地质灾害专业监测预警技术方法探讨

亓 星

(1.四川轻化工大学土木工程学院， 自贡 643000;2.桥梁无损检测与工程计算四川省高校重点实验室， 自贡 643000)

引 言

2019年2月17日凌晨5点53分，贵州省黔西南州兴义市龙井村9组发生了一起深层顺层岩质滑坡，超过60万m3山体失稳破坏，直接威胁了滑坡下方400多人的安危，如图1所示。由于针对该滑坡实施了专业监测预警，通过智能化的监测设备在滑坡发生前准确发出了预警信息，配合科学的应急处置，使滑坡灾害实现了人员零伤亡和财产零损失。由此可见，专业监测预警是科学防范地质灾害的重要手段。目前针对地质灾害的早期识别与监测预警已逐渐成熟，基于“三查”体系[1]的地质灾害早期识别解决隐患点在哪里的问题，而精准的专业监测则解决灾害提前预警和避让的问题。一般情况下，通过早期识别发现的地质灾害隐患点需要进行科学评判以采取对应的处置措施，而对于危害性较大，但变形发展趋势并不明确的灾害点则需要采取专业监测预警方法以掌握其变形发展趋势，从而进行相应的防治或危害范围预测[2]，为避免人员伤亡和减少损失提供科学依据。由于地质灾害存在客观性、认识局限性、防灾长期性的问题[1]，地质灾害专业监测预警工作仍然是一项持久战，而充分发挥专业监测预警工作的效果，对有效减灾防灾具有重要的意义。

我国近年来大力推动地质灾害的专业监测预警工作，大量的地质灾害专业监测示范点得以建立，为防灾减灾发挥其监测预警作用。大量的实践证明，对于大多数地质灾害，通过科学、专业的监测可以在灾害发生前数分钟到数小时发出预警，这对于避免人员伤亡是非常重要的。同时，由于我国地质灾害众多，受制于相关专业技术人员的欠缺，地质灾害专业监测在实施过程中也存在一些问题，如监测设备不够智能、监测方案不够科学、预警模型无法满足需求等，使专业监测预警的作用没有完全发挥出来。由此，本文针对地质灾害专业监测预警工作需要满足的要求进行了探讨，为专业监测预警工作的实施提供参考。

图1 龙井村滑坡发生前影像

1 专业监测预警概述

“三查”体系是地质灾害隐患点全覆盖识别的重要方法，而专业监测预警则是科学防范地质灾害的重要手段。当发现地质灾害隐患点变形速率加快并可能失稳破坏时，需要采用精密的地表监测设备(如自动位移计、GNSS、雨量计等)进行全天候的连续专业监测，并为后续地质灾害的科学预警提供可靠的数据支持，由此，专业监测预警在地质灾害防范过程中所处的位置如图2所示。

图2 专业监测预警的内容

2 专业监测预警技术方法

地质灾害专业监测预警是对识别出的隐患点进行科学监测和预警的重要内容，有效的专业监测预警措施包括了智能化的监测设备、科学的监测方案、过程化预警模型三方面的工作，三者只有相互衔接、依次递进，才能实现地质灾害的真正提前预警和科学处置。

2.1 智能化监测设备

地质灾害专业监测设备是获取有效监测数据的基础，包括各类地面和坡体监测仪器，如地表位移、深部位移、雨量、水位等相关因素的精密监测设备。对于专业监测中使用的监测设备，需要满足两方面的需求：一方面，多数地质灾害隐患点地处偏僻、供电不便，需要监测设备具备自给自足的供电能力；另一方面，由于不同地质灾害隐患点具有不同的变形破坏过程，同一隐患点也有不同的变形阶段，监测过程中设备需要对应采用不同的监测采样频率，以获取完整的监测数据，而实践过程中这两方面仍然存在较大的改进空间。

针对供电需求，现有监测设备都采用了太阳能板和蓄电池联合供电的方案，即通过高大的立杆支架连接太阳能板，再配合大容量蓄电池组成供电模块，确保设备长期监测的用电需求，但在实际监测过程中发现，设备笨重的外型不仅增加了偏远山区运输的难度，也使后期维护工作量大大增加。由此，越来越多的研究人员开始重视低功耗设备的研发[3-4]，今后需要使监测设备更加小型化、轻便化，甚至可以不依靠外部供电维持自身1～2年专业监测的需求，这也是未来的重要发展方向。

