一种降雨型土质滑坡一体化监测方法及预警系统与流程

本发明属于自然灾害防治，尤其涉及一种降雨型土质滑坡一体化监测方法及预警系统。

背景技术：

1、降雨诱发的土质滑坡是世界上许多山区的自然现象，其厚度最大可达50m、体积最大可达1.0×1010m3，威胁着当地人民的生命财产安全。受厄尔尼诺现象及气候异常的影响，由天气引起的土质浮雕坡预计发生的频率和强度会持续增加。在受到气候变化和不断城市化影响的地区必须高度重视未来所面临的滑坡风险。

2、目前，土质滑坡的触发机制通常由降雨入渗引起，它会造成孔隙水压力增大，土体抗剪强度减小，以及减少部分饱和土体中的基质吸力。这一触发过程几乎没有明显的警告信号。虽然在降雨之后的初始滑动阶段，在到了加速度阶段，滑坡体可能会带动和吸收周围的土体，使其滑体体积显著增加；若滑坡发生在陡峭的河谷中，滑坡可能会演变为滑坡碎屑流或泥石流，形成一种以极高速度为特征的破坏性现象。因此，降雨诱发滑坡对世界上许多地方的居民、村庄、建筑物和基础设施构成了广泛的风险。

3、建设滑坡监测预警系统的目的是通过提前通知可能受威胁的当地居民、社区和政府部门，使他们能够在充分的时间内采取适当的行动，从而减少生命损失。在最近的许多国际倡议(如2015-2030年仙台减少灾害风险框架、联合国2030年可持续发展议程、欧洲气候适应平台)中，滑坡监测预警系统已被公认为减少滑坡风险和社区恢复力的重要工具。滑坡监测预警系统可以在两种不同的运行尺度上进行设计和管理：单点滑坡设计系统主要针对斜坡尺度上的单一滑坡开展监测预警；区域性滑坡监测预警系统主要针对可能在广域区域尺度上发生的多点滑坡。区域性用于向政府部门、群防群测人员和区域内地质灾害风险区的居民提供广义警报。如我国，截止2023年12月，自然资源部已经建成融合2万多个地质灾害隐患点的普适型地质灾害监测预警系统，这个系统已经包括全国17个省的地质灾害易发区。各相关省份也建设有各生活上的地质灾害管理系统。通常，这些系统通过监测和预测气象参数来解决天气引起的山体滑坡问题。

4、单独的降雨监测未考虑控制触发过程启动的关键土体性质。在这些条件下，山体滑坡可能会因各种天气事件而引发。因此，尽管将岩土监测(如孔隙水压力、土壤含水率、地面变形)融合到天气引起的滑坡预警模型中可能非常具有挑战性，但它可以提供额外的信息，以确定降雨事件实际引发破坏的可能性。针对这一问题，等人(2015)提出将滑坡前兆的局部雨量与流域尺度的模型预测相结合；junqi liu(2017)和sultan kocaman等人(2020)提出，融合(gps)监测数据、倾斜仪数据、水库水位、降雨量、含水量、裂缝宽度、地下水位和温度等数据可能在更广泛的预警区内提供当地滑坡的富有成效的预警。然而，目前还没有一种标准化的方法，可以将当地收集的岩土工程观测资料整合到天气引起的滑坡的区域预警模型中。

5、由此可见，目前的降雨型土质滑坡监测预警中，存在无统一的标准和方法，导致假报、误报、漏报现象，本发明探索构建降雨量(外因)+孔隙水压力(内因)相结合的预测方法和设备，来提高降雨诱发滑坡的区域预警模型的预测精度。

6、基于上述原因，提出一种降雨型土质滑坡一体化监测方法及预警系统。

技术实现思路

1、本发明提供一种降雨型土质滑坡一体化监测方法及预警系统，用于解决目前滑坡监测预警执行多参数和单参数预测导致假报、错报、漏报的问题，构建降雨型土质滑坡的区域监测预警的标准化方法和预测系统。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供一个充分考虑外因(降雨量)+内因(孔隙水压力)的预警方法，包括如下步骤：

