通過對山洪、泥石流、滑坡、以及冰湖堰塞湖等山地災(zāi)害成因和特征的介紹,分析其監(jiān)測預(yù)警理論基礎(chǔ);詳細(xì)論述了山地災(zāi)害判識、評估與預(yù)測預(yù)報,山地災(zāi)害監(jiān)測指標(biāo)與特征閾值等方面內(nèi)容;同時結(jié)合典型監(jiān)測預(yù)警工程介紹了山地災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測預(yù)警體系
目錄
第1章 山地災(zāi)害及其防治 1
1.1 山地災(zāi)害類型、分布及其危害 1
1.1.1 山地災(zāi)害類型 1
1.1.2 山地災(zāi)害分布 3
1.1.3 山地災(zāi)害特點(diǎn) 9
1.2 山地災(zāi)害防治 11
1.2.1 山地災(zāi)害防治工程措施 11
1.2.2 山地災(zāi)害防治非工程措施 11
第2章 山地災(zāi)害形成條件與機(jī)理 13
2.1 山洪形成條件與過程 13
2.1.1 山洪形成條件 13
2.1.2 山洪形成過程 16
2.2 泥石流形成條件與機(jī)理 19
2.2.1 泥石流形成條件及控制因素 19
2.2.2 泥石流形成過程與機(jī)理 28
2.2.3 泥石流運(yùn)動過程 33
2.2.4 泥石流堆積與成災(zāi)過程 37
2.3 冰湖、堰塞湖形成條件與潰決過程 37
2.3.1 冰湖、堰塞湖形成條件 37
2.3.2 冰湖、堰塞湖潰決過程分析 40
2.4 滑坡形成條件與過程 54
2.4.1 滑坡形成條件 54
2.4.2 滑坡形成模式 56
2.4.3 大型滑坡發(fā)育的內(nèi)外動力條件 59
2.4.4 臺灣小林村滑坡機(jī)理分析 74
第3章 山地災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系 78
3.1 山地災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的關(guān)鍵問題 78
3.1.1 監(jiān)測系統(tǒng)壽命與災(zāi)害發(fā)生頻率不匹配 78
3.1.2 災(zāi)害預(yù)警閾值確定困難 79
3.1.3 監(jiān)測設(shè)備及其傳輸功能限制 79
3.2 基于過程的分級多指標(biāo)泥石流監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系 80
3.2.1 早期預(yù)測與實(shí)時監(jiān)測相結(jié)合的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系 80
3.2.2 多監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系 81
3.2.3 監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)分級 82
3.3 山地災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系管理 82
3.3.1 群測群防管理 82
3.3.2 專業(yè)監(jiān)測管理 86
第4章 山地災(zāi)害評估與預(yù)測 88
4.1 山洪災(zāi)害判識與評估 88
4.1.1 山洪災(zāi)害易發(fā)性、危險性評估 89
4.1.2 山洪災(zāi)害早期預(yù)測 93
4.2 泥石流災(zāi)害評估與預(yù)測 94
4.2.1 泥石流溝判識 94
4.2.2 泥石流災(zāi)害易發(fā)性、危險性評估 98
4.2.3 泥石流災(zāi)害預(yù)測 100
4.3 冰湖、堰塞湖潰決危險性評估 113
4.3.1 冰湖潰決危險性評估 113
4.3.2 堰塞湖潰決危險性評估 115
4.4 滑坡判識與危險性評估 116
4.4.1 滑坡識別 116
4.4.2 滑坡的危險性評估 117
第5章 山地災(zāi)害監(jiān)測指標(biāo)與特征閾值 124
5.1 山洪災(zāi)害監(jiān)測指標(biāo)與特征閾值 124
5.2 泥石流災(zāi)害監(jiān)測指標(biāo)與特征閾值 126
5.2.1 泥石流啟動過程指標(biāo)與特征閾值 126
5.2.2 泥石流運(yùn)動過程指標(biāo)與特征閾值 132
5.3 冰湖、堰塞湖災(zāi)害監(jiān)測指標(biāo)與特征閾值 133
