某地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的自動化監(jiān)測與危險性評價分析

王偉垣

（深圳市地質(zhì)局，廣東 深圳 518000）

0 引言

任何地質(zhì)災(zāi)害都是內(nèi)外因共同作用下發(fā)生的。所謂的內(nèi)因就是區(qū)域的巖性結(jié)構(gòu)、地貌地形等地質(zhì)環(huán)境，對災(zāi)害種類、分布范圍、規(guī)模強(qiáng)度的影響；外因是可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的外部條件，例如地震、降雨、植被破壞、礦山開采、工程切坡等。廣東省某地區(qū)曾經(jīng)發(fā)生和可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害主要包括滑坡、巖溶塌陷、泥石流為主，近年來頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害給區(qū)域人民的生產(chǎn)和生活帶來極大的影響，造成不可估量的損失，對地質(zhì)災(zāi)害的科學(xué)監(jiān)測和危險性評價分析顯得尤為重要[1]。

1 地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行原理

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)可以在惡劣條件下進(jìn)行遠(yuǎn)程處理，也可采集數(shù)據(jù)。以往的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，通常是以人工或半自動的監(jiān)測為主，但是范圍較大時，往往常規(guī)的監(jiān)測方法就無法滿足。在很多新興自動化監(jiān)測體系中，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）應(yīng)用最為廣泛。通過在一定區(qū)域范圍內(nèi)布設(shè)多種傳感器，建立基于無線通信協(xié)議的一種自組織、動態(tài)變化的局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不僅能夠接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，且能進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合處理，再通過連接遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測中心的服務(wù)器。地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常是在充分現(xiàn)場調(diào)查、綜合分析的基礎(chǔ)上，部署一系列的傳感器節(jié)點實時監(jiān)測其變形狀況與誘發(fā)因素，如地表位移、巖土含水率等，再利用匯聚節(jié)點對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)存儲或處理，最后通過建立WSN 與外部遠(yuǎn)程無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的連接，實現(xiàn)多源采集的信息以集中方式進(jìn)行批量傳輸，主要包括地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)集成與分析系統(tǒng)，以及預(yù)警信息發(fā)布與管理系統(tǒng)。

2 地質(zhì)災(zāi)害的自動化監(jiān)測分析

2.1 物聯(lián)網(wǎng)云平臺

該研究的自動化監(jiān)測設(shè)備為一體化專業(yè)監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)備把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過無線電傳輸技術(shù)實時輸送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，最終用戶與不同監(jiān)測設(shè)備以及信息發(fā)布設(shè)備的交流，是通過預(yù)警平臺完成的，可以更快捷、方便地為客戶提供多方位的服務(wù)，包括傳感器數(shù)據(jù)、采集遠(yuǎn)程圖片、處理、傳輸、存儲及發(fā)送預(yù)警信息等，云平臺數(shù)據(jù)庫如圖1 所示。

圖1 云平臺數(shù)據(jù)庫圖解

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理與分析

2.2.1 滑坡監(jiān)測

以某地區(qū)某區(qū)域1#和2#兩處滑坡土體為監(jiān)測對象。

2.2.2.1 1#滑坡土體

監(jiān)測時間為2019 年5 月7 日～2019 年11 月2 日。同時對1#滑坡孔隙水壓力的進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測時間2019 年7 月14 日～2019 年11 月16 日。通過詳細(xì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在2019 年5 月7 日～3019 年6 月30 日，案例1#滑坡的土體沒有明顯的位移變化，呈現(xiàn)很小的波動，足以顯示坡體的相對穩(wěn)定性。該采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)在6 月30 日～7 月13 日曾經(jīng)發(fā)生通信故障，在這段時間內(nèi)沒有產(chǎn)生監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在這段時間里總共累積發(fā)生了1mm 的滑動，變化的速率值為0.022mm/d。7 月24 日～11 月2 日這段時間內(nèi)滑體位移穩(wěn)步增大，增加量為2.5mm，變化的速率值為0.032mm/d。在這期間沒有發(fā)生太大的波動，并且變形量很小，表現(xiàn)出滑體的穩(wěn)定性，為蠕動變形階段。另外，通過檢測數(shù)據(jù)顯示短期內(nèi)不會發(fā)生滑體變形收斂跡象，由此在下一步的監(jiān)測工作中有必要強(qiáng)化實時監(jiān)控和現(xiàn)場的巡視，以確保工程的開展和周圍居民生產(chǎn)生活的安全。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在該研究的自動監(jiān)測期間1#在4.6m 深處的滑坡孔隙水壓力呈現(xiàn)下降趨勢，這樣的現(xiàn)象主要源于逐漸減少的降雨。而在雨季里孔隙水壓力值為25kPa，孔隙水壓力在10 月底到現(xiàn)在基本穩(wěn)定在13kPa。

