滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及展望

韓祖麗 陳羽玲 劉良軍 林章煜

摘要：滑坡智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的重點是監(jiān)測，核心是分析預(yù)警。近年來，國內(nèi)學(xué)者和技術(shù)人員對滑坡監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)進行了深入的研究，本文在總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者研究基礎(chǔ)上，提出對滑坡監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域的展望，對滑坡等地質(zhì)災(zāi)害治理工作具有重大指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：滑坡;監(jiān)測;預(yù)警系統(tǒng);研究

一、前言

我國疆域遼闊，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多樣，且地質(zhì)災(zāi)害具有分布廣、類型多、頻度高、強度大等特點， 地震、崩塌、滑坡及泥石流等已經(jīng)成為對我國危害最大的地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)2006年—2015年的全國地質(zhì)災(zāi)害公報，我國平均每年發(fā)生滑坡與泥石流地質(zhì)災(zāi)害2萬余起、傷亡1千余人、受災(zāi)人口90多萬，直接經(jīng)濟損失10億元以上[1]。

二、我國滑坡災(zāi)害防治現(xiàn)狀

我國近年來大力推動地質(zhì)災(zāi)害的專業(yè)監(jiān)測預(yù)警工作，大量的地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測示范點得以建立，為防災(zāi)減災(zāi)發(fā)揮其監(jiān)測預(yù)警作用。大量的實踐證明，對于大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害，通過科學(xué)、專業(yè)的監(jiān)測可以在災(zāi)害發(fā)生前數(shù)分鐘到數(shù)小時發(fā)出預(yù)警，這對于避免人員傷亡是非常重要的。同時，由于我國地質(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)測在實施過程中也存在一些問題，如監(jiān)測設(shè)備不夠智能、監(jiān)測方案不夠科學(xué)、預(yù)警模型無法滿足需求等，使專業(yè)監(jiān)測預(yù)警的作用沒有完全發(fā)揮出來。

2006～2015年10年間，我國成功預(yù)報滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生累計僅9812次，成功預(yù)測率僅3.76%;成功預(yù)報避免的直接經(jīng)濟損失為79.43億元，與滑坡等地質(zhì)災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟損失455.56億元相比，只占17.44%;因成功預(yù)報而安全轉(zhuǎn)移的人數(shù)高達505499人，與這些地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的人員傷亡總數(shù)的11230人相比，是45倍;這說明滑坡災(zāi)害預(yù)警對于人民生命、財產(chǎn)安全至關(guān)重要。因此，加快研究和發(fā)展監(jiān)測技術(shù)，提高預(yù)報的準確性和時效性，減少地質(zhì)災(zāi)害帶來的危害，是關(guān)乎民生的重大課題。

三、滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的重點是監(jiān)測，核心是分析預(yù)警。因此，系統(tǒng)的總體功能需求應(yīng)圍繞如何獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并如何利用軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析，并達到提前預(yù)警預(yù)報的目的。近年來，為了提高滑坡預(yù)警的準確性、時效性和降低監(jiān)測設(shè)備成本，國內(nèi)學(xué)者和技術(shù)人員對滑坡監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)進行了深入的研究，并公布了很多具有實用性的專利和研究成果。

江山、庹先國等[2]提出了一種基于SCA100T和CC2530的無線滑坡監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32單片機作為主控MCU，采用SIM900模塊實現(xiàn)GSM網(wǎng)絡(luò)接入，基于9V干電池，12V、40Ah蓄電池和小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)完成系統(tǒng)持續(xù)供電;分為采集終端、采集站、接收主機3部分。采集站通過SCA100T傳感器采集滑坡體傾角信息，各采集站和采集終端之間采用Zig Bee進行通信，采集站基于GSM網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程的接收主機。系統(tǒng)程序設(shè)計采用主動上傳與定時上傳相結(jié)合的機制降低功耗，利用短信觸發(fā)或定時器定時觸發(fā)，驅(qū)動傾角傳感器采集，并啟動GSM模塊實現(xiàn)遠程自動化傳輸。

張飆、周叔一等[3]公開了一種實用的滑坡預(yù)警裝置，包括一個主控單元和多個滑坡傳感器。主控單元由無線接收模塊、微處理器、短息模塊、存儲模塊、聲光報警器、狀態(tài)指示模塊和接收天線構(gòu)成?；聜鞲衅饔蓹C械式雙軸傾角檢測模塊，無線發(fā)射模塊，天線和電池構(gòu)成。多個滑坡傳感器垂直于水平面埋入可能出現(xiàn)滑坡的現(xiàn)場的不同位置，各滑坡傳感器可設(shè)置不同的傾角閾值，且平時處于斷電狀態(tài)。主控單元安裝在滑坡點附近的人員家中或企事業(yè)單位內(nèi)或其它能夠不間斷供電的地方。機械式雙軸傾角檢測模塊兼做電源開關(guān)，平時不耗電，只有滑坡跡象出現(xiàn)時傾角閾值達到才觸發(fā)供電。采用長壽命堿性干電池供電，未出現(xiàn)滑坡時，滑坡傳感器可保證五年不用換電池;每個滑坡傳感器中的機械式雙軸傾角檢測模塊可以預(yù)設(shè)不同的傾角檢測閾值，在滑坡的蠕動變形階段、急劇變形階段和滑動階段都能發(fā)出預(yù)警信號。

