熊清遠，楊 寧，鄭 勇，周 勇

(1.四川遠德安防檢測設(shè)備有限公司，四川 自貢 643000；2.重慶市地理信息中心，重慶 401121；3.四川省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，四川 成都 610000；4.核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院，四川 成都 610000)

0 引言

地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)作用發(fā)揮的好壞或效能的優(yōu)劣，取決于其“大腦”——系統(tǒng)“終端”對“前端”采集并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)回的各類地災異常信息的綜合處理能力的可靠性和預報預警的時效性[1-2]。傳統(tǒng)工作模式的監(jiān)測預警系統(tǒng)終端受到通訊網(wǎng)絡(luò)異常的影響時，將導致系統(tǒng)終端的分析處理響應滯后、預警指令發(fā)送延遲或中斷，使整個監(jiān)測預警系統(tǒng)的作用和效能降低或喪失。因此，創(chuàng)建智能化終端“前置”于監(jiān)測現(xiàn)場增強系統(tǒng)分析判斷可靠性和預報預警時效性的工作新模式，是提高地質(zhì)災害智能化監(jiān)測預警系統(tǒng)效能的有效途徑。

2017年9月1日上午8時40分，四川省自貢市榮縣雙古鎮(zhèn)五桐村發(fā)生一起中型地質(zhì)災害，崩塌和滑坡體積達4×104m3，造成房屋垮塌83間，電線桿損壞20余根。由于該處地災隱患點上安裝的智能化終端——“ 崩塌(滑坡)智能監(jiān)測預警系統(tǒng)”在地災發(fā)生前及時監(jiān)測到其前兆異常的發(fā)生時間、變化進程及變化狀況，多次發(fā)出預報預警，使崩塌滑坡危險區(qū)內(nèi)涉及的群眾46戶180人成功避險，無一例人員傷亡情況發(fā)生。成為崩塌災害智能化監(jiān)測預警終端前置的一個成功案例。

1 地質(zhì)災害監(jiān)測預警工作模式

1.1 傳統(tǒng)工作模式

傳統(tǒng)地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的工作模式見圖1。“前端”傳感器負責采集地災異常信息數(shù)據(jù)，再通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到后臺控制“終端”進行分析處理、存儲、發(fā)送報警指令等。傳統(tǒng)工作模式的不足是：當監(jiān)測預警系統(tǒng)“前端”與“終端”所依賴的通訊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸不暢或中斷時，該系統(tǒng)的功能和作用的發(fā)揮就將受到影響甚至有失去效能的可能。

圖1 傳統(tǒng)地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)工作模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of the working mode of traditional geological disaster monitoring and warning system

1.2 終端前置的工作新模式

地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)工作新模式就是提高系統(tǒng)終端智能化水平并將智能終端“前置”(圖2)?，F(xiàn)場前置的集數(shù)據(jù)分析、處置、預警等功能于一體的智能化終端，可始終保障系統(tǒng)對地災前兆異常的分析判斷可靠和預警及時有效。即通訊網(wǎng)絡(luò)正常時系統(tǒng)工作正常(包括按要求將采集、處理的各類數(shù)據(jù)信息發(fā)往遠程的控制中心存儲備份)，通訊網(wǎng)絡(luò)異常甚至“斷網(wǎng)”時，除發(fā)往遠程控制中心存儲的數(shù)據(jù)傳輸功能受到影響外(網(wǎng)絡(luò)恢復正常后可自行恢復數(shù)據(jù)傳輸存儲)，系統(tǒng)的分析處置、預報預警等功能均不受影響，依然能正常工作。

圖2 監(jiān)測預警系統(tǒng)智能化終端“前置”工作模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working mode of the “front” intelligent terminal of monitoring early warning system

2 應用案例

2.1 監(jiān)測方案技術(shù)

榮縣雙古鎮(zhèn)五桐村崩塌隱患點有一個砂巖組成的70°～90°臨空面的崩塌體，在基巖山坡面上已發(fā)現(xiàn)許多垂直和水平方向的裂縫，寬度10～50 mm，高差70～80 m。估算該崩塌體的體積1.0×105m3以上。監(jiān)測技術(shù)方案設(shè)計與施工布置是：在既定的危巖體(裂隙)上部較穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)1套智能監(jiān)測預警終端(采用太陽能供電)、3個基準點和1個雨量監(jiān)測站。在危巖體(裂隙)下端，分別布設(shè)3個位移傳感器采集危巖體裂隙位移變化信息。位移傳感器通過3條地下暗埋測線與智能監(jiān)測預警終端相連。該監(jiān)測點坡下村民家中安放1個遠程無線報警終端(留言報警喇叭)，山頂邊緣處增加一套無線中繼和一套GPRS增強天線，保障報警信息及監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效傳遞。工程布置見圖3。

