防洪抢险
FLOODPROTECTIONANDEMERGENCYRESCUE
2019年3月第3期第29卷
Mar.2019NO.3VOL.29
DOI:10.16867/j.issn.1673-9264.2019016
何秉顺，严建华，马美红.日本的堰塞湖应急监测技术（I）—监测体系[J].中国防汛抗旱，2019，29（3）：28-32.HEBingshun，YANJianhua，MAMeihong.EmergencymonitoringtechnologyofbarrierlakeinJapan（I）——MonitoringSystem[J].ChinaFlood&DroughtManagement，2019，29（3）：28-32.（inChinese）
日本的堰塞湖应急监测技术（I）—监测体系
何秉顺1,2严建华3马美红4
（1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京100038；
3.北京国信华源科技有限公司，北京100053；4.天津师范大学，天津300383）
摘
要：日本和我国类似，由地震、强降雨诱发滑坡堵河造成的堰塞湖险情多发频发，但堰塞湖的规模不及我国。为最大程度减少堰
塞湖所带来的二次灾害，日本国土交通省组织土木研究所等科研机构提出了《堰塞湖监测技术手册》等指导性文件，建立了堰塞湖初步调查和详细监测的两阶段应急监测流程，提出了堰塞湖各部位的监测科目和技术要求。日本的堰塞湖应急监测技术对我国堰塞湖应急处置和相关技术设备研发具有很强的针对性和借鉴价值。介绍了日本的堰塞湖应急监测技术的第一部分，包括堰塞湖应急监测流程、堰塞湖监测体系构建（包括监测科目、监测方法、监测设备选择等）、技术要点等。关键词：堰塞湖；监测体系；应急监测；日本中图法分类号：P642.22；X43
文章标识码：A
文章编号：1673-9264（2019）03-28-05
1概述
的长期监测、多传感器监测信息传输等方面尚无适用、成熟的技术和装备。
与我国类似，日本受地震、强降雨诱发滑坡堵河造成的堰塞湖险情多发频发，但堰塞湖的规模不及我国。为减少堰塞湖带来的二次灾害，日本国土交通省组织土木研究所等科研机构编制了《堰塞湖监测技术手册》（日文：天然ダム監視技術マニュアル）等技术指导性文件，建立了堰塞湖应急监测流程，提出了滑坡区、堰塞体、周边山体、湖区监测科目和技术要求，研发了使用直升机投送的水位计等应急监测设备，总结了堰塞湖应急监测技术要点。日本的堰塞湖监测技术和装备对我国开展类似工作具有很强的针对性和借鉴性。限于篇幅，笔者分两部分介绍日本的堰塞湖应急监测技术，第一部分介绍堰塞湖应急监测流程和堰塞湖监测体系（包括监测科目、监测方法、监测设备选择等），第二部分介绍日本堰塞湖应急监测应用的典型技术和设备，本文为第一部分内容。
（西藏自治区昌都市江达县和四川省甘孜州白玉县交界处）两次发生堰塞湖险情；10月17日和10月29日，雅鲁藏布江米林（西藏自治区林芝市米林县）也先后发生两次堰塞湖险情。险情发生后，由应急管理部牵头，相关部门和单位密切配合，科学有效处置，积极开展救援救灾，成功处置了4次堰塞湖险情。
分析总结4次堰塞湖处置过程，发现我国在堰塞湖应急监测和抢险救援装备上还存在若干薄弱环节，在应急监测方面的薄弱环节有：一是应急监测的流程和技术体系尚不系统，针对堰塞湖监测科目和设备的技术规范体系尚不完善。二是应急监测技术和设备不能满足快速、省人力、轻型化、减少监测人员暴露度的要求，在群发堰塞湖快速查找识别、堰塞体坝高快速测量、堰塞湖水位无人值守条件
2018年10月11日和11月3日，长江上游金沙江白格
收稿日期：2019-01-14
第一作者信息：何秉顺，男，教授级高级工程师，E-mail：hebs@iwhr.com。
