地質(zhì)災害監(jiān)測預警技術(shù)方法探討

黃佳茂

（永州市自然資源事務(wù)中心，湖南 永州 425000）

1 地質(zhì)災害及其造成的主要危害

地質(zhì)災害，通常指由于地質(zhì)作用引起的人民生命財產(chǎn)損失的災害。這是指由自然或人為影響（通常是由于兩者的協(xié)同作用）引起的地表巖石和土壤的運動。地質(zhì)災害具有自然演化和人為災害的雙重性質(zhì)，不僅是自然災害的組成部分，也屬于人為災害的范疇。由降雨、融雪、地震等引起的自然災害稱為自然地質(zhì)災害，由工程開挖、堆載、爆破、腐蝕等引起的自然災害稱為人為地質(zhì)災害。地質(zhì)災害通常分為以下六種類型：滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降、地面塌陷、地裂縫。我國經(jīng)濟水平快速提高，工業(yè)、交通、建筑等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但也嚴重危害自然環(huán)境，特別是工業(yè)生產(chǎn)過程。隨著國家地質(zhì)災害日趨嚴重，人民群眾生命財產(chǎn)安全受到嚴重威脅。

2 傳統(tǒng)地質(zhì)災害監(jiān)測手段的不足

傳統(tǒng)的地質(zhì)災害監(jiān)測野外布置的系統(tǒng)通常無法實時智能地收集數(shù)據(jù)（通常間隔2h～4h），并且經(jīng)常監(jiān)測地質(zhì)不穩(wěn)定的物體。收集到的數(shù)據(jù)往往受各方面條件限制，無法及時發(fā)送給地質(zhì)學家。在大多數(shù)情況下，專業(yè)人員需要在現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)。加之動物、風等非地質(zhì)體位移因素的影響，原有的繩索式位移監(jiān)測系統(tǒng)無法有效消除干擾，經(jīng)常導致地質(zhì)學家誤判。

3 遙感技術(shù)的應(yīng)用

3.1 在地質(zhì)災害監(jiān)測預警中遙感技術(shù)的應(yīng)用價值

人類自然環(huán)境的因素很多，突發(fā)性因素是自然災害的一大特征，往往導致難以準確有效地監(jiān)測自然災害的發(fā)生。但遙感技術(shù)的應(yīng)用在解決這一問題上顯示出很大的優(yōu)勢，影響因素相對較小。利用遙感技術(shù)，可以準確判斷災害，在地圖上顯示情況并根據(jù)圖像內(nèi)容對自然災害進行分類和改進。救援人員也可以應(yīng)用這項技術(shù)制定完整的救援計劃并及時管理災難的影響。地質(zhì)災害的威脅在自然災害中相對較大且廣泛，因此遙感技術(shù)目前被廣泛用于地質(zhì)監(jiān)測、地質(zhì)斷層活動、地震環(huán)境和地表地震狀態(tài)分析，實現(xiàn)地質(zhì)條件研究，提高研究成果。此外，遙感已經(jīng)完成了地震的預防性檢查和監(jiān)測，并配備了多種地質(zhì)預測手段，在地質(zhì)災害監(jiān)測中發(fā)揮著越來越重要的作用。

3.2 地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)安裝準備

先是獲取地質(zhì)災害可能發(fā)生地區(qū)的地形和實體數(shù)據(jù)，走訪調(diào)查各類地質(zhì)災害威脅區(qū)及其周邊地形，以應(yīng)對災害管理需求。檢查并了解交通環(huán)境，找到安全可靠的疏散路線，為防災減災工作的開展提供了寶貴的基礎(chǔ)。 然后在安裝特殊設(shè)備和放置簡單設(shè)備點之前進行全面的現(xiàn)場調(diào)查，以了解現(xiàn)場裂縫的風險。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和簡單設(shè)備的特點，找到安全和簡單設(shè)備的關(guān)鍵點。最后，在底圖上繪制并做出最終決定，此外，對于配備有專用設(shè)備的地質(zhì)災害現(xiàn)場，還需要根據(jù)周圍環(huán)境、水文條件、穩(wěn)定性風險、設(shè)備安裝要求等進行詳細的實地勘察。

3.3 遙感技術(shù)在地質(zhì)災害監(jiān)測中的應(yīng)用

3.3.1 突發(fā)性地質(zhì)災害調(diào)查和監(jiān)測領(lǐng)域

地質(zhì)災害的發(fā)生一般與自然環(huán)境中形成的地質(zhì)構(gòu)造、地表植被的范圍、地形地貌、降雨強度等直接相關(guān)。總的來說，地質(zhì)構(gòu)造是地質(zhì)災害的主要成因，遙感技術(shù)具有宏觀監(jiān)測能力強、時效性快、應(yīng)用過程信息量大等特點，可以通過分析各種地質(zhì)地形來明確災害預警，實現(xiàn)對可能發(fā)生的地質(zhì)災害的動態(tài)評價和災害監(jiān)測。因此，利用遙感技術(shù)作為地質(zhì)災害防治的主要手段，可以快速、恰當?shù)乇O(jiān)測和預測地質(zhì)災害的發(fā)生，為自然資源規(guī)劃和災害防治管理提供詳細的國家信息。