5.3.1 冰湖監(jiān)測 133
5.3.2 冰湖預(yù)警 134
5.3.3 堰塞湖監(jiān)測 135
5.4 滑坡監(jiān)測指標(biāo)與特征閾值 136
5.4.1 滑坡監(jiān)測指標(biāo) 136
5.4.2 降雨指標(biāo)與特征閾值 136
5.4.3 變形指標(biāo)與預(yù)警閾值 137
5.4.4 其他指標(biāo)與預(yù)警閾值 138
第6章 山地災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng) 140
6.1 山地災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)架 140
6.2 山地災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)野外數(shù)據(jù)采集站點(diǎn) 142
6.2.1 監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)原則與標(biāo)準(zhǔn) 142
6.2.2 監(jiān)測站點(diǎn)構(gòu)成 144
6.2.3 監(jiān)測頻率 147
6.2.4 數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)技術(shù)指標(biāo)及安裝要求 148
6.3 通信與供能保障 149
6.3.1 通信方式選擇 149
6.3.2 現(xiàn)場監(jiān)測站點(diǎn)供能保障 150
6.4 山地災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及預(yù)警平臺 150
6.4.1 數(shù)據(jù)處理及預(yù)警平臺硬件系統(tǒng) 150
6.4.2 數(shù)據(jù)處理及預(yù)警平臺軟件系統(tǒng) 151
6.5 監(jiān)測預(yù)警新方法 162
第7章 山地災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警實(shí)踐 168
7.1 山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警實(shí)踐 168
7.1.1 四川省都江堰市山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)實(shí)施方案 168
7.1.2 山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警效益分析 175
7.2 泥石流災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警實(shí)踐 176
7.2.1 矮子溝泥石流監(jiān)測預(yù)警實(shí)踐 176
7.2.2 大寨溝泥石流監(jiān)測預(yù)警實(shí)踐 183
7.2.3 某水電站泥石流監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)實(shí)踐 188
7.3 冰湖、堰塞湖災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警實(shí)例 191
7.3.1 冰湖監(jiān)測預(yù)警實(shí)例 191
7.3.2 堰塞湖監(jiān)測預(yù)警實(shí)例 198
7.4 滑坡監(jiān)測預(yù)警實(shí)例 203
7.4.1 樟木滑坡概況 203
7.4.2 樟木滑坡穩(wěn)定性敏感因素分析 204
7.4.3 樟木滑坡深部位移監(jiān)測 205
7.4.4 樟木滑坡地表位移監(jiān)測 211
參考文獻(xiàn) 214
附錄 222
附錄1 監(jiān)測站點(diǎn)現(xiàn)有通信方式 222
附錄2 監(jiān)測站點(diǎn)現(xiàn)有供能方式 224
附錄3 監(jiān)測站點(diǎn)安裝要求 225
靠前章 山地災(zāi)害及其防治
1.1 山地災(zāi)害類型、分布及其危害
