据分析和图表输出等主要任务。中心站对信息进行处理、显示和储存，同级和上级部门可通过网络等各种方式进行实时监控和查询；综控中心可随时访问和修改各子系统的工作状态和系统的各项参数。

当泥石流形成区发生降雨时，雨量监测子系统开始采集雨量数据，并把降雨信息发回综控中心；当降雨量（或雨强）达到和超过泥石流形成的临界雨量值时，首先发出预警预报；随着泥石流形成汇集于支沟，支沟上的地声监测子系统发出第二次报警；当泥石流汇入到主沟的上中游时，位于上中游的泥位遥测子系统被启动，并发出第三次报警信号；最后，辅助监测子系统也进入监测状态。当泥石流达到预定的上下观测断面，并超过临界值时，有线泥位自动发出紧急报警。

在整个过程中，各个子系统都把各种信息数据通过有线或无线方式连续不断地送到综控中心。在综控中心，利用计算机对这些数据进行分析处理，可以实时在线显示曲线过程及数据存储，并根据各监测区域的预报预警信号综合发布预报预警方案。

2.2 泥石流监测预报预警系统构成

系统共由5个部分构成（见图1），即：①综控中心；②自动遥测雨量子系统；③无线地声子系统；④无线泥位子系统；⑤有线泥位接口、冲击力和摄像接口。

图1 泥石流自动监测预报预警系统的构成Fig.1 Automatically monitoring and warning systems of debris flow

雨量自动监测站：核心设备是遥测终端，配置雨量传感器、通讯终端、电源系统及避雷设备，实现雨情信息的自动采集和自动传输，设备运行状态自动上报，系统远程配置和管理。

泥石流次声监测站：配置次声传感器、通讯终端、电源系统及避雷设备，实现泥石流次声信息的自动采集和自动传输。

泥位自动监测站：配置超声泥位计、通讯终端、电源系统及避雷设备，实现泥位超声波信息的自动采集和自动传输，设备运行状态自动上报，系统远程配置和管理。

三类监测站均采用太阳能浮充蓄电池方式供电。因太阳能蓄电池是采用直流供电方式，运用充电控制器进行钳位控制，以防止电压过压或欠压现象，从而保证在至少7 d连续阴雨天气情况下，能维持监测站的工作。

辅助监测仪：配置在流通区域且与综控中心交互的冲击力泥石流监测仪、断线式泥石流监测仪和龙头高度检知线，摄像机中的一种或多种。

3 泥石流监测预报预警系统主要技术特点

泥石流的发生必须具备3个必要条件：物源条件、水源条件和沟床坡度条件。对于暴雨型泥石流而言，降雨不仅是泥石流体的主要组成部分，也是泥石流激发的决定性因素。在同一条泥石流沟中，当无地震等极端事件发生时，流域内沟床条件在一定时期内，可认为是相对稳定的，而降雨条件和固体物质的储备分布在流域内存在一定的时空变化。对某一泥石流沟道，泥石流是否发生，决定于流域内的降雨条件及固体物质的储备和分布状况。因此，在查清沟道内可形成泥石流的松散固体物质的储备及分布的情况下，利用降雨资料预测泥石流是国内外目前通行的一种方法。通过网络配合雨量监测报警系统，根据当地泥石流发生的临界雨量，在一次降雨总量或雨强达到一定指标时立即发出预警报信号。

利用降雨条件对泥石流发生进行预警，关键在于雨量阈值的确定。由于不同流域的水文条件、气象条件、植被条件、地质岩性，泥石流沟的类型等多种因素的影响，雨量阈值不是一个确定的值，对每一条泥石流沟及其每一个雨量监测点都应该进行专门的研究，从而确定出激发泥石流的最小雨量阈值，达到预警的目的。

根据泥石流灾害规模、等级等划分标准以及对已发生过的泥石流灾害状态的调查，结合对定点泥石流沟道的形态参数的实地勘察，分析泥石流规模与致灾规模之间的相互关系，确定泥石流危害程度及其特征参数（如流量、泥位等）之间的对应关系，并将泥位、流量等设计参数输入泥位观测预警预报系统进行试运行，经过对参数的修正后构建泥位预报系统。

3.1 雨量阈值研究

泥石流雨量预警系统主要对泥石流沟进行水源观测，在监测区内布设一定数量的遥测雨量站，及时掌握降雨情况。由于各泥石流沟流域情况、沟道情况、泥石流形成条件和泥石流类型等差异明显，因此在建立泥石流监测预警系统时，需要收集整理基础资料如流域雨量、沟道雨量、邻近地区雨量、水文、灾害资料，并进行流域地形地貌、地质岩性、泥石流类型、源区范围等的考察和资料分析。在合理布设雨量监测站后，对各站的雨量阈值进行分析计算，确定泥石流的临界雨量范围，一旦降雨达到临界雨量，发布泥石流警报。

3.2 泥位阈值研究

从泥位阈值主要影响因素出发，首先通过建立泥位要素与泥石流灾害规模之间的相关关系，然后分析泥位要素与泥石流灾害预警预报警戒级别之间的对应关系，通过实测沟道断面积和数学模型计算，研究确定泥位阈值，最终建立泥位监测预报预警系统。

3.3 泥石流监测预报预警系统实例

宁南县位于四川凉山彝族自治州东南部，坐落在泥石流堆积扇上部，西北、东北、东南三面环山而开口向西南。后山史家沟流域面积1.639 km2，沟长3 670 m，沟头到沟口高差达1 420 m。沟道穿县城而过，汇入金沙江三级支流黑水河，沟道形势见图2。根据《崩塌、滑坡、泥石流监测规程》（DZ／T 0223－2004）、《长江上游滑坡泥石流监测预警系统技术手册》（2007.12），后山泥石流为最重度危险区，监测预警点级别为Ⅰ级。

