地震泥石流滑坡自動(dòng)預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

郭紫貴 胡細(xì)東 唐道湘 田貴俊

摘 要：在我國(guó)，廣義的山區(qū)（包括高原、丘陵）約占全國(guó)總面積的2/3以上。全國(guó)土地按地貌類型分：山地約占33%，丘陵約占10%，高原約占26%。而山地是泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)，而山地區(qū)的人類居住地大多比較分散，如果安裝昂貴的地質(zhì)災(zāi)害設(shè)備，則成本高，經(jīng)濟(jì)性不高。因而開發(fā)一種廉價(jià)新型地震泥石流滑坡自動(dòng)預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)，在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，去掉了復(fù)雜的參數(shù)采集部分，采用直接警報(bào)模式的方式和機(jī)械預(yù)警，其除了具有現(xiàn)有技術(shù)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)之外，還克服了現(xiàn)有系統(tǒng)維修量大、調(diào)參困難、診斷困難等缺點(diǎn)，并且預(yù)警成本又有很大的降低。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害 自動(dòng)預(yù)警 泥石流 預(yù)警器

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）06（a）-0062-02

近年來，我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁。在西部地區(qū)，由于超量開發(fā)土地、草原、森林和水資源，加速了水土流失、土地沙化等災(zāi)害的發(fā)展，崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害也隨之增多。因此，做好地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警，特別是滑坡體的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，對(duì)于有效減少直接經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡顯得尤為重要。根據(jù)以往發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害事后的分析來看，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育分布及其危害程度與地質(zhì)環(huán)境背景條件（包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造格局和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度與方式，巖土體工程地質(zhì)類型、水文地質(zhì)條件等）、氣象水文及植被條件、人類經(jīng)濟(jì)工程活動(dòng)及其強(qiáng)度等有著極為密切的關(guān)系。因此，選擇這些指標(biāo)對(duì)滑坡帶進(jìn)行監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。

1 目前研究現(xiàn)狀及其缺點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)外較為成功的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警方法可分為現(xiàn)象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)法、非線性系統(tǒng)論預(yù)報(bào)法和地球內(nèi)外動(dòng)力耦合法。在對(duì)各類方法以及存在問題進(jìn)行概述的基礎(chǔ)上，指出在方法應(yīng)用的同時(shí)，集成和融合迅速發(fā)展起來的“3S”技術(shù)，建立集觀測(cè)、研究、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、預(yù)報(bào)預(yù)警、預(yù)防和治理一體化的災(zāi)害預(yù)報(bào)系統(tǒng)是未來發(fā)展的方向和趨勢(shì)。

地質(zhì)災(zāi)害，是自然和人為導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境或地質(zhì)體發(fā)生變化，并給人類和社會(huì)造成危害的災(zāi)害事件。如崩塌、滑坡、泥石流、地裂縫、地面沉降、地面塌陷、巖爆和坑道突水等。地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警工作是在研究災(zāi)害成因的地質(zhì)背景（如地形、地貌、氣候水文、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和地表植被等），災(zāi)害發(fā)生的時(shí)空分布、強(qiáng)度和頻度以及災(zāi)害發(fā)生地區(qū)的經(jīng)濟(jì)易損性等的基礎(chǔ)上，尋找災(zāi)害發(fā)生和產(chǎn)生危害的規(guī)律，從而對(duì)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)空分布以及危害強(qiáng)度做出預(yù)測(cè)并提出應(yīng)急預(yù)案的過程。隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)，人類活動(dòng)的空間范圍逐漸由平原向丘陵、山區(qū)等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)擴(kuò)展，地質(zhì)災(zāi)害給人類社會(huì)帶來越來越嚴(yán)重的損失。因此，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警的研究成為當(dāng)今社會(huì)的一個(gè)重要任務(wù)。

