陳長坤，謝明峰

（中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長沙 410075）

0 引言

泥石流滑坡等災(zāi)害可能形成含水土質(zhì)埋壓，造成人員傷亡，因埋壓環(huán)境的復(fù)雜性，很可能引發(fā)二次埋壓等突發(fā)情況。救援現(xiàn)場的安全監(jiān)測可及時(shí)掌握現(xiàn)場人員、設(shè)備、環(huán)境狀態(tài)信息，發(fā)現(xiàn)異常可及時(shí)預(yù)警并采取應(yīng)對(duì)措施，避免二次傷亡事故發(fā)生。因此，針對(duì)含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場進(jìn)行安全監(jiān)測十分必要。

目前研究主要以災(zāi)害現(xiàn)場監(jiān)測及消防員狀態(tài)監(jiān)測為主：李劍鋒[1]基于移動(dòng)端設(shè)計(jì)出可實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣呼吸器壓力、脈搏等信息的消防員監(jiān)測系統(tǒng)；劉曉軍[2]針對(duì)氣瓶供氣時(shí)間、人體姿態(tài)等信息設(shè)計(jì)出消防員監(jiān)測系統(tǒng)；姜學(xué)赟等[3]針對(duì)滅火救援現(xiàn)場，建立動(dòng)態(tài)信息采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)；劉盛兵等[4]針對(duì)油氣事故救援現(xiàn)場構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)。在針對(duì)泥石流滑坡及暴雨災(zāi)害監(jiān)測研究中，陳龍[5]建立集降雨、泥位等參數(shù)的野外監(jiān)測方法；周琬婷等[6]提出采用電學(xué)CT技術(shù)的新型泥石流傳感網(wǎng)絡(luò)；楊超等[7]提出無人機(jī)尾礦壩邊坡表面變形監(jiān)測方法；宋常軍等[8]建立以深部位移、滲透壓力、裂縫開合度等為監(jiān)測單元的單體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)；解明恩等[9]通過引入?yún)^(qū)域雨澇指數(shù)過程強(qiáng)度算法，客觀監(jiān)測雨澇災(zāi)害強(qiáng)度。

上述研究主要針對(duì)單一災(zāi)害特性構(gòu)建新的監(jiān)測方法和指標(biāo)，沒有建立全面綜合的監(jiān)測體系，在含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場，針對(duì)多災(zāi)害多因素監(jiān)測具有一定局限性。監(jiān)測體系的建立是確保監(jiān)測工作完成的基礎(chǔ)，部分學(xué)者針對(duì)自然災(zāi)害防治提出監(jiān)測采集體系[10]，但由于救援現(xiàn)場較強(qiáng)的不可確定性，導(dǎo)致救援現(xiàn)場安全監(jiān)測體系方面的研究較少。情景分析目前被廣大學(xué)者用于危化品事故[11-12]、飛行沖突[13]、地震次生災(zāi)害[14]等突發(fā)事件風(fēng)險(xiǎn)分析。在進(jìn)行情景分析時(shí)，通過運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[15-16]構(gòu)建情景推演網(wǎng)絡(luò)模型，能夠直觀表現(xiàn)各情景節(jié)點(diǎn)間的因果關(guān)系，在情景演化路徑分析方面具有明顯優(yōu)勢。

因此，本文基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（Bayesian network，BN），對(duì)含水土質(zhì)埋壓人員救援現(xiàn)場進(jìn)行情景分析，針對(duì)影響救援的典型不利場景，結(jié)合突發(fā)情況演變路徑，劃分救援現(xiàn)場監(jiān)測單元，進(jìn)而確定各監(jiān)測單元的關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)、監(jiān)測手段以及監(jiān)測技術(shù)要求，構(gòu)建以降雨量等關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測為主的多方位多因素耦合的安全監(jiān)測體系，研究成果可為含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場的安全監(jiān)測預(yù)警提供理論支撐。

1 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場BN情景分析

1.1 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景要素提取

情景分析實(shí)質(zhì)是通過揭示不同情景要素之間的相互作用，得到在多個(gè)情景要素耦合作用下的事件演變過程，情景要素提取是進(jìn)行情景分析的基礎(chǔ)。結(jié)合含水土質(zhì)埋壓現(xiàn)場災(zāi)害特性，針對(duì)救援現(xiàn)場埋壓人員被掩埋至埋壓人員被安全救出該情景階段，基于文獻(xiàn)[16]將含水土質(zhì)埋壓現(xiàn)場情景要素劃分為情景狀態(tài)、危害因素、約束條件3 個(gè)類別，分別用符號(hào)S、M、E表示。構(gòu)建的含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景要素見表1。

