地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方法探討

亓 星

(1.四川輕化工大學(xué)土木工程學(xué)院， 自貢 643000;2.橋梁無(wú)損檢測(cè)與工程計(jì)算四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 自貢 643000)

引 言

2019年2月17日凌晨5點(diǎn)53分，貴州省黔西南州興義市龍井村9組發(fā)生了一起深層順層巖質(zhì)滑坡，超過(guò)60萬(wàn)m3山體失穩(wěn)破壞，直接威脅了滑坡下方400多人的安危，如圖1所示。由于針對(duì)該滑坡實(shí)施了專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警，通過(guò)智能化的監(jiān)測(cè)設(shè)備在滑坡發(fā)生前準(zhǔn)確發(fā)出了預(yù)警信息，配合科學(xué)的應(yīng)急處置，使滑坡災(zāi)害實(shí)現(xiàn)了人員零傷亡和財(cái)產(chǎn)零損失。由此可見，專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警是科學(xué)防范地質(zhì)災(zāi)害的重要手段。目前針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的早期識(shí)別與監(jiān)測(cè)預(yù)警已逐漸成熟，基于“三查”體系[1]的地質(zhì)災(zāi)害早期識(shí)別解決隱患點(diǎn)在哪里的問(wèn)題，而精準(zhǔn)的專業(yè)監(jiān)測(cè)則解決災(zāi)害提前預(yù)警和避讓的問(wèn)題。一般情況下，通過(guò)早期識(shí)別發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)需要進(jìn)行科學(xué)評(píng)判以采取對(duì)應(yīng)的處置措施，而對(duì)于危害性較大，但變形發(fā)展趨勢(shì)并不明確的災(zāi)害點(diǎn)則需要采取專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法以掌握其變形發(fā)展趨勢(shì)，從而進(jìn)行相應(yīng)的防治或危害范圍預(yù)測(cè)[2]，為避免人員傷亡和減少損失提供科學(xué)依據(jù)。由于地質(zhì)災(zāi)害存在客觀性、認(rèn)識(shí)局限性、防災(zāi)長(zhǎng)期性的問(wèn)題[1]，地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作仍然是一項(xiàng)持久戰(zhàn)，而充分發(fā)揮專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作的效果，對(duì)有效減災(zāi)防災(zāi)具有重要的意義。

我國(guó)近年來(lái)大力推動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害的專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，大量的地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)示范點(diǎn)得以建立，為防災(zāi)減災(zāi)發(fā)揮其監(jiān)測(cè)預(yù)警作用。大量的實(shí)踐證明，對(duì)于大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害，通過(guò)科學(xué)、專業(yè)的監(jiān)測(cè)可以在災(zāi)害發(fā)生前數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)發(fā)出預(yù)警，這對(duì)于避免人員傷亡是非常重要的。同時(shí)，由于我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害眾多，受制于相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的欠缺，地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)在實(shí)施過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，如監(jiān)測(cè)設(shè)備不夠智能、監(jiān)測(cè)方案不夠科學(xué)、預(yù)警模型無(wú)法滿足需求等，使專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警的作用沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)。由此，本文針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作需要滿足的要求進(jìn)行了探討，為專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作的實(shí)施提供參考。

圖1 龍井村滑坡發(fā)生前影像

1 專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警概述

“三查”體系是地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)全覆蓋識(shí)別的重要方法，而專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警則是科學(xué)防范地質(zhì)災(zāi)害的重要手段。當(dāng)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)變形速率加快并可能失穩(wěn)破壞時(shí)，需要采用精密的地表監(jiān)測(cè)設(shè)備(如自動(dòng)位移計(jì)、GNSS、雨量計(jì)等)進(jìn)行全天候的連續(xù)專業(yè)監(jiān)測(cè)，并為后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害的科學(xué)預(yù)警提供可靠的數(shù)據(jù)支持，由此，專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警在地質(zhì)災(zāi)害防范過(guò)程中所處的位置如圖2所示。

圖2 專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警的內(nèi)容

2 專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方法

地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警是對(duì)識(shí)別出的隱患點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測(cè)和預(yù)警的重要內(nèi)容，有效的專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警措施包括了智能化的監(jiān)測(cè)設(shè)備、科學(xué)的監(jiān)測(cè)方案、過(guò)程化預(yù)警模型三方面的工作，三者只有相互銜接、依次遞進(jìn)，才能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的真正提前預(yù)警和科學(xué)處置。

