CN111126793A - 一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法，以超低频电磁波发射台发射的超低频电磁场作为激发源，探测滑坡监测区的大地电磁响应，通过对所获得的地球物理电磁法数据进行分析处理，精细分辨滑坡面的几何结构，标定滑坡监测区地下介质电阻率与水饱和度的函数关系，并利用模糊函数中的隶属函数模型，给出了分辨滑坡灾害风险性大小的量化指标，为滑坡的监测提供了一种新的技术手段。

Description

一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法

技术领域

本发明涉及地球物理电磁探测技术领域，具体涉及一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法。

背景技术

近几十年来，地球物理技术在地质灾害的监测、预报与防治工作中发挥着巨 大的作用，我国采用地球物理方法配合其它方法进行了地质灾害勘查，均取得了 较好的效果。

地质灾害的地球物理勘查，从原理上讲是利用地下介质的不同物性参数性(密度、磁化率、电阻率、自然电位、弹性、介电常数、放射性和地温等)的差异进行探测， 探测的可靠性主要取决于目标与周围环境物理特性的对比度、目标的埋深及盖层的特 性等。与钻探等方法比较，具有功效高、成本低、装备轻便并且能够快速提供大面积 的综合资料等优点。

通常，滑坡的产生和发展与地下水活动及降雨、地表水下渗等关系极为密切。水对滑坡的重要作用表现为增加滑坡体的容重、降低滑坡体中滑动带的抗剪强度等。由 于水的作用，使滑坡体内的岩石物性均与未被破坏的岩石物性明显不同，例如导电性、 导磁性、介电性、电化学活动性、弛豫性、放射性、速度等物性参数存在着明显的差 异，出现了非各向同性现象。

基于滑坡体中物理性质的变化或差异，地球物理方法能在滑坡的探查中发挥重要作用。目前国内外对滑坡地质调查的传统地球物理方法主要有：电阻率法、自然电场 法、人工源电磁法、浅层地震法、地质雷达法等。利用地球物理方法可以研究产生滑 坡的地质和水文地质环境、大致圈定滑坡体的范围、确定滑动面的深度及查明地下水 的活动。

上面提到的传统地球物理方法各自从不同的地球物理参数反映出滑坡的物理性质，可以实现对滑坡体范围的圈定、滑坡面深度的确定。但是，传统的地球物理方法 都不能直接对滑坡的变化情况进行监测。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法，利用超低频电磁波发射台(WEM台)发射的超低频信号进行滑坡监测，不仅可 以圈定滑坡体范围，确定滑坡面的深度，还可以通过对监测数据的处理分析，推断滑 坡灾害的近期演化趋势，实现对滑坡发生风险的评估。本发明采用了如下技术方案：

一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法，包括如下步骤：

步骤一、滑坡体/面圈定

在选定的具有滑坡风险的场地上布设三维滑坡监测网，接收超低频电磁波发射台发射的超低频电磁波信号，获得超低频频段上的视电阻率曲线，对地下岩层电阻率的 分布进行重构，精细分辨滑坡体/面几何结构，圈定滑坡体/面范围，确定滑坡体/面深 度；

步骤二、滑坡参数标定

在旱季定期对滑坡体/面进行超低频电磁波信号数据观测，通过多次观测试验，获取滑坡体/面和局部的视电阻率正常变化范围；在降雨期间，对滑坡体/面进行长时间连 续的超低频电磁波信号数据观测，并结合采集的降雨量记录，标定出滑坡体/面视电阻 率变化Δρ与水饱和度S之间的函数关系Δρ-S；

步骤三、滑坡风险评估

采用模糊数学的方法，给出分辨滑坡灾害风险性大小的量化指标。

作为优选，步骤一中，超低频电磁波发射台能够发射频段为0.1-300Hz极低频/ 超低频电磁波信号。

作为优选，选定30-300Hz超低频频段作为探测频段。

作为优选，步骤二中，对于第l号测点上的第k个频点进行第i次观测，视电阻率 正常变化范围计算公式如下：

式中，

表示视电阻率平均值，ST表示标准差，N表示观测总次数。

作为优选，步骤二中，函数关系Δρ-S表示为水饱和度S的3次函数，对于第m号 测点上的第k个频点，Δρ计算式为：

Δρ_m，k＝α_m，k，0+α_m，k，1x+α_m，k，2x²+α_m，k，3x³

式中，x表示水饱和度的取值，α_m，k，0～α_m，k，3分别表示3次函数的系数。

作为优选，步骤3中，采用模糊数学中的“升半正态性分布”隶属函数，给出分 辨滑坡灾害风险性大小的量化指标，计算公式为：

式中，a表示视电阻率正常变化范围中的最大值，k表示水饱和度，x表示视电阻率。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法， 利用超低频电磁波发射台发射的大功率超低频信号，进行滑坡地质灾害的监测，通过监测数据，计算电阻率变化与降雨量(水饱和度)的关系，并利用模糊函数中的隶属 函数模型，给出了分辨滑坡灾害风险性大小的量化指标，为滑坡的监测提供了一种新 的技术手段。

附图说明

图1资料处理流程图；

图2数据标定流程图；

图3滑坡风险性评估流程图。

具体实施方式

本发明实施例提供的一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法，包括如下步骤：

步骤一、滑坡体/面圈定

在滑坡风险性评估方面，首要工作是要厘清滑坡面的几何结构、水饱和状态。参见图1，在选定的具有滑坡风险的场地上布设三维滑坡监测网，接收超低频电磁波发 射台发射的超低频电磁波信号，获得超低频频段上的视电阻率曲线和相位曲线，重建 (反演)滑坡试验区的电性(电阻率)结构，精细分辨滑坡体/面几何结构，圈定滑坡 体/面范围，确定滑坡体/面深度。

