水庫地質災害智能監控與預警系統研究及應用

唐 佳，唐軍峰，鐘 平，李代富，劉福東

（1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙 410014；2.五凌電力有限公司，湖南長沙 410004）

1 研究背景

隨著全球氣候變化的加劇，頻繁發生的滑坡、泥石流等地質災害已經成為制約人類經濟發展、影響人類生存環境的主要因素之一。近年來，隨著我國國家能源戰略布局和節能減排政策的實施，能源建設不斷向西部推進，大型水利水電工程建設因水庫蓄水、庫水位升降等誘發的庫區滑坡、崩塌、泥石流等地質災害日益嚴重，阻礙了水庫正常運行，對人們的生命財產構成威脅[1-4]。

監測工作是地災防治的重要手段，監測手段大致可以分為兩類：①接觸式監測，包括經緯儀、水準儀、測量機器人、GNSS、無線傳感器等。此類方法具有測量精度高，誤差小等特點，年形變誤差可達毫米級甚至亞毫米級，GNSS和無線傳感器甚至可以實現遠程、實施、在線監測。但該方法需要在目標區域現場布設測點，且測點分布離散，具有空間盲區，無法全區域覆蓋。②非接觸式監測，包括陸攝經緯儀、無人機、激光雷達、星載合成孔徑雷達（InSAR）等，此類監測方法無需現場布置測點，可以遠程、無接觸地實現目標區域全覆蓋、長時間和高精度的形變監測，但其觀測過程是非連續的，且具有一定的時間周期。無論是接觸式監測還是非接觸式監測，均有其優點和不足，而將兩者結合，取其各自優勢無疑具有重要的工程意義[5-7]。

三板溪水電站位于貴州省清水江中游河段，工程于2006年1月下閘蓄水，形成長達121 km的庫區干流和多條支流。自水庫蓄水以來，庫岸邊坡已陸續發現有岸坡變形、地面開裂，甚至滑坡、塌岸和房屋地基沉降錯動等地質災害。到2016年底，三板溪庫區共發現滑坡、塌岸、地面沉陷等地質災害200余處，零星分布，點多面廣，其中東嶺信滑坡堆積體、南埃大寨岸坡、展依寨岸坡和南包村岸坡等4個變形邊坡因其在水庫蓄水后出現變形，且邊坡上部分布有村寨，一旦產生失穩則危害大，因而受到重點關注[8]。為了識別三板溪水庫地質災害情況，實時掌握地質災害的發生、發展和治理過程，開發了融合接觸式監測（GNSS、地表裂縫、深部位移、地下水位、流量、庫水位、降雨量和在線視頻等）和非接觸式監測（InSAR）等多項技術的遠程、自動、實時水庫地質災害智能監控與預警系統，實現了流域觀測與重點區域觀測的結合，形成“天地一體化”地災監測體系，并可根據監測數據自動進行分級預警和信息發布，為防災減災提供決策支持。

2 系統設計

研究工作依托三板溪水電站庫區，對從清水江流域上游柳川鎮至下游河口鄉總長約60 km的河段及其兩側的岸坡開展工作，工作內容主要分為3個部分：①對總長60 km的水庫河段兩岸邊坡開展InSAR監測，研究其地表變形情況，識別出潛在的地質災害隱患點和已有地質災害隱患點的變形規律；②對區間內重點地災隱患邊坡（東嶺信滑坡堆積體、南埃大寨岸坡、展依寨岸坡和南包村岸坡）開展GNSS地表位移、地下水位、排水洞洞內流量、降雨量、地表裂縫、深部位移和視頻等項目的監測監控，實時獲取有關信息；③依據上述監測成果，開發出水庫地質災害智能監控與預警系統。

2.1 系統架構與功能

水庫地質災害智能監控與預警系統（以下簡稱“系統”）的軟件體系結構采用以數據庫為技術核心、GIS為支持、應用B/S與C/S相結合的模式，即在系統軟件和支撐軟件的基礎上，基于采集的數據，建立了應用軟件/信息處理/預警分析/信息發布等多層結構，不同的服務層具有不同的應用特點。系統總體架構見圖1。

