输电线路地质灾害风险与预警监测方法研究

夏选莉，邓美刚，黄云飞，马睿

（云南电网有限责任公司德宏供电局，云南 德宏 678400）

0 前言

在全球气候变化的大背景下，一些区域性的洪涝、高温、干旱、台风、雨雪冰冻等极端气候事件日益加剧。联合国政府间气候变化委员会（IPCC）在2012年发布了题为《适应气候变化的极端事件和气象灾害风险管理》的报告[1]，指出在过去的15年中许多国家可能遭受过极端天气事件，一些区域性的恶劣天气、极端气候事件的强度和发生频率有增强的趋势。图1为2015年至2021年中国地质灾害数量及增速图，类似的每个月份都有众多的气象灾害发生。中国的东部位于东亚季风区，是世界上受气象灾害影响最严重的地区之一。中国的气象灾害呈现出灾害类型多、灾害强度大、发生频率高、危害程度重等特点，且伴有年际和区域群发性特征的极端天气事件正在加剧[2-3]。

图1 2015～2021年中国地质灾害数量及增速

从造成的危害程度及发育分布的规模数量来看，以崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降最为常见，其中又以崩塌、滑坡、泥石流为主要地质灾害隐患[4]。因此，正确的认识地质灾害的发育特征，掌握常见地质灾害对电网设施的易损性研究方法，从多维度开展对灾害体的监测，采取切实可行的防治措施，对避免和减轻地质灾害造成的生命财产损失，维护社会稳定、保护生态环境、促进经济发展具有重要的意义。

1 常见地质灾害发育与识别特征

地质灾害的孕育和发生常常受各种因素的影响，其中地形地貌、地质构造、地层岩性，这些因素对地质灾害的形成和分布具有决定性的作用[5]，且对于地质灾害隐患点的发育特征和野外判别、识别起到了十分重要的意义。

地质灾害是指由于不良地质作用或者人为活动引起的对人类生命财产和生态环境造成损害的地质现象。常见地质灾害包括以下几种类型：

1）崩塌：陡峻斜坡上的岩土体在重力作用下，突然脱离母体崩落、滚动、堆积在坡脚的地质现象。崩塌一般易在坡度大于45°的高陡边坡、孤立突出的山嘴或者凹形陡坡地形发育，工程建筑物的边坡及各类人工边坡也是可能产生崩塌的地貌部位。通常在野外，可根据坡体的地形地貌和地质结构特征判别可能发生崩塌的坡体[6]。

2）滑坡：指斜坡上的岩土体，受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡等因素影响，在重力作用下，沿着软弱面（软弱带），整体地或者分散地向下滑动的地质现象。对滑坡体的切割分离是产生滑动的构造条件。滑坡中的岩土体被构造切割分离，且切割分离滑坡的构造发育越多，则发生滑坡的可能性越大[7]。

3）泥石流：泥石流是指在山区或者沟谷深壑，地形险峻的地区，因为暴雨、暴雪等因素引发的携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流。泥石流的产生一般都是在地形陡峻的山岳地区。顺着纵坡降大的狭窄沟谷活动，如干涸的嶂谷、冲沟或有水流的河谷。强烈的地表径流为泥石流的形成提供动力条件，通常来源于暴雨、冰雪融化和水体溃决等。因此汛期常常是泥石流高发期。

4）地面塌陷：地表岩土体在自然或人为因素作用下发生陷落，在地面形成塌陷坑的地质现象。根据地质发育条件，地面塌陷一般分为喀斯特岩溶塌陷和地下矿产开采塌陷。在我国的各个地区均分布有地面塌陷，其中南方地区的地面塌陷多由喀斯特溶洞造成，而北方地区则多由地下矿产开采引起。

5）地面沉降：由于自然因素或人类活动引发的地下松散岩层固结压缩并导致一定区域范围内地面高程降低的地质现象[8]。地面沉降在全国50 多个城市都有出现[9]，长三角地区、华北平原和汾谓盆地已经成为地面沉降的重灾区。导致地面沉降灾害的主要原因是人类工程经济活动，主要体现在：对地下水、石油、天然气等水溶性气体的大量开采、开采地下矿藏如煤矿、铁矿等沉积矿床，造成地下大面积采空区，重大建筑或密集的建筑物群对地基长期施加静荷载，使土层变密实形成沉降。

