凌 騏，張 軒，孔 松，胡 波

（南京南瑞集團(tuán)公司/國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇省南京市 211106）

0 引言

隨著我國水利水電工程建設(shè)的不斷發(fā)展，在工程施工過程中對(duì)原有地形地貌進(jìn)行大規(guī)模改造后，不可避免地會(huì)引起施工區(qū)地質(zhì)災(zāi)害或次生災(zāi)害，給大壩等水工建筑物和人員的生命財(cái)產(chǎn)帶來了極大的安全隱患。近年來，在許多大中型水電站施工區(qū)都發(fā)生過崩塌、滑坡或泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，造成了不同程度的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。通過災(zāi)后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有些地質(zhì)災(zāi)害在發(fā)生前，如果監(jiān)測到位、預(yù)警及時(shí)，是能夠?qū)p失減小到最低程度的。因此，如何設(shè)計(jì)和建設(shè)水電工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，建立完善可靠的災(zāi)害監(jiān)測—評(píng)估—預(yù)警—應(yīng)急管理體系，已經(jīng)成為水電工程管理單位十分重視的課題。

在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警研究上，國內(nèi)外已有一些成功經(jīng)驗(yàn)。例如，1985年美國地質(zhì)調(diào)查局和美國氣象服務(wù)中心聯(lián)合在舊金山灣地區(qū)建立了滑坡泥石流預(yù)警系統(tǒng)[1]，主要依據(jù)降雨強(qiáng)度、巖土體滲透能力、含水量和氣象變化做出判斷，預(yù)警結(jié)果通過氣象中心進(jìn)行廣播。香港也早在1984年就建立了滑坡、泥石流氣象預(yù)警系統(tǒng)[2]，主要利用雨量計(jì)開展降雨量監(jiān)測，確定誘發(fā)滑坡的臨界雨量后，實(shí)施降雨滑坡預(yù)警。三峽庫區(qū)以地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，建立了群測群防監(jiān)測與專業(yè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)[3]，在實(shí)踐中取得了良好效果。

目前很多水電工程單位在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中依然采用人工觀測、人工記錄、人工計(jì)算這種傳統(tǒng)方式，當(dāng)外業(yè)觀測完成后，內(nèi)業(yè)整理數(shù)據(jù)往往需要較長的一段時(shí)間，使得監(jiān)測成果不能夠及時(shí)反映孕災(zāi)體的狀態(tài)。另外，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)經(jīng)常是處于氣象條件和地質(zhì)條件非常惡劣的情況下，有些還是在晚上或凌晨人們休息的時(shí)間。在這樣的條件下，就要求地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有全天候、可遠(yuǎn)程測控、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理分析、預(yù)測預(yù)報(bào)和應(yīng)急管理等一體化功能，以提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測自動(dòng)化水平、增強(qiáng)預(yù)警預(yù)報(bào)效果和應(yīng)急響應(yīng)能力。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 系統(tǒng)原理

水電工程地質(zhì)災(zāi)害主要指水庫滲漏、庫岸再造及沿壩庫岸失穩(wěn)、水庫淹沒、水庫淤積和水庫誘發(fā)地震等引起的地質(zhì)災(zāi)害。目的是監(jiān)測岸坡壩肩山體在開挖過程中和結(jié)束后的穩(wěn)定程度，預(yù)測不穩(wěn)定山體是否可能造成地質(zhì)災(zāi)害及其發(fā)展趨勢，評(píng)價(jià)對(duì)地質(zhì)環(huán)境及工程本身的危害程度；對(duì)地下開挖的圍巖穩(wěn)定及其可能形成的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測評(píng)估，對(duì)地下工程進(jìn)出口地段邊坡及山坡穩(wěn)定性及其可能造成的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測評(píng)估；對(duì)地面工程的邊坡穩(wěn)定、地基承載力、過水擋水建筑物的防滲以及軟土地段、膨脹土地段可能造成的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測及評(píng)估。

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與應(yīng)急管理系統(tǒng)是基于無線通信技術(shù)、傳感器監(jiān)測技術(shù)及災(zāi)害預(yù)測預(yù)警分析技術(shù)，以水電工程建設(shè)區(qū)范圍內(nèi)的滑坡、泥石流及崩塌等地質(zhì)災(zāi)害變體為監(jiān)測對(duì)象，對(duì)其在時(shí)空域的變形破壞信息和災(zāi)變誘發(fā)因素信息實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測。通過對(duì)變形因素、相關(guān)因素及誘因因素信息的相關(guān)分析處理，對(duì)災(zāi)變體的穩(wěn)定狀態(tài)和變化趨勢做出判斷。揭示滑坡、泥石流、崩塌的空間分布規(guī)律，對(duì)未來可能發(fā)生災(zāi)害的地段（點(diǎn)）做出預(yù)測預(yù)報(bào)和應(yīng)急響應(yīng)，為工程單位采取防災(zāi)減災(zāi)措施提供技術(shù)支撐。