圖1 系統總體架構

系統主要的功能模塊包括：三維地理信息、地質災害自動監測、InSAR監測、數據應用、預警分析和決策支持等子系統。實現的主要功能包括：

（1）構建基于DEM的水庫庫區三維基礎信息平臺，實現基礎空間信息的檢索查詢和基本GIS分析功能，并可加載展示局部區域的三維無人機攝影數據成果；

（2）接收和管理通過GPRS/4G傳輸到數據庫的多源異構實時監測數據、視頻資料，實現地質災害多源異構監測數據實時自動集成，可進行數據查詢、對比和分析；

（3）處理InSAR監測數據和加載、查詢和展示三維圖形；

（4）實現對地質災害多源異構監測數據實時自動處理，支持監測數據、報警數據和操作數據，并可進行統計、分析、對比、輸出和打印；

（5）實現對預警閾值的設置、自動分析、判斷，通過通信網絡自動發出對應級別的預警信息，并根據設定給出相應的處置建議信息。

2.2 數據采集與接收

2.2.1 數據采集

研究工作對4個重點地質災害隱患邊坡開展GNSS地表位移、地下水位、洞內流量、降雨量、地表裂縫、深部位移和視頻等項目的監測監控，采用了多種類型的傳感器，其類型和數量見表1。

表1 接觸式自動化監測數據采集設備

該系統項目在三板溪庫區共布置了各類監測站48個（東嶺信24個、南埃大寨10個、展依寨9個，南包村5個），見圖2。每個監測站采用完全的點對點傳輸方式，即每套監測設備之間相互獨立，互不干涉。現場設備除了視頻監測站采用光纖寬帶傳輸信號和市電供電以外，其余測站均采用無線傳輸、太陽能電池板供電；監測數據可以發給多個監控主機（一卡多發），實現監測數據備份，保證數據的安全。

圖2 地質災害自動化監測站

2.2.2 數據接收

該系統項目監控中心有兩處，分別位于長沙五凌電力大壩安全監測中心和貴州三板溪水電站廠房，每個監控中心均由地質災害數據接收處理系統、數據庫系統、計算機網絡系統、地質災害預報及服務系統等4個部分組成。①數據接收處理系統主要完成系統各測站地質災害信息的實時接收、處理和入庫，并提供測站信息查詢服務；②數據庫系統主要為系統維護管理、信息查詢與服務、地質災害預報等提供數據；③計算機網絡系統主要為系統數據接收、處理、查詢以及信息隔離傳輸、地質災害預報服務等提供軟硬件支撐；④地質災害預報與服務系統主要根據監測區域地質災害預報模型進行地質災害預報作業，并提供預報成果發布服務。

監控中心的網絡環境是三板溪水電站庫區地質災害監測預警系統運行的基礎，其網絡結構見圖3。基本的硬件配置包括數據庫服務器、數據接收計算機、工作站等以及交換機、路由器等網絡通信設備（見圖4）。

圖3 監控中心網絡結構

圖4 監控中心設備

2.3 數據通信

數據采集終端根據設定的周期，自動快速讀取各傳感器的數據，按控制條件進行數據發送。發送數據時，自動將監測數據組成IP數據包，通過GPRS/4G模塊將數據發送遠程監控中心，由監控中心的數據接收服務器接收、數據解碼、信息處理，再存入數據庫。

在系統中，數據通信采用點對多的工作模式（一卡雙發），即監測數據被同時發送至兩個中心站，中心站收到信息后，對遙測站發送相應的確認信息，遙測站將根據不同的確認信息，自動轉入休眠或重新發送數據的狀態。現場視頻監控站數據傳輸采用光纖寬帶網絡的通信方式。

圖5和圖6分別給出了系統的GPRS/4G通信網絡拓撲結構及設備配置和通信傳輸組網圖。

圖5 GPRS/4G通信網絡拓撲結構及設備配置

圖6 通信傳輸組網示意

2.4 衛星InSAR監測方案

作為主動遙感測量技術解決方案，InSAR技術能夠在各種天時和天候條件下，在不受極端天氣和日光照射條件影響的情況下，對大面積目標區域進行固定頻率的毫米級精確監測測量，成果為高密度三維形變測量點陣，能夠較完整覆蓋目標區域并反映整個區域的形變過程空間關系（見圖7）。

圖7 InSAR監測原理

此次研究采用德國的TerraSAR-X系列雷達衛星作為變形監測的數據源，雷達波段X，最高分辨率0.25 m，StripMap成像模式，地面分辨率3 m×3 m，極化方式HH，衛星數據獲取周期11 d，軌道精度5 cm。監測工作分兩個階段進行：①采用差分合成孔徑雷達干涉分析（以下簡稱“DInSAR”）技術對高分辨率的雷達衛星數據進行形變計算，解譯由于地表變形造成的形變位置，圈定空間維度的形變區域，同時對解譯結果進行初步分析；②基于前期的差分干涉初步結果，采用時間序列永久散射體合成孔徑雷達干涉分析（簡稱“PSInSAR”）技術，獲取長時間序列的地表形變圖，不僅在空間維度掌握形變區域，同時在時間維度上了解變形的發展過程。監測時間從2018年12月至2019年12月。衛星監測示意見圖8。