2.2.2.2 2#滑坡土體

監(jiān)測時間為 2019 年5 月7 日～2019 年11 月4 日。通過詳細(xì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在2019 年5 月7 日～2019 年8 月27日，2#滑坡的土體位移小于0.4mm 的波動量，幾乎沒有變化，足以說明滑坡比較穩(wěn)定，沒有滑動跡象；8 月27 日～11月4 日，滑體位移穩(wěn)步增大，滑體位移穩(wěn)步增大，增加累積值為1.4 mm，速率變化值為0.024 mm/d。在該階段沒有發(fā)生很大的波動，而且變形量極小，呈現(xiàn)滑體的穩(wěn)定性，并且變形量很小，表現(xiàn)出滑體的穩(wěn)定性，為蠕動變形階段。另外，通過檢測數(shù)據(jù)顯示短期內(nèi)不會發(fā)生滑體變形收斂跡象，由此在下一步的監(jiān)測工作中有必要強(qiáng)化實時監(jiān)控和現(xiàn)場的巡視，以確保工程的開展和周圍居民生產(chǎn)生活的安全[2]。

2.2.2 不穩(wěn)定斜坡監(jiān)測

某地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害不穩(wěn)定斜坡的包括2 個部分的監(jiān)測內(nèi)容：滑坡期間前部的深部位移和滑坡后緣裂縫1 的地表位移監(jiān)測。該監(jiān)測環(huán)節(jié)安裝2 套設(shè)備，即一體化地表位移監(jiān)測站和一體化深部位移監(jiān)測站。本環(huán)節(jié)的監(jiān)測包括滑坡后緣裂縫1 處表面位移隨時間變化而變化的數(shù)據(jù)等。監(jiān)測時間為2019年 4 月25 日～2019 年 11 月2 日。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，滑坡后緣裂縫1 處位移始終是波動狀況，但總體呈現(xiàn)很小變形量，只是在7 月2 日～8 月7 日產(chǎn)生很大的波動，出現(xiàn)最大位移值為6.5mm。而且從地表位移趨勢上分析，地表位移沒有變化，可以理解為此處土體表面沒有發(fā)生位移，對工程不存在威脅。在滑坡主滑動面上安裝的一體化多點位移站，可以監(jiān)測3.5m、6.0m 和7.5m 處的深部位移。經(jīng)過降噪處理采集的數(shù)據(jù)，來分析不同深度位移隨時間的變化而產(chǎn)生的變化。采集數(shù)據(jù)的時間為2019 年5 月4 日～2019 年11 月3 日，數(shù)據(jù)顯示3.5m深度位移處于7 月27 日前逐漸遞增，呈現(xiàn)1.4mm 的變形量，速率變化值為0.0170 mm/d。7 月27 日～11 月3 日開始表現(xiàn)穩(wěn)定，呈現(xiàn)0.4mm 的位移值，速率變化值為0.0051 mm/d。6.0 m 處出現(xiàn)位移逐漸遞增的態(tài)勢，5 月3 日～11 月3 日位移值為 0.4mm，速率變化值為0.0028 mm/d。7.5 m 處沒有顯現(xiàn)位移的變化，低于0.2 mm 的變形量，穩(wěn)定性明顯。通過上述的分析數(shù)據(jù)可以顯現(xiàn)，該文案例的滑坡為6.1 m～86.5 m的滑動面，滑動的滑體為淺層，滑動位移極小，表現(xiàn)整體穩(wěn)定。綜合監(jiān)測到的滑坡后緣地表位移數(shù)據(jù)以及滑坡中前部位移監(jiān)測的數(shù)據(jù)，可以得出該區(qū)域不穩(wěn)定斜坡目前變形量不大，整體穩(wěn)定，不會因為滑坡影響工程的安全。