1.2 工作流程

如圖1所示，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集和分析處理服務(wù)以及專業(yè)應(yīng)用服務(wù)，將實(shí)測數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程影像、遙感數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行分析處理，通過數(shù)據(jù)建模運(yùn)算、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行再加工，圖形報(bào)表服務(wù)可對(duì)原始資料以及再加工數(shù)據(jù)以圖形和表格方式進(jìn)行展示。經(jīng)過會(huì)商，最終確定預(yù)警信息并通過短信設(shè)備、廣播喇叭設(shè)備等對(duì)外發(fā)布，最終形成一系列完整的處理流程。

圖1 水電工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)工作流程Fig．1 Workflow in geological hazard monitoring and early-warning system of hydropower project

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

水電工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3層架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和表現(xiàn)層，如圖2所示。

數(shù)據(jù)層主要包含了各類系統(tǒng)資源（主要是數(shù)據(jù)資源）以及各類與系統(tǒng)資源密切聯(lián)系的數(shù)據(jù)訪問功能。數(shù)據(jù)資源層采用空間數(shù)據(jù)庫、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和全文數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)所有資源數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的業(yè)務(wù)處理能力和全文數(shù)據(jù)庫的海量存儲(chǔ)和檢索性能。采用全文檢索網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)資源的全文索引創(chuàng)建，由全文數(shù)據(jù)庫提供統(tǒng)一的全文檢索功能。本項(xiàng)目中對(duì)于數(shù)據(jù)資源層的主要實(shí)施內(nèi)容為：工程監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫、雨水情數(shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫、地理空間數(shù)據(jù)庫和多媒體數(shù)據(jù)庫等。

業(yè)務(wù)層主要包含了各類通用的組件和專業(yè)服務(wù)，這些服務(wù)是從所有具體的應(yīng)用中抽象出來的，服務(wù)粒度較小，通用性較強(qiáng)，非常適合通過組合或者裝配的形式輔助某個(gè)應(yīng)用支撐層或應(yīng)用層的服務(wù)，這些服務(wù)同時(shí)也可以直接由某個(gè)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)用，完成其所需的某項(xiàng)功能，主要包括空間數(shù)據(jù)引擎、數(shù)據(jù)交換訪問、預(yù)警分析發(fā)布、圖形報(bào)表通用組件以及地圖服務(wù)、空間分析服務(wù)、采集數(shù)據(jù)處理服務(wù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)、圖形報(bào)表服務(wù)、預(yù)警分析發(fā)布服務(wù)、事件管理服務(wù)、權(quán)限管理服務(wù)和移動(dòng)應(yīng)用服務(wù)等。

圖2 系統(tǒng)平臺(tái)邏輯架構(gòu)Fig．2 Logical frame of system platform

表現(xiàn)層主要是通過界面對(duì)服務(wù)層業(yè)務(wù)進(jìn)行封裝，并能夠與用戶進(jìn)行合理交互，適應(yīng)復(fù)雜的業(yè)務(wù)應(yīng)用。按照功能模塊劃分，系統(tǒng)平臺(tái)主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、地圖導(dǎo)航瀏覽、圖表展示、圖元編輯、分析評(píng)估、隱患排查、事件報(bào)警、應(yīng)急響應(yīng)、權(quán)限管理等若干子模塊。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)測控功能

一般監(jiān)測系統(tǒng)遠(yuǎn)程測控與現(xiàn)地設(shè)備的品牌和型號(hào)有較大關(guān)聯(lián)，需在獲取現(xiàn)地設(shè)備開發(fā)接口的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備接口（或標(biāo)準(zhǔn)模型）進(jìn)行二次開發(fā)，兼具考慮開發(fā)的效率和監(jiān)測信息管理平臺(tái)的通用性和易用性。通過監(jiān)測信息管理平臺(tái)對(duì)現(xiàn)地監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可以設(shè)置各種測量方式、測量參數(shù)，方便地獲得各種測量數(shù)據(jù)、進(jìn)行模塊故障診斷。

