泥石流预警技术的分类及组织体系

泥石流预警技术的分类及组织体系

1泥石流预警概述山区的人口几乎没有。由于地势平坦，土壤肥沃，水源丰富，交通便利，泥石流沉积已成为山区重要遗址的首选。中国大陆有近千座县级以上城市-包括西宁等省级城市-建在泥石流堆积扇上,受到泥石流的威胁。在中国大陆泥石流每年造成数百人伤亡,而且随着极端气候事件的频发及居民区规模的增大,泥石流灾害有愈演愈烈的趋势。泥石流已经成为严重制约我国广大山区交通运输、资源开发、生产发展、工程安全和生命财产的重要因素。泥石流预警作为一种非工程措施,可以弥补工程建设造价高昂或超大规模泥石流防灾方面的不足,近年来发展较为迅速,在泥石流减灾实践中也取得了较为显著的效益。发生于2010年8月13日四川绵竹市清平乡文家沟的泥石流就是成功预警的典型案例,从激发雨量、泥石流规模等方面来看,均不亚于2010年8月8日的舟曲三眼峪泥石流,但由于提前预警,及时转移了人员,最终造成的损失大大小于后者(表1)。目前的研究和实践中,泥石流预警的技术手段尽管多样,但在不同区域和不同情况下实施时存在技术方法选择困难、减灾投资与效益难以比较和评价等现实问题,这在一定程度上制约了泥石流预警的深入研究和防灾减灾功能的发挥。本文初步界定了泥石流预警的概念,分析了目前常用的各种预警方法,提出了泥石流预警技术的分类及其整合方案,探讨了泥石流预警从设计方案、具体使用技术选择到预警结论发布等环节的具体实施方法。旨在有效进行泥石流灾害监测,科学地进行预警,充分发挥减灾技术的成效,为泥石流灾害防治提供切实可行的方法选择和理论支持。2泥石流预报的概念早在1970年代,前苏联学者就提出了泥石流时间预报、空间预报、规模和特征值预报的概念;日本在同时也对泥石流预报展开了研究;国内谭万沛第一次对泥石流预报按时间尺度进行了分类,崔鹏将泥石流预报按不同的依据进行了进一步的分类,韦方强系统地提出了泥石流预报的分类体系,这些研究对泥石流预警的发展产生了很大的影响。章书成总结了一些常用的泥石流暴发及运动信息的监测和判断技术,并笼统地称之为泥石流的预警报;中国铁道科学院铁道建筑研究所提出了泥石流警报这个名词,刘传正对其进行了定义,但没有将其与泥石流预报的概念进行区别。本文在前人研究成果的基础上对泥石流预报、警报及预警的概念进行具体界定,并对各概念的内涵进行初步阐述。2.1长、中、短期分布泥石流预报即泥石流暴发之前做出的泥石流是否暴发及可能暴发时间、规模、危害范围和强度的判断。该定义与已往概念最主要的区别就是将预报限定为泥石流暴发之前,其它方面保持传统定义,如也可分为长、中、短期。预报内容包括泥石流发生地点、规模、危害范围和强度。根据预报地点的特征,可分为区域泥石流预报和沟谷泥石流预报。泥石流的区域预报是对一个较大区域内泥石流发生情况的预报,泥石流单沟预报是针对具体的某条泥石流沟(坡面)的泥石流活动进行预报。中、长期预报确定性差,只能做到泥石流趋势预测;泥石流短期预报一般基于天气预报数据,而天气预报本身的可靠度较低,加之涉及的范围大,准确性也难以得到保证,一般在泥石流的区域预报中使用。与之相比较,泥石流的短临预报主要基于降水监测数据,具有较好的确定性,可以用于具体沟谷的泥石流预报。2.2泥石流预报的提前量泥石流警报是流域上游泥石流暴发后,通过仪器或人工监测泥石流暴发及其特征的信息,做出的泥石流可能到达承灾区的时间、规模和危害的判断。泥石流警报的信息来源为泥石流暴发和活动过程的监测,而泥石流预报则主要监测泥石流暴发之前的激发因素,这是二者最根本的区别。从监测到泥石流暴发或运动信息到泥石流到达危害区的时间称之为泥石流警报的提前量,也就是泥石流从监测点运动到危害区所需要的时间。警报的提前量是提供给危害区人员应对泥石流灾害的时间,因为上游泥石流已经发生,这个时间一般很短,但它却为减少人员伤亡提供了难得的时间保障。2.3减少危险区的灾害,减轻社会灾害泥石流预警是泥石流预报和警报的统称。泥石流预警做为一项重要的非工程减灾措施,通过判断泥石流发生的时间、地点、规模、危害范围以及可能造成的损失,使危险区的居民及时得到预警信息,积极采取预防措施,达到保障人民生命财产安全、减轻灾害的目的。如前所述,若只考虑目前的预报效果,泥石流预报中只有临灾预报可能达到确定性预报,因此在一般泥石流预警工作中也主要指泥石流的临灾预报和警报,这与谭万沛的定义是一致的。