陳金輝、張寒等[4]提出了一種山體滑坡監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，包括服務(wù)器、移動通信終端以及沿山上進行布置的多組信號采集裝置，每組信號采集裝置包括：與山體表面呈一定角度進行設(shè)置的擋板、布置于擋板的上表面的壓力傳感器、與壓力傳感器連接的控制單元、分別與控制單元連接的無線發(fā)送單元及定位單元;服務(wù)器分別通信連接各個無線發(fā)送單元以及移動通信終端。該系統(tǒng)能夠有效監(jiān)控山體滑坡，及時對山體滑坡進行預(yù)警，并發(fā)送預(yù)警信息至發(fā)生滑坡的位置，通知人員進行撤離。

劉斌、翟亮等[5]提出一種滑坡和泥石流地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與應(yīng)急響應(yīng)方法，該方法所涉及的滑坡和泥石流地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與應(yīng)急服務(wù)系統(tǒng)由地面在線監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)、應(yīng)急與指揮子系統(tǒng)、災(zāi)害信息提取子系統(tǒng)、災(zāi)后損毀評估子系統(tǒng)和應(yīng)急會商服務(wù)子系統(tǒng)組成;集災(zāi)前預(yù)警、災(zāi)后應(yīng)急處置業(yè)務(wù)為一體，提供一種全流程、系統(tǒng)性的解決方案。

胡梓楷、林程博等[6]提出一種滑坡體動態(tài)監(jiān)控方法及系統(tǒng)，該方法對需要監(jiān)控的每一滑坡體進行實時現(xiàn)場攝像監(jiān)控，并對每一滑坡體進行多種坡體環(huán)境監(jiān)測，如滑坡體表層位移監(jiān)測、滑坡體周圍降雨量監(jiān)測、滑坡體土壤濕度監(jiān)測以及地下水位監(jiān)測括滑坡體坡度監(jiān)測等;將每一滑坡體的位置信息以及現(xiàn)場采集到的多種坡體環(huán)境參數(shù)分別以窗格標簽插入的形式實時顯示在指揮監(jiān)控中心相應(yīng)的攝像監(jiān)控畫面上。

賀可強、郭棟等[7]基于滑坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行跑馬山滑坡過程分析，確定滑坡時間和空間演化規(guī)律。分析滑坡累積位移、變形速率和加速度變化過程，將滑坡變形演化階段分為初始變形、勻速變形及加速變形階段。統(tǒng)計研究區(qū)滑坡與降雨資料，運用經(jīng)驗性降雨閾值方法，分析降雨強度與降雨持時關(guān)系，確定滑坡降雨閾值I-D曲線?；诙狶ogistic回歸分析，對I-D曲線進行優(yōu)化和標準化處理，得到鎮(zhèn)江地區(qū)標準化降雨閾值IMAP-D 曲線。分析I-D曲線影響因素，討論坡度、滲透系數(shù)、裂縫和雨型對I-D曲線的影響。

李增濤[8]將動力增量位移響應(yīng)比參數(shù)，運用于堆積層滑坡預(yù)測預(yù)報之中，證明了動力增量位移響應(yīng)比參數(shù)能夠完全描述坡體失穩(wěn)機理。并以損傷力學(xué)與彈塑性力學(xué)基本理論為依據(jù)，通過Geo-studio巖土軟件建立堆積層邊坡動力增量位移響應(yīng)比參數(shù)模型，得出以下結(jié)論：邊坡處于未損傷彈性變形階段時，動力增量位移響應(yīng)比為1或者以1為基點上下小幅波動;不穩(wěn)定彈性損傷變形階段，動力增量位移響應(yīng)比大于1且偏離1的程度會越大;塑性損傷階段，滑坡動力增量位移響應(yīng)比將出現(xiàn)突變，甚至趨于無窮大，預(yù)示著邊坡進入臨界整體失穩(wěn)階段，即將失穩(wěn)。