3.3.2 對地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)進行調(diào)查并進行區(qū)劃

地質(zhì)災害的發(fā)生主要是自然和人為因素共同作用的結(jié)果。我國部分地區(qū)發(fā)生嚴重地質(zhì)災害。由于災害的不可控性，在可能發(fā)生地質(zhì)災害的地區(qū)，當?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活受到地質(zhì)災害的嚴重威脅，因此通過對可能發(fā)生地質(zhì)災害的地區(qū)進行實時監(jiān)測，可以減少人員傷亡。利用遙感技術(shù)，可以從遙感云圖像的顏色、形狀、紋理等方面掌握災害易發(fā)區(qū)的全貌，識別每個地區(qū)可能發(fā)生的地質(zhì)和災害，可以跟蹤地質(zhì)災害的形式。當前災害孵化的性質(zhì)、規(guī)模和特征表明了可能發(fā)生災害的地區(qū)。通過科學劃分可能發(fā)生地質(zhì)災害的區(qū)域，了解各區(qū)域地質(zhì)災害類型及其對地質(zhì)災害的敏感性，可以有效提高地質(zhì)災害防治水平。

3.3.3 在突發(fā)性地質(zhì)災害監(jiān)測中的應(yīng)用

2000年4月9日，西藏自治區(qū)林芝地區(qū)發(fā)生特大型山體滑坡，滑坡堆積體截斷了易貢藏布，使原先網(wǎng)狀的易貢湖面積迅速擴大。王治華等利用多時相、多平臺的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型，對易貢湖的變化情況進行了監(jiān)測，快速獲取了各時相的湖水面積、水位和水量，并對洪水的潰絕時間進行了預測。研究結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果基本一致，顯示了利用遙感數(shù)據(jù)進行地質(zhì)災害定量監(jiān)測的可行性。

4 地質(zhì)災害監(jiān)測預警體系建設(shè)

2017年8月8日，九寨溝州發(fā)生7.0級地震，九寨溝景區(qū)發(fā)生多起地質(zhì)災害，主要威脅美麗的村莊、觀景臺、風景優(yōu)美的道路、和公共汽車等。九寨溝景區(qū)根據(jù)當?shù)厮l(fā)生的地質(zhì)災害建立了專門的監(jiān)測預警系統(tǒng)，使得各種地質(zhì)災害都能在第一時間被發(fā)現(xiàn)，也為有關(guān)部門有效制定相應(yīng)預防措施提供了基礎(chǔ)。

4.1 監(jiān)測網(wǎng)點選取原則

4.1.1 突出重點

在發(fā)生滑坡、崩塌多重威脅等嚴重地質(zhì)災害時，監(jiān)管部門通常會優(yōu)先排除隱患。隨著時間的推移，監(jiān)測的出口數(shù)量應(yīng)根據(jù)受影響地區(qū)的風險情況進行適當調(diào)整。

4.1.2 科學經(jīng)濟

監(jiān)測點布置要根據(jù)隱患類型和發(fā)展分布特點，統(tǒng)籌部署監(jiān)測工作。對于自動化雨量站，在滿足監(jiān)測精度和要求的前提下，相鄰地質(zhì)災害應(yīng)共建共享，避免重復建設(shè)。

4.1.3 統(tǒng)籌兼顧

監(jiān)測點的布設(shè)宜根據(jù)隱患類型及發(fā)育分布特征,并結(jié)合監(jiān)測工作需要統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)籌部署。針對自動雨量站，在滿足監(jiān)測精度和要求的前提下，相鄰地質(zhì)災害隱患點應(yīng)共建共享，避免重復建設(shè)。