2.2 基礎(chǔ)信息查詢展示功能

基礎(chǔ)信息包括地質(zhì)信息、災(zāi)害點(diǎn)信息、監(jiān)測點(diǎn)信息、歷史地質(zhì)災(zāi)害信息、災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)信息、氣象信息、群測群防信息等?？梢酝ㄟ^GIS地圖不僅能展現(xiàn)基礎(chǔ)地理地質(zhì)信息、災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)、防治規(guī)劃等空間數(shù)據(jù)，專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)、災(zāi)情預(yù)警信息和應(yīng)急響應(yīng)信息還能夠?qū)崟r(shí)更新并在圖上動(dòng)態(tài)展示。

2.3 數(shù)據(jù)處理及圖表展示功能

通過監(jiān)測信息管理平臺(tái)，可對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行成果計(jì)算，過程線、相關(guān)圖、分布圖、布置圖的自動(dòng)繪制，定期報(bào)表、自定義報(bào)表及通用報(bào)表的定制，數(shù)據(jù)表的展示及輸出，人工觀測數(shù)據(jù)錄入，事件日志記錄等。數(shù)據(jù)處理功能可連續(xù)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將采集數(shù)據(jù)計(jì)算生成業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)解算可根據(jù)預(yù)先設(shè)置的公式和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。通過后臺(tái)進(jìn)程監(jiān)控并定時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序，完成對(duì)數(shù)據(jù)處理與成果計(jì)算。圖表定制功能提供專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)、群測群防監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢與錄入、維護(hù)功能，通過各種圖形、報(bào)表展現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)詳細(xì)數(shù)據(jù)；可以實(shí)時(shí)生成測值過程線、測值分布圖、多因素相關(guān)圖、等值線圖等專題圖；逐時(shí)、逐日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、極值統(tǒng)計(jì)報(bào)表等各類整編統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

2.4 預(yù)測預(yù)警分析功能

預(yù)警分析功能包括專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警分析與報(bào)警、地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)管理等。通過建立災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警分析評(píng)估機(jī)制，將雨水情監(jiān)測、水工監(jiān)測、氣象監(jiān)測、群測群防等數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，結(jié)合地理地質(zhì)信息、地質(zhì)災(zāi)害空間與屬性數(shù)據(jù)，基于預(yù)警指標(biāo)判斷和歷史災(zāi)情的概率統(tǒng)計(jì)，保證預(yù)警信息正確性，最終分析生成地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警結(jié)論。同時(shí)提供監(jiān)測資料定量分析計(jì)算方法，針對(duì)不同的災(zāi)害類型可建立分析量預(yù)報(bào)模型和預(yù)警判據(jù)。

2.5 預(yù)警信息發(fā)布功能

通過監(jiān)測預(yù)警信息管理平臺(tái)，提供信息查詢、實(shí)時(shí)水雨情監(jiān)視、氣象國土部門信息鏈接服務(wù)、災(zāi)情預(yù)報(bào)服務(wù)等功能。通過短信、語音廣播、聲光報(bào)警等方式發(fā)布預(yù)警，經(jīng)專業(yè)人員確認(rèn)地質(zhì)災(zāi)情后發(fā)布外部預(yù)警。通過門戶Web方式，向公眾發(fā)布地質(zhì)災(zāi)害信息，預(yù)報(bào)預(yù)警等信息。通過Web人機(jī)界面向短信發(fā)送設(shè)備請(qǐng)求發(fā)送服務(wù)，由發(fā)送設(shè)備在服務(wù)端發(fā)送短信，或者向無線廣播站發(fā)送廣播命令，進(jìn)行語音廣播報(bào)警。

2.6 應(yīng)急響應(yīng)管理功能

災(zāi)害應(yīng)急管理功能可根據(jù)設(shè)定的條件，觸發(fā)應(yīng)急響應(yīng)工作流，通知各責(zé)任主體啟動(dòng)應(yīng)急處置措施，按計(jì)劃進(jìn)行搶險(xiǎn)救災(zāi)。主要功能包括應(yīng)急預(yù)案編輯、信息監(jiān)視、信息預(yù)警、預(yù)案啟動(dòng)等，并可構(gòu)建包括災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案相關(guān)信息的預(yù)案庫，實(shí)現(xiàn)預(yù)案的查找、統(tǒng)計(jì)和匯總。另外，依據(jù)已經(jīng)制定的重要災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案的規(guī)定，在滿足相關(guān)應(yīng)急響應(yīng)條件時(shí)，立即自動(dòng)提示報(bào)警，并給出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)等級(jí)與響應(yīng)措施，當(dāng)輸入相關(guān)需求條件時(shí)，可自動(dòng)從預(yù)案庫中組合出輔助決策、調(diào)度參考提示的處置方案。應(yīng)急管理還提供物資點(diǎn)配置、編輯和查詢，提供撤離線路配置、編輯和查詢，提供安置點(diǎn)編輯、配置和查詢，為災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)提供輔助支持。

