水電工程地質災害監測預警與應急管理系統設計及應用

凌 騏，張 軒，孔 松，胡 波

（南京南瑞集團公司/國網電力科學研究院，江蘇省南京市 211106）

0 引言

隨著我國水利水電工程建設的不斷發展，在工程施工過程中對原有地形地貌進行大規模改造后，不可避免地會引起施工區地質災害或次生災害，給大壩等水工建筑物和人員的生命財產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都發生過崩塌、滑坡或泥石流等地質災害，造成了不同程度的人員傷亡和經濟損失。通過災后調查發現，有些地質災害在發生前，如果監測到位、預警及時，是能夠將損失減小到最低程度的。因此，如何設計和建設水電工程地質災害監測預警系統，建立完善可靠的災害監測—評估—預警—應急管理體系，已經成為水電工程管理單位十分重視的課題。

在地質災害監測預警研究上，國內外已有一些成功經驗。例如，1985年美國地質調查局和美國氣象服務中心聯合在舊金山灣地區建立了滑坡泥石流預警系統[1]，主要依據降雨強度、巖土體滲透能力、含水量和氣象變化做出判斷，預警結果通過氣象中心進行廣播。香港也早在1984年就建立了滑坡、泥石流氣象預警系統[2]，主要利用雨量計開展降雨量監測，確定誘發滑坡的臨界雨量后，實施降雨滑坡預警。三峽庫區以地質災害空間數據庫為基礎，建立了群測群防監測與專業監測網絡相結合的地質災害監測預警信息系統[3]，在實踐中取得了良好效果。

目前很多水電工程單位在地質災害監測中依然采用人工觀測、人工記錄、人工計算這種傳統方式，當外業觀測完成后，內業整理數據往往需要較長的一段時間，使得監測成果不能夠及時反映孕災體的狀態。另外，地質災害發生時經常是處于氣象條件和地質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間。在這樣的條件下，就要求地質災害監測預警系統具有全天候、可遠程測控、數據自動處理分析、預測預報和應急管理等一體化功能，以提高地質災害監測自動化水平、增強預警預報效果和應急響應能力。

1 系統工作原理

1.1 系統原理

水電工程地質災害主要指水庫滲漏、庫岸再造及沿壩庫岸失穩、水庫淹沒、水庫淤積和水庫誘發地震等引起的地質災害。目的是監測岸坡壩肩山體在開挖過程中和結束后的穩定程度，預測不穩定山體是否可能造成地質災害及其發展趨勢，評價對地質環境及工程本身的危害程度；對地下開挖的圍巖穩定及其可能形成的地質災害進行預測評估，對地下工程進出口地段邊坡及山坡穩定性及其可能造成的地質災害進行預測評估；對地面工程的邊坡穩定、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災害進行預測及評估。

地質災害監測預警與應急管理系統是基于無線通信技術、傳感器監測技術及災害預測預警分析技術，以水電工程建設區范圍內的滑坡、泥石流及崩塌等地質災害變體為監測對象，對其在時空域的變形破壞信息和災變誘發因素信息實施動態監測。通過對變形因素、相關因素及誘因因素信息的相關分析處理，對災變體的穩定狀態和變化趨勢做出判斷。揭示滑坡、泥石流、崩塌的空間分布規律，對未來可能發生災害的地段（點）做出預測預報和應急響應，為工程單位采取防災減災措施提供技術支撐。

1.2 工作流程

如圖1所示，系統通過數據采集和分析處理服務以及專業應用服務，將實測數據和預測數據以及遠程影像、遙感數據結合進行分析處理，通過數據建模運算、數據挖掘技術將數據進行再加工，圖形報表服務可對原始資料以及再加工數據以圖形和表格方式進行展示。經過會商，最終確定預警信息并通過短信設備、廣播喇叭設備等對外發布，最終形成一系列完整的處理流程。

圖1 水電工程地質災害監測預警系統工作流程Fig．1 Workflow in geological hazard monitoring and early-warning system of hydropower project

1.3 系統架構

水電工程地質災害監測預警系統設計為3層架構，包括數據層、服務層和表現層，如圖2所示。

數據層主要包含了各類系統資源（主要是數據資源）以及各類與系統資源密切聯系的數據訪問功能。數據資源層采用空間數據庫、關系型數據庫和全文數據庫相結合的方式實現對所有資源數據的存儲和管理，利用關系數據庫的業務處理能力和全文數據庫的海量存儲和檢索性能。采用全文檢索網關實現對關系數據庫中數據資源的全文索引創建，由全文數據庫提供統一的全文檢索功能。本項目中對于數據資源層的主要實施內容為：工程監測數據庫、地質災害數據庫、雨水情數據庫、氣象數據庫、地理空間數據庫和多媒體數據庫等。

