基于GIS的滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)研究

李小根，王安明

(華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450011)

基于GIS的滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)研究

李小根，王安明

(華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450011)

應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System，GIS)技術(shù)在對某滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，應(yīng)用剛體極限平衡分析法(SARMA)及有限元法(FEM)對該滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究；采用灰色系統(tǒng)理論方法對滑坡的發(fā)生趨勢進(jìn)行了預(yù)測，開發(fā)研制了基于GIS的滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)測系統(tǒng).系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明：該滑坡的穩(wěn)定性較好，水對該滑坡體穩(wěn)定性影響較大；開發(fā)完成的滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)實現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害有關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和預(yù)測；構(gòu)建完成的滑坡地質(zhì)災(zāi)害三維模型能夠準(zhǔn)確地反映災(zāi)害發(fā)生地的地質(zhì)地貌情況；該系統(tǒng)為實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(WebGIS)進(jìn)行資源共享打下了堅實的基礎(chǔ).

地理信息系統(tǒng)；滑坡；剛體極限平衡分析法；有限單元法；網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)

0 引言

在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)過程中，人類活動的一些工程建設(shè)經(jīng)常引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，其中滑坡和泥石流造成的危害最大.當(dāng)前國際滑坡災(zāi)害研究正由災(zāi)害的災(zāi)后評估向災(zāi)前的預(yù)測方向逐步發(fā)展[1]，其中基于GIS平臺，將遙感數(shù)據(jù)和地質(zhì)數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行災(zāi)前預(yù)測、災(zāi)中和災(zāi)后評估，是一種有效的方法[1-2].許多學(xué)者[3-6]對這種評價模式進(jìn)行了多種途徑的嘗試，取得了較好的研究效果.但這些研究并沒有建立適應(yīng)性廣的研究模型[7-8].張桂榮等[9-10]的研究工作將這種方法向前又推進(jìn)了一步，研究中將氣象資料進(jìn)行實時更新，將當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和人工活動緊密結(jié)合在一起，準(zhǔn)確反映了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生實際情況.

筆者以某滑坡[11]為研究對象，將滑坡預(yù)警預(yù)測和實時的地質(zhì)資料相結(jié)合，在對滑坡進(jìn)行監(jiān)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程地質(zhì)力學(xué)原理和灰色系統(tǒng)理論對滑坡的發(fā)展趨勢進(jìn)行了深層次的研究，開發(fā)研制了基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了滑坡地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)測功能.

1 工程地質(zhì)概況

本課題中所涉及到的滑坡位于河南省洛三(洛陽—三門峽)高速公路K105+75～K106+410段南側(cè)，由3個滑坡組成的滑坡群，這些滑坡中以K105+780～K106+060段Ⅰ號滑坡規(guī)模最大，如圖1所示，該滑坡體在平面上呈馬蹄形，南北長230 m，東西寬280 m，滑動軸方向為NE5°，滑體最大厚度32 m，平均厚17.20 m，滑坡體積達(dá)100多萬m3，屬深層、巨型滑坡.高速公路以深挖(最深達(dá)14 m)路塹形式通過該滑坡體，路基坐落在滑坡體上，古滑坡活動和新近填土變形對已建的洛三高速公路構(gòu)成嚴(yán)重威脅.

圖1 該滑坡坡度分析圖Fig.1 Sketch map of the landslide

該段南岸上黃土連續(xù)分布，夾5～6層鈣核層和古土壤層，厚約70 m，其下為含漂石的砂卵石層，多成陡崖，厚度8～10 m，接著為紅色黏土卵石層，多形成陡坡，厚度10～30 m.河谷切割深度達(dá)140 m，原地形坡度很陡，局部直立，平均地形坡度35°～40°，陡坡下為較為寬闊的河谷，這些都為滑坡提供了有利條件和場所.

