某地区地质灾害的自动化监测与危险性评价分析

王伟垣

（深圳市地质局，广东 深圳 518000）

0 引言

任何地质灾害都是内外因共同作用下发生的。所谓的内因就是区域的岩性结构、地貌地形等地质环境，对灾害种类、分布范围、规模强度的影响；外因是可能引发地质灾害的外部条件，例如地震、降雨、植被破坏、矿山开采、工程切坡等。广东省某地区曾经发生和可能发生的地质灾害主要包括滑坡、岩溶塌陷、泥石流为主，近年来频发的地质灾害给区域人民的生产和生活带来极大的影响，造成不可估量的损失，对地质灾害的科学监测和危险性评价分析显得尤为重要[1]。

1 地质灾害自动化监测系统运行原理

地质灾害监测数据可以在恶劣条件下进行远程处理，也可采集数据。以往的地质灾害监测，通常是以人工或半自动的监测为主，但是范围较大时，往往常规的监测方法就无法满足。在很多新兴自动化监测体系中，基于物联网技术的无线传感器网络（WSN）应用最为广泛。通过在一定区域范围内布设多种传感器，建立基于无线通信协议的一种自组织、动态变化的局域网络系统，不仅能够接收传感器采集的数据，且能进行相应的数据融合处理，再通过连接远程传输网络传输至监测中心的服务器。地质灾害自动化监测网络系统通常是在充分现场调查、综合分析的基础上，部署一系列的传感器节点实时监测其变形状况与诱发因素，如地表位移、岩土含水率等，再利用汇聚节点对监测数据进行预存储或处理，最后通过建立WSN 与外部远程无线传输网络的连接，实现多源采集的信息以集中方式进行批量传输，主要包括地质灾害监测网络系统、数据远程无线传输网络、数据集成与分析系统，以及预警信息发布与管理系统。

2 地质灾害的自动化监测分析

2.1 物联网云平台

该研究的自动化监测设备为一体化专业监测设备，该设备把监测到的数据通过无线电传输技术实时输送到物联网云平台，最终用户与不同监测设备以及信息发布设备的交流，是通过预警平台完成的，可以更快捷、方便地为客户提供多方位的服务，包括传感器数据、采集远程图片、处理、传输、存储及发送预警信息等，云平台数据库如图1 所示。

图1 云平台数据库图解

2.2 监测数据的整理与分析

2.2.1 滑坡监测

以某地区某区域1#和2#两处滑坡土体为监测对象。

2.2.2.1 1#滑坡土体

监测时间为2019 年5 月7 日～2019 年11 月2 日。同时对1#滑坡孔隙水压力的进行监测，监测时间2019 年7 月14 日～2019 年11 月16 日。通过详细的监测数据显示，在2019 年5 月7 日～3019 年6 月30 日，案例1#滑坡的土体没有明显的位移变化，呈现很小的波动，足以显示坡体的相对稳定性。该采集数据系统在6 月30 日～7 月13 日曾经发生通信故障，在这段时间内没有产生监测数据。通过监测数据显示，在这段时间里总共累积发生了1mm 的滑动，变化的速率值为0.022mm/d。7 月24 日～11 月2 日这段时间内滑体位移稳步增大，增加量为2.5mm，变化的速率值为0.032mm/d。在这期间没有发生太大的波动，并且变形量很小，表现出滑体的稳定性，为蠕动变形阶段。另外，通过检测数据显示短期内不会发生滑体变形收敛迹象，由此在下一步的监测工作中有必要强化实时监控和现场的巡视，以确保工程的开展和周围居民生产生活的安全。通过监测数据表明，在该研究的自动监测期间1#在4.6m 深处的滑坡孔隙水压力呈现下降趋势，这样的现象主要源于逐渐减少的降雨。而在雨季里孔隙水压力值为25kPa，孔隙水压力在10 月底到现在基本稳定在13kPa。

2.2.2.2 2#滑坡土体

监测时间为 2019 年5 月7 日～2019 年11 月4 日。通过详细的监测数据显示，在2019 年5 月7 日～2019 年8 月27日，2#滑坡的土体位移小于0.4mm 的波动量，几乎没有变化，足以说明滑坡比较稳定，没有滑动迹象；8 月27 日～11月4 日，滑体位移稳步增大，滑体位移稳步增大，增加累积值为1.4 mm，速率变化值为0.024 mm/d。在该阶段没有发生很大的波动，而且变形量极小，呈现滑体的稳定性，并且变形量很小，表现出滑体的稳定性，为蠕动变形阶段。另外，通过检测数据显示短期内不会发生滑体变形收敛迹象，由此在下一步的监测工作中有必要强化实时监控和现场的巡视，以确保工程的开展和周围居民生产生活的安全[2]。