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2堰塞湖应急监测
2.1应急监测流程
堰塞湖形成后，需要立即开展初步调查，初步判断堰塞湖的危险度，进而制定堰塞湖应急抢险和救援方案，开展堰塞湖详细调查，构建堰塞湖全方位的监测体系，详细研判堰塞湖的危险度。堰塞湖应急监测和处置流程如图1所示。
地震、暴雨等发生形成堰塞湖初步调查初步判断危险度应急抢险详细监测详细研判危险度详细判定中长期对策图1堰塞湖应急监测和处置流程
2.2初步调查2.2.1基础资料收集
在确认堰塞湖地理位置及可能受威胁的对象分布同时，收集堰塞湖所在流域状况及流域的降水量、入库流量等基础资料，包括大比例尺地形图（1∶1000～1∶5000）、大范围地形图（1∶10000～1∶25000）、河道纵剖面图（堰塞湖上游至下游受洪水威胁区）、河道横剖面图（堰塞湖区、堰塞体、受威胁对象周边、堰塞湖下游河道关键部位（如桥梁等））、流域的航拍照片及卫星画像（堰塞湖形成后）、河流监测站水位（流量）数据，余震的震度、震源的相关资料，道路、电力、通信基础设施的受损状况等。2.2.2堰塞湖实地调查
利用人工实地调查、直升机调查等方式对堰塞湖的规模、形态、淹没范围等进行实地调查，初步掌握堰塞湖的整体情况。
（1）人工实地调查。人工实地调查首先判断有无次生灾害可能性，通过目视、拍照、摄影、激光测距、GPS等调查堰塞湖的整体状况。如果条件允许，可以设置临时水位标尺。此外，查找监测设施设备的安装布设位置（护岸、桥梁等），了解监测设备供电方式和当地的交通状况。
（2）直升机调查。乘坐直升机从空中对堰塞湖所在流
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域进行调查，初步掌握堰塞湖区的范围及堰塞体的位置、规模、形态、溃决的可能性，使用激光测距仪测量堰塞体形状（垭口至上游水面的高差、宽度、顺河向长度、下游坡高度），估测滑坡体（或崩塌体）的规模，评估滑坡体再次滑坡的可能性，掌握堰塞湖上游淹没区和下游威胁区涉及对象的分布等信息。夜间或者天气恶劣直升机无法调查时，可调用无人机调查，直升机调查的要点（初步调查阶段）见表1。
表1直升机调查的要点（初步调查阶段）调查科目
调查（摄影及判读）的要点堰塞体位置
通过手持GPS获取经度纬度信息，确
认地图上的位置
堰塞体高度、长度、宽度、上下
拍摄堰塞体，在直升机上使用激光测
游坡度
距仪进行测量，在地形图上描绘高度、
长度、宽度入湖流量
投入一块浮木用摄像机进行拍摄，读取河水流速、河宽堰塞湖水位（动态信息）
同一个地点每次飞行都进行拍摄，通过比较已经拍摄的画面，读取信息
堰塞体构成材料的渗透系数、对堰塞体进行放大拍摄，从拍摄的视
颗粒级配分布频中进行推断周边地形、居民户的分布，建筑从整体拍摄的视频中读取，对受灾区物、基础设施等受灾情况域进行放大拍摄
2.3详细监测
为了准确预测堰塞湖形成后的二次灾害并采取相应措施，需要监测堰塞湖整体状态。通过合理设置监测设备的位置、监测科目和方法，选取适宜的仪器设备并同时构建完善的信息传输系统，以达到预期的监测效果。2.3.1监测对象与科目
堰塞湖监测对象有4项，分别是堰塞湖区、堰塞体、滑坡区及周边山体（与湖水相邻的山体斜坡）（图2）。堰塞湖的监测需根据这4个对象的特点以及监测科目，确定仪器
周边山体
滑坡区
堰塞湖区
堰塞体
图2堰塞湖的监测对象示意图
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设备的布设与监测方式。
基于前期基础数据收集与现场初步调查结果，考虑监测设备的适宜性以及当地电力、通信和交通基础设施情况，构建全面的堰塞湖监测体系，包括监测科目、监测方法及监测仪器的选择、人员配置及信息通信系统等内容。