2.1 智能化監(jiān)測(cè)設(shè)備

地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備是獲取有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，包括各類地面和坡體監(jiān)測(cè)儀器，如地表位移、深部位移、雨量、水位等相關(guān)因素的精密監(jiān)測(cè)設(shè)備。對(duì)于專業(yè)監(jiān)測(cè)中使用的監(jiān)測(cè)設(shè)備，需要滿足兩方面的需求：一方面，多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)地處偏僻、供電不便，需要監(jiān)測(cè)設(shè)備具備自給自足的供電能力；另一方面，由于不同地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)具有不同的變形破壞過(guò)程，同一隱患點(diǎn)也有不同的變形階段，監(jiān)測(cè)過(guò)程中設(shè)備需要對(duì)應(yīng)采用不同的監(jiān)測(cè)采樣頻率，以獲取完整的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而實(shí)踐過(guò)程中這兩方面仍然存在較大的改進(jìn)空間。

針對(duì)供電需求，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)備都采用了太陽(yáng)能板和蓄電池聯(lián)合供電的方案，即通過(guò)高大的立桿支架連接太陽(yáng)能板，再配合大容量蓄電池組成供電模塊，確保設(shè)備長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的用電需求，但在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備笨重的外型不僅增加了偏遠(yuǎn)山區(qū)運(yùn)輸?shù)碾y度，也使后期維護(hù)工作量大大增加。由此，越來(lái)越多的研究人員開始重視低功耗設(shè)備的研發(fā)[3-4]，今后需要使監(jiān)測(cè)設(shè)備更加小型化、輕便化，甚至可以不依靠外部供電維持自身1～2年專業(yè)監(jiān)測(cè)的需求，這也是未來(lái)的重要發(fā)展方向。

同時(shí)，針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需求，在隱患點(diǎn)前期變形較小時(shí)，不需要過(guò)高的采樣頻率以減少冗余數(shù)據(jù)，而后期即將失穩(wěn)破壞時(shí)則需要高頻采樣以準(zhǔn)確獲取加速變形階段數(shù)據(jù)用于及時(shí)可靠的預(yù)警。而目前主流的監(jiān)測(cè)設(shè)備只能人工設(shè)置監(jiān)測(cè)頻率，并不能針對(duì)災(zāi)害點(diǎn)的變化趨勢(shì)自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣頻率，這將直接導(dǎo)致對(duì)于突發(fā)型滑坡和崩塌等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害無(wú)法獲取有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生漏報(bào)預(yù)警信息的嚴(yán)重后果。

如本次貴州龍井村滑坡布設(shè)了常規(guī)GPS監(jiān)測(cè)站和自適應(yīng)變頻位移計(jì)，如圖3所示。在2019年2月17日凌晨滑坡發(fā)生前，常規(guī)GPS獲取的累計(jì)位移剛開始加速時(shí)，滑坡就已經(jīng)發(fā)生，而通過(guò)自主研發(fā)的自適應(yīng)變頻位移計(jì)則完整獲取了滑坡變形加速全過(guò)程數(shù)據(jù)，如圖4所示，后續(xù)監(jiān)測(cè)也正是基于該完整的變形數(shù)據(jù)提前近1小時(shí)發(fā)出了預(yù)警信息，避免了人員傷亡。

圖3 龍井村滑坡前后對(duì)比

圖4 智能位移計(jì)和常規(guī)GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

同樣在2017年發(fā)生在甘肅黑方臺(tái)的黨川4#突發(fā)型黃土滑坡也出現(xiàn)了常規(guī)GPS未獲取滑坡加速變形階段的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致漏報(bào)預(yù)警信息的問(wèn)題[5]。由此可見，具備智能調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)頻率的監(jiān)測(cè)設(shè)備是獲取隱患點(diǎn)有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的重要條件，盡管現(xiàn)已逐漸開始應(yīng)用自適應(yīng)變頻位移計(jì)[6]，但在變頻觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間，監(jiān)測(cè)頻率變化幅度等具體技術(shù)上還有很大的發(fā)展空間。

在設(shè)備監(jiān)測(cè)過(guò)程中，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受制于傳感器的精度影響，原始數(shù)據(jù)不能完全體現(xiàn)出隱患點(diǎn)的實(shí)際變化規(guī)律，需進(jìn)行預(yù)處理。而目前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理都是通過(guò)第三方軟件進(jìn)行分析過(guò)濾，并對(duì)應(yīng)發(fā)布預(yù)警信息，設(shè)備本身還不具有處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的能力。當(dāng)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)多時(shí)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送產(chǎn)生極大的壓力，例如原始次聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量一般比處理過(guò)濾后的數(shù)據(jù)量多10倍以上，對(duì)于信號(hào)不好的偏遠(yuǎn)地區(qū)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的壓縮發(fā)送也是需要優(yōu)化的問(wèn)題，因此，設(shè)備對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能分析和過(guò)濾也是今后的發(fā)展方向。

