地震泥石流滑坡自動預警報警系統開發與應用

郭紫貴 胡細東 唐道湘 田貴俊

摘 要：在我國，廣義的山區（包括高原、丘陵）約占全國總面積的2/3以上。全國土地按地貌類型分：山地約占33%，丘陵約占10%，高原約占26%。而山地是泥石流、滑坡等地質災害多發地區，而山地區的人類居住地大多比較分散，如果安裝昂貴的地質災害設備，則成本高，經濟性不高。因而開發一種廉價新型地震泥石流滑坡自動預警報警系統，在地質災害預報系統的基礎上，去掉了復雜的參數采集部分，采用直接警報模式的方式和機械預警，其除了具有現有技術預報準確的優點之外，還克服了現有系統維修量大、調參困難、診斷困難等缺點，并且預警成本又有很大的降低。

關鍵詞：地質災害 自動預警 泥石流 預警器

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（a）-0062-02

近年來，我國地質災害發生頻繁。在西部地區，由于超量開發土地、草原、森林和水資源，加速了水土流失、土地沙化等災害的發展，崩塌、滑坡、泥石流等災害也隨之增多。因此，做好地質災害監測和預警，特別是滑坡體的監測和預警，對于有效減少直接經濟損失和人員傷亡顯得尤為重要。根據以往發生地質災害事后的分析來看，地質災害的發育分布及其危害程度與地質環境背景條件（包括地形地貌、地質構造格局和新構造運動的強度與方式，巖土體工程地質類型、水文地質條件等）、氣象水文及植被條件、人類經濟工程活動及其強度等有著極為密切的關系。因此，選擇這些指標對滑坡帶進行監測就顯得尤為重要。

1 目前研究現狀及其缺點

目前國內外較為成功的地質災害預報預警方法可分為現象監測預報法、數理統計預報法、非線性系統論預報法和地球內外動力耦合法。在對各類方法以及存在問題進行概述的基礎上，指出在方法應用的同時，集成和融合迅速發展起來的“3S”技術，建立集觀測、研究、風險評估、預報預警、預防和治理一體化的災害預報系統是未來發展的方向和趨勢。

地質災害，是自然和人為導致地質環境或地質體發生變化，并給人類和社會造成危害的災害事件。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。地質災害預報預警工作是在研究災害成因的地質背景（如地形、地貌、氣候水文、地質構造、地層巖性和地表植被等），災害發生的時空分布、強度和頻度以及災害發生地區的經濟易損性等的基礎上，尋找災害發生和產生危害的規律，從而對災害發生的時空分布以及危害強度做出預測并提出應急預案的過程。隨著世界人口的不斷增長，人類活動的空間范圍逐漸由平原向丘陵、山區等地質災害易發區擴展，地質災害給人類社會帶來越來越嚴重的損失。因此，對地質災害預報預警的研究成為當今社會的一個重要任務。

20世紀90年代以來，聯合國將地質災害納入“國際減災10年計劃”后，地質災害日益受到各國的關注和重視，研究方法上也取得了很大進展。數學、力學、非線性科學以及近年來發展起來的遙感（RS）、地理信息系統（GIS）、全球定位系統（GPS）技術等一些新的理論、技術和方法不斷被引入地質災害預報預警研究中。目前，國內外使用較多且比較成功的方法可分為現象監測預報法、數理統計預報法、非線性系統理論預報法和地球內外動力耦合法。地質災害預報預警工作雖取得了一些進展，但仍存在一些問題，真正能做到實時、準確地預報還任重而道遠。

地質災害在性質上表現為突發性，這種突發性給人們的生命和財產安全帶來了嚴重的威脅。突發性地質災害一般包括崩塌、滑坡和泥石流等。一般呈兩種形式發生，一種是單體型災害，如新灘滑坡、東川泥石流等；另一種是區域型災害，即幾種災害在特定的區域上成組出現。對于單體災害的研究已經積累了一定的基礎，但對于區域性的預報研究尚處于探索階段。

目前主要以多參數的泥石流或山體滑坡報警系統為主，其技術特點是：包括中心管理平臺、若干前端設備和若干后端設備，前端設備與中心管理平臺之間通過高速通信網相連接，后端設備采用高速通信網或3G網絡與中心管理平臺相連接。這些系統昂貴，不易廣泛布置。