3专业预警和简易预警技术泥石流预警技术指分析判断泥石流暴发与否及确定泥石流危害时间、危害范围及强度的技术方法。根据所采用仪器设备和分析方法可以分为专业预警技术和简易预警技术两类(表2)。泥石流简易预警主要靠人工观测或借助于简单设备的人工观测为主,对规模和危害程度的判断也主要依靠观测者的经验。泥石流专业预警所使用的设备精度、分辨率、自动化程度等较高,对规模和危害程度的判断多通过根据物理原理或统计分析建立的模型进行。3.1泥石流萌发的东南角泥石流简易预警技术的信息通过巡视、人工观测或借助于简单仪器的人工观测手段得到,包括降水、径流、泥石流活动等信息。根据经验或使用简单工具判断降水量及降雨强度、沟内径流等情况,发现和判断泥石流暴发的前兆。泥石流暴发的前兆现象包括在暴雨或大雨条件下发生崩塌、滑坡堵断沟谷的现象,流域内发出强烈的泥腥味,雷鸣般的巨响,夜间发出闪电般的火花,长流水沟突然断流等现象。泥石流简易预警技术使用的工具和判断方法简单易行,容易掌握,在目前中国的泥石流减灾实践中起着重要作用。但简易预警技术的监测与判断多通过人的主观经验,预警的准确性较差。3.2专业泥石流预警技术3.2.1泥石流预报模型的研究现状泥石流专业预报技术目前主要针对暴雨泥石流,从所依据的原理可分为统计学模型和机理型模型,因泥石流的起动机理研究目前还处于探索阶段,预报还是以统计模型为主。西班牙JordiCorominas等通过分析东比利牛斯山Llobregat河附近的降雨资料和泥石流发生的关系,得出在无前期降雨条件和有前期降雨的条件下的临界雨量值;PietroAleotti以意大利西北部PiedmontRegion为例,通过研究降水事件与泥石流发生之间的统计关系,确定了该区导致泥石流发生的降水阈值。CrozierandEyles提出了“前期日降雨经验模型”用于特定降雨条件下泥石流灾害事件的发生概率的预报并经过ThomasGlade等人的验证。F.G.Bell等建立了南非Durban地区临界降雨系数,并考虑了前期累计降雨量对泥石流起动的影响;美国国家气象局(NWS)和美国地质调查局(USGS)从1986—1995年在旧金山海湾地区合作进行了泥石流灾害早期预警系统的试运行工作,在降雨定量评价和预报方面取得了显著的进步,比较成功地开发出泥石流预报灾害的模型。国内也出现了一些较为成熟的基于降水监测的泥石流预报模型,如蒋家沟泥石流预报模型、铁道部西南分院的泥石流组合预报模型、北京山区山洪泥石流预报模型等。国内外泥石流预报模型都是研究者在长期野外监测和数据分析的基础上建立的,在所在的实验区得到了较为理想的使用,体现着前人的聪明才智和工作积累。可惜的是这些模型的推广应用还存在一些欠缺。部分模型在建立之初考虑了推广的可能,有的甚至给出了推广使用的具体方法,如陈精日的蒋家沟泥石流预报模型不仅给出了模型的表达式,而且对其中参数在不同区域如何获取也提供了思路;铁道部西南分院的泥石流组合预报模型也给出了推广应用的方法。通过查阅文献了解到,目前还没有报道这些方法推广使用的范例,也就不清楚是否得到过有效的验证,很难判断其推广的可行性和改进途径。因而,在实际使用中如何判断和确定各类预报模型的适用性,依然是值得探讨的问题。由于蒋家沟是典型的降雨泥石流,暴发频繁,过程完整,而且对该沟泥石流已经进行了长达50余年的观测,蒋家沟泥石流预报模型是在全国多个泥石流观测站观测数据的基础上,借鉴国内外已有模型而建立的,可以作为降雨泥石流预报模型推广的候选模型。同时,为了满足更精细的分级预报要求,对该模型进行了一些改进。蒋家沟泥石流预报模型是根据云南东川蒋家沟、西藏波密古乡沟和加马其美沟、甘肃武都火烧沟、四川西昌黑沙河和攀枝花三滩沟等流域大量、长系列的观测数据提出的,可考虑用于全国范围内降雨型单沟泥石流的预报,其模型的表达式如式(1)。式中:R10为激发泥石流所需的10min雨量;A为没有前期降水量土壤干燥条件下激发泥石流所需的10min降雨量;P*为补给物质达到饱和时所需的雨量;C为前期降雨量使补给物质达到饱和时泥石流暴发所需10min雨量;Rt为泥石流发生时刻前的当日降雨;为泥石流发生前20d内的有效降雨,i=1,2,…,20,Ri为泥石流发生前i天降雨量,K为递减系数。