2 电网地质灾害易损性问题研究

在研究电网地质灾害易损性问题中，可供选择的研究方法主要有：计算分析法、实验模拟法、统计分析法等[10]。计算分析法是指根据可靠性理论通过对具体承灾体进行理论建模，分析具体设备在各类灾害作用下的应力作用，在力学层面上分析其敏感程度。这种方法的优点在于此类方法是理论分析因此成本比较小，但其存在的明显缺陷是理论建模的精确性较低，不同模型的计算结果可能相差很大，而且相关的计算量巨大，可能产生错误的概率加大，同时其易损性模型只能做到力学层面无法满足综合因素的研究；实验模拟法是在地质灾害相关的监测数据以及现场勘测的基础之上建立实验室的模拟模型，通过对模型的研究来得到承灾体的易损性。这种方法的优点是其对于单体灾害的易损度评定较精确，误差小，但其缺点是这种方法消耗的人力财力较大，不够经济，且这种方法灵活性较差，只能对某单体灾害进行深入研究，推广性较差。而灾害数据统计分析方法进行电网易损性研究在近些年的灾害易损性研究中得到广泛的验证，推广性好；而且统计分析方法可以从历史资料中找到相关的数据规律，能够有一定的预测功能，同时这种方法成本较低，适合应用于社会各个单位的日常灾害防治工作中。

3 地质灾害检测方法

地质灾害监测的主要任务为监测地质灾害时空域演变信息、诱发因素等[11-12]，最大程度获取连续的空间变形数据。应用于地质灾害的稳定性评价、预测预报和防治工程效果评估。

从监测仪器同灾害体的相对空间关系来分，可以分为接触类和非接触类[13]。

接触类：是指必须安装于灾害体现场或进行现场施测的监测仪器系列。如滑坡深部位移监测、物理和化学场监测等；该类仪器所获得的信息多为灾害体细部信息，信息量丰富。

非接触类：现场安装简易标志或直接于灾害体外围施测的监测仪器。该类监测方法多以获得灾害体地表的绝对变形信息为主，易采用网式施测；特别是突发性地质灾害的临灾前后，具有安全、快捷等特点，如激光微位移监测、测量机器人、遥感雷达监测等。

3.1 大地测量法

大地测量法的优点是技术成熟、精度高、资料可靠、信息量大：缺点是受地形视通条件和气候影响均较大[14]。大地测量法使用的仪器有：①经纬仪、水准仪、测距仪。其特点是投入快、精度高、监测面广、直观、安全、便于确定滑坡位移方向及变形速率；适用于不同变形阶段的水平位移和垂直位移；受地形通视和气候的条件影响，不能连续观测；②全站式电子测距仪、电子经纬仪。其特点是精度高、速度快、自动化程度高、易操作、省人力、可跟踪自动连续观测：监测信息量大，适用于加速变形至剧变破坏阶段的水平位移、垂直位移监测。

3.2 卫星导航定位系统（GNSS）法

卫星导航定位系统法精度高、投入快、易操作、可全天候观测，同时测出三维位移量X、Y、Z，对运动中的点能精确测出其速率，且不受视通条件限制：能连续监测[15-16]。

GNSS 用于灾害监测的作业方式可分为周期性静态测量和连续性实时动态测量。当灾害体形变速率非常缓慢或者在一定的时间和空间周期内认为是稳定时，即可采用周期性静态GNSS测量，监测周期根据灾害体的形变速率而定。