其中，超低频电磁波发射台为国家重大科学技术基础设施建设项目-极低频探地(WEM)工程的发射台，WEM台可以发射频率为0.1-300Hz极低频/超低频电磁信 号，信噪比高，信号稳定。电磁场的穿透深度与频率相关，频率越低，穿透深度越大。 由于滑坡面的深度一般为几米至几十米，巨厚层滑坡可以达到上百米，根据电磁波的 趋肤深度计算公式：

(其中为ρ电阻率，f为频率)，本发明中选定超低 频频段30～300Hz作为探测频段。

步骤二、滑坡参数标定

①视电阻率正常动态范围

在旱季每隔5-10天，对滑坡体/面进行超低频电磁波信号数据观测，通过多次观测试验，获取滑坡体/面和局部的视电阻率正常变化范围。例如对于第l号测点上的第k 个频点进行第i次观测，视电阻率正常变化范围计算公式如下：

式中，

表示视电阻率平均值，ST表示标准差，N表示观测总次数。

从统计结果，我们将获取试验区滑坡体/面和局部的视电阻率的正常(非降雨引起) 变化范围。

②标定Δρ-S函数关系

滑坡发生通常是因为大雨或暴雨期间快速增加的孔隙流动压力造成的，孔隙流动饱和度与降雨量成正比。要预测滑坡灾害，必须监测与孔隙流动饱和度相关的地下电 阻率的变化。在降雨期间，对滑坡体/面进行长时间连续的超低频电磁波信号数据观测， 并结合采集的降雨量记录，标定出滑坡体/面视电阻率变化Δρ与水饱和度S之间的函 数关系Δρ-S。具体实施上，将降雨期间函数关系Δρ-S表示为降雨量(水饱和度S) 的3次函数，对于第m号测点上的第k个频点，Δρ计算式为：

Δρ_m，k＝α_m，k，0+α_m，k，1x+α_m，k，2x²+α_m，k，3x³

式中，x表示水饱和度的取值，α_m，k，0～α_m，k，3分别表示3次函数的系数。

参见图2，因为属于频率测深，测量频率由高到低反映的是探测深度从浅到深的变化规律。雨水渗透到地下10m的大约不到1天的时间，渗透到地下40m的深度上， 则需要超过3天时间。雨水的缓慢渗透过程，为各观测频点上视电阻率的变化形成了 足够的时间差，对准确标定Δρ-S函数关系非常有利。

步骤三、滑坡风险评估

采用模糊数学的方法，给出分辨滑坡灾害风险性大小的量化指标。

具体实施中，参见图3，采用模糊数学中的“升半正态性分布”隶属函数，给出 分辨滑坡灾害风险性大小的量化指标，计算公式为：

式中，a表示视电阻率正常变化范围中的最大值，k表示水饱和度，x表示视电阻率。

本发明提供的一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法，以超低频电磁波发射台发射的超低频电磁场作为激发源，探测滑坡监测区的大地电磁响应，通过对所获得 的地球物理电磁法数据进行分析处理，精细分辨滑坡面的几何结构，标定滑坡监测区 地下介质电阻率与水饱和度的函数关系，给出评估滑坡灾害风险性的量化指标。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应 该涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范 围为准。

Claims (6)

1.一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、滑坡体/面圈定

在选定的具有滑坡风险的场地上布设三维滑坡监测网，接收超低频电磁波发射台发射的超低频电磁波信号，获得超低频频段上的视电阻率曲线，对地下岩层电阻率的分布进行重构，精细分辨滑坡体/面几何结构，圈定滑坡体/面范围，确定滑坡体/面深度；

步骤二、滑坡参数标定

在旱季定期对滑坡体/面进行超低频电磁波信号数据观测，通过多次观测试验，获取滑坡体/面和局部的视电阻率正常变化范围；在降雨期间，对滑坡体/面进行长时间连续的超低频电磁波信号数据观测，并结合采集的降雨量记录，标定出滑坡体/面视电阻率变化Δρ与水饱和度S之间的函数关系Δρ-S；

步骤三、滑坡风险评估

采用模糊数学的方法，给出分辨滑坡灾害风险性大小的量化指标。

2.根据权利要求1所述的一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法，其特征在于，步骤一中，超低频电磁波发射台能够发射频段为0.1-300Hz极低频/超低频电磁波信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法，其特征在于，选定30-300Hz超低频频段作为探测频段。

4.根据权利要求1所述的一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法，其特征在于，步骤二中，对于第l号测点上的第k个频点进行第i次观测，视电阻率正常变化范围计算公式如下：

式中，

表示视电阻率平均值，ST表示标准差，N表示观测总次数。

5.根据权利要求1所述的一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法，其特征在于，步骤二中，函数关系Δρ-S表示为水饱和度S的3次函数，对于第m号测点上的第k个频点，Δρ计算式为：

Δρ_m，k＝α_m，k，0+α_m，k，1x+α_m，k，2x²+α_m，k，3x³

式中，x表示水饱和度的取值，α_m，k，0～α_m，k，3分别表示3次函数的系数。

6.根据权利要求1所述的一种基于超低频电磁波的滑坡风险评估方法，其特征在于，步骤3中，采用模糊数学中的“升半正态性分布”隶属函数，给出分辨滑坡灾害风险性大小的量化指标，计算公式为：

式中，a表示视电阻率正常变化范围中的最大值，k表示水饱和度，x表示视电阻率。

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