胡惠霞，劉 瑾，黃 健

（1.山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，山西 太原 030024；2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610051）

山西地處山地高原，區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，礦業(yè)開發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、地下水開采等人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，地質(zhì)災(zāi)害極為發(fā)育。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006—2017年，山西省共發(fā)生達(dá)到統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（經(jīng)濟(jì)損失1萬元以上）的崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害162起，造成人員傷亡182人，造成直接財(cái)產(chǎn)損失7 489.7萬元，地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在汛期，此外，凍融期崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害也很活躍。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害威脅嚴(yán)重，直接影響著省內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民的生產(chǎn)、生活安全與生存質(zhì)量，防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)十分嚴(yán)峻。

現(xiàn)有研究資料多從區(qū)域現(xiàn)狀及部分地區(qū)、單點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征進(jìn)行了分析，比如潘亞軍對(duì)山西省地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀進(jìn)行了分析；巨玉文、齊瓊等對(duì)山西西部黃土地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害特征進(jìn)行了研究；趙倩對(duì)山西省臨汾地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害類型及成因進(jìn)行了分析。缺乏省域范圍突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)因素、變形破壞模式分析及監(jiān)測預(yù)警方法或模型研究。目前，能夠投入大量資金進(jìn)行工程治理的災(zāi)害點(diǎn)僅是少數(shù)，更迫切的是建立一套合理、有效的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)方法，做好災(zāi)前預(yù)防。唐然、曾裕平等已通過實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警方法成功對(duì)多處滑坡做出了預(yù)警。黃健、徐永強(qiáng)、何朝陽等提出通過新一代信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及數(shù)據(jù)集成方法實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)。

本文在分析山西省地質(zhì)災(zāi)害的分布規(guī)律及其發(fā)育特征基礎(chǔ)上，通過對(duì)重大地質(zhì)災(zāi)害體現(xiàn)場調(diào)（勘）查，研究其成災(zāi)機(jī)理、主要誘發(fā)因素和預(yù)警判據(jù)，基于新一代信息技術(shù)研發(fā)了山西省地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全省重大地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警。

1 山西省地質(zhì)災(zāi)害概況

山西位于中國三大階梯狀地形中的第三階梯中部的前緣地帶，其地勢(shì)自東西向南北傾斜，高低相差懸殊?？偟牡孛残螒B(tài)呈“兩山夾一川”，東、西兩側(cè)為山地和丘陵隆起，中部為一列串珠式斷陷盆地，平原分布其間。區(qū)域地貌全省可分為晉西黃土高原大區(qū)，西部褶皺斷塊中山大區(qū)，中部斷陷盆地大區(qū)，晉北斷陷盆地與高原大區(qū)，東部褶皺斷塊中山與高原大區(qū)。山西省新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主要特征表現(xiàn)為山區(qū)不斷上升，盆地持續(xù)下降，山區(qū)河谷下切，多呈“V”形谷；活動(dòng)性斷裂構(gòu)造發(fā)育，火山、地震活動(dòng)頻繁；6級(jí)以上的地震，幾乎都發(fā)生在斷陷盆地之內(nèi)。區(qū)內(nèi)年平均降水由西北向東南遞增，介于380～650 mm，平均511.8 mm。

晉西黃土高原屬我國黃土高原的一部分，與陜北隴東的黃土高原主體連接，區(qū)內(nèi)黃土覆蓋厚度大，侵蝕切割強(qiáng)烈，溝壑縱橫，為滑坡、崩塌的發(fā)生提供了有利的地形地貌條件；東部、西部褶皺斷塊中山及高原區(qū)，山高溝深，巖石風(fēng)化破碎強(qiáng)烈，在較大暴雨的影響與作用下，區(qū)內(nèi)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。