3 地質(zhì)災(zāi)害危險性評價分析

3.1 地質(zhì)災(zāi)害危險性評價種類

3.1.1 地質(zhì)災(zāi)害危險性定性評價

以地質(zhì)災(zāi)害容易發(fā)生程度分區(qū)為基礎(chǔ)，對地震、降雨、工程行為可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害危險程度進(jìn)行分析和評價，也就是對條件概率變化造成地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時間概率以及波及的范圍。關(guān)鍵進(jìn)行以下2 個方面的評估：1）對該區(qū)域內(nèi)暴雨、地震以及人類行為導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的強(qiáng)度和頻率，特別引發(fā)事件的年超越概率，尤其是關(guān)注臨近強(qiáng)震（Ms≥7）作用下，對比分析低傾斜地區(qū)和中傾斜地區(qū)低丘區(qū)暴雨期間地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率和高傾斜地區(qū)普通降雨頻率，評估工作區(qū)強(qiáng)地震、強(qiáng)降雨造成的地質(zhì)災(zāi)害危險性。2）對區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害運(yùn)動過程中的強(qiáng)度、速度、差異位移、最大距離、最小位移、一般距離等，進(jìn)行擴(kuò)展影響范圍的評價。參考國家發(fā)布的《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014）標(biāo)準(zhǔn)，對泥石流在不同概率情況下危害范圍進(jìn)行分析。首先進(jìn)行擴(kuò)展影響范圍、環(huán)境概率、速度、位移等進(jìn)行分析定性，以此為基礎(chǔ)根據(jù)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)，對危險性分區(qū)進(jìn)行劃分和定性。

3.1.2 地質(zhì)災(zāi)害危險性定量評價

以區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害容易發(fā)生程度分區(qū)評價為基礎(chǔ)，根據(jù)定量化統(tǒng)計分析和危險性定性分析評價，對動態(tài)變化過程和條件概率進(jìn)行分序，獲得危險性分區(qū)結(jié)果。1）結(jié)合邊坡地質(zhì)災(zāi)害的主要災(zāi)害是前沿災(zāi)害區(qū)和邊坡本身，在進(jìn)行危險性評價時，必須對規(guī)模不同和頻率不同的危害區(qū)域范圍進(jìn)行確定，對于滑坡來說，最大的影響范圍直接或者間接的區(qū)域包括滑坡體、滑動區(qū)、堆積區(qū)、堵斷河流的影響區(qū)以及裂縫區(qū)。其中可以利用3 種方式確定堆積區(qū)。①公式估算法：滑動體影響范圍的最遠(yuǎn)點是滑動體前緣滑動面的最大距離，滑動速度和滑動面摩擦系數(shù)與滑動體的最大距離和邊坡高度息息相關(guān)；②經(jīng)驗判斷與自然環(huán)境特征有機(jī)結(jié)合的分析方法；③滑坡散開橫向的區(qū)域：通常地形對滑坡橫向散開的范圍有直接的影響，正常情況下會取前緣寬的2 倍[3]。2）通常情況下泥石流危害區(qū)包括3 個方面：泥石流堆積區(qū)、產(chǎn)生泥石流泥溝谷的兩岸、淹沒區(qū)。其關(guān)鍵點是對堆積區(qū)范圍進(jìn)行確定。泥石流堆積區(qū)的危險區(qū)是根據(jù)泥石流特性計算的最大歷史淹沒區(qū)或最大淹沒區(qū)。利用的計算方式可以選擇規(guī)范中提及的覆蓋范圍、經(jīng)驗公式法、扇形地法等，其中經(jīng)驗公式法可參考《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T 0220-2006）附錄表D。

3.2 構(gòu)建數(shù)學(xué)評價模型

所謂災(zāi)害危險性指數(shù)的確定，就是把案例區(qū)域內(nèi)每個格點視作一個單元，結(jié)合很多影響因子形成地質(zhì)災(zāi)害的疊加效益，如公式（1）所示。

式中：Wj表示網(wǎng)格單元的危險指數(shù)；λi表示影響網(wǎng)格單元地質(zhì)災(zāi)害危險程度的i類因素的權(quán)重；Qi表示對該單元地質(zhì)災(zāi)害危險性程度影響數(shù)值。

利用Arc-GIS 軟件系統(tǒng)的柵格運(yùn)算能力，柵格化處理不同的專題，然后按照各個專題因子的權(quán)重獲得地質(zhì)災(zāi)害的。然后結(jié)合往期文獻(xiàn)的關(guān)聯(lián)研究，同時綜合該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的特點，分解所評價的因子權(quán)重，需要注重的因子權(quán)重為影響危險性程度。