業務層主要包含了各類通用的組件和專業服務，這些服務是從所有具體的應用中抽象出來的，服務粒度較小，通用性較強，非常適合通過組合或者裝配的形式輔助某個應用支撐層或應用層的服務，這些服務同時也可以直接由某個應用進行調用，完成其所需的某項功能，主要包括空間數據引擎、數據交換訪問、預警分析發布、圖形報表通用組件以及地圖服務、空間分析服務、采集數據處理服務、遠程數據監控服務、圖形報表服務、預警分析發布服務、事件管理服務、權限管理服務和移動應用服務等。

圖2 系統平臺邏輯架構Fig．2 Logical frame of system platform

表現層主要是通過界面對服務層業務進行封裝，并能夠與用戶進行合理交互，適應復雜的業務應用。按照功能模塊劃分，系統平臺主要包括監測數據采集、地圖導航瀏覽、圖表展示、圖元編輯、分析評估、隱患排查、事件報警、應急響應、權限管理等若干子模塊。

2 系統功能設計

2.1 遠程數據測控功能

一般監測系統遠程測控與現地設備的品牌和型號有較大關聯，需在獲取現地設備開發接口的基礎上，根據設備接口（或標準模型）進行二次開發，兼具考慮開發的效率和監測信息管理平臺的通用性和易用性。通過監測信息管理平臺對現地監測站網絡進行遠程控制，可以設置各種測量方式、測量參數，方便地獲得各種測量數據、進行模塊故障診斷。

2.2 基礎信息查詢展示功能

基礎信息包括地質信息、災害點信息、監測點信息、歷史地質災害信息、災害易發性分區信息、氣象信息、群測群防信息等。可以通過GIS地圖不僅能展現基礎地理地質信息、災害易發性分區、防治規劃等空間數據，專業監測數據、災情預警信息和應急響應信息還能夠實時更新并在圖上動態展示。

2.3 數據處理及圖表展示功能

通過監測信息管理平臺，可對監測數據進行成果計算，過程線、相關圖、分布圖、布置圖的自動繪制，定期報表、自定義報表及通用報表的定制，數據表的展示及輸出，人工觀測數據錄入，事件日志記錄等。數據處理功能可連續實時進行數據處理，將采集數據計算生成業務統計數據。數據解算可根據預先設置的公式和參數進行計算。通過后臺進程監控并定時調用數據處理程序，完成對數據處理與成果計算。圖表定制功能提供專業監測數據、群測群防監測數據查詢與錄入、維護功能，通過各種圖形、報表展現地質災害點詳細數據；可以實時生成測值過程線、測值分布圖、多因素相關圖、等值線圖等專題圖；逐時、逐日報表、月報表、極值統計報表等各類整編統計報表。

2.4 預測預警分析功能

預警分析功能包括專業監測數據預警分析與報警、地質災害氣象預警、地質災害風險評估、監測預警指標管理等。通過建立災害預報預警分析評估機制，將雨水情監測、水工監測、氣象監測、群測群防等數據作為輸入參數，結合地理地質信息、地質災害空間與屬性數據，基于預警指標判斷和歷史災情的概率統計，保證預警信息正確性，最終分析生成地質災害預警結論。同時提供監測資料定量分析計算方法，針對不同的災害類型可建立分析量預報模型和預警判據。

2.5 預警信息發布功能

通過監測預警信息管理平臺，提供信息查詢、實時水雨情監視、氣象國土部門信息鏈接服務、災情預報服務等功能。通過短信、語音廣播、聲光報警等方式發布預警，經專業人員確認地質災情后發布外部預警。通過門戶Web方式，向公眾發布地質災害信息，預報預警等信息。通過Web人機界面向短信發送設備請求發送服務，由發送設備在服務端發送短信，或者向無線廣播站發送廣播命令，進行語音廣播報警。

2.6 應急響應管理功能

災害應急管理功能可根據設定的條件，觸發應急響應工作流，通知各責任主體啟動應急處置措施，按計劃進行搶險救災。主要功能包括應急預案編輯、信息監視、信息預警、預案啟動等，并可構建包括災害應急預案相關信息的預案庫，實現預案的查找、統計和匯總。另外，依據已經制定的重要災害應急預案的規定，在滿足相關應急響應條件時，立即自動提示報警，并給出相應的應急預案響應等級與響應措施，當輸入相關需求條件時，可自動從預案庫中組合出輔助決策、調度參考提示的處置方案。應急管理還提供物資點配置、編輯和查詢，提供撤離線路配置、編輯和查詢，提供安置點編輯、配置和查詢，為災害應急響應提供輔助支持。