山西是礦業(yè)大省，資源廣泛，采掘活動(dòng)歷史悠久，礦山開采及山區(qū)道路修建、城鎮(zhèn)化建設(shè)等人類工程活動(dòng)引發(fā)的地面塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等人為地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，其造成的建筑物、耕地、水利設(shè)施、公路、鐵路破壞情況極為嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失巨大。全省現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)10 000多處，威脅人員60多萬人，威脅財(cái)產(chǎn)90多億元。其中，崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)7 500多處，威脅人員24多萬人，威脅財(cái)產(chǎn)62多億元。地質(zhì)災(zāi)害已累計(jì)造成1 500余人死亡、35萬余間房屋損壞、27萬余畝農(nóng)田損毀，直接經(jīng)濟(jì)損失15億多元。全省國土面積中，地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)占42.0%，中易發(fā)區(qū)占46.9%.近幾年，地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)、頻發(fā)、突發(fā)性事件明顯增多，尤其是崩塌、滑坡和泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害分布面廣、數(shù)量大、突發(fā)性強(qiáng)、預(yù)防難度大，是造成人員死亡較大的地質(zhì)災(zāi)害。

2 重大地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)專業(yè)監(jiān)測預(yù)警

2.1 地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測預(yù)警示范區(qū)建設(shè)

為了有效降低災(zāi)害帶來的損失，減輕災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，最大限度保護(hù)災(zāi)前人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。從2013年開始，山西開始部署地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測預(yù)警試點(diǎn)工作，至2017年，共建成滑坡、泥石流專業(yè)監(jiān)測預(yù)警示范區(qū)36處，分布于全省11個(gè)市的27個(gè)縣，受益人員4 400多人，受保護(hù)財(cái)產(chǎn)46 000多萬元。專業(yè)監(jiān)測預(yù)警示范區(qū)建設(shè)包括位移、含水率、雨量、視頻、地聲/次聲、泥（水）位、報(bào)警等監(jiān)測站（設(shè)備）297套，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)誘發(fā)災(zāi)害的各種物理參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過3G/4G鏈路將設(shè)備信息及專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至省監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，省監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通過閾值設(shè)定及模型計(jì)算方式進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，達(dá)到預(yù)警條件時(shí)，遠(yuǎn)程啟動(dòng)現(xiàn)場報(bào)警設(shè)備進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)通過短信及預(yù)警平臺(tái)發(fā)布預(yù)警信息。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及模型優(yōu)化，可修改預(yù)警閾值或調(diào)整模型參數(shù)?？傊刭|(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測預(yù)警示范區(qū)建設(shè)，開辟了山西地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警群專結(jié)合的新局面，為地域性地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警研究工作奠定了基礎(chǔ)。

2.2 典型專業(yè)監(jiān)測點(diǎn)

下面以陵川縣城南社區(qū)三中巷滑坡為例說明專業(yè)監(jiān)測預(yù)警示范區(qū)建設(shè)情況。

2.2.1 隱患點(diǎn)概況

城南社區(qū)三中巷滑坡位于山西省晉城市陵川縣崇文鎮(zhèn)，坡體表層為2 m左右的黃土耕植土，下伏灰黃色泥質(zhì)頁巖及砂泥巖，滑坡長55 m，寬120 m，平均厚度約6 m，體積39 000 m3，該滑坡為順層巖質(zhì)階狀緩坡。如圖1所示，為工程開挖所引起的坡體蠕滑拉裂破壞?；虑熬夐_挖修建了車庫和擋土墻，車庫有明顯的變形錯(cuò)縫，前緣車庫裂縫沿立柱樁底部呈線狀，可見明顯的鼓脹現(xiàn)象和墻皮剝落，如圖2所示。車庫于10年前建成，車庫自修建好后一直處于緩慢變形狀態(tài)，10年的總變形量約30 cm。