GNSS 连续性实时动态测量则是将GNSS接收机直接安装在灾害体上，进行连续观测，具有较高的时间分辨率、可以获取实时动态形变结果[17-18]。由于GNSS 测量需要接收机同步观测至少4 颗卫星，因此在高山峡谷区、建筑物密集区及林木茂密区，监测精度和可靠性不能保证。目前GNSS 水平其缺点是成本较高，且只能单点观测。适用于不同变形阶段的水平位移和垂直位移监测。我国已经在京津唐地壳活动区、长江三峡工程坝区和首都国际机场建立了GPS 监测网：并将GPS 技术应用在三峡库区滑坡、链子崖危岩体变形监测以及铜川市川口滑坡治理效果监测。

3.3 航空摄影测量技术

航空摄影测量技术主要指由搭载在飞行器上的传感器对地面进行大范围，多角度的实时观测，对特征点的位置进行精密测量[19-20]。

航空摄影测量技术使用无人机进行大面积的航空摄影，进而实现对灾害体表面信息的全覆盖，通过影像解译，可以迅速地调查清楚地质灾害体的孕灾环境和承灾体[21]，利用航空测量影像重复度高的特征，保证航摄区内的每个点都能有25 张不同角度的航摄图像，利用无人机航测处理软件，能够生成精细的正射影像（DOM，0.1～0.2 m 分辨率）和地表模型（DSM，0.5 m 采样间隔）进而实现航摄区三维点云模型的生成，通过与历史航测模型的比对，对灾害体进行整体性的调查分析[22]。

3.4 合成孔径雷达（InSAR）

InSAR 技术是近年来迅速发展的一项定量化遥感技术，它成功地综合了合成孔径雷达成像原理和干涉测量技术，利用传感器的系统参数、姿态参数和轨道之间的几何关系等精确测量地表的三维空间位置及微小变化，可有效应用于地形制图及地表形变的调查与监测工作[23-24]。而近年来多分辨率、多频段SAR 卫星的发射推动了SAR 卫星监测技术的发展，目前有多种高分辨率、不同波段、多重访周期SAR 卫星的在轨运行进一步提高了InSAR 技术的监测能力和应用领域。同时基于大数据和云计算平台的地理信息网络服务系统正在被广泛研究，届时基于InSAR 技术的地质灾害准实时探测和监测也将成为可能。InSAR 技术的进步提高了监测的精细化和精准化程度，使得利用卫星给输变电工程及重要建（构）筑物设施做“体检”成为可能。

4 结束语

伴随着各类监测技术的不断创新升级，各种技术的理论也逐渐成熟，迄今已经有多种监测技术被用于监测各种地质灾害，人们对于监测地质灾害的精度和准确度也在不断地上升。但目前地质灾害风险预报与监测领域仍面临许多挑战。

地质灾害发生地区常具有地势复杂、植被茂密、云层密度大、地表覆盖物变化剧烈等多重问题，在监测时仅使用单一的手段往往会有缺陷。比如使用InSAR 进行监测时，往往需要几幅图像之间具有很强的相干性，这在植被茂密或是地表覆盖物变化剧烈的情况下难以实现，极大程度上限制了InSAR 技术的发挥。因此需要融合多种监测数据，才能在监测地质灾害时做到互补。如何根据不同数据的特点将多源监测数据互补融合，将是未来地质监测领域发展的方向。

地质灾害隐患的监测中多源监测技术提供不同的监测数据，其存储数据格式不同，时间和空间分辨率不同，成像原理等方面也不同，这导致了在使用多源数据的时候会遇到诸多不便。因此多源监测数据如何兼容将是未来需要面临的一个问题。

地质灾害具有突发性，而我国现在对于地质灾害预警工作的时效性还不够强，已经有许多研究表明，在地质灾害发生前的一段时间，是可以监测到预警信号的。如：火山爆发之前可以用InSAR 数据监测到火山口周围有明显的地表形变，并且可以通过热红外数据监测到温度的变化。如何准确识别预警信号，对于找到地质灾害隐患，提前进行地质灾害的防治有着巨大的意义。

未来可以将深度学习与各类监测技术相结合，实现自动识别地质灾害隐患，进行早期防治；实现自动监测地质灾害并发出警报，在地质灾害实时预警方面更进一步，保障人民的生命财产安全。