山地災(zāi)害為形成于山區(qū)的特有災(zāi)害,其類型包括山洪、泥石流、滑坡、崩塌、冰湖和堰塞湖潰決災(zāi)害等。我國山區(qū)面積約占國土面積的70%,擁有世界屋脊青藏高原,地震頻繁,特別氣候常有發(fā)生,所以我國是世界上山地災(zāi)害分布很廣的國家之一,特別是西南山區(qū)的山地災(zāi)害影響更為深遠(yuǎn),有時災(zāi)害還以鏈狀形式通過跨界河流危害國外,因此需要加強(qiáng)山地災(zāi)害研究。
1.1.1 山地災(zāi)害類型
1.1.1.1 山洪與山洪災(zāi)害
(1)山洪。山洪是山丘區(qū)小流域(流域面積原則上小于200km2)由降雨引起的突發(fā)性、暴漲暴落的地表徑流。山丘區(qū)小流域因調(diào)蓄能力小,坡降較大,洪水持續(xù)時間短(歷時幾小時到十幾小時,很少能達(dá)到1天),但漲幅大,洪峰高,洪水過程線呈多峰尖瘦峰型。山洪按其成因可以分為暴雨山洪、冰雪山洪和潰決山洪,其中暴雨山洪在我國分布很廣,暴發(fā)頻率挑選,危害很為嚴(yán)重。
(2)山洪災(zāi)害。山洪災(zāi)害是指山洪對其活動區(qū)(包括集流區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū))內(nèi)的生態(tài)環(huán)境、城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)、工業(yè)農(nóng)業(yè)、交通、水利設(shè)施、通信、旅游、資源等和人民生命財產(chǎn)造成的直接破壞和傷害。同時山洪攜帶的大量泥沙會堵塞干流,給干流上、下游地區(qū)造成巨大危害(國家防汛抗旱總指揮部辦公室、中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,1994)。
1.1.1.2 泥石流與泥石流災(zāi)害
(1)泥石流。泥石流是沿自然坡面或壓力坡流動的松散土體與水、氣的混合體,常發(fā)生在山區(qū)小流域,是一種包含大量泥沙石塊和巨粒的固液氣三相流體,呈黏性層或稀性紊流等運(yùn)動狀態(tài)(陳寧生等,2011)。
(2)泥石流災(zāi)害。泥石流災(zāi)害是指泥石流在活動過程中,對環(huán)境、生態(tài)和社會(包括各種基礎(chǔ)設(shè)施、人民生命財產(chǎn))造成的直接破壞和影響,包括全流域(形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū))內(nèi)的生態(tài)、環(huán)境、城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)、工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、水利水電設(shè)施、通信、旅游和人民生命財產(chǎn)等,同時大量泥沙進(jìn)入江河而造成堵塞,給上、下游地區(qū)造成巨大危害。泥石流災(zāi)害的夜發(fā)率高、突發(fā)性強(qiáng)、來勢迅猛、危害廣泛,是一種山區(qū)環(huán)境災(zāi)害,又是一種生態(tài)災(zāi)害,還有部分人為災(zāi)害。
泥石流危害方式有淤埋、沖刷、撞擊、堵塞、串流改道、潰決、磨蝕、彎道超高和爬高、擠壓主河道等。
1.1.1.3 冰湖、堰塞湖及其潰決災(zāi)害
1)冰湖及冰湖潰決災(zāi)害
冰湖是由于冰川活動或者退縮產(chǎn)生的融水在冰川前部或者側(cè)部匯集而成的洼地水體,可分為冰川終磧湖(冰磧阻塞湖)、冰川阻塞湖、冰斗湖和冰蝕槽谷湖。其中冰川終磧湖分布數(shù)量較多、規(guī)模較大,且災(zāi)害風(fēng)險較高(姚治君等,2010)。
冰湖潰決災(zāi)害是指由于冰湖潰決引發(fā)的系列人員傷亡和財產(chǎn)損失等。冰湖潰決常發(fā)生潰決洪水和泥石流。世界各高山地區(qū)由于冰湖潰決形成的洪水與泥石流災(zāi)害屢屢發(fā)生,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,如喜馬拉雅山、天山、阿爾卑斯山、高加索山和科迪勒那山等。我國是冰湖潰決災(zāi)害分布廣泛,且危害極為嚴(yán)重的國家之一(Liu et al.,1988)。喜馬拉雅山區(qū)近50年來至少已發(fā)生20余次較大的冰湖潰決災(zāi)害事件,其中3/4發(fā)生在我國西藏境內(nèi)(Xu D M,1985;劉偉,2006)。冰湖潰決所導(dǎo)致的洪水與泥石流災(zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、洪峰高、流量大、破壞性強(qiáng)、持續(xù)時間短、波及范圍大的特點(diǎn),在其形成、流動和堆積過程中又會激發(fā)其他次生災(zāi)害,從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,其災(zāi)害損失比一般的暴雨激發(fā)的洪水或泥石流要嚴(yán)重得多(程尊蘭等,2003)。如2009年7月7日,山南市錯那縣的冰湖潰決,沖毀公路3km、涵洞3座、簡易橋梁4座,導(dǎo)致5個自然村17戶57人與外界交通接近中斷。