2 滑坡監(jiān)測

長期以來，對滑坡進(jìn)行預(yù)警是一大難題，而監(jiān)測又是預(yù)警的重要物理前提[12]，本課題組從2002年7月開始在山體滑動危險區(qū)內(nèi)布設(shè)監(jiān)測標(biāo)志，對滑坡體內(nèi)部變形進(jìn)行監(jiān)測，用以掌握山體滑動的變形動態(tài)，具體監(jiān)測方案及數(shù)據(jù)成果分析請參見文獻(xiàn)[11].從監(jiān)測成果來看該滑坡總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，地表監(jiān)測點(diǎn)最大累計位移近50 mm，位于滑坡的上部，其總體位移方向為東南向，具左旋性質(zhì)，滑坡下部的巖土體基本沒有變形，滑坡深部未發(fā)生較大的變形.

3 該滑坡穩(wěn)定數(shù)值模擬分析

當(dāng)前滑坡穩(wěn)定性分析的數(shù)學(xué)模型方法可分為兩類[13-15]，一類是基于極限平衡理論的剛體極限平衡法，另一類是數(shù)值分析方法.在本課題研究中采用剛體極限平衡的SARMA法和有限元法.在滑坡的典型位置選取4個計算剖面分別進(jìn)行滑坡體飽水狀態(tài)和無水狀態(tài)兩種工況下的穩(wěn)定計算，下文以位于滑坡體后部的K106+025剖面為例進(jìn)行說明.

3.1 剛體極限平衡SARMA法分析

SARMA法可比較全面客觀反映各種控制滑坡穩(wěn)定性因素的作用.為提高計算精度，當(dāng)滑坡形狀非平滑部分剖分塊體分的比較小而平滑部分剖分的塊體比較大.K106+025剖面高44 m，長約150 m，路面距滑面后緣的高度約為16 m，計算中顯示在坡體無水時整體安全系數(shù)為1.97，飽水時為1.19.從4個剖面的分析來看，在無水的情況下，滑坡的安全系數(shù)介于1.74～2.14之間，在飽水狀態(tài)時，滑坡的安全系數(shù)介于1.10～1.20之間，可見在無水時滑坡處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)，水的作用對滑坡的穩(wěn)定影響很大.

3.2 滑坡穩(wěn)定的有限元(FEM)分析

本次計算采用ANSYS6.0版本，采用結(jié)構(gòu)靜力中的非線性分析，選用平面四節(jié)點(diǎn)單元和Drucker-Prager本構(gòu)模型.K106+025剖面計算時選取計算剖面為滑坡面積3倍多，共劃分1 311個單元和1 344個節(jié)點(diǎn)，在滑面、坡頂和坡腳處網(wǎng)格進(jìn)行了加密，在計算剖面的底部和后部邊界施加水平方向和豎直方向約束, 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見表1，表中括號內(nèi)為坡體無水時的參數(shù).

對K106+025剖面和其它三個剖面應(yīng)力分析計算結(jié)果表明：滑坡體在無水和飽水兩種工況下的應(yīng)力大都表現(xiàn)為壓應(yīng)力，方向沿著滑坡向下，壓應(yīng)力的值并不大，拉應(yīng)力出現(xiàn)的部位很少，一般出現(xiàn)在計算剖面的后緣頂部，有時在滑坡面上也出現(xiàn)拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力的值很小.

一般來說，在滑坡面、計算坡面的后緣頂部、路基滑坡的上部、填土和原狀土結(jié)合部位容易造成拉應(yīng)力，在滑坡穩(wěn)定性分析中，這些是應(yīng)該重點(diǎn)考慮的部位；而從位移計算來看，兩種工況下滑坡位移主要發(fā)生在滑坡體內(nèi)，該部位的位移明顯大于別的部位，方向豎直向下或者沿著滑坡方向向下，位移值并不是很大，大部分在5～12 cm之間變化.

4 滑坡變形灰色系統(tǒng)預(yù)報

灰色系統(tǒng)理論是鄧聚龍教授在80年代提出的.目前，該理論已在經(jīng)濟(jì)、工農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、軍事等各個領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用，在工程地質(zhì)中，多用于預(yù)測地質(zhì)體的變形(如滑坡變形預(yù)測、洞室圍巖變形預(yù)測等).筆者采用灰色系統(tǒng)理論對該滑坡現(xiàn)場變形趨勢進(jìn)行了預(yù)測.

常用的灰色系統(tǒng)模型為GM(1，1)模型.首先將原始觀測數(shù)據(jù)x(0)作一次累加生成得到x(1).