2.7 地災(zāi)監(jiān)測移動(dòng)應(yīng)用功能

基于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息平臺(tái)，開發(fā)可應(yīng)用于Android和IOS系統(tǒng)的移動(dòng)終端應(yīng)用程序，達(dá)到嚴(yán)謹(jǐn)防范、監(jiān)控便捷的效果，提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)的智能化水平。根據(jù)專業(yè)應(yīng)用需求，地質(zhì)災(zāi)害移動(dòng)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)隱患巡檢排查、通知通報(bào)管理、工作日志管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象信息查詢、視頻監(jiān)控、預(yù)警信息推送接收及應(yīng)急處置等功能。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

某水電工程施工區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，經(jīng)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模危巖體3處，滑坡6處，崩塌堆積體8處，泥石流5處。2014年7月，壩址施工區(qū)一處高陡危巖發(fā)生巖石崩塌，造成多名作業(yè)施工人員傷亡。目前壩址區(qū)布置了邊坡巖土體光纖應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及泥石流監(jiān)控視頻等監(jiān)測設(shè)備，為集中高效的管理和分析海量的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)同時(shí)建立了一套集遠(yuǎn)程測量、數(shù)據(jù)處理分析和災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)于一體的動(dòng)態(tài)監(jiān)測及應(yīng)急管理系統(tǒng)（GHMES，如圖3所示），為工程建設(shè)單位有效防治、處置地質(zhì)災(zāi)害、降低地質(zhì)災(zāi)害造成的損失提供了科學(xué)的輔助決策手段。

該系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)前文所述的主要功能外，還可建立不同時(shí)間尺度的滑坡、崩塌及泥石流災(zāi)害預(yù)測模型和預(yù)警判據(jù)。除根據(jù)氣象預(yù)報(bào)生成地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)外，還支持采用生長曲線模型、灰色模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等進(jìn)行中長期和短臨期的滑坡崩塌預(yù)測以及基于臨界降雨量模型的泥石流預(yù)測。同時(shí)采用Web界面對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害專家提供研判入口，對(duì)待確診的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)可進(jìn)行分析、會(huì)診和綜合評(píng)估。圖4展示了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測平臺(tái)中的GIS地圖界面，相關(guān)人員可以直觀的瀏覽該工程的地質(zhì)災(zāi)害測點(diǎn)位置、監(jiān)測數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，還可以查看應(yīng)急物資點(diǎn)、安置點(diǎn)及撤離線路等信息，以便在遇到災(zāi)害時(shí)能及時(shí)掌握應(yīng)急資源信息。利用圖5所示的泥石流災(zāi)害預(yù)測模型[4]分析功能，可以基于壩址區(qū)實(shí)測降雨量對(duì)泥石流災(zāi)害發(fā)生的可能性進(jìn)行評(píng)估，也可以采用降雨量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)未來較近一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生泥石流災(zāi)害的可能性進(jìn)行初步預(yù)測，從而為提前采取應(yīng)急響應(yīng)措施提供科學(xué)依據(jù)。該平臺(tái)除具有以上功能特點(diǎn)外，還支持圖元編輯、移動(dòng)巡檢、隱患排查、專家會(huì)商等功能，限于篇幅不再贅述。

4 結(jié)束語

（1）本文所設(shè)計(jì)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與應(yīng)急管理系統(tǒng)包括現(xiàn)地監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)采集通信裝置及信息管理軟件平臺(tái)，提供了針對(duì)水利水電工程從施工期到運(yùn)行期的全過程在線監(jiān)測整體解決方案，也為工程單位防治地質(zhì)災(zāi)害提供了一種技術(shù)輔助手段。在實(shí)踐應(yīng)用中，該平臺(tái)可以接入大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、水情測報(bào)系統(tǒng)及強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)等其他水工專業(yè)監(jiān)測設(shè)施，通過綜合分析各專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)一步地提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的有效性和預(yù)測成果的可靠性。

圖3 某水電站地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig．3 Network of geological hazard monitoring and early-warning system of a hydropower plant

圖4 GIS地圖報(bào)警展示界面Fig．4 Display Interface of GIS Warning

圖5 預(yù)測模型設(shè)置界面Fig．5 Setting Interface of Forecasting Model

（2）基于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與應(yīng)急管理系統(tǒng)的監(jiān)測成果，可以研究和掌握各領(lǐng)域不同類型地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)的規(guī)律及發(fā)展趨勢特征，為系統(tǒng)科學(xué)地進(jìn)行災(zāi)害防治提供基礎(chǔ)資料，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。該系統(tǒng)不僅適用于水利水電工程，也可以在國土資源、地礦開采、市政交通等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

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