江門(mén)市地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系構(gòu)建

引 言

江門(mén)市地處廣東省中南部，西江下游，地形地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，局部斷裂構(gòu)造較發(fā)育，雨水充沛，受降雨時(shí)空分布不均勻等自然環(huán)境條件影響，在強(qiáng)降雨等因素的直接作用下所引發(fā)的滑坡、崩塌、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響人民的生命財(cái)產(chǎn)安全

國(guó)內(nèi)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方面有較多經(jīng)驗(yàn)及認(rèn)識(shí)，劉傳正等把地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)警原理初步劃分為隱式統(tǒng)計(jì)預(yù)警、顯式統(tǒng)計(jì)預(yù)警和動(dòng)力預(yù)警三種[1,2]，提出了地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)警預(yù)報(bào)的工作程序及其基本要求。目前全國(guó)各省市也按照這一要求建立了基于氣象預(yù)報(bào)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)及 GIS技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的及時(shí)性與有效性也得到了提升 [3]，體系建設(shè)逐漸成熟。本文主要介紹在江門(mén)市開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害群監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了基于地質(zhì)條件及實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)的區(qū)域預(yù)警模型，并以監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)為平臺(tái)構(gòu)建了江門(mén)市地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，提升了江門(mén)市地質(zhì)災(zāi)害防治管理及應(yīng)急指揮能力

1 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征

江門(mén)市地質(zhì)災(zāi)害以崩塌、滑坡、地面塌陷等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害為主，具有點(diǎn)多、面廣、規(guī)模小、危害大、發(fā)生頻繁、穩(wěn)定性差等特點(diǎn) [4]。目前，江門(mén)市威脅較嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)共40 余處，其中中型 1 處，小型 39 處，分布于全市的 3 區(qū) 4 市涉及 20余鎮(zhèn)。地質(zhì)災(zāi)害已造成大量房屋倒塌、農(nóng)田毀壞、交通中斷、水利設(shè)施被破壞等，直接經(jīng)濟(jì)損失約 1454.8萬(wàn)元據(jù)統(tǒng)計(jì)，37處地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)處于穩(wěn)定性差或較差狀態(tài)，涉及城鎮(zhèn)居民、鄉(xiāng)鎮(zhèn)村落、廠礦企業(yè)、道路交通和水利工程設(shè)施等方面，威脅人數(shù)達(dá) 1166人，潛在財(cái)產(chǎn)損失在 8014萬(wàn)元以上，嚴(yán)重威脅著廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。江門(mén)市地質(zhì)災(zāi)害具有如下特點(diǎn)

(1) 空間分布呈“東部、西南部多，北部、中部少”及“丘陵臺(tái)地多、低山區(qū)少”的特點(diǎn)

(2) 在城鎮(zhèn)、開(kāi)發(fā)區(qū)及人口密集區(qū)，人類工程活動(dòng)增強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害相對(duì)集中

(3) 災(zāi)害集中發(fā)生在每年4～9月，隨降雨同步或滯后發(fā)生

(4) 災(zāi)害主要發(fā)育于淤泥類土、粘性土、紅層碎屑巖巖組層狀碎屑巖巖組和塊狀侵入巖巖組分布的地區(qū)

2 地質(zhì)災(zāi)害群專結(jié)合監(jiān)測(cè)網(wǎng)

2.1 群測(cè)群防監(jiān)測(cè)

群測(cè)群防監(jiān)測(cè)主要針對(duì)規(guī)模較小的災(zāi)害點(diǎn)，利用簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)快速預(yù)警預(yù)報(bào)。但這種方式不具備數(shù)據(jù)采集功能常用設(shè)備包括裂縫報(bào)警器、滑坡伸縮儀、無(wú)線報(bào)警儀、簡(jiǎn)易雨量筒等，具有操作簡(jiǎn)單、功耗低、報(bào)警直觀易懂等特點(diǎn)

針對(duì)江門(mén)市地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)，適合開(kāi)展群測(cè)群防監(jiān)測(cè)通過(guò)對(duì)江門(mén)市所有在冊(cè)災(zāi)害點(diǎn)補(bǔ)充調(diào)查及宣傳培訓(xùn)，針對(duì)有變形跡象的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)安裝了群測(cè)群防監(jiān)測(cè)設(shè)備，設(shè)定預(yù)警閾值，建立群測(cè)群防監(jiān)測(cè)網(wǎng)

2.3 專業(yè)監(jiān)測(cè)

專業(yè)監(jiān)測(cè)指依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)安裝在野外的監(jiān)測(cè)傳感器采集數(shù)據(jù)，利用北斗或 GPRS 通訊技術(shù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)平臺(tái)根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害情況及發(fā)育特征，江門(mén)市開(kāi)展了木朗村滑坡等10 處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的專業(yè)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括降水量、位移泥水位等