2.2.2 不稳定斜坡监测

某地区地质灾害不稳定斜坡的包括2 个部分的监测内容：滑坡期间前部的深部位移和滑坡后缘裂缝1 的地表位移监测。该监测环节安装2 套设备，即一体化地表位移监测站和一体化深部位移监测站。本环节的监测包括滑坡后缘裂缝1 处表面位移随时间变化而变化的数据等。监测时间为2019年 4 月25 日～2019 年 11 月2 日。监测数据显示，滑坡后缘裂缝1 处位移始终是波动状况，但总体呈现很小变形量，只是在7 月2 日～8 月7 日产生很大的波动，出现最大位移值为6.5mm。而且从地表位移趋势上分析，地表位移没有变化，可以理解为此处土体表面没有发生位移，对工程不存在威胁。在滑坡主滑动面上安装的一体化多点位移站，可以监测3.5m、6.0m 和7.5m 处的深部位移。经过降噪处理采集的数据，来分析不同深度位移随时间的变化而产生的变化。采集数据的时间为2019 年5 月4 日～2019 年11 月3 日，数据显示3.5m深度位移处于7 月27 日前逐渐递增，呈现1.4mm 的变形量，速率变化值为0.0170 mm/d。7 月27 日～11 月3 日开始表现稳定，呈现0.4mm 的位移值，速率变化值为0.0051 mm/d。6.0 m 处出现位移逐渐递增的态势，5 月3 日～11 月3 日位移值为 0.4mm，速率变化值为0.0028 mm/d。7.5 m 处没有显现位移的变化，低于0.2 mm 的变形量，稳定性明显。通过上述的分析数据可以显现，该文案例的滑坡为6.1 m～86.5 m的滑动面，滑动的滑体为浅层，滑动位移极小，表现整体稳定。综合监测到的滑坡后缘地表位移数据以及滑坡中前部位移监测的数据，可以得出该区域不稳定斜坡目前变形量不大，整体稳定，不会因为滑坡影响工程的安全。

3 地质灾害危险性评价分析

3.1 地质灾害危险性评价种类

3.1.1 地质灾害危险性定性评价

以地质灾害容易发生程度分区为基础，对地震、降雨、工程行为可能引发的地质灾害危险程度进行分析和评价，也就是对条件概率变化造成地质灾害发生的时间概率以及波及的范围。关键进行以下2 个方面的评估：1）对该区域内暴雨、地震以及人类行为导致地质灾害的强度和频率，特别引发事件的年超越概率，尤其是关注临近强震（Ms≥7）作用下，对比分析低倾斜地区和中倾斜地区低丘区暴雨期间地质灾害发生频率和高倾斜地区普通降雨频率，评估工作区强地震、强降雨造成的地质灾害危险性。2）对区域内地质灾害运动过程中的强度、速度、差异位移、最大距离、最小位移、一般距离等，进行扩展影响范围的评价。参考国家发布的《防洪标准》（GB 50201-2014）标准，对泥石流在不同概率情况下危害范围进行分析。首先进行扩展影响范围、环境概率、速度、位移等进行分析定性，以此为基础根据灾害易发程度分区，对危险性分区进行划分和定性。

3.1.2 地质灾害危险性定量评价

以区域地质灾害容易发生程度分区评价为基础，根据定量化统计分析和危险性定性分析评价，对动态变化过程和条件概率进行分序，获得危险性分区结果。1）结合边坡地质灾害的主要灾害是前沿灾害区和边坡本身，在进行危险性评价时，必须对规模不同和频率不同的危害区域范围进行确定，对于滑坡来说，最大的影响范围直接或者间接的区域包括滑坡体、滑动区、堆积区、堵断河流的影响区以及裂缝区。其中可以利用3 种方式确定堆积区。①公式估算法：滑动体影响范围的最远点是滑动体前缘滑动面的最大距离，滑动速度和滑动面摩擦系数与滑动体的最大距离和边坡高度息息相关；②经验判断与自然环境特征有机结合的分析方法；③滑坡散开横向的区域：通常地形对滑坡横向散开的范围有直接的影响，正常情况下会取前缘宽的2 倍[3]。2）通常情况下泥石流危害区包括3 个方面：泥石流堆积区、产生泥石流泥沟谷的两岸、淹没区。其关键点是对堆积区范围进行确定。泥石流堆积区的危险区是根据泥石流特性计算的最大历史淹没区或最大淹没区。利用的计算方式可以选择规范中提及的覆盖范围、经验公式法、扇形地法等，其中经验公式法可参考《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T 0220-2006）附录表D。