表1 K106+025剖面兩種工況下巖土體物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 physical and mechanical parameter under two conditions in the K106+025 section

注：括號內(nèi)為坡體無水時的參數(shù).

(1)

式中:n為數(shù)據(jù)個數(shù).

相應(yīng)的白化微分方程為

(2)

式中:a，b為待定常數(shù)，可由最小二乘法求得.在求得x(1)后，經(jīng)累減還原后而得到預(yù)測值為

(3)

(4)

令S1為原始數(shù)據(jù)的均方差，S2為殘差的均方差，則

(5)

后驗差比值：

C=S2/S1.

(6)

小誤差概率：

(7)

根據(jù)經(jīng)驗，一般要對精度劃分等級[12]，若P,C都在允許范圍之內(nèi)，則可計算預(yù)測值，否則，需進(jìn)行殘差修正，以保證預(yù)測的可靠性，這時需要建立殘差序列模型.

5 滑坡預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)開發(fā)

5.1 開發(fā)運(yùn)行環(huán)境

CPU：Pentium 500 MHz以上、內(nèi)存：512 MB以上、顯卡：標(biāo)準(zhǔn)VGA，24 位真彩色、ArcGIS Engine 9.3 Runtime、NET FrameWork3.5環(huán)境等平臺.

5.2 技術(shù)路線

技術(shù)路線如圖2所示.

采用理論分析、實驗區(qū)研究與突出重點(diǎn)相結(jié)合的研究方案.重點(diǎn)有：①面向?qū)嶋H的滑坡預(yù)演過程； ②面向?qū)嶋H的災(zāi)害指揮；③在建立地質(zhì)災(zāi)害虛擬現(xiàn)實仿真平臺時，著重于地質(zhì)災(zāi)害模型與虛擬現(xiàn)實模型的耦合，實現(xiàn)傳統(tǒng)方法與遙感(RS)、數(shù)字高程模型(DEM)、地理信息系統(tǒng)(GIS)的有機(jī)結(jié)合.

滑坡地質(zhì)災(zāi)害三維模型的構(gòu)建采用分層次的模式.對研究區(qū)域的山體，采用CAD數(shù)據(jù)和校正測

圖2 滑坡預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)技術(shù)路線Fig.2 The early warning technology route of the landslide

量點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建精度為0.5 m的幾何模型，并附加土壤類型等基本特征，紋理采用遙感衛(wèi)星圖像，并在0.5 m精度模型基礎(chǔ)上構(gòu)建精度分別為1,10,100 m共計4種層次精度的模型；對于非核心研究區(qū)域，基于高精度DEM構(gòu)建精度分別為100 m和1 000 m 2種精度的幾何模型，模型附加土壤特征和用地類型信息，紋理采用衛(wèi)星遙測圖像.

基于遙感影像提取土壤特征和用地類型信息，以多個時期的Landsat-7 ETM+ 圖像為基本資料，綜合人機(jī)交互式非監(jiān)督分類法、最大似然法和譜間關(guān)系閾值法，挖掘譜間結(jié)構(gòu)，利用各地物相分離和時間演變的規(guī)律來提取所需信息.

利用GIS技術(shù)，集成DEM，三維立體動態(tài)顯示滑坡預(yù)演，為實際的災(zāi)害指揮提供依據(jù).

基于地質(zhì)災(zāi)害虛擬現(xiàn)實仿真平臺，對災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后進(jìn)行有效的評估，進(jìn)而對滑坡給高速公路的安全造成的危害進(jìn)行預(yù)警、預(yù)測，通過比較后，決策者可以做出正確的選擇，制定最好的防治策略，從而避免重大災(zāi)害的發(fā)生或最大程度上減輕災(zāi)害所造成的損害.

以ArcGIS為開發(fā)平臺，基于Microsoft SQL Server 2003關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，采用C#開發(fā)語言，研制地質(zhì)災(zāi)害虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，通過實驗區(qū)的驗證，檢驗系統(tǒng)的可行性，并與傳統(tǒng)方法比較，檢驗其精度.

5.3 系統(tǒng)功能模塊

5.3.1 主控模塊

主要完成系統(tǒng)的功能轉(zhuǎn)化任務(wù)，可從主控模塊切換至各種監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)錄入、查詢、繪圖及預(yù)測子模塊，也可從各子模塊返回.

