新型泥石流預警監(jiān)測系統(tǒng)設計

曹 波，閔 霽，楊永平，張 倩

(1.長江工程建設局，湖北 武漢 430010;2.長江勘測規(guī)劃設計研究院，湖北 武漢 430010)

目前在我國推廣應用的突發(fā)性地質災害監(jiān)測預警(尤其對泥石流進行監(jiān)測預警)技術主要以人工巡視巡查、簡易監(jiān)測為主，包括埋樁法、埋釘法、上漆法、貼片法等，這些方法的監(jiān)測報警技術比較落后，在惡劣天氣和復雜氣象條件下可能會錯失災害預報機會，造成很大隱患;另外，巡視巡查人員在現(xiàn)場原本就面臨生命危險，發(fā)現(xiàn)險情也不一定能夠及時通知災區(qū)居民轉移.因此，迫切需要研發(fā)一種新技術或新手段以提高泥石流預警監(jiān)測水平.為此，設計開發(fā)了一種新型泥石流預警監(jiān)測系統(tǒng)，通過現(xiàn)場的泥水位觀測、雨量觀測和視頻觀察的有線或無線信息傳輸，并利用軟件平臺全時在線自動監(jiān)測突發(fā)性地質災害(特別是泥石流)，同時進行現(xiàn)場實時報警，提高泥石流預警監(jiān)測水平.

1 新型泥石流預警監(jiān)測系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)設計方案

當監(jiān)測地區(qū)前方(上游)降雨量大于閾值時，監(jiān)控計算機根據(jù)無線遙測雨量站報來的數(shù)據(jù)進行初判斷和預報;當監(jiān)測泥石流溝中到來泥水時，泥水位探頭會分級預報泥石流的到來;當降雨和泥水兩個條件都滿足時，將向監(jiān)控計算機發(fā)出泥石流到來的分級報警，同時即刻啟動高清數(shù)碼相機，以泥位標尺為背景采集圖片發(fā)給計算機(光暗自動補光)，監(jiān)測人員對照圖片再次進行判別，如確認泥石流到來，則發(fā)出報警;警報以短信發(fā)到多個相關責任人手機上，同時安裝在鄉(xiāng)村和城鎮(zhèn)中的警報器由監(jiān)控計算機發(fā)出指令，無線遙控啟動并發(fā)出警報.

除泥水位預警子系統(tǒng)外，泥石流預警監(jiān)測系統(tǒng)的所有設備均由太陽能供電，監(jiān)控計算機安裝在監(jiān)測站房(遠離泥石流溝)，警報器安裝在需要報警的鄉(xiāng)村和城鎮(zhèn)中.系統(tǒng)工作流程如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)工作流程

1.2 關鍵技術

該系統(tǒng)集成了多種技術，包括數(shù)據(jù)GPRS/GSM通信、視屏圖像CDMA 快速回傳、軟件重用技術、編譯技術、數(shù)據(jù)挖掘技術、組件構造及接口技術、數(shù)據(jù)信息表象GIS 等.同時，系統(tǒng)綜合運用RS 和GIS 以及水文地質信息綜合分析算法，并通過模糊數(shù)據(jù)統(tǒng)計法和抽樣統(tǒng)計法、模糊綜合分析法和主成分分析法，結合當?shù)氐臍庀?部分站點已與當?shù)貧庀缶致?lián)網(wǎng)，資源共享)、水情和地質歷史信息，建立決策子系統(tǒng).該子系統(tǒng)可以分析得出預警值作為當?shù)氐膱缶拗浦?，同時求得最優(yōu)的人員轉移路徑，為系統(tǒng)的進一步研究開發(fā)奠定了基礎.

2 預警監(jiān)測系統(tǒng)組成及功能

該系統(tǒng)由泥水位報警儀子系統(tǒng)、雨量計子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)以及集成軟件子系統(tǒng)組成，其功能分述如下.

2.1 泥水位報警儀子系統(tǒng)

泥水位報警儀子系統(tǒng)主要依靠泥水位探頭和數(shù)據(jù)采集報警儀工作，由數(shù)據(jù)采集報警儀、泥水位探頭、報警音響圖文及短信貓、計算機等組成.

泥石流導渠邊緣側壁按高度均勻分布泥水位報警儀探頭(簡稱傳感器)，傳感器遇到水或飽和泥水時會分別發(fā)出信號，傳達至數(shù)據(jù)采集報警儀，采集報警儀發(fā)出報警音，并將該警報傳達至該系統(tǒng)，系統(tǒng)收到警報后顯示、儲存、繪制狀態(tài)圖并通過計算機音頻發(fā)出指定報警音，同時向指定手機發(fā)出報警短信息.泥水位報警儀子系統(tǒng)通過有線傳輸.

泥水位探頭用于泥石流發(fā)生初期對泥水位的變化進行實時監(jiān)測，探頭具有探針傾斜功能，實現(xiàn)了導渠內水位或飽和泥水位的分級報警.

數(shù)據(jù)采集報警儀通過分布于泥石流導渠不同高度的泥水位傳感器所傳遞的信息，顯示相應高程的泥水位報警燈亮和閃爍，同時啟動報警音響，并向計算機發(fā)送報文;采集報警儀發(fā)出報警的同時，計算機向預定手機發(fā)出報警短信，值班人員啟動搜索探照燈，通過視頻系統(tǒng)進行再判別，最終發(fā)出報警，引導下游人員撤離;采集報警儀設有探頭靈敏度調節(jié)開關，可調節(jié)高、中、低3 檔，常規(guī)設在高檔，并設有手動報警開關和消音開關，可手動啟動報警音響，按消音開關可消除報警音.