20世紀(jì)90年代以來，聯(lián)合國(guó)將地質(zhì)災(zāi)害納入“國(guó)際減災(zāi)10年計(jì)劃”后，地質(zhì)災(zāi)害日益受到各國(guó)的關(guān)注和重視，研究方法上也取得了很大進(jìn)展。數(shù)學(xué)、力學(xué)、非線性科學(xué)以及近年來發(fā)展起來的遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)等一些新的理論、技術(shù)和方法不斷被引入地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警研究中。目前，國(guó)內(nèi)外使用較多且比較成功的方法可分為現(xiàn)象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)法、非線性系統(tǒng)理論預(yù)報(bào)法和地球內(nèi)外動(dòng)力耦合法。地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警工作雖取得了一些進(jìn)展，但仍存在一些問題，真正能做到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)還任重而道遠(yuǎn)。

地質(zhì)災(zāi)害在性質(zhì)上表現(xiàn)為突發(fā)性，這種突發(fā)性給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重的威脅。突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害一般包括崩塌、滑坡和泥石流等。一般呈兩種形式發(fā)生，一種是單體型災(zāi)害，如新灘滑坡、東川泥石流等；另一種是區(qū)域型災(zāi)害，即幾種災(zāi)害在特定的區(qū)域上成組出現(xiàn)。對(duì)于單體災(zāi)害的研究已經(jīng)積累了一定的基礎(chǔ)，但對(duì)于區(qū)域性的預(yù)報(bào)研究尚處于探索階段。

目前主要以多參數(shù)的泥石流或山體滑坡報(bào)警系統(tǒng)為主，其技術(shù)特點(diǎn)是：包括中心管理平臺(tái)、若干前端設(shè)備和若干后端設(shè)備，前端設(shè)備與中心管理平臺(tái)之間通過高速通信網(wǎng)相連接，后端設(shè)備采用高速通信網(wǎng)或3G網(wǎng)絡(luò)與中心管理平臺(tái)相連接。這些系統(tǒng)昂貴，不易廣泛布置。

目前，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)主要是以計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)為核心，結(jié)合專業(yè)地質(zhì)災(zāi)害檢測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)分析技術(shù)、地質(zhì)災(zāi)害防控信息系統(tǒng)形成的一套地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)和防控的立體解決方案。軟件主要采用基于JAVA6.0語(yǔ)言的J2EE技術(shù)實(shí)現(xiàn)，部分頁(yè)面展現(xiàn)層使用ExtJS技術(shù)，雨量計(jì)同步功能采用Webservice技術(shù)實(shí)現(xiàn)，隱患點(diǎn)、監(jiān)控點(diǎn)、氣象分布信息的展現(xiàn)采用基于Flex和GIS概念的創(chuàng)新技術(shù)FakeGIS實(shí)現(xiàn)。

該方案的缺點(diǎn)如下。

（1）系統(tǒng)復(fù)雜昂貴，成本高。

（2）在偏遠(yuǎn)山區(qū)和公路兩邊無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）需要專家對(duì)多參數(shù)綜合診斷，人為因素大，錯(cuò)誤率高。

（4）安裝維護(hù)復(fù)雜。由于該系統(tǒng)復(fù)雜設(shè)備多，每次安裝和維護(hù)都要拆裝，步驟復(fù)雜，耗費(fèi)人力物力多，作業(yè)周期長(zhǎng)。

（5）制造、維修費(fèi)用高，對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的監(jiān)控性價(jià)比不高。

2 主要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)

研制和開發(fā)新型地震泥石流滑坡自動(dòng)預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)的意義和目的，就是為了克服現(xiàn)有系統(tǒng)所存在的這些弊端和缺點(diǎn)，研究如何提高預(yù)報(bào)系統(tǒng)準(zhǔn)確性的要求，并且實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)報(bào)。研制的新型地震泥石流滑坡自動(dòng)預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)能解決邊遠(yuǎn)山區(qū)無法安裝現(xiàn)有昂貴系統(tǒng)的問題。該系統(tǒng)采用機(jī)械機(jī)構(gòu)，利用拉線測(cè)量地表變化。經(jīng)查閱，在地質(zhì)災(zāi)害警報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用拉線還是首次。