泥石流发生前20d各天雨量、泥石流发生时刻当日降雨量Rt通过降雨监测获得;土壤干燥条件下激发泥石流所需的10min降雨量A和前期降雨量使补给物质达到饱和时泥石流暴发所需10min雨量C,通过历史泥石流活动的实际监测获得;前期降雨量使补给物质达到饱和时的前期雨量P*,通过实际监测或实验的方法获取;递减系数根据实际降雨监测或实验数据取值,一般为0.5~0.9,也可根据当地干燥度参考表3确定。3.2.2泥石流中监测仪器的设置和使用前苏联早在1970年代就开始利用地震传感器进行泥石流警报;通过接触式探测器或检知设备测定泥石流泥位并进行警报的技术也在同一时代诞生,由前苏联和日本最早开始使用;中国也在1980年开始陆续成功研制了超声波泥位警报器、泥石流地声警报器、泥石流次声警报器等多种泥石流警报仪器。使用泥位监测仪进行泥石流警报时,要在沟谷的流通区设置监测断面,选定距保护对象有一定距离、且比较顺直的沟道作为监测断面,对选定的监测断面根据需要进行断面修整、沟床固化等工程处理后布置监测设备。因泥石流破坏性强,需要选择非接触式的监测仪器。目前泥石流泥位监测主要通过超声波、激光等非接触式测距仪器测量。泥石流泥位监测所用仪器应能监测到泥位和时刻,并能够在线实时传输,测量精度不应小于实际泥位的1/10。用于监测泥石流的设备还有泥石流次声警报器、泥石流地声警报器等。这类仪器专为泥石流警报开发,针对性强,具有一定的实用性,但受研究水平和安装条件等的限制,准确性还有待于提高。泥石流警报的可靠性高,但能够提供的避灾时间短,另外各种警报仪器在使用上都有其限制条件,如泥位仪、地声探测仪等仪器多要靠近泥石流沟谷,易遭受泥石流损坏,次声探测仪又受研究水平所限,误报率较高。在仪器选择上一般综合考虑,组合使用,最大限度地提高预警准确度,减少漏报和误报。4单一技术组合预警信息事关重大,必须提高预警的准确性,降低误报和漏报。漏报会造成巨大的人员和财产损失,这是易于理解的;其实误报产生的后果也是相当严重的,特别是多次误报,可能造成社会恐慌和人力财力的浪费,而且会使民众对预警信息产生不信任,以至于发布的准确预警信息得不到重视,造成巨大损失。由于自然条件的差异和技术的局限,单一的预警技术难以满足减灾需求,为提高预警的准确性,需要将多种技术组合起来使用。本文把多种预警技术的组合方式称为泥石流预警的组织体系。根据所使用的观测技术及分析判断方法的专业水平,将泥石流预警的组织体系分为:群测群防预警体系、群专结合预警体系和专业预警体系。本文以危害区险情级别即保护对象的重要性为标准,使之与泥石流预警的组织体系相对应(表5)。4.1简易仪器预警群测群防预警体系主要用于小型险情的泥石流预警。其预警技术以简易方法为主,预警信息获取主要采用人工巡查和人工巡查与简易仪器相结合的监测方法,预警结论主要通过主观经验判断得出。4.2工简易监测预警相结合监测群专结合的预警体系主要用于中型或大型险情的泥石流预警,采用专业和人工简易监测预警相结合的方法,监测点一般布置1~3个,泥石流监测内容要包括雨量和泥位监测,预警信息主要通过专业仪器监测获取,也可辅以人工简易监测;监测数据的传输、处理及预警结论的判断以专业预警技术为主。4.3模型的计算和判断专业预警体系主要用于大型、特大型险情的泥石流预警,数据应实时传输,使用专用模型进行计算和判断。监测点布置3个以上,泥石流的监测内容主要包括雨量和泥石流泥位监测。预警信息由专业仪器监测获取,监测数据通过网络在线实时传输,建立各监测点的预警判据进行实时计算判断,进行预报和警报,并实现分级预警。5泥石流情报信息预警预警结果可分为红、橙、黄、蓝4级。由于降雨预报的准确性还比较较低,以降水预报为数据基础的泥石流预报最高发布橙色预警,泥石流红色预警的预报基础必须为实际监测的降水数据。泥石流警报是在泥石流暴发后探测到的暴发及运动信息,是一个确定性的信息,若信息判断无误,则说明上游肯定暴发了泥石流,因而,泥石流警报结论均发布红色预警信息。建议的各级预警的发布时机、应对措施及发布部门见表6。做出预警结论后应进行校验和分析,确定无误再根据确定的险情等级上报和发布数据。预警结果的发布应通过相关主管部门的审批或授权。红色以下级别预警信息发出后应继续监测,并根据监测结果调整预警等级。6泥石流区域预警模型鉴于泥石流预警所依赖的信息,本文将其分为预报和警报两类。泥石流预报所依赖的信息是激发泥石流的相关因素,鉴于暴雨泥石流预报危害最为严重,研究也最为深入,本文着重讨论了暴雨泥石流的预报。实际上其它类型的泥石流也可以预报,如冰雪融水泥石流有可能根据气温预测或监测数据进行预报