山西省重大地質災害專業(yè)監(jiān)測預警研究＊

胡惠霞，劉 瑾，黃 健

（1.山西省地質環(huán)境監(jiān)測中心，山西 太原 030024；2.成都理工大學，四川 成都 610051）

山西地處山地高原，區(qū)內地質環(huán)境條件復雜，礦業(yè)開發(fā)、基礎設施建設、地下水開采等人類工程活動強烈，地質災害極為發(fā)育。據統(tǒng)計，2006—2017年，山西省共發(fā)生達到統(tǒng)計標準（經濟損失1萬元以上）的崩塌、滑坡地質災害162起，造成人員傷亡182人，造成直接財產損失7 489.7萬元，地質災害主要發(fā)生在汛期，此外，凍融期崩塌、滑坡地質災害也很活躍。隨著社會經濟的不斷發(fā)展，地質災害威脅嚴重，直接影響著省內經濟建設和人民的生產、生活安全與生存質量，防災減災形勢十分嚴峻。

現有研究資料多從區(qū)域現狀及部分地區(qū)、單點地質災害發(fā)育特征進行了分析，比如潘亞軍對山西省地質災害現狀進行了分析；巨玉文、齊瓊等對山西西部黃土地區(qū)的地質災害特征進行了研究；趙倩對山西省臨汾地區(qū)的地質災害類型及成因進行了分析。缺乏省域范圍突發(fā)性地質災害致災因素、變形破壞模式分析及監(jiān)測預警方法或模型研究。目前，能夠投入大量資金進行工程治理的災害點僅是少數，更迫切的是建立一套合理、有效的監(jiān)測預警技術方法，做好災前預防。唐然、曾裕平等已通過實時監(jiān)測預警方法成功對多處滑坡做出了預警。黃健、徐永強、何朝陽等提出通過新一代信息技術、物聯網技術以及數據集成方法實現地質災害監(jiān)測預警系統(tǒng)建設。

本文在分析山西省地質災害的分布規(guī)律及其發(fā)育特征基礎上，通過對重大地質災害體現場調（勘）查，研究其成災機理、主要誘發(fā)因素和預警判據，基于新一代信息技術研發(fā)了山西省地質災害實時監(jiān)測預警系統(tǒng)，實現對全省重大地質災害隱患點的實時監(jiān)測預警。

1 山西省地質災害概況

山西位于中國三大階梯狀地形中的第三階梯中部的前緣地帶，其地勢自東西向南北傾斜，高低相差懸殊。總的地貌形態(tài)呈“兩山夾一川”，東、西兩側為山地和丘陵隆起，中部為一列串珠式斷陷盆地，平原分布其間。區(qū)域地貌全省可分為晉西黃土高原大區(qū)，西部褶皺斷塊中山大區(qū)，中部斷陷盆地大區(qū)，晉北斷陷盆地與高原大區(qū)，東部褶皺斷塊中山與高原大區(qū)。山西省新構造運動的主要特征表現為山區(qū)不斷上升，盆地持續(xù)下降，山區(qū)河谷下切，多呈“V”形谷；活動性斷裂構造發(fā)育，火山、地震活動頻繁；6級以上的地震，幾乎都發(fā)生在斷陷盆地之內。區(qū)內年平均降水由西北向東南遞增，介于380～650 mm，平均511.8 mm。

晉西黃土高原屬我國黃土高原的一部分，與陜北隴東的黃土高原主體連接，區(qū)內黃土覆蓋厚度大，侵蝕切割強烈，溝壑縱橫，為滑坡、崩塌的發(fā)生提供了有利的地形地貌條件；東部、西部褶皺斷塊中山及高原區(qū)，山高溝深，巖石風化破碎強烈，在較大暴雨的影響與作用下，區(qū)內崩塌、滑坡、泥石流等地質災害時有發(fā)生。

山西是礦業(yè)大省，資源廣泛，采掘活動歷史悠久，礦山開采及山區(qū)道路修建、城鎮(zhèn)化建設等人類工程活動引發(fā)的地面塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等人為地質災害頻繁發(fā)生，其造成的建筑物、耕地、水利設施、公路、鐵路破壞情況極為嚴重，經濟損失巨大。全省現有地質災害隱患點10 000多處，威脅人員60多萬人，威脅財產90多億元。其中，崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質災害隱患點7 500多處，威脅人員24多萬人，威脅財產62多億元。地質災害已累計造成1 500余人死亡、35萬余間房屋損壞、27萬余畝農田損毀，直接經濟損失15億多元。全省國土面積中，地質災害高易發(fā)區(qū)占42.0%，中易發(fā)區(qū)占46.9%.近幾年，地質災害多發(fā)、頻發(fā)、突發(fā)性事件明顯增多，尤其是崩塌、滑坡和泥石流等突發(fā)性地質災害分布面廣、數量大、突發(fā)性強、預防難度大，是造成人員死亡較大的地質災害。

2 重大地質災害隱患點專業(yè)監(jiān)測預警

2.1 地質災害專業(yè)監(jiān)測預警示范區(qū)建設

為了有效降低災害帶來的損失，減輕災害風險，最大限度保護災前人民群眾生命財產安全。從2013年開始，山西開始部署地質災害專業(yè)監(jiān)測預警試點工作，至2017年，共建成滑坡、泥石流專業(yè)監(jiān)測預警示范區(qū)36處，分布于全省11個市的27個縣，受益人員4 400多人，受保護財產46 000多萬元。專業(yè)監(jiān)測預警示范區(qū)建設包括位移、含水率、雨量、視頻、地聲/次聲、泥（水）位、報警等監(jiān)測站（設備）297套，采用物聯網技術對誘發(fā)災害的各種物理參數進行遠程自動實時監(jiān)測，通過3G/4G鏈路將設備信息及專業(yè)監(jiān)測數據傳輸至省監(jiān)測預警系統(tǒng)，省監(jiān)測預警系統(tǒng)通過閾值設定及模型計算方式進行預警預報，達到預警條件時，遠程啟動現場報警設備進行報警，同時通過短信及預警平臺發(fā)布預警信息。系統(tǒng)運行過程中，根據監(jiān)測數據及模型優(yōu)化，可修改預警閾值或調整模型參數。總之，地質災害專業(yè)監(jiān)測預警示范區(qū)建設，開辟了山西地質災害監(jiān)測預警群專結合的新局面，為地域性地質災害監(jiān)測預警研究工作奠定了基礎。