表1 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景要素Table 1 On-site scenario elements of burial rescue in water-bear ing soil

1.2 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場BN情景推演

整個(gè)埋壓救援行動(dòng)在危害因素和約束條件共同作用下，隨時(shí)間推移由最初情景狀態(tài)向預(yù)期和非預(yù)期2 個(gè)方向進(jìn)行推演，最終得到含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景推演貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。其中，菱形表示情景狀態(tài)，圓形和六邊形分別表示危害因素和約束條件，用箭頭表示各節(jié)點(diǎn)之間的因果關(guān)系，進(jìn)而形成不同演化路徑，坐標(biāo)水平向右表示按預(yù)期救援目標(biāo)演變，坐標(biāo)豎直向下表示未按預(yù)期救援目標(biāo)演變。

圖1 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景推演貝葉斯網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Deduction network for on-site scenario of burial rescue in water-bearing soil

1.3 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景路徑分析

通過上述演化結(jié)果可知，從最初始情景狀態(tài)S0開始向前演化，在理想狀態(tài)下演化出預(yù)期路徑，在預(yù)期路徑演化過程中，不同情景節(jié)點(diǎn)受不同危害因素和約束條件干擾，開始出現(xiàn)情景轉(zhuǎn)折，使演化路徑分叉，出現(xiàn)不同演化路徑。為進(jìn)一步對(duì)情景路徑及其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，將情景推演網(wǎng)絡(luò)中主要演化路徑進(jìn)行匯總，見表2，共有4 條情景路徑，包括1 條預(yù)期演化路徑和3 條非預(yù)期演化路徑。

結(jié)合圖1和表2可知，在路徑1 中，當(dāng)含水土質(zhì)埋壓形成后，救援隊(duì)伍迅速趕往現(xiàn)場，開展傷員搜尋，在沒有受到二次傷害前提下，確保埋壓人員被迅速救出，救援任務(wù)完成。在路徑2 中，救援人員抵達(dá)現(xiàn)場后，降雨作用使土體強(qiáng)度較弱，隨埋壓土體顆粒間隙變大，土體含水率增加；在溝壑山坡坡度過大地區(qū)，導(dǎo)致初始埋壓堆積體快速位移，進(jìn)而發(fā)生二次泥石流滑坡，如果救援指揮人員沒有及時(shí)做出正確預(yù)判決策或應(yīng)急響應(yīng)不及時(shí)，都可能導(dǎo)致一線救援人員撤離現(xiàn)場不及時(shí)，進(jìn)而引發(fā)二次埋壓。同時(shí)，救援設(shè)備故障可能使救援現(xiàn)場發(fā)生機(jī)械損傷、物體打擊等傷害事故，最終造成人員傷亡。在路徑3 和路徑4 中，當(dāng)救援人員實(shí)施救援時(shí)，埋壓土體內(nèi)有毒有害物質(zhì)可能會(huì)使埋壓人員傷情惡化，同時(shí)，救援設(shè)備不夠齊全、埋壓傷員失去意識(shí)無法配合救援以及救援人員誤操作，均會(huì)使救援時(shí)間延長，整體救援效率降低，在二次泥石流滑坡發(fā)生前，埋壓人員未被及時(shí)救出，進(jìn)而發(fā)生二次埋壓。

表2 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景路徑Table 2 Paths for on-site scenario of bur ial r escue in water-bear ing soil

在4 條情景路徑中，路徑1 具有最理想的預(yù)期演變趨勢，但埋壓救援現(xiàn)場具有較多不確定性和未知性危害因素，使路徑1 在節(jié)點(diǎn)S1，S2，S3發(fā)生分叉，向非預(yù)期方向演變，出現(xiàn)路徑2～4。路徑2 演變過程中，在節(jié)點(diǎn)S7，S8發(fā)生二次分叉，同時(shí)與路徑3，4 在節(jié)點(diǎn)S14處交匯，可見路徑2 分叉交匯節(jié)點(diǎn)相對(duì)較多，說明其不確定性相對(duì)較大，是所有路徑中最快向非預(yù)期方向演變的路徑。此外，路徑3 和路徑4 是2 條不同演變路徑，均在節(jié)點(diǎn)S16處交匯，共同向非預(yù)期趨勢演變，最終在節(jié)點(diǎn)S14與路徑1 交匯，至此，3 條非預(yù)期路徑同時(shí)向非預(yù)期結(jié)果演變。所有情景狀態(tài)節(jié)點(diǎn)中，共有7 個(gè)分叉交匯點(diǎn)，表征救援現(xiàn)場的不確定性和未知性，是整個(gè)情景推演網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，決定救援情景的實(shí)際情景發(fā)展去向。