3.3 地質(zhì)災(zāi)害危險性評價結(jié)果分析

根據(jù)案例區(qū)域的地質(zhì)特點、現(xiàn)有的國內(nèi)外研究成果、現(xiàn)場認(rèn)證和災(zāi)害的綜合指數(shù)，研究方式采用定性分析和半定量模式，把案例的區(qū)域劃分為重、中、輕、微4 個等級的災(zāi)害危險等級。重度等級危險區(qū)的網(wǎng)格單元值>2，中度等級危險區(qū)網(wǎng)格單元值為1.8～2.2，輕度等級危險區(qū)網(wǎng)格單元值1.4～1.8，危險區(qū)微度網(wǎng)格單元值<1.4。按照以上規(guī)范對該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險指數(shù)分布圖進(jìn)行重分類，采用surfer11 系統(tǒng)讓等值線自動生成，獲得該地區(qū)災(zāi)害危險等級區(qū)劃圖。借助AreGIS 1 的很強(qiáng)的系統(tǒng)能力，該市工程地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū)的重度等級范圍較小，占據(jù)該區(qū)域總面積的6.5%。重點分布在某市的關(guān)鍵交通干線以及民眾生活區(qū)，沿著水系江河斷裂的展布，坡度通常在40 °以上，呈現(xiàn)發(fā)育中的地質(zhì)災(zāi)害。危險區(qū)中度危險等級區(qū)占據(jù)該區(qū)面積的21%左右，一般選擇將其布置在重度危險區(qū)的外圍，可以是某山谷兩側(cè)的相對地勢平坦區(qū)域，該研究區(qū)域的巖性為第四系松散堆積物以及山腳堆積物的屬性，坡度一般小于10°。研究區(qū)域輕度等級范圍占該區(qū)面積的40.98%分布體分部在某區(qū)以北的山區(qū)，巖性主要為印支晚期花崗巖和華力西晚期花崗閃長巖，坡度在20°左右，為中等的巖石風(fēng)化程度，顯現(xiàn)較高的巖石完整度。危險區(qū)微度危險級別區(qū)占總面積的32.09%，位于某城市的某鎮(zhèn)以南的山區(qū)，巖石類型以二疊系上統(tǒng)砂巖和早侏羅世的花崗閃長巖為主，完整的巖石狀態(tài)，沒有明顯的地形起伏，一般為18°左右的坡度，較少的工程活動。某區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害的危險等級中，重度和中度區(qū)域表現(xiàn)為2 個方面的特點。1）某地區(qū)重要的交通干線和關(guān)鍵的居民集中生活區(qū)存在很大的地質(zhì)災(zāi)害隱患，具備的特點是易發(fā)性、群發(fā)性、密集性、重復(fù)性。某區(qū)的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，人類活動也相對頻繁，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率高；該地區(qū)為復(fù)雜的地質(zhì)條件，有頻繁的人類活動，極易導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生；降雨多、集中降水是引發(fā)滑坡、塌陷、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因，尤其是在七八月份的雨季里經(jīng)常面臨特大暴雨。并且在重要干線兩側(cè)滑坡、坍塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害分布量很大，形成的破壞力也不容小覷[4]。2）所在地基礎(chǔ)設(shè)施工程引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害。雖然地形高差在工作區(qū)域內(nèi)不是特別大，但地形坡度的起伏卻很大，某線的高鐵修建時，基于地段和邊坡開挖對山體坡腳遭到一定的破壞，滑坡、崩坍等地質(zhì)災(zāi)害在多地發(fā)生；另外毀林開荒現(xiàn)象在某些地段發(fā)生，陡坡耕地增多，尤其是那些高于25°的陡坡耕地未曾退耕還林，造成頻發(fā)的泥石流，其中工作區(qū)的某鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重，希望引起相關(guān)部門注意。

4 結(jié)語

某地區(qū)的研究區(qū)內(nèi)范圍比較廣泛的是輕度危險區(qū)和微度危險區(qū)，占據(jù)該市面積的比例為73.07% ；比較集中的是重度危險區(qū)和中度危險區(qū)，主要分布在2 個范圍，即居民集中生活區(qū)，占該市面積的21%，重要交通干線附近以及重要基礎(chǔ)設(shè)施周圍，占該市面積的6.50%。有多重因素共同影響某區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度，例如地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)、地形地貌、工程行為等，其中人類的過程活動影響最大。基于云平臺對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行自動監(jiān)測、遙感技術(shù)開展地質(zhì)災(zāi)害危險性評價，是當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害防治的有效措施。