目前，地質災害預報預警系統主要是以計算機軟件技術為核心，結合專業地質災害檢測設備和數據分析技術、地質災害防控信息系統形成的一套地質災害預警預報和防控的立體解決方案。軟件主要采用基于JAVA6.0語言的J2EE技術實現，部分頁面展現層使用ExtJS技術，雨量計同步功能采用Webservice技術實現，隱患點、監控點、氣象分布信息的展現采用基于Flex和GIS概念的創新技術FakeGIS實現。

該方案的缺點如下。

（1）系統復雜昂貴，成本高。

（2）在偏遠山區和公路兩邊無法實現實時監控。

（3）需要專家對多參數綜合診斷，人為因素大，錯誤率高。

（4）安裝維護復雜。由于該系統復雜設備多，每次安裝和維護都要拆裝，步驟復雜，耗費人力物力多，作業周期長。

（5）制造、維修費用高，對偏遠地區的監控性價比不高。

2 主要內容和關鍵技術

研制和開發新型地震泥石流滑坡自動預警報警系統的意義和目的，就是為了克服現有系統所存在的這些弊端和缺點，研究如何提高預報系統準確性的要求，并且實現實時監控和預報。研制的新型地震泥石流滑坡自動預警報警系統能解決邊遠山區無法安裝現有昂貴系統的問題。該系統采用機械機構，利用拉線測量地表變化。經查閱，在地質災害警報系統應用拉線還是首次。

新型地震泥石流滑坡自動預警報警系統包括警報器及其電源線路，其特征在于：在易發生地震地區，選至少一塊地，在該地面上按一定距離（8 m以上）間隔設置多個開關盒，開關盒內設置有觸發開關；相鄰開關盒之間連接有拉線、拉線外設置有線管，拉線的兩端分別與開關盒內的觸發開關連接。采用專用機械密封，可以完全代替盤根式密封，機械密封可以保證免維護。

項目所依據的技術原理涉及到兩個方面，一是機械設計制造技術；二是基于巖土力學的表層地質變化規律和參數采集。

第一，利用機械設計，滿足相應功能；利用CAD繪圖繪制該產品的機械圖紙。用ANSYS結構分析，分析該產品的效能。利用機械制造技術如：數控車、銑床及相關技術完成產品的制造。

第二，該產品和項目主要依靠拉線測量巖土表層在地質災害發生前發生的相對位移，該位移量將保證警報的準確性和可信度。

3 創新點及意義

該項目產品與現有普通同類系統相反，采用單一參數、簡單結構和設備，不僅成本低廉，而且安裝簡單，可以充分利用較少的資源從而獲得較大的收益，滿足邊遠地區的地質災害預報。

（1）該警報裝置簡單、成本低廉，適用于廣泛布置在可能發生泥石流的農村周邊及道路兩邊，能為地質災害的發生提供預報和預警，從而挽救生命。

（2）該警報裝置調整好參數能預報準確，主要針對地質災害發生時地表會發生開裂和相對位移，選取合適的參數能達到預警的目標。

（3）機械裝置簡單可靠，該裝置一旦布置，使用年限將達到20年左右，而且期間不用維護和保養，成本低廉。

據國土資源部網站消息，2015年全國共發生地質災害8 224起。此外，2015年全國共成功預報地災452起，避免人員傷亡20 465人，避免直接經濟損失5.0億元。其中成功預報的主要是一些大型設施，如水壩、工廠等；而大部分地質災害發生在邊遠的山區，這些邊遠地區對布置昂貴的預報系統性價比不高，而該產品成本低廉，填補了這塊空白，市場前景廣闊。

此課題研發的地震泥石流滑坡自動預警報警系統具有制造成本低、設備質量可靠、運行成本低廉等顯著優點。對邊遠山區和農村極易發生地質災害的地區的預警需求來說，設備昂貴、安裝復雜的現有系統并不適用，急需一批低成本高可靠性的預警設備來滿足這些需求。該項目產品技術先進，性能優良，可靠性高，因而國內市場前景很好。該套設備的推廣，不僅能夠為企業帶來巨大的經濟效益，而且在一定程度上彌補了我國對泥石流滑坡等地質災害的預警不足，具有極其深遠的意義。

參考文獻

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