2.2 典型專業(yè)監(jiān)測點

下面以陵川縣城南社區(qū)三中巷滑坡為例說明專業(yè)監(jiān)測預警示范區(qū)建設情況。

2.2.1 隱患點概況

城南社區(qū)三中巷滑坡位于山西省晉城市陵川縣崇文鎮(zhèn)，坡體表層為2 m左右的黃土耕植土，下伏灰黃色泥質頁巖及砂泥巖，滑坡長55 m，寬120 m，平均厚度約6 m，體積39 000 m3，該滑坡為順層巖質階狀緩坡。如圖1所示，為工程開挖所引起的坡體蠕滑拉裂破壞。滑坡前緣開挖修建了車庫和擋土墻，車庫有明顯的變形錯縫，前緣車庫裂縫沿立柱樁底部呈線狀，可見明顯的鼓脹現象和墻皮剝落，如圖2所示。車庫于10年前建成，車庫自修建好后一直處于緩慢變形狀態(tài)，10年的總變形量約30 cm。

城南社區(qū)三中巷滑坡前緣開挖是滑坡產生的主要原因。滑坡前緣小區(qū)修建時將坡體前緣削方并修建了一排車庫，車庫后墻緊貼滑坡前緣。由于前緣阻滑段被削方，坡體沿底部軟弱泥頁巖夾層產生蠕滑拉裂變形，向前緣產生擠壓，使得車庫產生明顯的推擠破壞。

圖1 滑坡全貌

圖2 滑坡前緣道路及車庫變形

其變形成因模式如圖3所示。前期坡體處于相對穩(wěn)定階段（a），三中巷小區(qū)的修建開挖，使滑坡前緣抗滑段土體減少（b），坡體沿底部軟弱滑動面向削方方向產生蠕動，并推擠擋土墻和車庫，使車庫產生明顯的裂縫和變形（c），該滑坡繼續(xù)發(fā)展可能使擋土墻和車庫最終破壞而產生較大的滑動（d）。

圖3 城南社區(qū)三中巷滑坡變形破壞模式

2.2.2 專業(yè)監(jiān)測部署方案

城南社區(qū)三中巷滑坡變形破壞模式為前緣開挖后沿順層軟弱泥頁巖產生的蠕滑拉裂破壞，這類滑坡的變形有較明顯的蠕動拉裂變形特征，其變形屬于漸變式破壞，坡體具有明顯的變形破壞過程，后期存在突變可能，結合其他因素（降雨、滑體含水率）的影響，2017-03—2017-04，對該滑坡實施了以地表位移監(jiān)測為主的GPS監(jiān)測方案，在主滑方向及兩側分別布置了4個GPS監(jiān)測站，GPS基站設在遠離滑坡的南側山梁上。同時布設了雨量計、土壤含水率、遠程預警廣播站、視頻監(jiān)控各1套，目前，滑坡未見加速變形跡象。

2.3 監(jiān)測預警系統(tǒng)研發(fā)

基于現場調（勘）查成果，建立地質災害專業(yè)監(jiān)測數據庫，對專業(yè)監(jiān)測數據進行集成，為后續(xù)預警分析提供數據支持，建成一個以地質災害調查成果數據為基礎，與地質環(huán)境條件分析相結合，最終形成以地質災害預警為目的信息系統(tǒng)。系統(tǒng)采用B/S架構，在Visual Studio 2015環(huán)境下，使用C#語言開發(fā)，數據庫采用SQL Server 2012。整個系統(tǒng)按四層結構進行設計，表現層為用戶提供統(tǒng)一的入口；平臺層、系統(tǒng)層集成各類業(yè)務系統(tǒng)，實現各模塊功能；數據層完成信息資源的整合、管理等，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體結構圖

圖5 地質災害監(jiān)測預警系統(tǒng)

系統(tǒng)支持后臺自動處理監(jiān)測數據，并集成滑坡、泥石流的預警模型，可以在頁面上管理相應的預警模型、參數及其預警閾值，根據不同預警結果將預警信息發(fā)送給相應的對象，支持預警信息管理、發(fā)布（通過短信、郵件、網頁等方式）、信息檢索等功能，如圖5所示，可實現地質災害臨災實時預警，減少或避免人員傷亡。

3 結論與認識

山西現有地質災害隱患點數量大，危害具差異性，對每一個地質災害隱患點進行治理難以實現，但對區(qū)域內已識別的重要地質災害隱患點進行監(jiān)測預警是可行的。本文結合山西地質災害調查數據，對重大地質災害點進行現場調（勘）查，在此基礎上通過物聯網、新一代移動通信、云計算等技術手段實現監(jiān)測數據采集、遠程無線傳輸、結構優(yōu)化與集成以及關鍵信息快速挖掘，研發(fā)了山西省地質災害實時監(jiān)測預警系統(tǒng)。實現了地質災害信息查詢、數據分析、實時監(jiān)測、自動預警等功能，為山西省地質災害防治管理和決策提供強有力的技術支撐。