圖8 衛星監測示意

3 系統平臺開發與預警初步設置研究

3.1 水庫地質災害智能監控及預警平臺開發

系統平臺應用B/S與C/S相結合模式，通過地質災害自動監測站實現地表位移、深部位移、地表裂縫、地下水位、洞內流量、視頻等地質災害信息的收集管理，建立地質災害數據、報表、圖像等信息數據庫，提供數據管理以及信息發布服務等基本應用功能，并與相關高級應用功能如報表圖表管理、信息發布及預警等多個功能模塊無縫連接，為規范管理地質災害監測提供技術支撐。

登錄系統平臺后，首先顯示的是“值班界面”（見圖9），該界面包括天氣信息、預警發布信息、測站分類與狀態信息、視頻監控顯示、三維地圖、流域梯度信息等，其中的流域梯度可以查詢包含三板溪、掛治、白市等多個沅水流域上水電站的監測情況信息。

另外，系統平臺還包含衛星監測、監測數據、監測曲線、監測報表、預警信息、系統管理、注銷等多個模塊，可提供監測點空間信息查詢、衛星監測成果展示、監測數據查詢、監測曲線圖自動生成與展示、監測報表自動生成與下載、預警閾值的設置與發布、系統基礎數據管理等服務。

圖9 登錄后的平臺首頁

3.2 預警設置初步研究

目前，基于地表變形監測的滑坡預警模型已取得了不少研究成果[9-10]，其關鍵在于根據滑坡體的變形特征采用合適的監測設備和監測方法，并建立使用的預警模型。根據三板溪庫區4個主要地質災害點邊坡的變形特點，此次研究工作主要采用變形速率預警判據進行預警，同時采用位移切線角預警判據進行滑坡輔助預警。

（1）變形速率預警判據。根據當前三板溪庫區地質災害點的變形監測資料，各測點具有一個普遍現象：實際變形過程中，由于勻速變形階段滑坡變形速率仍然會產生一定程度的波動，為進一步區分不同的外界因素影響或者偶然變形速率加快對變形的響應，同時為了匹配四級預警機制，該項目采用多級速率閾值V1

圖10 變形曲線速率閾值設置

對于多級速率閾值V1

綜合分析已有的監測數據，參考相關資料，速率閾值設置規則暫定如下：

式中，V1，V2和V3分別對應相應級別的速率閾值（見圖10）；V為某一測站監測曲線中的均勻變形速率。理論上，每個變形測站分別配置不同變形速率V。

（2）其他預警值的設置。位移切線角預警也是當前預警研究的重要研究方向，該項目的位移切線角預警判別為：初加速階段，45°<切線角<80°；勻加速階段，80°≤切線角<85°；臨滑階段，切線角≥85°；下滑前，切線角≈89°。

4 系統在三板溪庫區地質災害監測中的應用

該系統項目的監測工作從2018年12月開始，距今已有1 a多的數據積累，成果包括接觸式自動化數據成果以及非接觸式衛星InSAR成果，具體如下。

4.1 自動化監測成果

圖11給出了多種典型監測曲線以及視頻，其中，多個監測曲線的關系可以通過開關鍵自由打開或者關閉，以便進行數據比對和相關性綜合分析。以圖11（a）為例，圖中同時展示了東嶺信測點DDB1的變形曲線、降雨量（柱狀圖）和庫水位歷時曲線。由圖11（a）可知：2019年4月，降雨量開始增多，標志著水庫汛期開始，此時的水庫庫水位由低谷時的435 m左右開始升高，測點DDB1的變形曲線也開始迅速抬高；到2019年7月底，降雨量開始減少，此時的庫水位達到峰值472 m，測點DDB1的變形曲線也達到一個相對高點，隨后處于緩慢增長狀態。通過對該圖的分析，可以認為該邊坡的變形與降雨量、庫水位等因素關系密切。其余監測曲線圖也可得出類似結論。

系統平臺還可自動生成地質災害監測成果的簡報、周報、月報等監測報表，操作人員可方便地下載監測期任意時間段的報表。下載的報表格式包括pdf和word兩種，可作為監測成果直接報送有關人員，或可自行編輯和分析。圖12為三板溪水電站庫區地質災害自動化監測月報的自動生成和下載功能展示。

