硬核驯“龙”高手，让滑坡灾害提前说话

你知道走龙吗？

“龙一过，山就垮”

这是过去农村常说的老话

人们将滑坡、泥石流等大型地质灾害描述为

“走龙垮山”

山区百姓在修房选址前所谓的

“定风水找龙”

或许潜意识就是

为了避开地质灾害隐患点

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在上一期《关于滑坡的线索，也许我们可以“剧透”》推文中，阿重给大家科普了什么是滑坡，以及如何运用“三查”体系寻找潜藏在山间的滑坡“恶龙”。

☞点击链接回顾 关于滑坡的线索，也许我们可以“剧透”

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这一期内容，阿重将和大家一起学习：当我们通过“三查”体系提前识别和发现滑坡隐患，完成“寻龙”任务后，如何进一步通过监测预警，在滑坡即将发生前撤离危险区居民，进一步驯服“恶龙”。

这一过程就如通过测温、核酸检测等手段排查出新冠肺炎的疑似患者后，进一步对疑似人员进行物理隔离和医院就诊，达到救治病人和防止病菌扩散的目的。

什么是滑坡监测预警

监测是指利用天－空－地等技术手段，运用卫星或现场传感器，获取影响滑坡稳定性的环境因素和反映滑坡状态及其动态变化的信息和数据（如滑坡的位移、受力、降雨、地下水位等）。

预警则是通过对监测数据的分析，判定滑坡的稳定状态并在滑坡发生前发出警示信息( 如警报、短信、电话等)，以便于启动相关预案提前撤离，保障相关人员生命安全。

滑坡预警与地震预警有明显的差别。地震预警是在地震发生后，利用地震波传播速度远小于电波速度的原理，提醒离震中有一定距离的人们地震波即将达到，应立即逃生或采取就地躲避措施，最大限度避免和减少地震伤害。而滑坡的运动速度往往远大于人的奔跑速度，所以滑坡预警信息必须在滑坡发生前发出才具有现实防灾意义。

滑坡应如何科学监测

滑坡预警主要包括区域性气象预警和单体预警两大类

#01  区域性气象预警

统计结果表明，70-90%的地质灾害都直接由强降雨诱发或与降雨有关，依托于天气预报和雨量观测的气象预警，自然就成了防灾减灾的首选。我们可通过对某区域历史降雨过程与实际发生滑坡情况的统计分析，找出滑坡与降雨过程（如降雨强度、累计雨量、降雨历时等）的相关关系，或统计得到相关区域启动滑坡的临界雨量，便可建立滑坡的气象预警模型。

但气象预警仅能进行大范围的趋势性和提示性预警，主要用于指导相关区域的地质灾害群测群防工作。要明确、具体掌握某一滑坡是否会发生，以及什么时候发生，就必须开展单体滑坡的监测预警。

#02  单体预警

通过在某些危险性较大、近期可能成灾的滑坡隐患点安设专业监测设备，并根据对现场监测数据的实时分析处理，在滑坡发生前一定时间内发出警示信息。

不同区域滑坡特点有所不同：在沿海地区主要是强降雨天气诱发的群发性滑坡；在我国内陆，尤其是西部山区，造成重大人员伤亡和财产损失的主要是大型单体滑坡。所以，在实际的防灾减灾中，我们不仅要关注气象预警，更应将监测预警的重心放在大型单体滑坡上。

接下来

就让我们一起来重点了解

单体滑坡监测预警的

关键步骤和方法吧~

#step1

通过对隐患的风险评估和排序

确定重点监测对象

20世纪90年代起，我国通过多轮的“拉网式、地毯式”排查，已发现超过33万处地质灾害隐患点。若对如此众多的地质灾害隐患点都实施专业监测预警或工程治理，既不现实，也没必要。

地质体演化一般都需要很长时间，出现隐患并不一定在近期就会成灾。因此，我们应对已发现的隐患点进行定量风险评估和排序，将工作重点放在高风险隐患点上，并通过工程治理、监测预警、避让搬迁等措施，消除高风险点的隐患，从而使整体风险大大降低。对于一般和较低风险的隐患点，主要通过群测群防措施，保障受威胁区人员生命安全。

#step2

针对性选择监测手段获取有助于预警的数据

从滑坡的成因来讲，滑坡主要包括重力型和水动力型两类。重力型是指驱使滑坡发生变形破坏的主要动力为坡体的自身重力，而外界因素如降雨、地下水、人类工程活动等对其影响较小。在我国西部的高山峡谷区，重力型滑坡并不少见，重力是滑坡发生的内因。

