北斗衛(wèi)星微位移監(jiān)測系統(tǒng)在油氣管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

徐江橋，張洪奎，劉道乾，孫偉，劉新，劉青，賈宗凱

（1.中國石化銷售華中分公司，湖南 長沙 430023；2.紫光軟件系統(tǒng)有限公司，北京 100084）

0 引言

成品油輸油管道是油氣資源運輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，線路較長，途經(jīng)區(qū)域自然環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，難以避免受到滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的影響（帥健等，2008）。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時，很容易引起管道變形、破壞、斷裂，造成成品油泄露，甚至引發(fā)爆炸、火災(zāi)等事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成人員傷亡（白路遙等，2019）。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與形變有著極為密切的關(guān)系，位移形變的監(jiān)測，在管道保護(hù)領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注（林超等，2015）。管道周邊形變的準(zhǔn)確監(jiān)測及形變預(yù)警，對實現(xiàn)管道安全管控，確保管道平穩(wěn)輸送對于成品油來說具有重要意義（郭存杰等，2016）。

傳統(tǒng)針對工程或局部區(qū)域的位移形變監(jiān)測技術(shù)研究，主要是利用常規(guī)監(jiān)測設(shè)備如全站儀、水準(zhǔn)儀等進(jìn)行位移形變監(jiān)測，但此類方法費時費力，內(nèi)外業(yè)工作量大、效益低、觀測可持續(xù)性差（岳建平等，2007）。20 世紀(jì)90 年代以來，隨著空間技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)（唐咸遠(yuǎn)等，2017）、干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（丁曉利等，2000）等逐漸應(yīng)用到地表形變監(jiān)測中來。其中占據(jù)主導(dǎo)地位的GPS 以其精度高、傳輸快、全天候等優(yōu)勢成為最為先進(jìn)的位移監(jiān)測手段。2020 年6 月23 日，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）正式完成全球組網(wǎng)，可以面向全球開展授時、定位、導(dǎo)航服務(wù)。從北斗衛(wèi)星系統(tǒng)提供服務(wù)以來，已在交通運輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報、通信授時、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

基于北斗衛(wèi)星的精密軌道參數(shù)及衛(wèi)星鐘差改正信息，李敏利用武漢大學(xué)自主研發(fā)PANDA 軟件及北斗試驗追蹤站網(wǎng)絡(luò)，對北斗靜態(tài)和動態(tài)精密單點定位進(jìn)行計算，其研究結(jié)果精度可達(dá)到cm 級（Li，2014）。GPS（Global Positioning System）與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS，BeiDou Navigation Satellite System）均為全球性的導(dǎo)航定位，GPS 應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測行業(yè)較早且方法較為成熟，因此許多學(xué)者將BDS 與GPS 進(jìn)行比較或者聯(lián)合定位，比如高星偉等學(xué)者解決了兩者之間時間系統(tǒng)和坐標(biāo)系統(tǒng)不一致的問題，實現(xiàn)了兩者的數(shù)據(jù)融合和高精度聯(lián)合定位，并證明了BDS 已初步具備三維高精度導(dǎo)航定位能力（高星偉等，2012）；胡志剛則通過分析北斗系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)，比較相同環(huán)境下BDS 和GPS 短基線相對定位和精密單點定位結(jié)果，發(fā)現(xiàn)BDS 短基線相對定位精度可達(dá)到mm 級，精密單點PPP 可達(dá)到cm 級精度，定位性能基本與GPS 接近（胡志剛，2013），以上研究表明北斗定位系統(tǒng)的精度足以滿足地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的需求。在北斗定位系統(tǒng)用于滑坡監(jiān)測研究方面，韓靜研究了BDS 短基線相對定位算法以及BDS/GPS組合定位關(guān)鍵技術(shù)，并將BDS 單系統(tǒng)及BDS/GPS組合系統(tǒng)相對定位技術(shù)應(yīng)用于涇陽滑坡監(jiān)測（韓靜，2017），取得了較好成效；張洪奎首先采用遙感影像對油氣管道沿線地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行識別，在此基礎(chǔ)上采用北斗定位技術(shù)對存在風(fēng)險的坡體進(jìn)行實時監(jiān)測，并及時向相關(guān)人員推送監(jiān)測結(jié)果，起到了有效的防災(zāi)減災(zāi)效果（張洪奎，2020）。