4、步骤1：将研究区划分为划分多个区块，确定代表性降雨型滑坡区域；收集该区域登记在册滑坡的历史数据，及区域预警模型中使用的广泛气象监测数据，以及各种地灾项目安装的钻孔中检测到的孔隙水压力数据；

5、通过crozier公式区域内的降雨量和孔隙水压力进行计算，提出区域内与滑坡相关的有效降雨量和有效孔隙水压力；

6、通过最小二乘法对广泛的监测数据和局部观测的参数进行拟合，对所述有效降雨量和有效孔隙水压力进行最佳函数匹配；

7、进一步的，利用pearson相关性公式对监测数据进行进一步优化，建立降雨量与孔隙水压力的相关性公式。

8、步骤2：构建一种通过分析降雨量、孔隙水压力的变化趋势来综合评估区域滑坡预警的增强模型；计算第i天和第i-n天的孔隙水压力算术平均数及其差值；对所述计算得出的降雨或孔隙水压力数据及差值进行标准化和归一化处理，计算分析三个测量数据集的最大值，提出降雨量、孔隙水压力的分级分类预警阈值矩阵；

9、步骤3：通过区域内已有的典型滑坡降雨、孔隙水压力等监测数据，利用所述降雨、孔隙水压力的阈值校准和验证滑坡预警的准确性；调整完善区域内的降雨型土质滑坡分级分类预测阈值矩阵。

10、步骤4：研发并安装考虑降雨、孔隙水压力的一体监测预警系统，植入所述监测预警模型及判定矩阵，根据降雨量、孔隙水压力、地表位移等参数进行实时监测，绘制实时监测曲线，计算并划定预警分级分类，发布内部预警信息。

11、第二方面，本发明一种降雨型土质滑坡一体化监测方法及预警系统，其特征在于，所述的滑坡历史数据采集，是基于大数据挖掘和地质灾害监测系统及气象部门的降雨量、孔隙水压力等监测数据；降雨监测数据来源至少包括降雨量、孔隙水压力两个信息，当一个信息数据缺失时，自动切换到另一个信息数据进行分析；数据采集的水分场监测数据为每天至少采集一次，校准后的时间误差小于1s。

12、第三方面，本发明提供一种有效水分监测参数的计算方法，所述有效降雨量和有效孔隙水压力，是指诱发滑坡的真实的降雨量和孔隙水压力，利用下述crozier公式对实际监测数据计算获得。

13、

14、其中：rc为前期有效降雨量或孔隙水压力，单位mm/kpa；r1为当日降雨量或当前孔隙水压力，单位mm/kpa；ri为滑坡前i天的降雨量或孔隙水压力，单位mm/kpa；i为降雨天数或孔隙水压力监测天数；α为衰减系数。

15、第四方面，本发明提出了一种降雨量、孔隙水压力的计算方法，其特征在于，所述的有效降雨量和有效孔隙水压力监测预警数据的计算之前通过最小化二乘法寻找数据的最佳函数匹配，并利用pearson相关性系数进入滑坡降雨量、孔隙水压力数据相关性分析，来消除实际监测数据的异常点。数据拟合及相关性计算过程为：假设第i天降雨量、孔隙水压力监测数据为xi，监测数据为一组不相关的函数则可以对监测数据进行拟合：

16、

17、其中：是第k天滑坡的降雨量或孔隙水压力的监测数组，αk是待定系数(k＝1,2,…,m,m<n)，拟合准则是使监测数据yi(i＝1,2,…,n)与拟合数据f(xi)的距离平方和δi最小，这样使监测曲线标准化。将拟合之后的降雨量或孔隙水压力数据与变形监测数据进行pearson相关性分析，用以来两者的相关性。具体计算过程如下：假设滑坡的第i时间的累计降雨量监测数据为xi，而第i时间滑坡孔隙水压力的监测数据为yi，为分析各监测数据的相关性，通过pearson相关性公式进行计算。