水动力型滑坡是以水作为主要诱发因素的滑坡统称，除降雨外，灌溉、水库或湖泊水位变动，以及冰雪融化、人类活动等形成的地表水和地下水都可能成为降低滑坡稳定性并诱发滑坡发生的因素，但这些因素仅是促进和加速滑坡发生的外在因素，是滑坡发生的外因。

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滑   坡

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• 滑坡形成过程中力（如土压力、支挡结构应力、块体的牛顿力等）和位移（变形）的动态变化可直接反映滑坡的动态演化过程，可作为主要的监测预警指标。外界因素如降雨、含水率、地下水位，可定量反映环境因素对滑坡的作用和影响强度，且这些因素与滑坡的位移、稳定性往往具有很强的相关性，也应作为主要的监测预警指标。

•其次，滑坡形成过程中岩土体的内部破裂会释放能量，产生微震、声发射等信号。因此，微震、声发射也应成为滑坡监测预警的核心指标。

• 此外，在滑坡发生前往往会出现一些异常现象，如持续的小崩小落、泉水变浑浊或流量突变，甚至出现动物异常反应等，这些前兆信息也可作为判断滑坡即将发生的辅助信息。

不同的信息和指标可采用相应的仪器设备和传感器来监测，具体见下图：

▲滑坡主要监测内容、手段及对应的预警指标

具体而言，不同类型和成因的滑坡，应采取如下针对性的监测方法。

§ 重力型滑坡：一般采用基于变形的预警模型和判据进行预警，其关键监测指标为位移。对于突发性较强的滑坡尤其是崩塌，还可监测微震或次声信号。

§ 水动力型滑坡：降雨型滑坡又因成因机制差异而分为浅层和深层滑坡两类。

浅表层滑坡因滑动面深度较浅，一般不具有稳定的地下水位。在降雨过程中，地表水可快速入渗使坡体饱水或局部暂态饱水，并导致滑坡的发生。因此，浅表层滑坡应重点监测降雨量和土壤含水率或孔隙水压力的变化。

深层滑坡往往具有确定的地下水位，其稳定性主要受控于地下水位的高低。在降雨过程中，雨水入渗到坡体并到达地下水位面并使地下水位升高——当水位升高到使斜坡稳定性系数降为1左右时，滑坡发生。所以，深层滑坡地下水位的变化成为影响斜坡稳定性的关键因素，监测地下水位比监测降雨量更有用，当然还应同时监测位移。

无论哪类滑坡，重力才是滑坡的最主要驱动力，变形是滑坡最直接、直观的表现。因此，对任何类型的滑坡实施变形监测都是必要的。

滑坡应如何科学预警

传统的阈值预警，误报和漏报率很高。但其是目前国际上用于单体滑坡预警的最常用方法。

“阈值预警”

阈值预警就是针对某一滑坡，设定一个预警阈值，一旦监测数据超过此阈值即发送预警信息。阈值预警方法简单易行，在实践中容易操作，因此被广泛使用。但大量监测预警实例表明，阈值预警法存在不少问题。

滑坡的类型、规模和成因复杂多样。每个滑坡可能存在某些临界值(如变形速率、累计位移、雨量、地下水位等），超过此临界值滑坡就会启动和发生。但统计结果表明，不同的滑坡具有不同的阈值，并不存在统一的阈值。
所以，在实际滑坡监测预警实践中，如果只是简单粗暴和凭感觉设定预警阈值，或不管什么滑坡干脆设成统一的预警阈值，必然会导致较高的误报、漏报率。或为保险起见，一旦滑坡稍有变形或稍有一定的降雨，就发送预警信息，这样做很容易产生“狼来了”的负面影响，对人们生产、生活造成不必要的干扰。

滑坡的普适性变形规律与过程预警

既然阈值预警方法存在不少问题，那么有没有更好的滑坡预警方法？

既然滑坡本质上就是一个斜坡的变形破坏过程，若其存在普适性的变形破坏规律，就可实施更为科学的预警。

那么，不同类型、条件和成因的滑坡，到底有没有普适性的变形特征和规律？   

事实上，早在上世纪六十年代，日本学者斋藤（Saito）就通过岩土体蠕变试验发现岩土体具有“三阶段”变形规律，即滑坡从出现变形到最终滑坡发生一般会经历初始变形、等速变形、加速变形三个阶段。地灾国重实验室相关团队通过系统收集、整理国内外具有较完整监测数据的滑坡实例，以及大量的物理和数值模拟实验，发现滑坡尤其是重力型滑坡的位移—时间曲线确实都符合斋藤的“三阶段”变形规律。