圖3 榮縣地災點監(jiān)測預警系統(tǒng)工程布置示意圖Fig.3 The schematic diagram of the engineering layout of the monitoring and early warning system for the disaster area of Rongxian County

2.2 監(jiān)測預警設(shè)備

本次采用的“滑坡(崩塌)智能監(jiān)測預警系統(tǒng)”是具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的集數(shù)據(jù)采集、控制、傳輸、預警(聲光警笛、短信、電話)于一體的專利產(chǎn)品。該系統(tǒng)獨創(chuàng)的每秒實時監(jiān)測預警、多預警閾值設(shè)置[3]、斷網(wǎng)也能監(jiān)測預警等功能，提高了預警的可靠性和時效性。當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障不能實時傳輸數(shù)據(jù)時，監(jiān)測預警主機自動將數(shù)據(jù)存貯在本機內(nèi)(最大可存貯69 632條記錄)，并發(fā)出網(wǎng)絡(luò)錯誤的預警短信，待網(wǎng)絡(luò)正常后再將數(shù)據(jù)上傳到控制中心。

本次監(jiān)測預警參數(shù)設(shè)置：

①上網(wǎng)參數(shù)：

采用域名映射方式

采樣間隔：100 ms；

數(shù)據(jù)上傳時間間隔：7 200 s。

②預警閾值：

累計位移：200 mm；(0～600 mm范圍可調(diào))

變化速率：5 mm/min。(1～200 mm/ h可調(diào))

③報警方式：

現(xiàn)場喇叭：“危險！請避讓……危險！請避讓……”；

報警時長：20 s，反復播放；

短信報警：累計位移或變化速率超過閾值時發(fā)送報警短信；

平臺報警：超過報警閾值時顯示報警圖標，并自動調(diào)整數(shù)據(jù)上傳時間。

2.3 監(jiān)測預警過程

2.3.1預警之前

2016年8月完成該地災隱患點監(jiān)測系統(tǒng)安裝。至2017年1月19日，該監(jiān)測點一切正常未發(fā)生明顯位移變化。1月20日開始，2號點傳感器監(jiān)測到有5 mm位移產(chǎn)生，因未超“位移”和“速率”預警閾值，屬正常安全狀態(tài)(圖4)。

圖4 數(shù)據(jù)曲線圖(1月6日～25日)Fig.4 Data graph (6～25 January)

2.3.2第一次預警

從2017年2月3日開始，1～3號測線(點)傳感器均監(jiān)測到較明顯的位移變化，至2月14日最大位移量已達18 mm。2月9日15點07分，當3號點傳感器監(jiān)測到位移“變化速率”(從0 mm/min到9 mm/min)超過預設(shè)閾值后，監(jiān)測終端及時發(fā)出了第一次預警。報警喇叭現(xiàn)場連續(xù)發(fā)出了“危險！請避讓。危險！請避讓。…”的警示聲音，預警短信也同時分發(fā)到事前預設(shè)的相關(guān)管理人員手機中(圖5)。

自貢市國土局、榮縣國土局、雙古鎮(zhèn)等政府有關(guān)領(lǐng)導接警后高度重視，根據(jù)現(xiàn)場技術(shù)勘察發(fā)現(xiàn)的塌陷、裂縫明顯加大加深，遇雨水沖刷很容易引發(fā)大規(guī)模山體垮塌地質(zhì)災害且后果嚴重等實際情況，2月11日現(xiàn)場辦公決定直接處于危巖坡下的12戶人家共36人立即搬遷避險。

圖5 數(shù)據(jù)曲線圖(2月3日～14日)Fig.5 Data graph (3～14 February)

2.3.3第二次預警

2017年7月16日19時38分，2號監(jiān)測點監(jiān)測到突然變化的“異常速率”，其值超過了5 mm/ min的報警閾值，監(jiān)測終端啟動了第2次預警。“危險！請避讓…”的報警聲音在五桐村上空響起。至此次預警，3個監(jiān)測點的累位移計量均比前期增大，其中1號監(jiān)測點的位移累計達到78 mm；2號監(jiān)測點達到192 mm；3號監(jiān)測點達到85 mm(圖6)。