2 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測體系構(gòu)建

將前文確定情景狀態(tài)及其危害因素和約束條件的狀態(tài)監(jiān)測，作為現(xiàn)場實(shí)際情景預(yù)測及干預(yù)措施依據(jù)。根據(jù)不同情景演化路徑和路徑節(jié)點(diǎn)，明確救援現(xiàn)場可能出現(xiàn)的突發(fā)危險(xiǎn)事件和不利情景，劃分監(jiān)測單元。以現(xiàn)有文獻(xiàn)中埋壓救援評(píng)價(jià)指標(biāo)與泥石流滑坡相關(guān)監(jiān)測技術(shù)作為參考，明確各監(jiān)測指標(biāo)的關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)與技術(shù)手段，構(gòu)建多方位多因素耦合的監(jiān)測體系，如圖2所示。

圖2 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測體系構(gòu)建原理與框架Fig.2 Construction principle and framework of on-site monitor ing system of burial rescue in water-bearing soil

2.1 監(jiān)測單元與監(jiān)測指標(biāo)

基于情景分析確定的情景路徑及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)安全監(jiān)測思想，將含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測按照不同監(jiān)測對(duì)象劃分為災(zāi)害環(huán)境監(jiān)測、救援人員狀態(tài)監(jiān)測、埋壓人員狀態(tài)監(jiān)測、救援設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、整體救援進(jìn)展跟蹤5 個(gè)監(jiān)測子系統(tǒng)，對(duì)各監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測單元及監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行細(xì)分，得到含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測指標(biāo)體系，見表3。

表3 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測指標(biāo)體系Table 3 Index system of on-site monitoring for bur ial r escue in water-bear ing soil

災(zāi)害環(huán)境監(jiān)測主要對(duì)埋壓土體等外部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，防止次生衍生災(zāi)害出現(xiàn)，是救援活動(dòng)持續(xù)開展的重要保障。救援人員狀態(tài)監(jiān)測主要針對(duì)其生命體征、個(gè)體安全防護(hù)裝備、定位更新及通信聯(lián)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測，一方面監(jiān)測救援人員在高強(qiáng)度救援行動(dòng)中是否出現(xiàn)生理不適，另一方面防止救援人員在救援過程中出現(xiàn)二次傷害或失聯(lián)。埋壓人員狀態(tài)監(jiān)測主要針對(duì)其生命體征、傷情程度和位置分布進(jìn)行監(jiān)測，生命體征和傷情程度監(jiān)測是救援人員采取分級(jí)救援的重要參考依據(jù)。救援設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測主要是確保機(jī)械挖掘設(shè)備、支護(hù)圍擋裝置及其安全防護(hù)與隔離裝置能夠正常運(yùn)行。整體救援進(jìn)展跟蹤是為了實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場救援情況、整體救援效率以及后勤保障與物資運(yùn)輸信息，從宏觀角度把握救援進(jìn)度，是對(duì)救援現(xiàn)場組織管理進(jìn)行宏觀調(diào)控的重要參考依據(jù)。

2.2 關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)與技術(shù)手段

考慮含水土質(zhì)埋壓現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測需求不同，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)上述指標(biāo)體系進(jìn)行監(jiān)測指標(biāo)篩選和監(jiān)測參數(shù)確定。以含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場關(guān)鍵情景節(jié)點(diǎn)中危害因素為主要參考依據(jù)，結(jié)合救援現(xiàn)場災(zāi)害事故預(yù)警需求，篩選出關(guān)鍵監(jiān)測指標(biāo)，確定關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)，借鑒文獻(xiàn)[5]明確其監(jiān)測技術(shù)手段，見表4。

表4 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)與技術(shù)手段Table 4 Key monitoring parameters and technology means of burial rescue site in water-bearing soil

