水电工程地质灾害监测预警与应急管理系统设计及应用

凌 骐，张 轩，孔 松，胡 波

（南京南瑞集团公司/国网电力科学研究院，江苏省南京市 211106）

0 引言

随着我国水利水电工程建设的不断发展，在工程施工过程中对原有地形地貌进行大规模改造后，不可避免地会引起施工区地质灾害或次生灾害，给大坝等水工建筑物和人员的生命财产带来了极大的安全隐患。近年来，在许多大中型水电站施工区都发生过崩塌、滑坡或泥石流等地质灾害，造成了不同程度的人员伤亡和经济损失。通过灾后调查发现，有些地质灾害在发生前，如果监测到位、预警及时，是能够将损失减小到最低程度的。因此，如何设计和建设水电工程地质灾害监测预警系统，建立完善可靠的灾害监测—评估—预警—应急管理体系，已经成为水电工程管理单位十分重视的课题。

在地质灾害监测预警研究上，国内外已有一些成功经验。例如，1985年美国地质调查局和美国气象服务中心联合在旧金山湾地区建立了滑坡泥石流预警系统[1]，主要依据降雨强度、岩土体渗透能力、含水量和气象变化做出判断，预警结果通过气象中心进行广播。香港也早在1984年就建立了滑坡、泥石流气象预警系统[2]，主要利用雨量计开展降雨量监测，确定诱发滑坡的临界雨量后，实施降雨滑坡预警。三峡库区以地质灾害空间数据库为基础，建立了群测群防监测与专业监测网络相结合的地质灾害监测预警信息系统[3]，在实践中取得了良好效果。

目前很多水电工程单位在地质灾害监测中依然采用人工观测、人工记录、人工计算这种传统方式，当外业观测完成后，内业整理数据往往需要较长的一段时间，使得监测成果不能够及时反映孕灾体的状态。另外，地质灾害发生时经常是处于气象条件和地质条件非常恶劣的情况下，有些还是在晚上或凌晨人们休息的时间。在这样的条件下，就要求地质灾害监测预警系统具有全天候、可远程测控、数据自动处理分析、预测预报和应急管理等一体化功能，以提高地质灾害监测自动化水平、增强预警预报效果和应急响应能力。

1 系统工作原理

1.1 系统原理

水电工程地质灾害主要指水库渗漏、库岸再造及沿坝库岸失稳、水库淹没、水库淤积和水库诱发地震等引起的地质灾害。目的是监测岸坡坝肩山体在开挖过程中和结束后的稳定程度，预测不稳定山体是否可能造成地质灾害及其发展趋势，评价对地质环境及工程本身的危害程度；对地下开挖的围岩稳定及其可能形成的地质灾害进行预测评估，对地下工程进出口地段边坡及山坡稳定性及其可能造成的地质灾害进行预测评估；对地面工程的边坡稳定、地基承载力、过水挡水建筑物的防渗以及软土地段、膨胀土地段可能造成的地质灾害进行预测及评估。

地质灾害监测预警与应急管理系统是基于无线通信技术、传感器监测技术及灾害预测预警分析技术，以水电工程建设区范围内的滑坡、泥石流及崩塌等地质灾害变体为监测对象，对其在时空域的变形破坏信息和灾变诱发因素信息实施动态监测。通过对变形因素、相关因素及诱因因素信息的相关分析处理，对灾变体的稳定状态和变化趋势做出判断。揭示滑坡、泥石流、崩塌的空间分布规律，对未来可能发生灾害的地段（点）做出预测预报和应急响应，为工程单位采取防灾减灾措施提供技术支撑。

1.2 工作流程

如图1所示，系统通过数据采集和分析处理服务以及专业应用服务，将实测数据和预测数据以及远程影像、遥感数据结合进行分析处理，通过数据建模运算、数据挖掘技术将数据进行再加工，图形报表服务可对原始资料以及再加工数据以图形和表格方式进行展示。经过会商，最终确定预警信息并通过短信设备、广播喇叭设备等对外发布，最终形成一系列完整的处理流程。

图1 水电工程地质灾害监测预警系统工作流程Fig．1 Workflow in geological hazard monitoring and early-warning system of hydropower project

1.3 系统架构

水电工程地质灾害监测预警系统设计为3层架构，包括数据层、服务层和表现层，如图2所示。

数据层主要包含了各类系统资源（主要是数据资源）以及各类与系统资源密切联系的数据访问功能。数据资源层采用空间数据库、关系型数据库和全文数据库相结合的方式实现对所有资源数据的存储和管理，利用关系数据库的业务处理能力和全文数据库的海量存储和检索性能。采用全文检索网关实现对关系数据库中数据资源的全文索引创建，由全文数据库提供统一的全文检索功能。本项目中对于数据资源层的主要实施内容为：工程监测数据库、地质灾害数据库、雨水情数据库、气象数据库、地理空间数据库和多媒体数据库等。