2.2 雨量計子系統(tǒng)

雨量計子系統(tǒng)主要依靠雨量計工作，由雨量計、雨量自報系統(tǒng)及軟件等組成.

雨量計子系統(tǒng)安裝在泥石流監(jiān)測觀測場范圍內，報警儀電纜連接雨量計，雨量計檢測到降雨后將此信息傳至數(shù)據(jù)采集報警儀，報警儀計算累計雨量后傳至計算機，計算機接收、儲存后列出該日雨量信息并繪制雨量柱狀圖，同時檢查實時雨量、日雨量，并與閾值進行對比是否越限，若越限則通過計算機音頻發(fā)出指定報警音，同時向預訂的多部手機發(fā)出報警短信息.雨量系統(tǒng)通過無線傳輸.

長時間的連續(xù)強降雨或暴雨是誘發(fā)泥石流的主要原因.雨量計可以測量出單位時間的降雨強度和當日累計雨量，當單位時間雨強和雨量超過設定的警戒閾值時，系統(tǒng)將先與數(shù)據(jù)庫已存歷史數(shù)據(jù)進行比較，并確定警報等級同時發(fā)出有可能發(fā)生泥石流的警報.

2.3 視頻監(jiān)測子系統(tǒng)

由攝像機、搜索探照燈、圖像采集卡及軟件等組成.

通過視頻系統(tǒng)對導渠內的泥水位高程進行人工判別和泥位尺核實，并按預案發(fā)出警報，引導下游人員撤離，其安裝示意圖如圖2 所示.

圖2 攝像機和搜索探照燈安裝示意圖

2.4 集成軟件子系統(tǒng)

由數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)管理軟件、視頻管理軟件等組成.

數(shù)據(jù)采集軟件可以對泥水位、雨量等進行實時采集，并形成相關圖文和報表;數(shù)據(jù)管理軟件對數(shù)據(jù)采集報警儀發(fā)出的雨量、泥石流報文后自動存入數(shù)據(jù)庫，用戶可以在數(shù)據(jù)管理界面查看任何時間段的歷史報文;視頻管理軟件可以對實時視頻進行抓拍，并可瀏覽近期抓拍的照片和視頻.

3 系統(tǒng)檢測

3.1 應用項目

長江上游水土保持重點防治區(qū)滑坡泥石流預警系統(tǒng)建設項目，范圍涉及云、貴、川、甘、陜、渝、鄂7省(市)12 市(州、區(qū))38 個縣(區(qū)).主要任務是對原有預警系統(tǒng)各級監(jiān)測預警機構軟、硬件條件進行典型配置，開發(fā)配套的滑坡泥石流調查GIS 系統(tǒng)，提高預警系統(tǒng)的信息化和現(xiàn)代化水平.

為保證監(jiān)測預警效果，分布在甘肅省和四川省的8 個區(qū)縣內14 個泥石流改造站點均采用該泥石流預警監(jiān)測系統(tǒng).

3.2 應用優(yōu)缺點

此項泥石流監(jiān)測預警技術應用時間不長，且運用實例相對較少，結合長江上游水土保持重點防治區(qū)滑坡泥石流預警系統(tǒng)建設項目的實施，可知該系統(tǒng)具有以下優(yōu)缺點:①系統(tǒng)設備研制、采購簡單，施工安裝工期短，可對突發(fā)性地質災害及時監(jiān)測預警;②改變了以往泥石流監(jiān)測預警主要依靠人工觀測，監(jiān)測方法單一，數(shù)據(jù)采集、管理、保存手段落后，夜間監(jiān)測工作難等局面;③雨量、泥水位、視頻數(shù)據(jù)可自動采集、記錄、處理，節(jié)省了人力，提高了效率，提高了預報的合理性和可信度，同時報警信息的無線傳輸提高了預警決策的時效性;④監(jiān)測報警儀器設備的安裝需要在完成相關土建工程(泥水位觀測斷面等)的基礎上開展，必須進行統(tǒng)籌安排，制定切實可行的工作計劃;⑤目前已安裝監(jiān)測報警設備的站點未發(fā)生泥石流活動，從而未進行報警，無法對監(jiān)測儀器的靈敏性、有效性進行實例考證.

4 結語

該預警系統(tǒng)優(yōu)點突出，增加了泥石流在惡劣天氣和復雜氣象條件下的預報機會，提高了泥石流預警監(jiān)測的技術和水平.為進一步推廣應用此項新技術，提出如下建議:①滑坡、泥石流預警是一項綜合性很強的工作，涉及到地質、水文、氣象、社會等眾多學科知識，要求預警人員具有較全面的能力，急需加強監(jiān)測預警人員的技術培訓;②重視監(jiān)測預警的運行管理工作，必須對相關監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理、分析，研究其發(fā)展規(guī)律，并進一步驗證監(jiān)測儀器的可靠性;③繼續(xù)加強此項技術后續(xù)的研發(fā)工作，建議通過無線傳輸系統(tǒng)、太陽能系統(tǒng)等對監(jiān)測儀器設備進行升級和改進.

［1］師哲，趙健，劉曉璐，等.長江上游水土保持重點防治區(qū)滑坡泥石流預警系統(tǒng)建設項目初步設計報告［R］.武漢:長江科學院，2008.

［2］費祥俊，舒安平.泥石流運動機理與災害防治［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［3］崔鵬，劉世建，譚萬沛.中國泥石流監(jiān)測預報預警研究現(xiàn)狀與展望［J］.自然災害學報，2000，9(2):10－15.

［4］劉飛，陳勁松.山洪誘發(fā)的泥石流監(jiān)測技術研究［R］.北京:中國地質大學(北京)，2004.