监测科目主要有水位、降水量、侵蚀量等，随堰塞湖
规模的不同而有所区别，常规情况下的监测科目与方法及设备布设如表2、图3所示，其中堰塞湖整体状况的监测与掌握、湖区水位的监测、入湖流量及堰塞体的监测最为重要。随着堰塞湖状况及天气条件等变化，监测机制也要根据具体需求及时修改。如果监测时间较长，则需要构建长期的监测机制。
表2堰塞湖监测科目与方法
监测科目
监测目的
方法及监测设备
目视判读、直升机、视频监测站
内容
堰塞湖的规模、形状、洪水淹没范围等，堰塞湖
漫坝溃决过程
堰塞体、湖区、滑坡区堰塞湖整体状况的
及周边山体监测、掌握
堰塞湖水位流量水位雨量侵蚀速度与形状变化出湖流量崩塌的前兆现象
斜坡位移溃坝泥石流
湖区水位监测确定堰塞湖入湖流量
直升机、水尺、地面测量、压力式水位计、预测漫坝时间，评估由于蓄水导致上游的淹没投入式水位计范围流速计、浮标、视频站
预测堰塞体溢流的时间，有泵排水时需要计算
直升机、水尺、地面测量、压力式水位计、
排水量
投入式水位计、雨量计目视判读、直升机、视频站、激光测距仪、
掌握堰塞体溢流时坝体侵蚀状况和堰塞体形
地面激光扫描仪、全站仪、多点位移传
状变化情况
感器
流速计、浮标、视频站、水尺、水位计
监测堰塞体溢流导致溃决的流量
堰塞体的监测确定堰塞湖
出湖流量
滑坡区及周边山体的监测
因堰塞体溃决引发的泥石流监测
目视判读、伸缩计、崩塌检测传感器、移动滑坡区及周边山体的扩大及新产生崩塌的桩、GPS测量、地面测量监测水位计、震动传感器、目视判读、视频站、
因堰塞体溃决导致泥石流的监测
线传感器、雨量计
直升机
水位计
③入湖流量监测
周边山体
通信卫星
雨量计
⑥滑坡区及周边山体监测监测科目
监测目的
堰塞体、湖区、滑
坡区及周边山体堰塞湖水位流量水位雨量侵蚀速度与形状变化
方法及监测设备内容
堰塞湖的规模、形状、洪水淹没范围等，堰塞湖漫坝溃决过程
⑥滑坡区及周边山体监测滑坡区
堰塞湖区
②堰塞湖水位监测
水位计
堰塞湖整体状况
目视判读、直升机、视频监测站
的监测、掌握湖区水位监测
直升机、水尺、地面测量、压力式水预测漫坝时间，评估由于蓄水导致
位计、投入式水位计上游的淹没范围
流速计、浮标、视频站
确定堰塞湖入湖预测堰塞体溢流的时间，有泵排水
直升机、水尺、地面测量、压力式水
流量时需要计算排水量
位计、投入式水位计、雨量计
目视判读、直升机、视频站、激光测
掌握堰塞体溢流时坝体侵蚀状况和
距仪、地面激光扫描仪、全站仪、多
堰塞体形状变化情况
点位移传感器
堰塞体的监测
①堰塞体整体情况监测
堰塞体
流量
崩塌的前兆现象斜坡位移溃坝泥石流
确定堰塞湖出湖流速计、浮标、视频站、水尺、水
监测堰塞体溢流导致溃决的流量
流量位计滑坡区及周边山目视判读、伸缩计、崩塌检测传感滑坡区及周边山体的扩大及新产生体的监测器、移动桩、GPS测量、地面测量崩塌的监测因堰塞体溃决引水位计、震动传感器、目视判读、视
因堰塞体溃决导致泥石流的监测
发的泥石流监测频站、线传感器、雨量计
⑤出湖流量监测
④堰塞体监测
现场指挥部
⑦堰塞体溃决引发泥石流监测
总指挥部
图3堰塞湖监测科目与监测设备布设（详细监测阶段）
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2.3.2监测技术与设备
（1）堰塞湖整体状况监测。为了掌握堰塞湖整体情况（堰塞体规模、形状、淹没范围、溃决过程等），需要配置监测人员和监控设备。在配置监测人员时，要十分注意监测人员的安全。另外，如果监测是长期的话，则需安装监控器。如堰塞体规模较大，在指挥中心通过视频监控设备无法看到整体，又或者视频监控设备无法安装运行的情况下，可通过现地调查和直升机实施调查，以实现对堰塞湖的整体监测。