同时，针对地质灾害的数据监测需求，在隐患点前期变形较小时，不需要过高的采样频率以减少冗余数据，而后期即将失稳破坏时则需要高频采样以准确获取加速变形阶段数据用于及时可靠的预警。而目前主流的监测设备只能人工设置监测频率，并不能针对灾害点的变化趋势自动调节采样频率，这将直接导致对于突发型滑坡和崩塌等突发性地质灾害无法获取有效监测数据，产生漏报预警信息的严重后果。

如本次贵州龙井村滑坡布设了常规GPS监测站和自适应变频位移计，如图3所示。在2019年2月17日凌晨滑坡发生前，常规GPS获取的累计位移刚开始加速时，滑坡就已经发生，而通过自主研发的自适应变频位移计则完整获取了滑坡变形加速全过程数据，如图4所示，后续监测也正是基于该完整的变形数据提前近1小时发出了预警信息，避免了人员伤亡。

图3 龙井村滑坡前后对比

图4 智能位移计和常规GPS监测数据对比

同样在2017年发生在甘肃黑方台的党川4#突发型黄土滑坡也出现了常规GPS未获取滑坡加速变形阶段的数据，导致漏报预警信息的问题[5]。由此可见，具备智能调节监测频率的监测设备是获取隐患点有效监测数据的重要条件，尽管现已逐渐开始应用自适应变频位移计[6]，但在变频触发响应时间，监测频率变化幅度等具体技术上还有很大的发展空间。

在设备监测过程中，采集数据的准确性受制于传感器的精度影响，原始数据不能完全体现出隐患点的实际变化规律，需进行预处理。而目前监测数据的处理都是通过第三方软件进行分析过滤，并对应发布预警信息，设备本身还不具有处理监测数据的能力。当原始监测数据过多时会对数据发送产生极大的压力，例如原始次声监测数据的数据量一般比处理过滤后的数据量多10倍以上，对于信号不好的偏远地区，监测数据的压缩发送也是需要优化的问题，因此，设备对监测数据的智能分析和过滤也是今后的发展方向。

同时，随着近年来人工智能技术不断发展，在各个行业都得到了广泛的应用。而地质灾害专业监测中，设备工作状态检查、故障判断、数据发送完整性检查以及电量的智能监控等大多还依靠人工判断，在智能化发展中处于较落后的阶段，尤其对于安装在偏远山区的监测设备来说，设备的智能化自我管理和自我监控显得尤为重要，这方面还需要进一步的发展。

2.2 科学的监测方案

地质灾害监测设备布设位置的科学性直接决定了监测数据是否有效，其布设需要抓住地质灾害的关键发展过程。目前针对地质灾害监测的布设方案还未形成统一标准，仅有“突发地质灾害应急监测预警技术指南”、“崩塌滑坡泥石流监测规程”等行业标准作为参考。而地质灾害的专业监测方案需要根据灾害点的变形破坏模式针对性的设计，但受制于我国地质灾害数量多、发育广泛，很难做到对每个灾害点进行详细勘察，使得该工作不容易被重视，从而导致监测工作没有发挥出作用，即由于监测点的布设没有准确抓住灾害点的变化过程而导致监测数据没有使用价值。

以甘肃永靖县盐锅峡镇黑方台黄土滑坡为例[7](图5(a))，该区域内黄土滑坡由于其受地下水控制的独特成因模式[8]，已有滑坡两侧持续产生缓慢变形而形成了大量贯通裂缝(图5(b)，图5(c))，而该区域产生多次滑坡的位置都位于没有明显地表裂缝的滑坡后方，与我们通常认为的地表裂缝发育并不断产生持续变形的区域是危险区的结论相反，这类滑坡如果不进行科学的监测方案设计而仅监测裂缝发育区域，则无法对该区域内的滑坡进行有效预警。