2)堰塞湖及堰塞湖潰決災(zāi)害
堰塞湖是一定量的固體物質(zhì)堵塞山區(qū)河谷或河道所形成的具有一定庫容的水體。一般而言,堰塞湖指天然形成的水體,有別于人工壩體形成的水體。堰塞湖根據(jù)成因類型,可分為滑坡(崩塌)堰塞湖、泥石流堰塞湖、火山熔巖堰塞湖、冰磧堰塞湖。
堰塞湖潰決災(zāi)害是指堰塞湖潰決引發(fā)的系列人員傷亡和財產(chǎn)損失等。堰塞湖潰決災(zāi)害主要表現(xiàn)在以下三個方面。
(1)易形成罕見的洪水災(zāi)害。由于堰塞體顆粒分布的性強(qiáng),壩體疏松,密度較差,其穩(wěn)定性、均質(zhì)性、整體性和壩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都較差,易產(chǎn)生滲透變形、沉降變形和潰決。堰塞湖一旦潰決,庫區(qū)蓄水將在短時間內(nèi)下泄,形成罕見的洪災(zāi)。例如,2000年4月9日西藏易貢堰塞湖潰決就形成了罕見的跨界河流災(zāi)害(Shang et al.,2003)。
(2)易鏈生滑坡等次生災(zāi)害,并形成災(zāi)害鏈。堰塞湖潰決的山洪或泥石流常淹沒道路、農(nóng)田、水利設(shè)施和城鎮(zhèn),并侵蝕河道兩岸,降低坡體穩(wěn)定性,形成新的滑坡等次生災(zāi)害。
(3)對河道演變產(chǎn)生重要作用。首先,堰塞湖形成后,在沒有發(fā)生接近潰決的狀況下,堰塞湖上游河床隨著泥沙淤積而持續(xù)升高;其次,堰塞湖潰決將產(chǎn)生大流量的潰決洪水,既沖刷下游河道,又輸移大量的固體物質(zhì)使固體物質(zhì)在下游河道淤積,造成河床升高;此外,堰塞湖的形成本身就改變了河床的坡降,并形成新的侵蝕基準(zhǔn)面,改變了流域的地貌。
1.1.1.4 滑坡與滑坡災(zāi)害
(1)滑坡?;率侵感逼律系耐馏w或者巖體,受河流沖刷、地下水活動、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影響,在重力作用下,沿著一定的軟弱面或者軟弱帶,整體地或者分散地順坡向下滑動的自然現(xiàn)象,俗稱"走山""垮山""地滑""土溜"等。
(2)滑坡災(zāi)害?;碌奈:κ侵富略谛纬伞l(fā)生、運(yùn)動的過程中對人和人類賴以生存的環(huán)境(包括人的生命、財產(chǎn)、各種工程設(shè)施和建筑、資源和生態(tài)環(huán)境)造成的災(zāi)害和影響。
1.1.2 山地災(zāi)害分布
不同的山地災(zāi)害受不同控制因素的影響,具有不同的分布規(guī)律。其中山洪災(zāi)害主要受地形和降水控制;泥石流災(zāi)害除了受地形、水源控制外還受松散物源分布的控制;滑坡、崩塌受地質(zhì)構(gòu)造背景、地震等內(nèi)動力和降水、冰川等外動力聯(lián)合控制;冰湖、堰塞湖潰決則受地形高差、構(gòu)造與特別氣候等內(nèi)外動力聯(lián)合控制,集中分布于西部山區(qū)。鑒于不同的山地災(zāi)害類型具有不同的分布規(guī)律,依據(jù)不同的災(zāi)種對其分布規(guī)律進(jìn)行論述。
1)山洪災(zāi)害分布
山洪災(zāi)害的分布特征是山洪災(zāi)害防治區(qū)劃的基本依據(jù)(張平倉,2011)。從總體上看,我國山洪災(zāi)害主要呈現(xiàn)如下空間分布規(guī)律:①全國范圍內(nèi),可劃分為東部季風(fēng)區(qū)、西北蒙新干旱區(qū)和青藏高原區(qū);②山洪災(zāi)害強(qiáng)烈或頻發(fā)地段,大多位于三大地形階梯過渡地帶或新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈的構(gòu)造活動區(qū)與暴雨中心重合的地區(qū);③山洪災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū),多分布于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中心的外圍和相鄰地區(qū),以及人口居住、財產(chǎn)相對分散,災(zāi)害調(diào)查難度大的相對落后的廣大農(nóng)村山丘區(qū)。