新型地震泥石流滑坡自動(dòng)預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)包括警報(bào)器及其電源線路，其特征在于：在易發(fā)生地震地區(qū)，選至少一塊地，在該地面上按一定距離（8 m以上）間隔設(shè)置多個(gè)開關(guān)盒，開關(guān)盒內(nèi)設(shè)置有觸發(fā)開關(guān)；相鄰開關(guān)盒之間連接有拉線、拉線外設(shè)置有線管，拉線的兩端分別與開關(guān)盒內(nèi)的觸發(fā)開關(guān)連接。采用專用機(jī)械密封，可以完全代替盤根式密封，機(jī)械密封可以保證免維護(hù)。

項(xiàng)目所依據(jù)的技術(shù)原理涉及到兩個(gè)方面，一是機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)；二是基于巖土力學(xué)的表層地質(zhì)變化規(guī)律和參數(shù)采集。

第一，利用機(jī)械設(shè)計(jì)，滿足相應(yīng)功能；利用CAD繪圖繪制該產(chǎn)品的機(jī)械圖紙。用ANSYS結(jié)構(gòu)分析，分析該產(chǎn)品的效能。利用機(jī)械制造技術(shù)如：數(shù)控車、銑床及相關(guān)技術(shù)完成產(chǎn)品的制造。

第二，該產(chǎn)品和項(xiàng)目主要依靠拉線測(cè)量巖土表層在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前發(fā)生的相對(duì)位移，該位移量將保證警報(bào)的準(zhǔn)確性和可信度。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及意義

該項(xiàng)目產(chǎn)品與現(xiàn)有普通同類系統(tǒng)相反，采用單一參數(shù)、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和設(shè)備，不僅成本低廉，而且安裝簡(jiǎn)單，可以充分利用較少的資源從而獲得較大的收益，滿足邊遠(yuǎn)地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)。

（1）該警報(bào)裝置簡(jiǎn)單、成本低廉，適用于廣泛布置在可能發(fā)生泥石流的農(nóng)村周邊及道路兩邊，能為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供預(yù)報(bào)和預(yù)警，從而挽救生命。

（2）該警報(bào)裝置調(diào)整好參數(shù)能預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，主要針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)地表會(huì)發(fā)生開裂和相對(duì)位移，選取合適的參數(shù)能達(dá)到預(yù)警的目標(biāo)。

（3）機(jī)械裝置簡(jiǎn)單可靠，該裝置一旦布置，使用年限將達(dá)到20年左右，而且期間不用維護(hù)和保養(yǎng)，成本低廉。

據(jù)國(guó)土資源部網(wǎng)站消息，2015年全國(guó)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害8 224起。此外，2015年全國(guó)共成功預(yù)報(bào)地災(zāi)452起，避免人員傷亡20 465人，避免直接經(jīng)濟(jì)損失5.0億元。其中成功預(yù)報(bào)的主要是一些大型設(shè)施，如水壩、工廠等；而大部分地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在邊遠(yuǎn)的山區(qū)，這些邊遠(yuǎn)地區(qū)對(duì)布置昂貴的預(yù)報(bào)系統(tǒng)性價(jià)比不高，而該產(chǎn)品成本低廉，填補(bǔ)了這塊空白，市場(chǎng)前景廣闊。

此課題研發(fā)的地震泥石流滑坡自動(dòng)預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)具有制造成本低、設(shè)備質(zhì)量可靠、運(yùn)行成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)。對(duì)邊遠(yuǎn)山區(qū)和農(nóng)村極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的地區(qū)的預(yù)警需求來說，設(shè)備昂貴、安裝復(fù)雜的現(xiàn)有系統(tǒng)并不適用，急需一批低成本高可靠性的預(yù)警設(shè)備來滿足這些需求。該項(xiàng)目產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)，性能優(yōu)良，可靠性高，因而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)前景很好。該套設(shè)備的推廣，不僅能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且在一定程度上彌補(bǔ)了我國(guó)對(duì)泥石流滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警不足，具有極其深遠(yuǎn)的意義。

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