專業(yè) 監(jiān) 測(cè) 數(shù) 據(jù) 采 集 主 機(jī) 采 用 32 位 超低 功 耗PIC32MX150F128D 作為主控制器，控制監(jiān)測(cè)參數(shù)的采集、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程發(fā)送和太陽(yáng)能供電。利用 24 位Δ-ΣADC 實(shí)現(xiàn)前端傳感器模擬信號(hào)的高精度采樣，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流信號(hào)的接入，開(kāi)關(guān)量通道主要用于雨量數(shù)據(jù)的采集，準(zhǔn)確計(jì)數(shù)

針對(duì)不同災(zāi)害類型采用不同的監(jiān)測(cè)手段，如滑坡監(jiān)測(cè)采用雨量 + 地表位移模式，泥石流監(jiān)測(cè)采用雨量 + 泥水位模式崩塌監(jiān)測(cè)采用雨量 + 激光位移模式，實(shí)現(xiàn)了不同地質(zhì)災(zāi)害的前端參數(shù)采集，后臺(tái)數(shù)據(jù)運(yùn)算以及現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警的聯(lián)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化全天候無(wú)人值守的功能

同時(shí)，為確保臺(tái)風(fēng)暴雨條件下數(shù)據(jù)能夠正常傳輸，專業(yè)監(jiān)測(cè)傳輸模塊采用 GPRS 和北斗雙模方式，實(shí)現(xiàn)兩種通信方式的無(wú)縫轉(zhuǎn)換連接，保證野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性

3 地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)警模型

3.1 預(yù)警指標(biāo)選擇

通過(guò)對(duì) 1993-2003 年廣東省氣象站點(diǎn)降雨量的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)不同的降雨強(qiáng)度、日降雨量和累計(jì)降雨量誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性也不同 [5-8]。根據(jù)降雨強(qiáng)度和以往地質(zhì)災(zāi)害暴發(fā)的次數(shù)分析計(jì)算出1 h，12 h，24 h，72 h，120 h 累計(jì)降雨量共 5 個(gè)時(shí)間尺度降雨危險(xiǎn)指數(shù)的臨界值，依據(jù)這些范圍劃定了降雨危險(xiǎn)等級(jí)，見(jiàn)表 1 所列

3.2 區(qū)域預(yù)警模型

基于江門(mén)市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)特征和實(shí)時(shí)雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用矩陣數(shù)據(jù)分析法建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警評(píng)價(jià)表，具體見(jiàn)表 2 所列。利用 ArcGIS 地圖代數(shù)工具模塊，將江門(mén)市易發(fā)區(qū)等級(jí)圖與降雨等級(jí)圖進(jìn)行疊加分析，采用地質(zhì)氣象耦合方法進(jìn)行江門(mén)市地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警評(píng)價(jià)。結(jié)合江門(mén)市地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分規(guī)定，形成紅橙黃藍(lán)四級(jí)預(yù)警區(qū)劃

將預(yù)警區(qū)劃圖與江門(mén)市行政區(qū)劃圖（精確到鎮(zhèn)級(jí)）進(jìn)行疊加，確認(rèn)不同預(yù)警級(jí)別所在鎮(zhèn)域，形成不同時(shí)間尺度的江門(mén)市地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分布圖。

4 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

系統(tǒng)架構(gòu)由智能感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、預(yù)警模型庫(kù)、應(yīng)用層組成。自下而上經(jīng)過(guò)采集到傳輸、保存、處理、分析、應(yīng)用等環(huán)節(jié)，形成信息的“采、傳、知、用”完整流程。系統(tǒng)一級(jí)菜單欄包括地災(zāi)詳情、監(jiān)測(cè)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析、后臺(tái)管理等功能，如圖 1 所示。左側(cè)二級(jí)菜單欄為災(zāi)害點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，地圖定位到節(jié)點(diǎn)所在位置時(shí)，彈出信息氣泡面板，點(diǎn)擊分別顯示地災(zāi)概況、預(yù)警信息及數(shù)據(jù)曲線。

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的多種參數(shù)數(shù)據(jù)分析及各監(jiān)測(cè)參數(shù)的單獨(dú)數(shù)據(jù)分析，如圖 2 所示。還可查詢與分析不同時(shí)間序列的數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)參數(shù)預(yù)設(shè)預(yù)警閾值，達(dá)到預(yù)警值時(shí)可自動(dòng)發(fā)布預(yù)警信息，包括電話、短信、郵件等多種方式，可單獨(dú)或組合發(fā)送。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于江門(mén)市地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo) ：

（1）建成了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的江門(mén)市群專結(jié)合監(jiān)測(cè)網(wǎng)，豐富了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)手段。

（2）利用地質(zhì)氣象耦合方法及 GIS 技術(shù)建立了江門(mén)市不同降雨強(qiáng)度下的區(qū)域預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的地質(zhì)災(zāi)害分級(jí)預(yù)警。

（3）地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測(cè)預(yù)警等功能，提升了江門(mén)市地質(zhì)災(zāi)害防治及應(yīng)急管理水平。