城南社區(qū)三中巷滑坡前緣開挖是滑坡產(chǎn)生的主要原因?；虑熬壭^(qū)修建時(shí)將坡體前緣削方并修建了一排車庫，車庫后墻緊貼滑坡前緣。由于前緣阻滑段被削方，坡體沿底部軟弱泥頁巖夾層產(chǎn)生蠕滑拉裂變形，向前緣產(chǎn)生擠壓，使得車庫產(chǎn)生明顯的推擠破壞。

圖1 滑坡全貌

圖2 滑坡前緣道路及車庫變形

其變形成因模式如圖3所示。前期坡體處于相對(duì)穩(wěn)定階段（a），三中巷小區(qū)的修建開挖，使滑坡前緣抗滑段土體減少（b），坡體沿底部軟弱滑動(dòng)面向削方方向產(chǎn)生蠕動(dòng)，并推擠擋土墻和車庫，使車庫產(chǎn)生明顯的裂縫和變形（c），該滑坡繼續(xù)發(fā)展可能使擋土墻和車庫最終破壞而產(chǎn)生較大的滑動(dòng)（d）。

圖3 城南社區(qū)三中巷滑坡變形破壞模式

2.2.2 專業(yè)監(jiān)測部署方案

城南社區(qū)三中巷滑坡變形破壞模式為前緣開挖后沿順層軟弱泥頁巖產(chǎn)生的蠕滑拉裂破壞，這類滑坡的變形有較明顯的蠕動(dòng)拉裂變形特征，其變形屬于漸變式破壞，坡體具有明顯的變形破壞過程，后期存在突變可能，結(jié)合其他因素（降雨、滑體含水率）的影響，2017-03—2017-04，對(duì)該滑坡實(shí)施了以地表位移監(jiān)測為主的GPS監(jiān)測方案，在主滑方向及兩側(cè)分別布置了4個(gè)GPS監(jiān)測站，GPS基站設(shè)在遠(yuǎn)離滑坡的南側(cè)山梁上。同時(shí)布設(shè)了雨量計(jì)、土壤含水率、遠(yuǎn)程預(yù)警廣播站、視頻監(jiān)控各1套，目前，滑坡未見加速變形跡象。

2.3 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)

基于現(xiàn)場調(diào)（勘）查成果，建立地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，對(duì)專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，為后續(xù)預(yù)警分析提供數(shù)據(jù)支持，建成一個(gè)以地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，與地質(zhì)環(huán)境條件分析相結(jié)合，最終形成以地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警為目的信息系統(tǒng)。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，在Visual Studio 2015環(huán)境下，使用C#語言開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2012。整個(gè)系統(tǒng)按四層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，表現(xiàn)層為用戶提供統(tǒng)一的入口；平臺(tái)層、系統(tǒng)層集成各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各模塊功能；數(shù)據(jù)層完成信息資源的整合、管理等，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖5 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

系統(tǒng)支持后臺(tái)自動(dòng)處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，并集成滑坡、泥石流的預(yù)警模型，可以在頁面上管理相應(yīng)的預(yù)警模型、參數(shù)及其預(yù)警閾值，根據(jù)不同預(yù)警結(jié)果將預(yù)警信息發(fā)送給相應(yīng)的對(duì)象，支持預(yù)警信息管理、發(fā)布（通過短信、郵件、網(wǎng)頁等方式）、信息檢索等功能，如圖5所示，可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害臨災(zāi)實(shí)時(shí)預(yù)警，減少或避免人員傷亡。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

山西現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)量大，危害具差異性，對(duì)每一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行治理難以實(shí)現(xiàn)，但對(duì)區(qū)域內(nèi)已識(shí)別的重要地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警是可行的。本文結(jié)合山西地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)重大地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)（勘）查，在此基礎(chǔ)上通過物聯(lián)網(wǎng)、新一代移動(dòng)通信、云計(jì)算等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程無線傳輸、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與集成以及關(guān)鍵信息快速挖掘，研發(fā)了山西省地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害信息查詢、數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)預(yù)警等功能，為山西省地質(zhì)災(zāi)害防治管理和決策提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。