“三阶段”变形是滑坡的普适性变形规律，滑坡发生前一定会经历加速变形阶段，加速变形是滑坡发生的前提和最显著的特征，可作为滑坡预警的重要依据。

▲斋藤提出的三阶段滑坡位移-时间曲线
日本学者福囿（Fukuzono）在斋藤的基础上通过大量模型试验发现：在滑坡的加速变形阶段其加速度与速度之间满足幂率关系，并据此提出了滑坡时间预报的速度倒数法。

在上世纪八十年代，沃依特(Voight)指出，福囿的幂率公式不仅适用于岩土体，也适用于金属、合金、冰、混凝土、聚合物等具有速率效应的材料，并认为幂率关系是在恒定应力和温度条件下控制材料变形破坏的普适性物理规律，不仅适用于滑坡，也适用于火山、雪崩、地震等的预测预报。

▲实验室相关团队监测获取的滑坡位移-时间曲线（仅显示加速变形阶段）

既然加速变形阶段是滑坡最为重要和最后的阶段，我们将滑坡加速变形阶段进一步细分为初加速、中加速、临滑三个亚阶段，并分别与滑坡的黄色、橙色、红色预警级别相对应。显然，在滑坡位移-时间曲线中，不同变形阶段的主要差别就是曲线的斜率，斜率最直观的表达便是切线角。理论上讲，在等速变形阶段，滑坡位移-时间曲线的切线角应为45゜，在滑坡发生前切线角应接近于90゜。

统计分析结果表明，可用切线角45-80゜，80-85゜,85-90゜分别作为黄色、橙色、红色预警的区间。再结合地表裂缝分期配套特性、速度增量、加速度等指标，构建了基于滑坡变形过程的四级综合预警体系，并由此将滑坡预警从传统的“阈值预警”升级为“过程预警”。

▲基于滑坡变形规律的四级综合预警—过程预警

水动力型滑坡如何监测预警

从理论上讲，斋藤“三阶段”变形规律以及滑坡加速变形阶段的“幂率关系”，仅仅适用于恒定温度和压力条件下的岩土体材料，即仅适宜于重力型滑坡。若滑坡在变形演化过程中遭受强降雨、库水位变动等外界因素干扰，其位移-时间曲线虽然总体趋势上仍会遵循和满足上述变形规律，但会出现一些波动甚至较明显的改变。
若遭受的是强度不大的周期性扰动，其位移-时间曲线总体上仍符合“三阶段”变形规律，可通过平滑滤波等数据处理措施消除外界扰动，仍可用“过程预警”思路和方法开展滑坡的预警。
但若滑坡在形成过程中，突然遭受非常强烈的扰动，如地震、强降雨或剧烈的人类工程活动等，可能会使本不应该发生的滑坡提前发生，表现出明显的突发性，此类滑坡提前预警的难度较大。
滑坡的形成演化与自然界其他生命体类似，也具有从生到死的“成长”过程，从其开始出现变形的那一刻起到最终滑坡发生，若未遭受较强外界因素的影响，将经历初始变形-等速变形-加速变形三个正常变形阶段，就像人生需经历幼年-青年-壮年-老年等阶段一样，并形成平顺、光滑、标准的斋藤“三阶段”曲线。
但若滑坡形成过程中遭受各种外界扰动，就像人生遭遇各种坎坷和挫折那样，将形成阶梯状或波状起伏的位移-时间曲线。而滑坡遭受超强扰动的情况，恰似人生在成长过程中突遭意外（如车祸）或染上重大疾病（如新冠肺炎），可能使其生命提前终结，形成突发性滑坡。
▲正常情况和遭受外界扰动的滑坡位移-时间曲线
滑坡演化过程犹如人生，想明白这些道理，对滑坡预警将大有裨益。 既然滑坡的形成和演化也需经历与人生类似的“过程”，我们就不能仅仅将外界扰动因素作为预警的依据，而更应重视滑坡的内在演化规律和过程，只有将内在演化规律与外在诱发因素有机结合，才能实现水动力型滑坡科学准确地预警。

