论文标题：From Alpine Catchment Classification to Debris Flow Monitoring

论文链接：https://www.mdpi.com/2624-795X/6/1/15

期刊名：GeoHazards

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/geohazards

研究背景

泥石流是山区最常见、最频繁的自然灾害之一，其突发性和强破坏性对居住于冲积扇区域的人民生命财产安全构成严重威胁。近年来，气候变化的影响使得泥石流的频率和强度呈现新的变化趋势，对灾害风险降低工作提出了严峻挑战。虽然工程防护措施已广泛应用，但其有效性往往依赖于与监测系统的结合。监测系统对于理解泥石流的启动机制、动力学过程、支持预测模型以及设计早期预警系统至关重要。目前，全球已有超过50个研究性监测系统，其核心是结合了多种传感器的冗余监测框架。然而，一个响应迅速的监测系统设计，离不开对发生泥石流的流域进行全面深入的认识。本文旨在解决如何基于流域特征精准分类，来优化泥石流监测系统设计的关键问题。

研究内容

本研究以意大利西部阿尔卑斯山苏萨河谷上游的里奥弗雷尤斯流域为案例，展示了一种从流域分类到监测系统设计的创新集成方法。研究首先对流域进行了精细的地质地貌特征分析，应用了粘土风化指数和基岩出露百分比阈值等方法对流域进行分类。里奥弗雷尤斯流域因其基岩主要由碳酸盐片岩和钙质片岩构成（占比96.32%），被归类为“优质粘土生成”流域，这意味着其产生的泥石流具有粘塑性流变特性，且通常由中低强度的降雨即可触发（最小触发阈值约为20毫米/小时）。研究进一步通过基于岩石工程系统的半定量专家方法计算了泥石流倾向指数，并利用连通性指数精准识别了那些与主河道网络有效连接、能真正为泥石流提供物源的沉积物源区。这些前期分析明确了流域内最易发生泥石流的子流域（如Rio Merdovine和Rio Gautier），为后续监测点位的优化布置提供了科学依据。

图1.(A)位于巴尔多内基亚市的里奥弗雷尤斯河集水区及子集水区（橙色边框）。(B)里奥弗雷尤斯河区域地质概况图。

基于上述流域特征分析，研究团队设计并布设了一个包含雨量计、加速度计、地震传感器、水位计和拉绳传感器等多种传感器的监测网络。这些传感器通过LoRa WAN协议连接，由太阳能电池板供电，实现了数据的远程实时传输。在2024年夏季，该系统成功捕获了7月30日至8月1日期间发生的系列泥石流事件。监测数据显示，7月30日晚间，在Rio Merdovine子流域源头记录到30分钟内15毫米的降雨，达到了触发阈值，随后传感器监测到水流高度在泥石流经过时急剧上升约1.5米，加速度计也记录到显著的振动峰值。数据分析还估算出泥石流锋面的平均流速约为2.3米/秒，这与基于流域分类预测的粘性泥石流特征相符。此外，研究还结合无人机摄影测量技术，通过对比事件前后的数字高程模型，量化了物源区的侵蚀和沉积变化，为评估事件规模提供了直接证据。监测数据成功地验证了前期流域特征分析的结果，证实了泥石流从上游的粘性向下游逐渐演变为超浓密流或泥流的转变过程。

图2.已安装传感器的位置。

研究总结

本研究强调了对目标流域进行深入的前期特征分析是设计高效泥石流监测系统的基石。通过综合地质、地貌和水文分析，能够精准识别影响泥石流启动和传播的关键因子，从而指导监测传感器类型的选择和最优化布设位置。案例研究表明，基于粘土风化指数、基岩出露百分比和泥石流倾向指数等方法的流域分类，为监测系统的战略性设计提供了坚实支撑，而后续监测获得的数据则有力地验证了前期研究的结论，形成了一个从“认识流域”到“优化监测”再到“验证认知”的良性循环。此次监测实践也揭示了降雨强度阈值在泥石流启动中的关键作用，以及多传感器协同工作在捕捉泥石流动态特征方面的价值。尽管该系统在2024年夏季的成功运行证明了其有效性，但也暴露出如部分传感器采样率可能不足以完美解析波形等可改进之处。总体而言，该研究展示的多学科集成方法显著提升了泥石流灾害的监测与风险评估能力，为未来将该监测系统进一步发展成为保障居民安全的早期预警系统奠定了坚实基础，为阿尔卑斯山及其他类似山区环境的灾害风险管理提供了可借鉴的模式。

GeoHazards期刊介绍

主编：Prof. Dr. Zhong Lu, Roy M. Huffington Department of Earth Sciences, Southern Methodist University, Dallas, TX 75275, USA

Prof. Dr. Tiago Miguel Ferreira, Instituto Superior Técnico (IST), University of Lisbon, Av. Rovisco Pais, 1049-001 Lisbon, Portugal

期刊发表范围涵地球物理/地质灾害、气候及气候变化相关灾害、气象灾害、水文灾害、块体运动灾害以及人为和技术灾害等研究领域。自2020年创刊以来，被ESCI、Scopus、GeoRef等多个权威数据库收录。