采用视频监测设备时，尽可能选用高清摄像机（图4），同时要考虑其防雨性和防尘性。另外，如需开展夜间监测，还要设置照明设备及发电机、油料，如果在冬季进行监测，则需考虑设备的抗寒性。视频图像可采用卫星便携站（Ku-SAT）（图5）实现远距离实时传送，也可使用手机、卫星电话等通信手段传送静态照片。如需要长期监测，则需安装固定摄像头，使用市用电源。
图4高清摄像机监测图5卫星便携站（Ku-SAT）
（2）湖区水位监测。为确定由于堰塞体堵江导致上游淹没情况，预测堰塞体顶部溢流的时间，需要监测堰塞湖湖区水位。水位一般需要24h连续监测，监测间隔为1h，水位陡升或陡落时应加密观测。湖区水位监测可采用直升机、水尺、投入式水位标、全站仪、压力式水位计、投入式水位计等设备。
有的堰塞湖存在的时间很短，无法在较短时间布设水位传感器和Ku-SAT，宜采用水尺，通过目视对水位进行定期观测。难以安装水尺时，可以使用下沉式水位标（漂浮的浮标进行目视计数）（图6）。紧急时，需要配置人员和照明机器保证昼夜连续观测。当难以接近堰塞湖区、不能设置水尺的情况下，可通过位于远方的全站仪测量基准点和水面的高差来计算水位，但需要预设基准点的高程。
如堰塞湖存在时间较长，可设置压力式水位计自动观
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测，水位计可以设置在相对稳固的河岸或桥梁处。在交通、公网通信中断情况下，可使用直升机投送投入式水位计（日本土木研究所研发）进行水位监测（图7），此设备的应用场景和技术参数在续文中详述。
图6下沉式水位标图7投入式水位计
（3）入湖流量监测。进行入湖流量监测，一方面用于预测因堰塞体溢流而发生溃决造成洪水灾害的时间，确定抢险施工的工期；另一方面，确定使用排水泵时的排水量以及预测溃决时的洪峰流量。
堰塞湖上游河道有护岸等建筑物，可以设置压力式水位计和流速计推求流量。有桥梁等横向构造物时，安装非接触式水位计（超声波式、雷达式）、流速计来测量。此外，如果堰塞湖区已经设置了流量观测器（水位计、流速计），则可直接利用这些数据。当难以设置固定式传感器但确需连续观测时，可使用走航式流速计（ADCP）测量洪水流速，同时利用浮标、摄像机等目视判读水深及河流宽度，综合推求入湖流量。此外，还可以利用流域上游及堰塞湖周边的降雨量采用分布式水文模型计算入湖流量。
通过地形图可算出各高程对应的堰塞湖库容，作成堰塞湖坝高—库容（H-V）曲线。通过曲线和入湖流量，推测溢流时间。
（4）堰塞体监测。为了掌握堰塞体变化情况，防止堰塞体溃决时发生泥石流，通过目视、地上测量、视频站及传感器等进行监测。当溢流侵蚀引发溃决时，建议通过视频站定性监测坝体变化，或使用地面三维激光扫描等设备进行定量监测。当无法设置视频站（或激光扫描仪）或者非常紧急情况下，建议使用简易设备（如数字指南针、激光测距仪等）进行监测。
出现渐进式的溃决时，通过监测员、监控摄像机或直升机重点监测坝体下游侧面渗流水量和含砂量、裂缝、渗流通道等。利用监控摄像机时，应选择一个可以俯瞰整个堰塞
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体的安全位置，并同时使用地面激光扫描仪进行定量监测。
（5）堰塞湖出湖流量监测。堰塞湖出湖流量的监测主要是为了监视掌握堰塞体溢流而发生溃决洪水过程流量，为快速评估溃坝洪水对下游影响提供支撑。堰塞湖出湖流量监测方法、设备与入湖流量监测基本相同。
（6）滑坡区和周边山体监测。为了防止滑坡的扩大及保证现场抢险救援和监测人员的安全，需要监测滑坡区及周边山体的二次崩塌、新发生崩塌等，掌握崩塌的前兆和可能发生滑坡的位移。当确认出现前兆时，则判断崩塌发生的风险高低。主要前兆现象有：是否存在裂缝；是否有落下的岩石和小崩塌；是否有树木根部断裂的声音；涌水量的变化。当确认到有裂缝时，需要监测位移及其移动速度，并根据现场情况使用地面伸缩计、打孔板、GPS测量、全站仪等观测设备。