本文以管道樁號為JG7410 的滑坡地質(zhì)災(zāi)害點為研究區(qū)（以下簡稱JG7410 點），利用北斗微位移監(jiān)測設(shè)備，對成品油管道滑坡風(fēng)險點進(jìn)行微形變監(jiān)測，做到對災(zāi)害點高精度、實時、全天候監(jiān)測，及時掌握災(zāi)害點微變形情況，并依據(jù)形變量程度進(jìn)行不同等級報警，保障成品油管道安全，可為管道沿線其他區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測提供示范參考。

1 研究區(qū)概況

九贛成品油管道分為九江—樟樹段和上饒—贛州段兩部分。九江—樟樹段為成品油一期管道，管道全長226 km。九贛成品油管道二期工程全長742 km，分為樟樹—上饒段和樟樹—贛州段，樟樹—贛州段起于樟樹，向南經(jīng)吉安分輸泵站，終于贛州末站。JG7410 點位于江西省吉安市萬安縣彈前鄉(xiāng)新橋村（圖1），歸中國石化銷售有限公司華中分公司中撫州處贛州站管轄，隸屬九贛成品油管道二期的樟樹—贛州段。

JG7410 點為石質(zhì)邊坡，坡長30 m，坡高30 m，坡度30°，坡向280°。地表覆蓋層為黃色砂土，較松散，厚度約40 cm。下部基巖為粉砂巖，巖層產(chǎn)狀為70°∠5°。坡體表面植被為松樹及少量矮小草本植物（圖2a）。管道切坡穿過，方向與坡體走向一致，鋪設(shè)時施工形成人工切坡，在管道穿過處形成寬3 m 的平臺，管道埋深1.37 m，地表植被被破壞，存在滑坡風(fēng)險。2019 年底坡體進(jìn)行治理，現(xiàn)采取格構(gòu)、排水溝、打錨桿和坡面補(bǔ)種植被的防護(hù)措施（圖2b）。

圖1 JG7410 點位置遙感影像圖

圖2 JG7410 點治理前（a）及治理后情況（b）

2 北斗衛(wèi)星微位移監(jiān)測模塊

北斗微位移監(jiān)測模塊用于采集、存儲及向數(shù)據(jù)平臺回傳衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，監(jiān)測模塊采用高精度北斗微位移監(jiān)測設(shè)備，由北斗天線、北斗接收機(jī)、通信設(shè)備、避雷針、市電避雷器組成（圖3），其中接收機(jī)、市電避雷器、通信設(shè)備布設(shè)于防雨機(jī)柜中，通過與周邊北斗地面基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分計算，可實現(xiàn)高精度監(jiān)測。

圖3 北斗衛(wèi)星微位移監(jiān)測模塊

常用的北斗地面基準(zhǔn)站有兩種形式：一是國家建設(shè)的地基增強(qiáng)網(wǎng)，由若干臺遍布全國范圍的地面基準(zhǔn)站組成；二是自建用戶基準(zhǔn)站。為保證監(jiān)測精度，要求監(jiān)測點距離北斗地面基準(zhǔn)站在10 km 以內(nèi)，如果監(jiān)測點距離國家設(shè)立的基準(zhǔn)站較遠(yuǎn)，則需自建地面基準(zhǔn)站。