业务层主要包含了各类通用的组件和专业服务，这些服务是从所有具体的应用中抽象出来的，服务粒度较小，通用性较强，非常适合通过组合或者装配的形式辅助某个应用支撑层或应用层的服务，这些服务同时也可以直接由某个应用进行调用，完成其所需的某项功能，主要包括空间数据引擎、数据交换访问、预警分析发布、图形报表通用组件以及地图服务、空间分析服务、采集数据处理服务、远程数据监控服务、图形报表服务、预警分析发布服务、事件管理服务、权限管理服务和移动应用服务等。

图2 系统平台逻辑架构Fig．2 Logical frame of system platform

表现层主要是通过界面对服务层业务进行封装，并能够与用户进行合理交互，适应复杂的业务应用。按照功能模块划分，系统平台主要包括监测数据采集、地图导航浏览、图表展示、图元编辑、分析评估、隐患排查、事件报警、应急响应、权限管理等若干子模块。

2 系统功能设计

2.1 远程数据测控功能

一般监测系统远程测控与现地设备的品牌和型号有较大关联，需在获取现地设备开发接口的基础上，根据设备接口（或标准模型）进行二次开发，兼具考虑开发的效率和监测信息管理平台的通用性和易用性。通过监测信息管理平台对现地监测站网络进行远程控制，可以设置各种测量方式、测量参数，方便地获得各种测量数据、进行模块故障诊断。

2.2 基础信息查询展示功能

基础信息包括地质信息、灾害点信息、监测点信息、历史地质灾害信息、灾害易发性分区信息、气象信息、群测群防信息等。可以通过GIS地图不仅能展现基础地理地质信息、灾害易发性分区、防治规划等空间数据，专业监测数据、灾情预警信息和应急响应信息还能够实时更新并在图上动态展示。

2.3 数据处理及图表展示功能

通过监测信息管理平台，可对监测数据进行成果计算，过程线、相关图、分布图、布置图的自动绘制，定期报表、自定义报表及通用报表的定制，数据表的展示及输出，人工观测数据录入，事件日志记录等。数据处理功能可连续实时进行数据处理，将采集数据计算生成业务统计数据。数据解算可根据预先设置的公式和参数进行计算。通过后台进程监控并定时调用数据处理程序，完成对数据处理与成果计算。图表定制功能提供专业监测数据、群测群防监测数据查询与录入、维护功能，通过各种图形、报表展现地质灾害点详细数据；可以实时生成测值过程线、测值分布图、多因素相关图、等值线图等专题图；逐时、逐日报表、月报表、极值统计报表等各类整编统计报表。

2.4 预测预警分析功能

预警分析功能包括专业监测数据预警分析与报警、地质灾害气象预警、地质灾害风险评估、监测预警指标管理等。通过建立灾害预报预警分析评估机制，将雨水情监测、水工监测、气象监测、群测群防等数据作为输入参数，结合地理地质信息、地质灾害空间与属性数据，基于预警指标判断和历史灾情的概率统计，保证预警信息正确性，最终分析生成地质灾害预警结论。同时提供监测资料定量分析计算方法，针对不同的灾害类型可建立分析量预报模型和预警判据。

2.5 预警信息发布功能

通过监测预警信息管理平台，提供信息查询、实时水雨情监视、气象国土部门信息链接服务、灾情预报服务等功能。通过短信、语音广播、声光报警等方式发布预警，经专业人员确认地质灾情后发布外部预警。通过门户Web方式，向公众发布地质灾害信息，预报预警等信息。通过Web人机界面向短信发送设备请求发送服务，由发送设备在服务端发送短信，或者向无线广播站发送广播命令，进行语音广播报警。

2.6 应急响应管理功能

灾害应急管理功能可根据设定的条件，触发应急响应工作流，通知各责任主体启动应急处置措施，按计划进行抢险救灾。主要功能包括应急预案编辑、信息监视、信息预警、预案启动等，并可构建包括灾害应急预案相关信息的预案库，实现预案的查找、统计和汇总。另外，依据已经制定的重要灾害应急预案的规定，在满足相关应急响应条件时，立即自动提示报警，并给出相应的应急预案响应等级与响应措施，当输入相关需求条件时，可自动从预案库中组合出辅助决策、调度参考提示的处置方案。应急管理还提供物资点配置、编辑和查询，提供撤离线路配置、编辑和查询，提供安置点编辑、配置和查询，为灾害应急响应提供辅助支持。