（7）堰塞体溃决诱发泥石流监测。监测堰塞体溃决诱发的泥石流，可以采用水位计、振动传感器、视频监测站、断线报警器、雨量计等设备。2.3.3现场滑坡和泥石流监测预警
为了确保现场抢险施工人员安全，避免因滑坡、泥石流造成的人员伤害，在监测滑坡区、周边山体布设传感器，设置预警指标，同时在现场指挥部安装回转灯、大喇叭等报警设备，一旦发现监测指标超过预警指标，则立即中止施工同时撤离人员。
场预警指标是：2008年日本岩手、①震度4宫城地区地震堰塞湖抢险救援的现
级的地震发生；②现场的雨量计监测5mm/h、15mm/3h；③伸缩计2mm/h、多点位移计5mm/3后，h。对滑坡区现场检查确认无危险后方可再度施工。达到上述任一指标时，立即停止施工。降雨停止6h以2.4信息传输系统
堰塞湖监测信息传输系统的构建，主要分为堰塞湖形成初期的系统建设和后续过程的系统更新两个阶段。堰塞湖形成的初期阶段应利用通信设备构建能够确保发出信息的通信系统，而不是确保稳定的线路/电源和传输容量，采用的通信设备有Ku-SAT、遥测终端机（RTU、须能够传输多传感器信息）、卫星电话等。后期根据堰塞湖监测及抢险需求及时更新通信系统，以确保其稳定性、质量、精度等，可通过恢复电话线、安装商用电源、铺设光缆等更新最初的通信系统，以便能够传输更稳定和更大容量的监测信息。
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3应急监测的特点
日本堰塞湖应急监测技术和体系，具有分阶段性、系统性、多样化、适应性的特点：
（1）分阶段性。分为初步调查和详细监测两个阶段，两个阶段监测的目的、时效性、监测精度均有所不同。堰塞湖形成后，收集相关资料，开展图上作业，采用直升机等手段立即开展初步调查，紧急评估堰塞湖的危险度；在堰塞湖应急抢险和救援期间，开展堰塞湖详细监测，构建堰塞湖全方位的监测体系，详细研判堰塞湖的危险度，为抢险救援提供实时监测信息支撑。需要说明的是，堰塞湖的监测阶段是由堰塞湖存在的时间周期和危险度决定的，如堰塞湖很快就漫顶溃决，则不进行第二阶段的详细监测。
（2）系统性。堰塞湖监测对象有4项，分别是“堰塞湖区”“堰塞体”“滑坡区”及“周边山体”（与湖水相邻的山体斜坡）。堰塞湖监测以能够满足详细研判堰塞湖危险度的需要、为抢险救援提供信息支撑为目标，开展7个方面的监测。
（3）多样化。在堰塞湖初步调查和详细监测两个阶段，对不同的监测科目，尽可能地用多种方法监测，保证监测结果的可靠性和可验证性。例如，在进行水位测量时，利用可连续自动观测的水位计同时结合水尺的目视共同监测。对于不同监测设备，例如传感器、接收器、水位计、流速仪等均配置多型号、多类型，以保障至少有一种以上的监测方式可行。
（4）适应性。针对堰塞湖产生后多发生交通中断或无法利用公网通信的情况，开发了多种专用技术和设备。如采用直升机搭载人员摄像并激光测距，快速测绘堰塞体坝高；投入式水位计采用直升机投送，适用于交通、公网通信中断情况下的无人值守监测，用设备换人力，减少了现场监测人员的危险度。Ku-SAT仅重40kg，可现场拆装携带，接入并实时传输多种传感器监测信息及视频图像信息。参考文献
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院，2011.10.
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责任编辑马啸
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