JG7410 點的所在地距離國家建設(shè)的地基增強(qiáng)網(wǎng)基準(zhǔn)站較遠(yuǎn)，因此在JG7410 點周邊自建基準(zhǔn)站，即現(xiàn)場監(jiān)測端由監(jiān)測站和基準(zhǔn)站組成。我們將監(jiān)測站安裝于管道正上方的切坡頂部中間位置（圖4a），自建基站安裝于新橋村村民家的車庫頂部，距離監(jiān)測站1km（圖4b）。

3 位置解算方法

北斗微位移監(jiān)測模塊每小時一次采集自身位置與北斗衛(wèi)星的距離和對應(yīng)時間，根據(jù)所在區(qū)域北斗衛(wèi)星網(wǎng)在天空的分布情況不同，每次接收來自3 顆或更多顆北斗衛(wèi)星的信號。該信號通過解算獲得地災(zāi)監(jiān)測點在三維空間的位置，用坐標(biāo)［x1，y1，z1］表示（圖5），此時位置信息包含的誤差包含時鐘差、電離層誤差、大氣折射誤差、衛(wèi)星軌道誤差等，監(jiān)測精度為米級。

地面基準(zhǔn)站在布設(shè)時精確位置已知，用于接收多顆衛(wèi)星信號，將其獲取的觀測值與已知的標(biāo)準(zhǔn)值對比，即可獲取到基準(zhǔn)站位置的時鐘差、電離層誤差、大氣折射誤差、衛(wèi)星軌道誤差，得到校正值。監(jiān)測站與基準(zhǔn)站位置相近，各類誤差也大致相等，監(jiān)測站在接收衛(wèi)星信號時，也同步接收基準(zhǔn)站發(fā)送的校正。

北斗監(jiān)測站和基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)、校正數(shù)據(jù)可通過通信網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至監(jiān)測解算模塊，利用差分算法，消除電離層延時、對流層延時、接收機(jī)和衛(wèi)星的鐘差等，以獲取監(jiān)測點高精度的三維坐標(biāo)信息［x1，y1，z1］，此時精度為毫米級。

解算模塊將獲得的坐標(biāo)信息［x1，y1，z1］，通過4G 信號發(fā)送至成品油管道指揮調(diào)度中心數(shù)據(jù)平臺，頻率為每小時1 次（圖5）。平臺將最新坐標(biāo)信息與歷史坐標(biāo)信息對比，研判滑坡監(jiān)測點在三維空間的微小位移情況并以每小時1 次的頻率，向PC 端、手機(jī)App 端推送位置信號和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。北斗微位移3 個坐標(biāo)所代表的位移情況如表1 所示。

表1 北斗衛(wèi)星微位移監(jiān)測數(shù)據(jù)及其含義

根據(jù)災(zāi)害體發(fā)育情況和工程巖性，在3 個維度設(shè)定藍(lán)、黃、橙、紅4 個預(yù)警閾值（表2），當(dāng)滑坡體在某一個或某幾個維度的位移量超過設(shè)定閾值，則平臺立即向各終端發(fā)送報警信號，提醒工作人員采取應(yīng)急措施。

表2 滑坡位移量各級預(yù)警閾值

4 監(jiān)測結(jié)果及應(yīng)用

JG7410 點北斗微位移監(jiān)測站安裝日期為2019年11 月14 日，我們將監(jiān)測點原始位移設(shè)置為“0，0，0”，到2020 年6 月2 日，X、Y、Z 3 個方向的監(jiān)測數(shù)值分別為-12、-20.6、-66.9，即3 個方向上的累計形變量分別為-12 mm、-20.6 mm、-66.9 mm，表明滑坡體垂向下降66.9 mm，向西滑動20.6 mm，向北滑動12 mm，監(jiān)測平臺端發(fā)出黃色報警，并將監(jiān)測結(jié)果和報警信息推送至管理人員，提醒關(guān)注監(jiān)測點狀態(tài)。監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場核查的滑坡體坡向280°一致，表明滑坡體朝北西向輕微滑動，垂向位移量較大，坡體發(fā)生沉降（表3）。