2.7 地灾监测移动应用功能

基于地质灾害监测预警信息平台，开发可应用于Android和IOS系统的移动终端应用程序，达到严谨防范、监控便捷的效果，提高地质灾害监测预警信息系统的智能化水平。根据专业应用需求，地质灾害移动应用可实现隐患巡检排查、通知通报管理、工作日志管理、监测数据和气象信息查询、视频监控、预警信息推送接收及应急处置等功能。

3 工程应用实例

某水电工程施工区地质灾害发育，经地质调查发现较大规模危岩体3处，滑坡6处，崩塌堆积体8处，泥石流5处。2014年7月，坝址施工区一处高陡危岩发生岩石崩塌，造成多名作业施工人员伤亡。目前坝址区布置了边坡岩土体光纤应变监测系统、强震动监测系统及泥石流监控视频等监测设备，为集中高效的管理和分析海量的实时监测数据同时建立了一套集远程测量、数据处理分析和灾害预测预报于一体的动态监测及应急管理系统（GHMES，如图3所示），为工程建设单位有效防治、处置地质灾害、降低地质灾害造成的损失提供了科学的辅助决策手段。

该系统除实现前文所述的主要功能外，还可建立不同时间尺度的滑坡、崩塌及泥石流灾害预测模型和预警判据。除根据气象预报生成地质灾害气象预警预报外，还支持采用生长曲线模型、灰色模型、神经网络模型等进行中长期和短临期的滑坡崩塌预测以及基于临界降雨量模型的泥石流预测。同时采用Web界面对于地质灾害专家提供研判入口，对待确诊的地质灾害数据可进行分析、会诊和综合评估。图4展示了地质灾害监测平台中的GIS地图界面，相关人员可以直观的浏览该工程的地质灾害测点位置、监测数据和报警信息，还可以查看应急物资点、安置点及撤离线路等信息，以便在遇到灾害时能及时掌握应急资源信息。利用图5所示的泥石流灾害预测模型[4]分析功能，可以基于坝址区实测降雨量对泥石流灾害发生的可能性进行评估，也可以采用降雨量预报数据对未来较近一段时间内发生泥石流灾害的可能性进行初步预测，从而为提前采取应急响应措施提供科学依据。该平台除具有以上功能特点外，还支持图元编辑、移动巡检、隐患排查、专家会商等功能，限于篇幅不再赘述。

4 结束语

（1）本文所设计的地质灾害监测预警与应急管理系统包括现地监测设备、数据采集通信装置及信息管理软件平台，提供了针对水利水电工程从施工期到运行期的全过程在线监测整体解决方案，也为工程单位防治地质灾害提供了一种技术辅助手段。在实践应用中，该平台可以接入大坝安全监测系统、水情测报系统及强震监测系统等其他水工专业监测设施，通过综合分析各专业监测数据，能够进一步地提高地质灾害监测的有效性和预测成果的可靠性。

图3 某水电站地质灾害监测预警系统网络图Fig．3 Network of geological hazard monitoring and early-warning system of a hydropower plant

图4 GIS地图报警展示界面Fig．4 Display Interface of GIS Warning

图5 预测模型设置界面Fig．5 Setting Interface of Forecasting Model

（2）基于地质灾害监测预警与应急管理系统的监测成果，可以研究和掌握各领域不同类型地质灾害活动的规律及发展趋势特征，为系统科学地进行灾害防治提供基础资料，具有较强的工程实用价值。该系统不仅适用于水利水电工程，也可以在国土资源、地矿开采、市政交通等领域推广应用。

[1] 葛秀珍．实例——泥石流预警系统[J]．水文地质工程地质技术方法动态，2006（5）: 24-28．GE Xiuzhen．Example—Debris flow early-warning system[J]．Information of Hydrogeology & Engineering Geology Techniques，2006（5）: 24-28．

[2] 张亚芳，刘浩．香港滑坡/泥石流灾害及其治理系统[J]．广州大学学报：自然科学版，2006，5（1）:45-48．ZHANG Yafang，LIU Hao．Landslide and its preventive/mitigation system in Hong Kong [J]．Journal of Guangzhou University （Natural Science Edition），2006，5（1）:45-48．

[3] 周金星．三峡库区泥石流灾害预警研究[J]．中国水土保持科学，2010，08（6）: 6-13．ZHOU Jinxing．Early-warning system for debris flow disaster in the Three Gorges Reservoir Region [J]．Journal of Science of Soil and Water Conservation，2010，08（6）: 6-13．

[4] 冯树荣，等．水工设计手册（第二版） 第10卷 边坡工程与地质灾害防治[M]．北京：中国水利水电出版社，2013．FENG Shurong．Hydraulic design manual （volume 10）—Prevention and control of slope engineering and geological hazard[M]．Beijing ：China Water & Power Pres，2013．