自动雨量监测：根据雨量站布置原则和沟道实际情况，共布置3台自动雨量监测站。一台设在沟道的卡口，2台放置在泥石流形成区的两侧，分别在水井湾（海拔2 140 m）、官村子（海拔1 670 m）和预警站站房房顶（海拔1 230 m）。

泥石流泥位监测：在流通区上游及监测站房附近各设置监测断面一处，分别采用超声泥位仪和泥位标尺的断面监测方法监测泥位，并在监测站房附近断面进行流速监测。

泥石流次声报警：在距站房1 076 m的V型沟道中泥石流形成区地段安装次声报警仪探头。在山堡上安装次声报警仪发射器和发射天线。

输移和冲淤观测：布设固定的冲淤测量断面，采用测速仪和超声波泥位计进行观测。采取在已建排导槽地段，设置第一、第二固定冲淤测量断面，并结合采用超声波泥位计进行观测。

图2 后山史家沟泥石流沟形势图Fig.2 Houshan Shijiagou debris flow situation

4 结 语

（1）泥石流监测预报预警系统包括泥石流形成区的雨量监测站、流通区的次声监测站、监测断面的泥位监测站、辅助监测仪等以及与之交互的综合控制中心。主要解决的技术问题在于提供一种准确、快速、方便、全自动一体化的测报系统，为泥石流防灾避险提供高质量的临监测警报。该系统能够保证实现不同条件下及早监测泥石流的形成、运动和发展以及提前预报预警，避免泥石流灾害的功能要求，对防灾避灾非常有实用价值。

（2）与现有技术相比，系统可根据发生泥石流区域的具体情况，将各监测站分别在泥石流不同区域布置，使其成为多级泥石流监测预报预警系统。系统运行期间，由雨量监测站、次声监测站和泥位监测站等自动采集有关测量指标数据并将其发送到综合控制中心，综合控制中心实时在线显示曲线过程及数据存储，并根据各监测区域的预报预警信号综合确定发布预报预警方案。

（3）由于本系统的各监测站均可自带动力和自动控制，仪器设备集成度高，便于进行各种工况下的野外监测。而且，由于其采用太阳能蓄电池，并以遥测终端和通讯终端设备实现雨量、次声及泥位的自动采集、传输，在野外情况下采用有人看管、无人值守的管理模式，节省人力资源，保证工作人员的安全。对泥石流的监测精确度高，大大提高了工作效率，具有较大的推广应用价值。

［1］ 费祥俊，舒安平.泥石流运动机理与灾害防治［M］.北京：清华大学出版社，2004.（FEIXiang-jun，SHU Anping.Debris Flow Mechanism and Disaster Prevention［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2004.（in Chinese））

［2］ 崔 鹏，刘世建，谭万沛.中国泥石流监测预报预警研究现状与展望［J］.自然灾害学报，2000，9（2）：10－15.（CUI Peng，LIU Shi-jian，TAN Wan-pei.Progress of debris flow forecast in China［J］.Journal of natural disasters，2000，9（2）：10－15.（in Chinese））

［3］ 刘 飞，陈劲松.山洪诱发的泥石流监测技术研究［R］.中国地质大学（北京），2004.（LIU Fei，CHEN Jin-song.Research on debris flow induced by flush flood monitoring technique［R］.China university of Geosciences，2004.（in Chinese））

［4］ 《长江流域水土保持技术手册》编辑委员会.长江流域水土保持技术手册［M］.北京：中国水利水电出版社，1999.（《Yangtze River soil and water conservation technicalmanual》editorial board.Yangtze River Soil and Water Conservation Technical Manual［M］.Beijing：China Water Power Press，1999.（in Chinese））

［5］ 师 哲，赵 健，刘晓璐，等.长江上游水土保持重点防治区滑坡泥石流预警系统建设项目初步设计报告［R］.武汉：长江科学院，2008.（SHI Zhe，ZHAO Jian，LIU Xiao-lu.Landslide and debris flow early warning system project preliminary design report of soil and water conservation key control district in upper reach of Yangtze River［R］.Wuhan：Yangtze River scientific research institute，2008.（in Chinese））

（编辑：王 慰）

Forecast and Early Warning System for Debris Flow M onitoring

SHIZhe1，ZHANG Ping-cang1，SHU An-ping2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.State Key Laboratory ofWater Environment Simulation，School of Environment，Beijing Normal University，Beijing 100875，China）

Debris flow is a common geo-hazard，with characteristic of suddeness，short duration，ferocious power and strong destruction and so on.From top-down，the gully debris flow can be divided into formation zone，circulation zone and accumulation zone.Based on the characteristics in occurring stage，movement stage and damage stage，a debris flow automaticmonitoring system was composed of several subsystems and an integrated control center.The subsystems included rainfall telemetry，ground acoustic telemetry，mud-position telemetry，wired mud-location，impact force and camera monitoring.Each monitoring station of the system was equipped with power and automatic control.The aparatus has a high integrated level，which is easy to carry out field monitoring under various conditions.The system canmonitor the debris flow quickly and accurately so as to reduce the damage of debris flow

debris flow；automatic rainfall staion；ultrasonic mud gauge；infrasound monitor；forecast and early

S157

A

1001－5485（2010）11－0115－05

2010-09-10

国家“十一五”科技支撑计划项目（2008BAD98B02）；国家自然基金项目（10672125）

师 哲（1964-），男，甘肃会宁人，高级工程师，从事泥沙及水土保持研究，（电话）027-82926391（电子信箱）shizhemail＠126.com。

warning system