同時(shí)，隨著近年來(lái)人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，在各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。而地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)中，設(shè)備工作狀態(tài)檢查、故障判斷、數(shù)據(jù)發(fā)送完整性檢查以及電量的智能監(jiān)控等大多還依靠人工判斷，在智能化發(fā)展中處于較落后的階段，尤其對(duì)于安裝在偏遠(yuǎn)山區(qū)的監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)說(shuō)，設(shè)備的智能化自我管理和自我監(jiān)控顯得尤為重要，這方面還需要進(jìn)一步的發(fā)展。

2.2 科學(xué)的監(jiān)測(cè)方案

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)位置的科學(xué)性直接決定了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否有效，其布設(shè)需要抓住地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵發(fā)展過(guò)程。目前針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的布設(shè)方案還未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，僅有“突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)指南”、“崩塌滑坡泥石流監(jiān)測(cè)規(guī)程”等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為參考。而地質(zhì)災(zāi)害的專業(yè)監(jiān)測(cè)方案需要根據(jù)災(zāi)害點(diǎn)的變形破壞模式針對(duì)性的設(shè)計(jì)，但受制于我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量多、發(fā)育廣泛，很難做到對(duì)每個(gè)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)勘察，使得該工作不容易被重視，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)工作沒(méi)有發(fā)揮出作用，即由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)沒(méi)有準(zhǔn)確抓住災(zāi)害點(diǎn)的變化過(guò)程而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有使用價(jià)值。

以甘肅永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)黑方臺(tái)黃土滑坡為例[7](圖5(a))，該區(qū)域內(nèi)黃土滑坡由于其受地下水控制的獨(dú)特成因模式[8]，已有滑坡兩側(cè)持續(xù)產(chǎn)生緩慢變形而形成了大量貫通裂縫(圖5(b)，圖5(c))，而該區(qū)域產(chǎn)生多次滑坡的位置都位于沒(méi)有明顯地表裂縫的滑坡后方，與我們通常認(rèn)為的地表裂縫發(fā)育并不斷產(chǎn)生持續(xù)變形的區(qū)域是危險(xiǎn)區(qū)的結(jié)論相反，這類滑坡如果不進(jìn)行科學(xué)的監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)而僅監(jiān)測(cè)裂縫發(fā)育區(qū)域，則無(wú)法對(duì)該區(qū)域內(nèi)的滑坡進(jìn)行有效預(yù)警。

對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方案的確定，需要按照“詳細(xì)勘察—明確成因模式—確定變形破壞關(guān)鍵區(qū)域—選用對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)設(shè)備并進(jìn)行布設(shè)”的思路進(jìn)行?？茖W(xué)的監(jiān)測(cè)方案是保證監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)揮其作用的關(guān)鍵，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)需在明確地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的變形破壞模式下進(jìn)行，這也是專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警中需要重視的問(wèn)題，這一工作需要結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害的早期識(shí)別進(jìn)行，特別對(duì)于一些高位隱蔽性的地質(zhì)災(zāi)害[9-10]，通過(guò)早期識(shí)別厘清其變形破壞跡象后，才能建立科學(xué)的監(jiān)測(cè)方案從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的科學(xué)預(yù)警。

圖5 甘肅黑方臺(tái)陳家區(qū)域滑坡及裂縫發(fā)育特征

2.3 過(guò)程化預(yù)警模型

基于智能監(jiān)測(cè)設(shè)備和科學(xué)合理的監(jiān)測(cè)方案，可以準(zhǔn)確獲取災(zāi)害隱患點(diǎn)的各種指標(biāo)(如位移、雨量、水位等)，并通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸發(fā)回以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，這一流程已相對(duì)成熟，而最關(guān)鍵的問(wèn)題還是基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析所建立的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型。