土體強(qiáng)度是對(duì)土體位移導(dǎo)致二次埋壓做出預(yù)警的核心監(jiān)測指標(biāo)，土質(zhì)壓力變化表征救援開挖過程以及外界環(huán)境對(duì)土體強(qiáng)度的影響，確定土體堆積深度能夠?qū)Πl(fā)生二次位移時(shí)可能波及的范圍做出預(yù)測。土體水理性質(zhì)監(jiān)測主要對(duì)土體含水量與地下水位進(jìn)行監(jiān)測，在含水量達(dá)到土體松動(dòng)并發(fā)生位移的臨界值前做出預(yù)警。降雨強(qiáng)度的監(jiān)測通過單位時(shí)間降雨量計(jì)算，采用雨量計(jì)對(duì)降雨量進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，一方面對(duì)暴雨災(zāi)害做出預(yù)警，另一方面監(jiān)測降雨對(duì)土體水理性質(zhì)的影響。邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測主要對(duì)邊坡水平位移以及深部位移變化進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)于超過一定速度的位移變化應(yīng)做出預(yù)警。通過地聲監(jiān)測得到泥石流流速，監(jiān)測泥石流與地表之間產(chǎn)生的振動(dòng)頻率與波形，可及時(shí)對(duì)泥石流進(jìn)行識(shí)別預(yù)警。其次，在救援行動(dòng)開展時(shí)，還需對(duì)現(xiàn)場易燃易爆氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測，在濃度達(dá)到爆炸極限前發(fā)出預(yù)警。最后，對(duì)安全防護(hù)裝置無故障時(shí)間、設(shè)備啟用關(guān)閉時(shí)間、傷員救出時(shí)間進(jìn)行視頻監(jiān)測，宏觀把握救援整體進(jìn)展情況。

2.3 監(jiān)測實(shí)施機(jī)制

含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)施主體由救援現(xiàn)場指揮中心、專家應(yīng)急組、醫(yī)療救護(hù)組、救援搶險(xiǎn)組、設(shè)備技術(shù)組以及后勤保障組組成，整個(gè)救援現(xiàn)場的監(jiān)測實(shí)施運(yùn)作以該職能主體為核心展開，包括救援安全性評(píng)估、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理以及監(jiān)測結(jié)果反饋處理3 個(gè)實(shí)施階段，形成1 個(gè)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的監(jiān)測機(jī)制，如圖3所示。

圖3 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)施機(jī)制Fig.3 Implementation mechanism of on-site monitoring for burial rescue in water-bearing soil

在救援安全性評(píng)估階段，以監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研判結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，對(duì)救援現(xiàn)場進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)評(píng)估，根據(jù)救援是否可持續(xù)進(jìn)行，明確不利情景和有利情景，以預(yù)期情景演化結(jié)果導(dǎo)向?yàn)槟康?，?duì)監(jiān)測目標(biāo)和需求做出實(shí)時(shí)調(diào)整更新。在監(jiān)測數(shù)據(jù)管理階段，將各監(jiān)測職能負(fù)責(zé)主體收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存?zhèn)鬏敽脱信蟹治?，為救援安全性評(píng)估提供依據(jù)。在監(jiān)測結(jié)果反饋處理階段，如果出現(xiàn)不可控的不利場景，則需要及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，由指揮中心進(jìn)行應(yīng)急決策指揮，其他職能主體做出協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)響應(yīng)。

3 結(jié)論

1）通過對(duì)含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場提取情景要素，構(gòu)建情景推演網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)典型的不利情景路徑演化趨勢進(jìn)行分析，明確7 個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

2）基于情景分析結(jié)果，構(gòu)建集監(jiān)測單元、監(jiān)測指標(biāo)、關(guān)鍵參數(shù)、技術(shù)手段、監(jiān)測實(shí)施機(jī)制于一體的含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測體系，將監(jiān)測單元按災(zāi)害環(huán)境監(jiān)測、救援人員狀態(tài)監(jiān)測、埋壓人員狀態(tài)監(jiān)測、救援設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、整體救援進(jìn)展跟蹤監(jiān)測進(jìn)行細(xì)分，建立監(jiān)測指標(biāo)體系，并確定11 個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)及其對(duì)應(yīng)技術(shù)手段。

3）文中沒有明確關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)的閾值范圍，缺乏對(duì)各技術(shù)手段的具體技術(shù)要求分析，下一步研究將對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)警機(jī)制和閾值范圍以及技術(shù)要求做出規(guī)定。