18、

19、

20、其中，x为孔隙水压力监测数据数组x＝[x1,x2,x3,…,xn]，y为累计降雨量数组y＝[y1,y2,y3,…yn]，e(x)、e(x)为数组x、y的期望值，n为监测数据量，cov(x,y)为水分-变形监测数据协方差，ρx,y为监测数据归一化的皮尔逊相关系数。

21、第五方面，本发明提供一个增强的监测预警模型，其特征在于，构建一个区域滑坡预警的降雨量或孔隙水压力增强模型来识别潜在的滑坡趋势，通过传感器记录一天的降雨量或孔隙水压力，然后计算n天平均降雨量或孔隙水压力ui值，如下所示：

22、

23、其中：pk为第k天的降雨量或孔隙水压力。

24、进一步的，根据利用自动监测的时间序列数据，定义两个不同时间段的降雨量或孔隙水压力变化为δui，

25、δui＝ui-ui-n

26、

27、其中，δui为监测数据平均移动值的差值，考虑时间长度等于n天，即第i-n天到第n天的降雨量或孔隙水压力差值。为平均移动值的归一化。

28、进一步的，所述增强预测模型是基于使用上述三个指标的计算程序，它包括三个步骤。第一步是根据上述三个公式获得计算结果分别做出三条监测曲线(l1、l2、l3)；第二步是对比分析三条曲线的斜率，当第i天和第i-n天的算数平均线(l1线)如果斜率显示有明显的上升或下降趋势，则选择l1线作为预警的标准；当l1线的斜率较缓时，则选择简单移动的差值线(l2线)，并与该监测指标预定义的预警阈值进行比较；若再不满足，选择降雨量或孔隙水压力的归一化之后的简单移动平均差的平均值线(l3线)。第三步，对比分析以上三条曲线的预警级别，最终输出预警结果是不利的预警级别(图2及图3)。

29、所述分级分类预警阈值矩阵为降雨量或孔隙水压力的双阈值模型矩阵，用于区域降雨型土质滑坡监测预警的依据(见图4)

30、第六方面，本发明提供一个由降雨量和孔隙水压力耦合的监测预测校准方法和标准，其特征在于，所述的降雨、孔隙水压力的阈值校准和验证，分别用正确警报(a)、假警报(b)、遗漏警报(c)和真阴性(d)四个标准进行校正和验证；

31、进一步的，所述正确警报(a)为降雨量、孔隙水压力最少一个参数发生了一次滑坡预报；假警报(b)、遗漏警报(c)为上述三个计算结果最高级别的预警没有一个发出准确的滑坡预报，或发生了滑坡没有发出警报，或发出警报却没有发生滑坡；真阴性(d)表示没有滑坡发生，同时没有发生滑坡预警(图5)。

32、所述滑坡预警发布矩阵的组成部分分配一个颜色代码。所述颜色代码用五个颜色编码来代表，深绿色代表安全级，浅绿色代表注意级，橙色代表警示级，黄色代表警戒级，红色代表警报级(图6)。第七方面，本发明提出降雨型土质滑坡一体化监测方法及预警系统，其特征在于，研发的一体监测预警系统是基于soa架构1设计，采用物联网技术，监测预警站主机2连通压电式雨量3、孔隙水压力传感器4，融合无线通信5、数据库6及计算机网络协同7下使用，适用于互联网环境下运行、无线网络8(gprs/4g/卫星)环境下运行和无网络环境下单机独立运行。

33、第八方面，本发明提供一种由降雨量和孔隙水压力耦合的定量分级预测标准，其特征在于，所述的滑坡降雨量或孔隙水压力的双阈值模型矩阵险情预报等级的表达式为：

34、

35、其中，分别为降雨量、孔隙水压力监测数据的时间变化曲线的融合斜率，m(xi)、n(yi)分别为1d累计降雨量、1d孔隙水压力监测数据的斜率，t为1d监测时间。