為便于監(jiān)測預警管理，根據(jù)監(jiān)測記錄和崩塌體裂縫變形實際，技術(shù)人員通過分析崩塌體變形情況，對地質(zhì)災害隱患點可能的發(fā)展趨勢作了預判后，將3個監(jiān)測點的累計位移預警閾值分別調(diào)整為300 mm、400 mm、300 mm，變化率預警閾值調(diào)整為21 mm/ min。

圖6 速率超限報警短信(7月16日)Fig.6 Velocity variation rate transfinite alarm message (16 July)

2.3.4第三次預警

隨著各監(jiān)測點的位移累積量加速增大。8月21日9∶13～9∶21又有幾次位移累計量上限報警和速率報警情況發(fā)生。其中：1號點9∶14上限報警310；9∶16變化速率報警316。2號點9∶13上限報警402；9∶16變化速率報警424?，F(xiàn)場語音喇叭發(fā)出“危險！請避讓……”的報警聲(圖7)。

圖7 位移累計超限與速率超限報警短信(8月21日)Fig.7 Displacement accumulative overlimit and velocity variation rate transfinite alarm message (21 August)

2.3.5第四次預警

2017年9月1日智能監(jiān)測終端第四次啟動預警程序。

凌晨1時48分，監(jiān)測終端探測到3號點位移突變量超過閾值后立即啟動當天的第1次報警，“危險！請避讓……”的報警聲音打破五桐村寂靜的夜晚。

2時43分，監(jiān)測預警終端又探測到1號崩塌監(jiān)測點位移突變超閾值后，當天的警報聲再次響起。

6時45分，監(jiān)測預警終端發(fā)現(xiàn)2號崩塌監(jiān)測點位移突變量超閾值，啟動了當天的第3次報警。

2017年9月1日上午7時30分左右，崩塌體開始出現(xiàn)零星的滾石，8時40開始出現(xiàn)山崩，超過4×104m3的山體突然崩塌，大大小小的滾石散落在約26.7 hm2的地里，并引起山體滑坡(圖8)。

3 結(jié)語

四川省自貢市榮縣雙古鎮(zhèn)五桐村發(fā)生的“9·1”中型地質(zhì)災害未造成人員傷亡，得益于崩塌災害智能化監(jiān)測預警終端前置的成功運用。這個案例給我們的啟示是：

(1)政府支持是基礎(chǔ)。自貢市政府、市、縣國土資源部門高度重視地質(zhì)災害的防治，注重運用高科技、智能化手段實施地質(zhì)災害的監(jiān)測預警。并敢于加大對科學監(jiān)測方法技術(shù)的支持力度，投入專項資金在全市第一批地災危險形勢相對嚴峻的18個監(jiān)測點上安裝了“滑坡(崩塌)智能監(jiān)測預警系統(tǒng)”(榮縣雙古鎮(zhèn)五桐村地災隱患點是其中之一)。

(2)監(jiān)測預警智能化終端“前置”是保障?！?·1”地災點遠離城區(qū)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施較差，雖然現(xiàn)場增加了一個天線放大器，仍然沒能完全解決GPRS網(wǎng)絡(luò)實時在線差的問題。事后對監(jiān)測記錄的綜合分析也發(fā)現(xiàn)許多測量數(shù)據(jù)未能實時傳回控制中心，個別報警短信也有延遲的現(xiàn)象發(fā)生(最長的達5 min)。是前置的智能化終端確保了地災預報預警的及時有效。

(3)預警判斷形式多樣化是創(chuàng)新。地災發(fā)生前的征兆往往有不同的表現(xiàn)，單一的以“位移量”作預警判斷標準的方式，在位移異常加快、加大但又未超過“預設(shè)”的預警閾值時，漏報險情的情況就可能發(fā)生。在“9·1”地災的整個監(jiān)測預警過程中，有“累計位移”超閾值報警，但更多的是系統(tǒng)獨創(chuàng)的“變化速率”判斷方式的報警。形式多樣的預警判斷方式的組合運用，使得地質(zhì)災害的監(jiān)測預警判斷更精準和更可靠。

圖8 監(jiān)測記錄和報警短信(9月1日)Fig.8 Monitoring records and alarm messages (1 September)

參考文獻：

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