对于地质灾害监测方案的确定，需要按照“详细勘察—明确成因模式—确定变形破坏关键区域—选用对应监测设备并进行布设”的思路进行。科学的监测方案是保证监测设备发挥其作用的关键，监测点位布设需在明确地质灾害隐患点的变形破坏模式下进行，这也是专业监测预警中需要重视的问题，这一工作需要结合地质灾害的早期识别进行，特别对于一些高位隐蔽性的地质灾害[9-10]，通过早期识别厘清其变形破坏迹象后，才能建立科学的监测方案从而实现精准的科学预警。

图5 甘肃黑方台陈家区域滑坡及裂缝发育特征

2.3 过程化预警模型

基于智能监测设备和科学合理的监测方案，可以准确获取灾害隐患点的各种指标(如位移、雨量、水位等)，并通过远程无线传输发回以进行数据分析，这一流程已相对成熟，而最关键的问题还是基于监测数据分析所建立的地质灾害预警模型。

目前推广的专业监测预警技术方法一般采用阈值模型进行简单的判断，以变形或者雨量等因素达到某一阈值后进行对应等级的预警，但阈值的确定并没有科学依据，且无法判断地质灾害点的发展趋势。而过程化的预警预报模型逐渐得到有效应用，成为成功预警地质灾害的可靠技术方法[11-13]。以泥石流为例，降雨是诱发泥石流的关键要素，近年来基于过程化的泥石流临界雨量模型充分考虑到了前期降雨量、降雨持续时间、累计总降雨量等关键降雨特征参数[14]，并在汶川地震三大片区得以多次成功预警[15]。滑坡变形预警同样也考虑了过程化的变形速率增量、加速度等反应滑坡变形发展趋势的因素，越来越多科学可靠的过程化预警模型逐渐被提出[16-17]，本次贵州龙井村滑坡也是基于过程化的变形切线角预警模型[18]，再次验证了基于过程化预警模型的适用性，这也是地质灾害专业监测预警技术方法的发展方向。

同时，现有的预警模型并未考虑多源数据融合问题，即针对某一灾害点虽然布设了多个监测设备，但监测数据的分析预警都是单一设备各自发布，而地质灾害的发生需要综合考虑各个监测设备的数据信息，确保准确判断隐患点的发展趋势和危险性。如本次龙井村滑坡的专业监测布设了6台位移监测设备(图3)，其中，4#位移计布设在一块不稳定的岩石上，在2019年2月11日凌晨，由于滑坡变形使该岩石沿张开的拉裂缝下坠，导致该位移计的监测数据产生了明显激增，并触发了过程化的红色预警，但实质上整个坡体仍然相对稳定，其余监测设备也并未发出报警(图6)，在这一过程中单一设备的报警并不代表滑坡即将失稳破坏。而滑坡真正发生的2019年2月17日凌晨，剩余5台自动位移计监测数据一致出现加速状态并几乎同时发出了预警信息，从整体上反映出滑坡全面失稳的过程。由此说明，过程化预警模型中多源数据协同的预警技术方法也是今后需要进一步发展的方向。

图6 龙井村滑坡位移计变形数据

3 结论与展望

科学管理、科学监测、科学处置、科学预警是本次贵州兴义龙井村滑坡灾害成功避免人员伤亡和财产损失的原因。以该滑坡的专业监测预警实践为例，探讨了实现专业监测预警所需要注意的三方面工作，得到以下认识：

(1)智能化的监测设备是进行专业监测预警工作的基本条件，地质灾害监测数据的智能化、动态化采集技术方法是获取有效监测数据的支撑，监测设备今后也将继续朝着该方向发展。

(2)科学的监测方案是确保专业监测得以发挥效果的重要保证，监测设备布设位置的科学性直接决定了监测数据的有效性，其布设需要抓住地质灾害的关键发展过程，基于地质灾害成因模式进行针对性设计。

(3)过程化预警模型能准确判断地质灾害变形发展过程，在专业监测预警中发挥了可靠的预警作用，预警模型的完善也将进一步提升地质灾害预警的效果，在此过程中的多源数据协同预警也是今后的主要发展方向。

随着监测预警技术方法的不断提升，科学的专业监测预警最终会为人类的防灾减灾做出更大的贡献。