東部季風(fēng)區(qū)、蒙新干旱區(qū)和青藏高原區(qū)具有不同的山洪災(zāi)害特征。東部季風(fēng)區(qū)由于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密成為我國一級、二級山洪災(zāi)害防治區(qū)面積比例挑選的地區(qū),而青藏高原區(qū)由于地廣人稀、社會經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá),一級、二級山洪災(zāi)害防治區(qū)面積比例很小,故非防治區(qū)的面積比例相對較高。蒙新干旱區(qū)社會經(jīng)濟(jì)較為分散,山洪災(zāi)害多與夏季短歷時的點(diǎn)暴雨相關(guān)(表1-1、圖1-1)。
2)泥石流災(zāi)害分布
我國的泥石流類型眾多、暴發(fā)頻繁、危害嚴(yán)重,根據(jù)《全國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》,全國現(xiàn)有災(zāi)害記錄的泥石流溝約11100條,是世界上泥石流分布及危害很集中、規(guī)模挑選的國家之一。
表1-1 三個一級區(qū)內(nèi)重點(diǎn)防治區(qū)和一般防治區(qū)面積統(tǒng)計表(張平倉,2011)
圖1-1 全國山洪防治區(qū)
我國泥石流分布,大體上以大興安嶺—燕山山脈—太行山脈—巫山山脈—雪峰山脈一線為界。該線以東為我國地貌大力度優(yōu)惠一級階梯的低山、丘陵和平原,泥石流分布零星(僅遼東南山地較密集)。該線以西,即我國地貌靠前、第二級階梯,包括廣闊的高原、深切割的極高山、高山和中山區(qū),是泥石流很發(fā)育很集中的地區(qū),泥石流溝群常呈帶狀或片狀分布。泥石流成片地集中在青藏高原東南緣山地、四川盆地周邊,以及隴東—陜南、晉西、冀北等以黃土高原東緣為主的地區(qū)(圖1-2)。
從泥石流成因類型看,冰川泥石流主要分布于中國西部山地,特別集中于西藏東南部地區(qū);暴雨泥石流主要分布于西南山區(qū),西北、華北和東北也有呈帶狀或零星分布;具有特殊組成的水石流和泥流則是呈地域性分布,水石流分布于華北地區(qū),而泥流則多分布于松散的黃土地區(qū)。從我國行政區(qū)劃看,泥石流分布遍及全國的23個省(區(qū))市和自治區(qū)(圖1-3)(國家防汛抗旱總指揮部辦公室、中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,1994)。
圖1-2 我國主要山脈和泥石流分布
圖1-3 全國泥石流分布
3)冰湖、堰塞湖災(zāi)害分布
(1)冰湖災(zāi)害分布。通過對青藏高原冰湖的調(diào)查與遙感解譯發(fā)現(xiàn),80%的冰湖集中分布于青藏高原兩級夷平面上(圖1-4),即海拔4500~5000m盆地面和海拔5200~5500m山頂面,夷平面控制著冰湖的分布,如波曲流域兩級夷平面控制的數(shù)量占76%。以帕隆藏布、波曲和朋曲為例,采用遙感調(diào)查和實(shí)地考察相結(jié)合的方式,研究發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)冰磧湖集中分布于海拔3800m以上地區(qū),流域較小的波曲內(nèi)冰湖密度挑選,達(dá)到每萬平方公里119.9個(表1-2、表1-3)?;履嗍餮呷蟹植加诓貣|南的帕隆藏布流域(占所有數(shù)量的80%)。冰磧堰塞湖包括終磧湖(M)、冰斗湖(V)/槽谷湖(S)和侵蝕湖(C),其中分布很廣的是終磧湖,占總數(shù)的57%。
圖1-4 青藏高原冰湖堰塞湖分布圖
表1-2 跨界河流典型流域冰湖數(shù)量與密度統(tǒng)計表
表1-3 跨界河流典型流域冰湖類型統(tǒng)計表
(2)堰塞湖災(zāi)害分布。堰塞湖集中分布于地形高差大、構(gòu)造活動強(qiáng)烈、巖石堅硬的河谷區(qū),特別是在地震的觸發(fā)下,往往形成規(guī)模大、數(shù)量多的堰塞湖。以汶川地震山區(qū)為例,崔鵬等(2009)研究發(fā)現(xiàn),汶川地震產(chǎn)生的256個堰塞湖中有85.6%分布于龍門山三大斷裂帶且距斷層10km的區(qū)域內(nèi),在主斷裂帶兩側(cè)10km范圍內(nèi)分布有堰塞湖176處,