該系統平臺可遠程、動態展示三板溪庫區4個重點邊坡共48個監測站點的降雨量、排水洞流量、地下水位、地表位移、裂縫、深部位移、庫水位、視頻等多種信息，可提供曲線、數據、報表等資料的查詢、展示、下載等多項功能。

圖11 平臺展示的監測成果

圖12 監測報表的自動生成和下載

4.2 衛星（InSAR）監測成果

4.2.1 水庫庫岸大范圍變形特征

該系統平臺融合了星載InSAR監測成果，并將其作為單獨的模塊，方便調用。

研究選取三板溪庫區柳川鎮-河口鄉總長約60 km的河段，采用星載InSAR對該河段及其兩側岸坡開展監測，獲得了近1a來的升軌和降軌數據各26景（共52景），每一景均有6萬多個監測點。圖13為系統展示的三板溪庫區大范圍的InSAR監測成果。圖13中每個測點的顏色深淺分別代表不同的沉降變形值，色譜范圍從深藍到深紅，深紅為沉降最大，深藍為抬升最大。

通過鼠標點擊任意監測測點，即可獲得該點的變形歷時曲線和相關信息，如圖13右下角所示。由圖中曲線可知，該測點從2019年6月份開始變形持續增大，至2019年底，沉降變形量為60 mm。

圖13 三板溪水電站庫區地質災害InSAR監測成果

總體上，監測期內三板溪水電站庫區岸坡變形不大，一般在30 mm之內，重點關注的4個邊坡變形也均在30 mm以內（見圖14，限于篇幅，圖14僅給出了其中的兩個邊坡），與GNSS監測結果基本一致；部分河段兩側岸坡出現了較大的沉降變形（見圖13中的紅色部分，沉降超過100 mm），沿水庫庫岸零星分布。

圖14 典型岸坡InSAR監測成果（圖中水滴圖案為衛星角反射器）

4.2.2 局部區域異常變形特征

根據圖13的監測成果，三板溪水電站庫局部河段出現了變形較大的異常區域，且分布散亂而隱蔽。圖15為放大后的部分異常變形區域位置和變形范圍。由圖15可知，在觀測期內，這些區域地表出現了超過100 mm的區域性沉降變形。其中，圖15（a）位于南埃大寨上游，據現場調查，該處因高速公路施工導致地表變形增大，屬于人為因素導致的異常；現場調查顯示，圖15（b）和圖15（c）兩處大變形區域均未發現人為因素影響，圖15（c）還是村寨所在地。因此，類似15（c）的變形異常區域需引起高度關注，也是后續庫區的地質災害巡查和防控工作重點。

4.3 系統預警

系統包含有預警信息模塊，可進行預警閾值的設置并發出告警信息。本次主要考慮采用變形速率預警判據和位移切線角預警判據進行聯合、分級預警，預警信息通過在系統平臺自動彈出、配以語音信息，并自動發送給相關人員。

圖16為系統監測得到的典型變形速率曲線及設置的分級預警線，其中，分級預警閾值可以在系統平臺的“預警信息”模塊進行手動設置，且不同監測點可單獨設置預警閾值。當監測值達到設定的預警閾值后，系統自動向用戶的電腦端、手機客戶端發出相應級別的預警信息，圖17即為發送至手機端的預警信息樣例。

圖16 典型的變形速率曲線及其分級預警線

圖17 預警信息自動發送至手機端

5 結論

（1）水庫地質災害智能監控與預警系統融合了星載InSAR+GNSS+深部位移+地下水位+流量+視頻等多項技術，實現了“天地一體化”遠程、自動、全天候監測和預警。平臺可以實時分析、處理監測數據，展示圖表，可以自動生成、下載監測報表，實現了數據處理分析的自動化、智能化。

（2）對三板溪水電站庫區4個重點地質災害邊坡開展了遠程、實時、全天候監測，獲得了變形規律；采用星載InSAR技術獲得了水庫流域的地表變形特征，可在平臺上方便、直觀地查詢和展示變形過程，可發現一些較為隱蔽的變形異常區域，可為庫區的地質災害巡查和防控工作提供參考。

（3）針對不同地質災害點，甚至同一邊坡的不同位置測站，設置了不同的監測預警閾值，并能自動發出告警信息，可為同類工程提供有益參考。

（4）開發的地質災害智能監控及預警平臺通過功能擴展，可應用到多個水庫流域，以及多行業、多領域的地質災害自動化監測，為地災防治工作提供技術保障。