圖4 北斗衛(wèi)星監(jiān)測站（a）與基準(zhǔn)站（b）現(xiàn)場安裝情況

圖5 北斗衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸及解算方法示意圖

從監(jiān)測開始日期至2020 年1 月23 日，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線平緩，此時累計位移量北向運移2.9 mm，西向運移6.5 mm，垂向沉降量最大，約12.3 mm，表明滑坡體整體穩(wěn)固，僅有緩慢沉降（圖6）。1月23 日—2 月24 日，沉降加劇，累計位移量北向運移8.2 mm，西向運移12.5 mm，垂向沉降35.1 mm，垂向沉降量達(dá)到藍(lán)色預(yù)警，通過采集距離該監(jiān)測站點最近的降雨站數(shù)據(jù)，對比可知，沉降的加劇與2 月15 日的萬安縣特大暴雨有關(guān)，該日日降雨量可達(dá)69.9mm，暴雨對地面產(chǎn)生沖刷侵蝕作用，降低了巖土體的抗滑能力，加劇了滑坡的位移形變（Crosta等，2008；Wu，2015；謝劍明等，2003）。1 月至2月，贛州北部與吉安南部區(qū)域平均降雨量可達(dá)231mm，比同期多年均值多32%，相關(guān)研究表明滑坡的穩(wěn)定性與降雨量之間的關(guān)系密切（肖峰等，2019），在一定程度上可直接誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害（徐輝和劉海知，2019；李長江等，2008），2 月下旬逐漸增加的降雨量，導(dǎo)致管道所在處滑坡沉降量加劇，但整體較為平穩(wěn)。3 月起，贛州區(qū)域普降大雨，受此影響，滑坡體在3 月起沉降加速。持續(xù)的降雨使滑坡體持續(xù)沉降，沉降量達(dá)到黃色預(yù)警級別?；鲁两邓俾逝c降雨之間的密切關(guān)系表明，降雨是影響監(jiān)測點滑坡微位移的主要原因。在6 月以后，監(jiān)測點進(jìn)入梅雨季節(jié)，滑坡沉降可能加速，應(yīng)多予以關(guān)注，必要情況下采取整治措施。北斗微位移監(jiān)測數(shù)據(jù)很好地展現(xiàn)了滑坡位移過程，也對災(zāi)害體運移趨勢進(jìn)行了預(yù)測預(yù)警，提醒管理人員及早關(guān)注，很大程度上避免重大滑坡事故的發(fā)生，保證了管道完整性和安全性，可為管道沿線其他區(qū)域提供示范監(jiān)測。

表3 累計位移量具體數(shù)值

圖6 北斗衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論

（1）在JG7410 點處布設(shè)北斗微位移監(jiān)測模塊，獲取該滑坡體實時的三位累計形變量數(shù)據(jù)，監(jiān)測精度為毫米級。通過其變形曲線變化情況推斷該滑坡體目前所處的狀態(tài)，及時發(fā)出不同等級的預(yù)警信息，保障了油氣管道運輸?shù)陌踩?，也可為其他區(qū)域提供示范參考。

（2）通過將形變數(shù)據(jù)與同時期的降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)出現(xiàn)暴雨等降雨增多的情況下，滑坡體的位移也相應(yīng)地發(fā)生加劇變化。因此，可以開展降雨監(jiān)測，研究降雨數(shù)據(jù)與位移數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系，確定誘發(fā)滑坡的降雨閾值，提高預(yù)警工作的準(zhǔn)確性。

（3）北斗衛(wèi)星微位移監(jiān)測數(shù)據(jù)很好地展現(xiàn)了滑坡位移過程，并對災(zāi)害體運移趨勢進(jìn)行了預(yù)測預(yù)警，建議在接下來的汛期，應(yīng)當(dāng)對管道所在處滑坡體微位移狀態(tài)進(jìn)行更多的分析研究，及時更新預(yù)警信息，提前采取防治措施。