4.2 監(jiān)測內(nèi)容

4.2.1 滑坡監(jiān)測內(nèi)容

①降雨監(jiān)測。降水是滑坡和不穩(wěn)定邊坡形成和變形的主要環(huán)境因素，利用氣象降雨站實時采集和傳輸降水等數(shù)據(jù)，解決滑坡形成和變形的關(guān)系。隱患多，要按照統(tǒng)籌原則，共享相鄰隱患的氣象、降雨監(jiān)測。測量點之間其他隱患的降雨值可以通過插值獲得。②裂紋變形監(jiān)測。Rhagades早期預警擴展器用于表征由傳感器的電氣特性或頻率變化引起的裂紋、光滑表面和弱區(qū)變形。具有精度高、自動化程度高、現(xiàn)場預警快等特點。如果需要，裂紋警告引伸計可以與集成的GNSS監(jiān)測站或裂紋數(shù)據(jù)返回終端通信，以提供數(shù)據(jù)傳輸功能。③GNSS地面位移監(jiān)測。包括絕對和相對位移監(jiān)測，以監(jiān)測滑坡位移、位移方向、位移速率、裂縫變形。與傳統(tǒng)的大地測量不同，只需要使用一個集成的GNSS監(jiān)測站，它可以監(jiān)測滑坡的3D位移和速度，而不受能見度或天氣條件的影響。精度要求達到毫米級。同時，該裝置具有自動運行狀態(tài)檢查和故障報警功能。通過測量數(shù)據(jù)和自檢數(shù)據(jù)的實時傳輸，實現(xiàn)實時自動監(jiān)測。

4.2.2 崩塌監(jiān)測內(nèi)容

①降雨監(jiān)測。降水是崩塌形成和變形的主要環(huán)境因素，降雨監(jiān)測站實時采集和傳輸降水等數(shù)據(jù)，分析崩塌形成與變形的關(guān)系。由于隱患較多，相鄰隱患的降雨監(jiān)測按統(tǒng)籌原則共享。測量點之間其他隱患的降雨值可以通過插值獲得。②裂紋變形監(jiān)測。裂紋預警引伸計用于通過傳感器的電特性或頻率變化來表征裂紋變形。具有精度高、自動化程度高、現(xiàn)場預警快等特點。如果需要，裂紋警告引伸計可以與集成的GNSS監(jiān)測站或裂紋數(shù)據(jù)返回終端通信，以提供數(shù)據(jù)傳輸功能。③GNSS地面位移監(jiān)測。包括絕對和相對位移監(jiān)測，以監(jiān)測坍塌位移、位移方向、位移速度和裂縫變形。與傳統(tǒng)的大地測量不同，只需要使用集成的GNSS監(jiān)測站，無論能見度或天氣條件如何，都可以監(jiān)測3D位移和坍落度，精度要求達到毫米級。該裝置為自走式，具有巡檢和故障報警功能。通過測量數(shù)據(jù)和自檢數(shù)據(jù)的實時傳輸，實現(xiàn)實時自動監(jiān)測。

4.2.3 泥石流監(jiān)測內(nèi)容

①降雨監(jiān)測。泥石流形成和變形的主要環(huán)境因素是降水，利用氣象降雨站實時采集和傳輸降水等數(shù)據(jù)，分析泥石流形成和變形的關(guān)系。由于隱患多，相鄰隱患的天氣、降雨監(jiān)測按統(tǒng)籌原則共享。測量點之間其他隱患的降雨值可以通過插值獲得。②泥漿液位監(jiān)測。如果溝床斷面比較穩(wěn)定，可以根據(jù)實測泥石流計算實測泥石流，泥漿深度直接反映了泥石流的大小，確定其破壞的可能性、危險等級。③視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控主要記錄滑坡和地質(zhì)災害變化過程的圖像和照片。計劃選擇一個具有自動拍攝、保存和回放功能的集成視頻監(jiān)控站，監(jiān)控數(shù)據(jù)可以通過光纖網(wǎng)絡(luò)和其他通信方式發(fā)送到監(jiān)控和預警平臺。

4.3 技術(shù)路線

區(qū)域地質(zhì)災害預警理論是國家和地方地質(zhì)災害預警信息、專業(yè)地質(zhì)災害實時監(jiān)測、雷達逆向降水監(jiān)測預報等技術(shù)的完美結(jié)合。九寨溝歷史災害數(shù)據(jù)、地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、歷史降水監(jiān)測數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)逐步構(gòu)建完整的地質(zhì)災害預警模型和高精度監(jiān)測，形成預警體系。

4.4 體系架構(gòu)

九寨溝景區(qū)地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測預警系統(tǒng)整體架構(gòu)以標準和安全體系為基礎(chǔ)。從上到下依次為基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)資源層、模型層、系統(tǒng)應(yīng)用層、用戶層。具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 九寨溝地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測預警體系架構(gòu)示意圖

5 結(jié)語

地質(zhì)災害監(jiān)測預警是一個長期課題，在常規(guī)監(jiān)測手段的基礎(chǔ)上，利用最新信息技術(shù)對地質(zhì)災害進行實時監(jiān)測預警是地質(zhì)災害防治的未來。構(gòu)建最新的監(jiān)測預警技術(shù)需要根據(jù)災害狀況的變化和災害的突發(fā)性及特點，不斷更新和完善實時監(jiān)測預警系統(tǒng)的建設(shè)，以達到更有效地監(jiān)測預警地質(zhì)災害的目的。