目前推廣的專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方法一般采用閾值模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷，以變形或者雨量等因素達(dá)到某一閾值后進(jìn)行對(duì)應(yīng)等級(jí)的預(yù)警，但閾值的確定并沒(méi)有科學(xué)依據(jù)，且無(wú)法判斷地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。而過(guò)程化的預(yù)警預(yù)報(bào)模型逐漸得到有效應(yīng)用，成為成功預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害的可靠技術(shù)方法[11-13]。以泥石流為例，降雨是誘發(fā)泥石流的關(guān)鍵要素，近年來(lái)基于過(guò)程化的泥石流臨界雨量模型充分考慮到了前期降雨量、降雨持續(xù)時(shí)間、累計(jì)總降雨量等關(guān)鍵降雨特征參數(shù)[14]，并在汶川地震三大片區(qū)得以多次成功預(yù)警[15]?；伦冃晤A(yù)警同樣也考慮了過(guò)程化的變形速率增量、加速度等反應(yīng)滑坡變形發(fā)展趨勢(shì)的因素，越來(lái)越多科學(xué)可靠的過(guò)程化預(yù)警模型逐漸被提出[16-17]，本次貴州龍井村滑坡也是基于過(guò)程化的變形切線角預(yù)警模型[18]，再次驗(yàn)證了基于過(guò)程化預(yù)警模型的適用性，這也是地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方法的發(fā)展方向。

同時(shí)，現(xiàn)有的預(yù)警模型并未考慮多源數(shù)據(jù)融合問(wèn)題，即針對(duì)某一災(zāi)害點(diǎn)雖然布設(shè)了多個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，但監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析預(yù)警都是單一設(shè)備各自發(fā)布，而地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生需要綜合考慮各個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，確保準(zhǔn)確判斷隱患點(diǎn)的發(fā)展趨勢(shì)和危險(xiǎn)性。如本次龍井村滑坡的專業(yè)監(jiān)測(cè)布設(shè)了6臺(tái)位移監(jiān)測(cè)設(shè)備(圖3)，其中，4#位移計(jì)布設(shè)在一塊不穩(wěn)定的巖石上，在2019年2月11日凌晨，由于滑坡變形使該巖石沿張開的拉裂縫下墜，導(dǎo)致該位移計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生了明顯激增，并觸發(fā)了過(guò)程化的紅色預(yù)警，但實(shí)質(zhì)上整個(gè)坡體仍然相對(duì)穩(wěn)定，其余監(jiān)測(cè)設(shè)備也并未發(fā)出報(bào)警(圖6)，在這一過(guò)程中單一設(shè)備的報(bào)警并不代表滑坡即將失穩(wěn)破壞。而滑坡真正發(fā)生的2019年2月17日凌晨，剩余5臺(tái)自動(dòng)位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一致出現(xiàn)加速狀態(tài)并幾乎同時(shí)發(fā)出了預(yù)警信息，從整體上反映出滑坡全面失穩(wěn)的過(guò)程。由此說(shuō)明，過(guò)程化預(yù)警模型中多源數(shù)據(jù)協(xié)同的預(yù)警技術(shù)方法也是今后需要進(jìn)一步發(fā)展的方向。

圖6 龍井村滑坡位移計(jì)變形數(shù)據(jù)

3 結(jié)論與展望

科學(xué)管理、科學(xué)監(jiān)測(cè)、科學(xué)處置、科學(xué)預(yù)警是本次貴州興義龍井村滑坡災(zāi)害成功避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的原因。以該滑坡的專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)踐為例，探討了實(shí)現(xiàn)專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警所需要注意的三方面工作，得到以下認(rèn)識(shí)：

(1)智能化的監(jiān)測(cè)設(shè)備是進(jìn)行專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作的基本條件，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能化、動(dòng)態(tài)化采集技術(shù)方法是獲取有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐，監(jiān)測(cè)設(shè)備今后也將繼續(xù)朝著該方向發(fā)展。

(2)科學(xué)的監(jiān)測(cè)方案是確保專業(yè)監(jiān)測(cè)得以發(fā)揮效果的重要保證，監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)位置的科學(xué)性直接決定了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性，其布設(shè)需要抓住地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵發(fā)展過(guò)程，基于地質(zhì)災(zāi)害成因模式進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

(3)過(guò)程化預(yù)警模型能準(zhǔn)確判斷地質(zhì)災(zāi)害變形發(fā)展過(guò)程，在專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警中發(fā)揮了可靠的預(yù)警作用，預(yù)警模型的完善也將進(jìn)一步提升地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的效果，在此過(guò)程中的多源數(shù)據(jù)協(xié)同預(yù)警也是今后的主要發(fā)展方向。

隨著監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方法的不斷提升，科學(xué)的專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警最終會(huì)為人類的防災(zāi)減災(zāi)做出更大的貢獻(xiàn)。