5.3.2 工程管理模塊

主要完成新監(jiān)測項目的創(chuàng)建與維護(hù)，可將該軟件用于其它滑坡監(jiān)測項目.

5.3.3 數(shù)據(jù)錄入模塊

此模塊提供了快捷的數(shù)據(jù)輸入和計算功能，只需將原始監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，軟件會自動將監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可用于工程實踐的位移數(shù)據(jù).

5.3.4 數(shù)據(jù)查詢模塊

查詢模塊完成各種監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)的查詢，可按照鉆孔編號、鉆孔深度、測量時間、方向等控制因素完成對數(shù)據(jù)庫的快速及綜合查詢.

5.3.5 繪圖模塊

繪圖模塊完成對查詢數(shù)據(jù)的繪圖操作，可完成各種監(jiān)測統(tǒng)計曲線，例如對鉆孔測斜儀可生成深度—累計位移曲線、深度—時間曲線，對地表監(jiān)測數(shù)據(jù)可完成時間—累計位移曲線等，并可根據(jù)需要生成年統(tǒng)計曲線、月統(tǒng)計曲線、日統(tǒng)計曲線；另外生成的圖形可存為矢量圖或點(diǎn)陣圖格式，插入文檔進(jìn)行編輯.

5.3.6 預(yù)警預(yù)測模塊

預(yù)警預(yù)測模塊完成對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)測功能，并對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行誤差校驗.

5.3.7 地質(zhì)災(zāi)害模擬模塊

三維預(yù)演滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的過程及發(fā)生的趨勢.

5.3.8 系統(tǒng)維護(hù)模塊

系統(tǒng)維護(hù)模塊完成對數(shù)據(jù)庫的壓縮和修復(fù)，以及錄入地質(zhì)巡視信息.

6 構(gòu)建山體三維模型

在ArcScene環(huán)境下導(dǎo)入山體數(shù)字高程模型(DEM)；應(yīng)用DEM本身的高程完成山體高度的拉伸并進(jìn)行不同山體高度的色彩編輯；完成構(gòu)建山體發(fā)生滑坡時的三維模型如圖3所示.

圖3 該滑坡三維模型Fig.3 the 3D model of the landslide

7 結(jié)論

①該滑坡總體上處于穩(wěn)定狀態(tài)，水對該滑坡體的穩(wěn)定影響很大；②開發(fā)完成的滑坡預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的錄入、計算、查詢、分析、管理等功能，可實現(xiàn)滑坡預(yù)警的可視化，對于實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(WebGIS)的資源共享打下了堅實的基礎(chǔ)；③該系統(tǒng)可以三維可視化預(yù)演多種預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害調(diào)度預(yù)案執(zhí)行的效果，并智能對比評價各個預(yù)案在災(zāi)后評估中的應(yīng)用，對防災(zāi)策略的制定提供決策支持.

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The Research of the Early Warning System About the Geological Disasters Based on GIS

LI Xiao-gen, WANG An-ming

(School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China)

The GIS technique is used to investigate the statistics of landslide geological disasters, and the grid limit equilibrium method and finite element method (FEM) are used to analyze stability of the landslide, and the gray system theory method is used to forecast deformation trend of the landslide， and the early warning system about landslide geological disasters is completed. System operation results show that: the stability of the landslide is good, the influence of water on the stability of the landslide is bigger; the early warning system about landslide geological disasters which is developed realizes unified management and forecast of the related data of geological disasters; the constructed 3D model of landslide geological disasters can accurately reflect the geological and topographical feature situation of where the disaster happened; the system has laid a solid foundation to realize sharing of the WebGIS of geological disasters resources.

geographical information system; landslide; rigid body limit equilibrium method; finite element method (FEM); WebGIS

2014-08-02；

2014-11-08

國家自然科學(xué)基金資助項目(514004049)；華北水利水電大學(xué)高層次人才科研啟動基金資助項目(001319)

李小根(1973-)，男，河南焦作人，華北水利水電大學(xué)副教授，博士，主要研究方向為災(zāi)害信息技術(shù)，水利信息技術(shù),E-mail：lixiaogen@ncwu.edu.cn.

1671-6833(2015)01-0114-05

TP391

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.027