地质灾害及其预测与监测方法

(1)地质灾害及其预报。我国是地质灾害十分严重的国家。根据“中国环境公报,1998～2002”的统计,1999年、2000年、2001年和2002年,全国因滑坡、泥石流死亡人数分别为823 人、1102人(另63 人失踪)、788 人和853 人。目前地质灾害的研究主要在于灾害风险评估,包括灾害潜势图的划定与灾害预报。

由于计算机的普及,数值分析广泛应用于灾害发生机制的模拟,建立了大量的数值模型,使得人们对灾害的发生掌握了基本规律;空间技术的发展,全球定位系统和高解析、可见光及不可见光的卫星相片的应用,使得大范围监测的技术逐渐发展和应用;勘探技术的成熟,使得预测地下地质状况的可靠度进一步提高;另一方面,计算机和网络技术的普及,使得岩土工程信息的整合与分享成为可能。在上述的条件下,自1990年以来,通过地理信息系统(GIS)平台,将上述所获得的信息进行系统性整合,把地质灾害的危险和危害的潜势度加以分级,并绘制成图,作为灾害防救的参考依据及工程初步规划的决策参考的研究大量展开。

另一方面,地质灾害具有地域性,不同的地区有不同的地质灾害,且地质灾害的分布通常相当广泛,这使得各国政府不可能投入巨资来全面有效治理地质灾害,而且也不可行,因此分区重点防治并结合监测预警系统的建立是未来处理地质灾害问题的主要可行方法。通过灾害历史资料的搜集与可靠度分析进行预警基准的研究也相当普遍。

国内外学者越来越重视高边坡病害的系统监测,随着监测技术的发展和监测经验的积累,对监测的意义、内容、目的的认识不断深入。高边坡病害的监测是高边坡病害预报和防治基础信息获取的一种重要手段,实现高边坡病害的有效防治或灾害预报。监测的目的是预测地质灾害的发展演变趋势,具体了解和掌握病害演变的动态过程,适时捕捉病害临近暴发成灾的特征信息,或把握边坡病害治理的有效时机以避免灾害事故的发生。从边坡病害的监测内容而言,不仅包括边坡病害的形成条件、形成过程的监测,而且还包括病害治理工程效果的反馈监测。我国香港地区的滑坡监测技术和体系是相当先进和有效的。

2003年4月7日,中国国土资源部和中国气象局签订了“关于联合开展地质灾害预报预警工作的协议”。从此,中央电视台每年在进入雨季后在黄金时间向全国人民发布滑坡泥石流等地质灾害预报。这在全世界尚属首次。据不完全统计的反馈资料2003年的预报预警工作准确率达到50%以上。

(2)地质灾害的监测手段。

1)大范围位移监测的合成孔径雷达SAR(Synthetic Aperture Radar)。利用载有雷达飞行平台的运动,得到长的合成天线,通过太空发射电磁辐射波(EMR),并接收其反射波的强度与延时,由此获得高分辨率的图像。通过两幅或两幅以上的雷达遥感图像进行相位干涉处理的技术,称为干涉雷达(InSAR)技术。该技术是SAR 技术中的精华部分,最大的特色在于可以分辨出数毫米的地面位移变化,并且可以得到高精度的地面数字高程模型(DEM),这些技术在地质灾害监测及预警系统领域已做过有益的实践,在某些领域取得了显著效果。

2)全球卫星定位系统(GPS)。70年代初期,美国国防部主持设计和研制GPS(Global Positioning System)卫星导航定位系统时,十分明确将其用于军方,到1994年3月美国建成了由24颗卫星组成的覆盖率达98%的GPS星座。卫星可同时发射两种信号(C/A 码和P码),以保证在任何地方、任何时候同时观测到4颗以上GPS星座,俄罗斯的GLNASS系统则是另外一套全球定位系统。全球定位系统能为全球任意地点及任意多个用户同时提供高精度、全天候、连续的、实时的三维定位与三维测速和时间基准。随着GPS接收机的改进,数据处理方法的优化,目前可以利用GPS卫星发送的导航定位信号进行厘米级甚至毫米级的精度定位,米级甚至亚米级的动态定位,亚米级甚至厘米级的速度测量和毫微秒级的时间间隔观测。在滑坡监测方面,在水平和垂直方向,其精度可分别达1.5cm 和3cm。由于具有全天候、可同时测量观测点的三维位移、测站之间无须保持通视、经费低廉等优点,在实时定位、导航和测速等方面的高效率、高精度、多功能,近几年来许多国家竞相利用GPS及GLNASS已有的系统,进行地质灾害的观测与预报。