地质灾害实时监测预警系统

“地质灾害实时监测预警系统”以3D WebGIS技术为基础，基于大数据、云计算，构建的地质灾害实时监测预警云平台，不仅实现了对地质灾害相关资料和数据（如地图资源、空间数据、三维模型、区域地质背景资料、勘察资料、监测数据等）的全面全过程管理，而且实现了现场监测数据的自动采集、远程无线传输、数据实时自动分析处理、预警级别自动划分和预警信息自动发送等功能。▲3D WebGIS三维数字地球
▲基于变形过程的预警模型（2019年2月17日贵州兴义滑坡预警图）

“锁定恶龙” 预警预报立大功

2021年1月27日21时00分甘肃省永靖县盐锅峡镇党川村黑方台党川编号为5号的滑坡隐患发生失稳破坏滑坡总体积约30，000m³
由实验室自主研发的智能化裂缝计对滑坡变形和失稳破坏过程进行了全程的跟踪监测，“地质灾害实时监测预警系统”提前14天向当地政府发送橙色预警信息，提前近6小时发出滑坡红色预警信息，致使此滑坡未造成任何人员伤亡。

地质灾害实时监测预警系统自2017年正式上线运行以来，已有卓越的表现：

2017年5月13日，提前39分钟预警甘肃省黑方台陈家6号滑坡；

2017年10月1日，提前8小时预警甘肃省黑方台党川5#滑坡群，引起国内媒体的广泛关注；

2018年11月，直接用于金沙江白格滑坡-堰塞湖现场应急处置，先后3次提前半小时成功预警滑坡源区的局部垮塌，经受住实战考验与检验；

2019年2月17日，成功预警贵州省兴义大型顺层岩质滑坡，引起国内外学术界和媒体的广泛关注；

2019年3月4日，成功预警甘肃省黑方台陈家6号滑坡；

2019年3月26日，成功预警甘肃省黑方台党川6号滑坡；

2019年4月19日，成功预警甘肃省黑方台党川4号滑坡；

2019年10月5日，成功预警甘肃省黑方台党川7号滑坡；

2021年1月27日，成功预警甘肃省黑方台党川5号滑坡。

▲滑动阅读成功预警记录▲地质灾害实时监测预警系统已先后七次成功预警甘肃黑方台滑坡
目前,“地质灾害实时监测预警系统”已全面部署到贵州、四川、山西等省市，对上万个专业监测点进行实时监控和自动预警，逐步实现了地质灾害监测预警的常态化、业务化运行。2020年汛期，贵州和四川利用该系统成功预警地质灾害60余起，保障了数万人的生命财产安全。
▲实验室与贵州省自然资源厅及相关单位来拟合发布的贵州省地质灾害实时监测预警系统
▲实验室与四川省自然资源厅、四川省国土空间生态修复与地质灾害防治研究院联合研发四川省地质灾害专业监测预警平台
▲实验室与山西省自然资源厅、山西省地质环境监测和生态修复中心联合研发的山西省地质灾害实时监测预警系统

阿重说

本期内容为滑坡灾害的早期识别请继续关注阿重，一起解锁更多硬核科谱内容哦~ 


【参考文献】[1]  许强.对滑坡监测预警相关问题的认识与思考[J].工程地质学报,2020,28(02):360-374.[2]  许强,汤明高,徐开祥,黄学斌.滑坡时空演化规律及预警预报研究[J].岩石力学与工程学报,2008(06):1104-1112.[3]  许强,董秀军,李为乐.基于天-空-地一体化的重大地质灾害隐患早期识别与监测预警[J].武汉大学学报(信息科学版),2019,44(07):957-966.[4]  许强,郑光,李为乐,何朝阳,董秀军,郭晨,冯文凯.2018年10月和11月金沙江白格两次滑坡-堰塞堵江事件分析研究[J].工程地质学报,2018,26(06):1534-1551.[5]  许强,曾裕平,钱江澎,王承俊,何成江.一种改进的切线角及对应的滑坡预警判据[J].地质报,2009,28(04):501-505.[6]  新华每日电讯. 2020. “空天地”锁“恶龙”，我国地质灾害预警能力实现突破专业指导丨许 强  何朝阳文丨许 强  韩紫萱编辑丨鎏 金 刘琪校审| 刘 琪 李曼
责任编辑丨范宣梅 赵建军 林汐璐