蔡植善、洪斯星[9]提出的山體滑坡監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)由三部分組成：以ZigBee技術(shù)組網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，承擔對邊坡區(qū)內(nèi)的地質(zhì)、水文、氣象參數(shù)的監(jiān)測;以GPRS DTU模塊組成遠程數(shù)據(jù)傳輸單元;以LabVIEW為上位機編程軟件，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、存儲、濾波處理，為后面的數(shù)據(jù)融合、趨勢評估和危險估計通過可靠的數(shù)據(jù)源。土壤濕度傳感器節(jié)點及角度傳感器節(jié)點電路由CC2530模塊、供電模塊及傳感器組成。

孫靜[10]公布了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山體滑坡監(jiān)測預(yù)警裝置包括ZigBee無線傳感器節(jié)點、GPRS傳輸網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控中心，ZigBee無線傳感器節(jié)點包括傳感器、GPS定位裝置、處理器模塊、ZigBee無線通信芯片和鋰電池，每個傳感器上均安裝有GPS定位裝置、處理器模塊、ZigBee無線通信芯片和鋰電池，還包括一太陽能電池，太陽能電池通過電磁感應(yīng)式無線充電實現(xiàn)對鋰電池的充電。該裝置通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給控制器，利用GPRS技術(shù)將采集數(shù)據(jù)傳輸給控制中心。

L. Zan 等[11]研制的“超前預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)”，能夠自動監(jiān)測滑坡體內(nèi)的震動噪音、孔隙水壓力、地表位移、降雨量等參數(shù)，并自動激發(fā)警報程序發(fā)出滑坡災(zāi)害預(yù)警。

B. A. Reevea 等[12]利用In-SAR 技術(shù)，對露天礦巖石邊坡進行監(jiān)測，監(jiān)測目的是為了對經(jīng)常發(fā)生崩塌災(zāi)害的邊坡進行穩(wěn)定性評價，以此來判斷邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

R. Ohbayashi 等[13]提出應(yīng)用“感知節(jié)點網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”對滑坡體變形進行監(jiān)測，該系統(tǒng)具有自我恢復(fù)、自動控制和高效數(shù)據(jù)傳輸功能，避免自然災(zāi)害對傳感裝置的破壞。

四、我國滑坡監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域展望

滑坡監(jiān)測預(yù)警是對識別出的隱患點進行科學(xué)監(jiān)測和預(yù)警的重要內(nèi)容，有效的專業(yè)監(jiān)測預(yù)警措施包括了智能化的監(jiān)測設(shè)備、科學(xué)的監(jiān)測方案、過程化預(yù)警模型三方面的工作，三者只有相互銜接、依次遞進，才能實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的真正提前預(yù)警和科學(xué)處置[14]。在滑坡監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域，國內(nèi)學(xué)者的研究成果集中在滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)處理模型、數(shù)據(jù)處理軟件單一學(xué)科為主。

實踐中發(fā)現(xiàn)我國現(xiàn)行主流滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在以下方面有提升空間： 1）滑坡監(jiān)測參數(shù)，提高滑坡監(jiān)測預(yù)警可信度的前提是正確選擇監(jiān)測參數(shù);2）供電問題，多數(shù)滑坡災(zāi)害隱患點地處偏僻、供電不便，需要監(jiān)測設(shè)備具備自給自足的供電能力; 3）監(jiān)測采集頻率，由于不同滑坡災(zāi)害隱患點具有不同的變形破壞過程，同一隱患點也有不同的變形階段，監(jiān)測過程中設(shè)備應(yīng)能實時監(jiān)測或能自動調(diào)節(jié)監(jiān)測采樣頻率，以獲取完整的監(jiān)測數(shù)據(jù);4）信號傳輸，是將監(jiān)測現(xiàn)場各個監(jiān)測點采集到的數(shù)據(jù)匯聚到一起的過程，需要達到的標準是數(shù)據(jù)傳輸不中斷、數(shù)據(jù)完整不缺失、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及時傳和數(shù)據(jù)安全且有效;5）滑坡預(yù)警模型，從大量監(jiān)測數(shù)據(jù)中快速獲取能夠真正反映滑坡變形趨勢的關(guān)鍵信息形成滑坡預(yù)警模型，從而建立對滑坡災(zāi)害的內(nèi)部量變演化至外部質(zhì)變的長期監(jiān)控;6）設(shè)備自檢，監(jiān)測設(shè)備安裝在野外滑坡監(jiān)測點，需要定期檢查設(shè)備的運行狀態(tài)。以上關(guān)鍵技術(shù)的問題的解決，可為我國滑坡監(jiān)測預(yù)警裝備技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和參考。

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基金項目：2020年崇左市科技立項項目（新型滑坡智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)）

通訊地址：廣西崇左市江州區(qū)壺興路339號，聯(lián)系人：韓祖麗。

作者簡介：

韓祖麗，陳羽玲，劉良軍，廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校。

林章煜，廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院。