3)地下剪切破坏形态监测技术(TDR,Time Domain Reflectometer)。这是一种电子测量技术,最早应用于电力和通讯工业上,用来确定通信电缆和输电线路的故障与断裂。在20世纪70年代后期和80年代美国矿业局广泛采用TDR 技术寻找地下煤矿中的塌陷层。90年代以后,TDR 技术在欧美等发达国家已开始在滑坡监测中得到广泛应用。用TDR 监测滑坡的优点是价格低廉、检测时间短、可远程访问、数据提供快捷、安全性高。缺点是它无法确定滑坡移动量和移动方向。

4)声发射监测技术。声发射是坡体、工程结构在破坏过程中材料内部贮存的应变能快速释放产生弹性波的物理现象。通过监测坡声发射参数的变化可进行早期预报崩塌、滑坡发生的时间。岩石的声发射现象,最早是由于天然地震及矿柱塌陷所观测到的自然现象,声发射的研究历史约有60年,由于20世纪60年代在金属材料的断裂机制和破坏预报方面取得了迅速发展,带动了岩石声发射的研究,70年代以来由于计算机的发展,使其应用范围逐步扩大。在崩塌、滑坡的发生与发展过程中,总是伴随着岩体应变能的不断积聚和释放,而位移信息恰是这种变化与调整的宏观体现,因此声发射信息超前于宏观位移在理论上是显而易见的。(www.xing528.com)

5)其他监测技术。用于边坡病害监测的其他手段还有:用倾斜盘测边坡地表的倾斜,用位移计测地表位移、用雨量采集器记录降水量、用水位计测地下水等,这些技术的应用均已较成熟,且日趋完善。

地理信息系统(GIS)产生于20世纪60年代。它是随着人们对自然资源和环境的规划管理工作的需要以及计算机制图技术的应用而诞生的,是一种对大批量空间数据进行采集、存储、管理、检索、处理和综合分析,并以多种形式输出结果的计算机系统。国外尤其是发达国家,将GIS应用于地质灾害研究方面已做了大量工作。从80年代至今,GIS技术的应用也从数据管理、多源数据集数字化输入和绘图输出,到DEM 或DTM 模型的使用,到GIS结合灾害评价模型的扩展分析,到GIS与决策支持系统(DSS)的集成,到网络GIS,逐步发展扩大应用。可以预见,通过GIS与数值模型的结合,有效地建立适当的区域潜势分级以及提高灾害预测的准确度仍是今后研究的重点方向与发展趋势。

目前地质灾害的研究主要在于灾害潜势图的划定与灾害预报等的地质灾害风险评估,对某些地质灾害因其具有明显的复发性且紧邻人类的活动发展区,这类的地质灾害成为人们的关注和研究热点,它包括地震、边坡稳定(崩塌和滑坡)、泥石流。因此关于崩塌、滑坡与泥石流的灾害潜势图之划定与灾害预报是主要的研究热点方向。

(3)地质灾害的研究目标与问题。

1)数学模型与GIS的整合。由于各地区的人文与自然条件各不相同,使得选用的研究参数与数学模型也各不相同,如何有效建立适当的潜势分级与影响范围,仍需进一步讨论和研究。

2)实际应用的案例不足。尽管许多模式已投入使用,但仍需相当时间(或者说下一次灾害再次发生),才能了解现行模式的缺陷,以此进行反馈修正,以完善灾害评估模式。

3)灾害影响范围的界定。灾害发生的延伸距离(runout distance),理论预测与实际扩展距离与范围仍有相当的差距。这使得灾害影响范围的划定仍缺乏实用性。

4)灾害预报的准确性。尽管可靠度分析提供了灾害预报的科学分析的理论依据,然而它仍需通过实践过程加以完善。