2.7 地災監測移動應用功能

基于地質災害監測預警信息平臺，開發可應用于Android和IOS系統的移動終端應用程序，達到嚴謹防范、監控便捷的效果，提高地質災害監測預警信息系統的智能化水平。根據專業應用需求，地質災害移動應用可實現隱患巡檢排查、通知通報管理、工作日志管理、監測數據和氣象信息查詢、視頻監控、預警信息推送接收及應急處置等功能。

3 工程應用實例

某水電工程施工區地質災害發育，經地質調查發現較大規模危巖體3處，滑坡6處，崩塌堆積體8處，泥石流5處。2014年7月，壩址施工區一處高陡危巖發生巖石崩塌，造成多名作業施工人員傷亡。目前壩址區布置了邊坡巖土體光纖應變監測系統、強震動監測系統及泥石流監控視頻等監測設備，為集中高效的管理和分析海量的實時監測數據同時建立了一套集遠程測量、數據處理分析和災害預測預報于一體的動態監測及應急管理系統（GHMES，如圖3所示），為工程建設單位有效防治、處置地質災害、降低地質災害造成的損失提供了科學的輔助決策手段。

該系統除實現前文所述的主要功能外，還可建立不同時間尺度的滑坡、崩塌及泥石流災害預測模型和預警判據。除根據氣象預報生成地質災害氣象預警預報外，還支持采用生長曲線模型、灰色模型、神經網絡模型等進行中長期和短臨期的滑坡崩塌預測以及基于臨界降雨量模型的泥石流預測。同時采用Web界面對于地質災害專家提供研判入口，對待確診的地質災害數據可進行分析、會診和綜合評估。圖4展示了地質災害監測平臺中的GIS地圖界面，相關人員可以直觀的瀏覽該工程的地質災害測點位置、監測數據和報警信息，還可以查看應急物資點、安置點及撤離線路等信息，以便在遇到災害時能及時掌握應急資源信息。利用圖5所示的泥石流災害預測模型[4]分析功能，可以基于壩址區實測降雨量對泥石流災害發生的可能性進行評估，也可以采用降雨量預報數據對未來較近一段時間內發生泥石流災害的可能性進行初步預測，從而為提前采取應急響應措施提供科學依據。該平臺除具有以上功能特點外，還支持圖元編輯、移動巡檢、隱患排查、專家會商等功能，限于篇幅不再贅述。

4 結束語

（1）本文所設計的地質災害監測預警與應急管理系統包括現地監測設備、數據采集通信裝置及信息管理軟件平臺，提供了針對水利水電工程從施工期到運行期的全過程在線監測整體解決方案，也為工程單位防治地質災害提供了一種技術輔助手段。在實踐應用中，該平臺可以接入大壩安全監測系統、水情測報系統及強震監測系統等其他水工專業監測設施，通過綜合分析各專業監測數據，能夠進一步地提高地質災害監測的有效性和預測成果的可靠性。

圖3 某水電站地質災害監測預警系統網絡圖Fig．3 Network of geological hazard monitoring and early-warning system of a hydropower plant

圖4 GIS地圖報警展示界面Fig．4 Display Interface of GIS Warning

圖5 預測模型設置界面Fig．5 Setting Interface of Forecasting Model

（2）基于地質災害監測預警與應急管理系統的監測成果，可以研究和掌握各領域不同類型地質災害活動的規律及發展趨勢特征，為系統科學地進行災害防治提供基礎資料，具有較強的工程實用價值。該系統不僅適用于水利水電工程，也可以在國土資源、地礦開采、市政交通等領域推廣應用。

[1] 葛秀珍．實例——泥石流預警系統[J]．水文地質工程地質技術方法動態，2006（5）: 24-28．GE Xiuzhen．Example—Debris flow early-warning system[J]．Information of Hydrogeology & Engineering Geology Techniques，2006（5）: 24-28．

[2] 張亞芳，劉浩．香港滑坡/泥石流災害及其治理系統[J]．廣州大學學報：自然科學版，2006，5（1）:45-48．ZHANG Yafang，LIU Hao．Landslide and its preventive/mitigation system in Hong Kong [J]．Journal of Guangzhou University （Natural Science Edition），2006，5（1）:45-48．

[3] 周金星．三峽庫區泥石流災害預警研究[J]．中國水土保持科學，2010，08（6）: 6-13．ZHOU Jinxing．Early-warning system for debris flow disaster in the Three Gorges Reservoir Region [J]．Journal of Science of Soil and Water Conservation，2010，08（6）: 6-13．

[4] 馮樹榮，等．水工設計手冊（第二版） 第10卷 邊坡工程與地質災害防治[M]．北京：中國水利水電出版社，2013．FENG Shurong．Hydraulic design manual （volume 10）—Prevention and control of slope engineering and geological hazard[M]．Beijing ：China Water & Power Pres，2013．