3.2 构建数学评价模型

所谓灾害危险性指数的确定，就是把案例区域内每个格点视作一个单元，结合很多影响因子形成地质灾害的叠加效益，如公式（1）所示。

式中：Wj表示网格单元的危险指数；λi表示影响网格单元地质灾害危险程度的i类因素的权重；Qi表示对该单元地质灾害危险性程度影响数值。

利用Arc-GIS 软件系统的栅格运算能力，栅格化处理不同的专题，然后按照各个专题因子的权重获得地质灾害的。然后结合往期文献的关联研究，同时综合该区域地质环境的特点，分解所评价的因子权重，需要注重的因子权重为影响危险性程度。

3.3 地质灾害危险性评价结果分析

根据案例区域的地质特点、现有的国内外研究成果、现场认证和灾害的综合指数，研究方式采用定性分析和半定量模式，把案例的区域划分为重、中、轻、微4 个等级的灾害危险等级。重度等级危险区的网格单元值>2，中度等级危险区网格单元值为1.8～2.2，轻度等级危险区网格单元值1.4～1.8，危险区微度网格单元值<1.4。按照以上规范对该区域地质灾害危险指数分布图进行重分类，采用surfer11 系统让等值线自动生成，获得该地区灾害危险等级区划图。借助AreGIS 1 的很强的系统能力，该市工程地质灾害危险区的重度等级范围较小，占据该区域总面积的6.5%。重点分布在某市的关键交通干线以及民众生活区，沿着水系江河断裂的展布，坡度通常在40 °以上，呈现发育中的地质灾害。危险区中度危险等级区占据该区面积的21%左右，一般选择将其布置在重度危险区的外围，可以是某山谷两侧的相对地势平坦区域，该研究区域的岩性为第四系松散堆积物以及山脚堆积物的属性，坡度一般小于10°。研究区域轻度等级范围占该区面积的40.98%分布体分部在某区以北的山区，岩性主要为印支晚期花岗岩和华力西晚期花岗闪长岩，坡度在20°左右，为中等的岩石风化程度，显现较高的岩石完整度。危险区微度危险级别区占总面积的32.09%，位于某城市的某镇以南的山区，岩石类型以二叠系上统砂岩和早侏罗世的花岗闪长岩为主，完整的岩石状态，没有明显的地形起伏，一般为18°左右的坡度，较少的工程活动。某区的地质灾害的危险等级中，重度和中度区域表现为2 个方面的特点。1）某地区重要的交通干线和关键的居民集中生活区存在很大的地质灾害隐患，具备的特点是易发性、群发性、密集性、重复性。某区的地质条件比较复杂，人类活动也相对频繁，地质灾害发生的概率高；该地区为复杂的地质条件，有频繁的人类活动，极易导致地质灾害的发生；降雨多、集中降水是引发滑坡、塌陷、泥石流等地质灾害的主要诱因，尤其是在七八月份的雨季里经常面临特大暴雨。并且在重要干线两侧滑坡、坍塌、泥石流等地质灾害分布量很大，形成的破坏力也不容小觑[4]。2）所在地基础设施工程引发的地质灾害。虽然地形高差在工作区域内不是特别大，但地形坡度的起伏却很大，某线的高铁修建时，基于地段和边坡开挖对山体坡脚遭到一定的破坏，滑坡、崩坍等地质灾害在多地发生；另外毁林开荒现象在某些地段发生，陡坡耕地增多，尤其是那些高于25°的陡坡耕地未曾退耕还林，造成频发的泥石流，其中工作区的某镇地质灾害严重，希望引起相关部门注意。

4 结语

某地区的研究区内范围比较广泛的是轻度危险区和微度危险区，占据该市面积的比例为73.07% ；比较集中的是重度危险区和中度危险区，主要分布在2 个范围，即居民集中生活区，占该市面积的21%，重要交通干线附近以及重要基础设施周围，占该市面积的6.50%。有多重因素共同影响某区内地质灾害发育程度，例如地质结构、岩石性质、地形地貌、工程行为等，其中人类的过程活动影响最大。基于云平台对地质灾害进行自动监测、遥感技术开展地质灾害危险性评价，是当前地质灾害防治的有效措施。