典型區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)傳感器布設(shè)方法

梁軍

（深圳市地質(zhì)局 廣東省深圳市 518023）

1 典型區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)概述

滑坡、崩塌、泥石流等均是較為常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，此類(lèi)災(zāi)害發(fā)生后會(huì)直接或間接威脅人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、控制均極具必要性[1]。在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組建的傳感器網(wǎng)絡(luò)具有重要作用，可以采集環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)各類(lèi)傳感器的聯(lián)合應(yīng)用將采集到的信息全面匯總并將其傳遞至災(zāi)害監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)云平臺(tái)，從各類(lèi)數(shù)據(jù)中通過(guò)專(zhuān)業(yè)算法剖析具有價(jià)值的內(nèi)容，再結(jié)合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)模型，對(duì)總體狀況做出判斷，以便向管理決策部門(mén)提供參考依據(jù)，由相關(guān)人員高效開(kāi)展應(yīng)急處置工作。

在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系中，無(wú)線傳感器設(shè)備為關(guān)鍵的裝置，需要以合理的方法布設(shè)到位。首先，立足于待監(jiān)測(cè)區(qū)域的致災(zāi)因子以及誘發(fā)條件，據(jù)此選擇合適類(lèi)型的傳感器，按地質(zhì)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)分區(qū)域、底層布置到位；隨后，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)的地域通信條件，選擇具有可行性的傳感器組網(wǎng)通信方式（如4G、NB、LoRa等），使傳感器設(shè)備直接或通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)穩(wěn)定地完成數(shù)據(jù)收發(fā)操作。

傳感器在整個(gè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中占據(jù)舉足輕重的地位，做好傳感器的選型、布設(shè)、運(yùn)行等相關(guān)工作可以有效提升監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的使用效果，從而為后續(xù)工作的開(kāi)展提供重要的參考數(shù)據(jù)[2]。

2 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)傳感器的選擇思路

在選擇監(jiān)測(cè)傳感器時(shí)，密切關(guān)注地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)因素以及裝置的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，由此選擇具有可行性的監(jiān)測(cè)傳感器；此外，綜合考慮傳感器探頭、通信模塊、供電模塊等硬件條件合理選擇。

在致災(zāi)因子相同的前提下，盡可能選擇同型號(hào)的傳感器，利用此類(lèi)裝置組織災(zāi)害監(jiān)測(cè)工作，其特點(diǎn)在于可以消除監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異源問(wèn)題。對(duì)于致災(zāi)因子不同的情況，應(yīng)盡可能選擇同一廠家的傳感器，或選擇在通信及數(shù)據(jù)制式具有一致性的傳感器，避免異源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成本，有利于提高預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行效率，高效處理傳感器采集數(shù)據(jù)，減輕云平臺(tái)資源開(kāi)銷(xiāo)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析提取關(guān)鍵災(zāi)害預(yù)警信息。

不同災(zāi)害場(chǎng)景的監(jiān)測(cè)要求存在較大差異性，所需采集信息的要素也有不同，需要應(yīng)用不同類(lèi)型的地質(zhì)災(zāi)害傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)和采集大氣降水、采集地表位移、傾角、加速度、深部位移、傾角、加速度、結(jié)構(gòu)物應(yīng)力、地下水等信息。下文則著重考慮邊坡工程中的滑坡和崩塌兩類(lèi)傳感器，對(duì)其應(yīng)用特點(diǎn)、布設(shè)方法等內(nèi)容展開(kāi)探討。

2.1 滑坡監(jiān)測(cè)傳感器

滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注降雨量、主要裂縫、地下水、軟弱土層等較為薄弱的部位，在該監(jiān)測(cè)區(qū)域，通過(guò)選擇滑坡類(lèi)監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)降水、地表裂縫、深部位移、地下水位、滑坡體力學(xué)等指標(biāo)。

圖1：滑坡監(jiān)測(cè)布設(shè)示意圖

圖2：泥石流監(jiān)測(cè)布設(shè)

（1）局部地表裂縫和位移的監(jiān)測(cè)。在典型滑坡體監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要分布在各類(lèi)薄弱的區(qū)域，較為關(guān)鍵的有主要裂縫處、滑帶處、軟弱夾層處等，選擇大量程水平位移計(jì)，利用該裝置測(cè)定地表裂縫和表面局部位移，在經(jīng)過(guò)持續(xù)性的監(jiān)測(cè)后掌握關(guān)鍵部位的變形特性（在某個(gè)階段的變形量、變形速率等）。

（2）地表的變形監(jiān)測(cè)?；麦w地表變形測(cè)量可采用空中傾斜攝影、地面三維激光掃描，經(jīng)過(guò)不定期的監(jiān)測(cè)后得到地表變形數(shù)據(jù)，由此對(duì)地表變形特性展開(kāi)分析；也可以通過(guò)高精度GNSS的定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)地表指定位置的持續(xù)性觀測(cè)。所提出的兩種方法均具有可行性，各自的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以相互驗(yàn)證與補(bǔ)充，保證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全面性與可靠性。

（3）滑體內(nèi)部的變形監(jiān)測(cè)。在典型地區(qū)滑坡的內(nèi)部監(jiān)測(cè)工作中，則采取鉆探分析和滑坡勘察的方法，由此確定滑坡監(jiān)測(cè)的具體位置以及其產(chǎn)生的主滑動(dòng)面。于指定位置合理設(shè)置鉆孔，各孔需分別在主、次級(jí)滑動(dòng)面上安裝測(cè)斜儀傳感器和多點(diǎn)位移計(jì)，通過(guò)兩類(lèi)裝置的聯(lián)合應(yīng)用測(cè)定滑坡體內(nèi)的變形數(shù)據(jù)，且尤其是滑動(dòng)面的變形數(shù)據(jù)。依托于測(cè)斜儀、多點(diǎn)位移計(jì)多類(lèi)裝置的應(yīng)用得到多組監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)其做對(duì)比分析，選擇適用于滑體深層位移的監(jiān)測(cè)技術(shù)。

（4）巖土體應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。通過(guò)多緯一體的位移、傾角、震動(dòng)加速度設(shè)備的應(yīng)用監(jiān)測(cè)巖土體內(nèi)部的應(yīng)力，根據(jù)該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷巖土體的應(yīng)力變化特點(diǎn)，進(jìn)一步剖析應(yīng)力變化與滑體深部變形兩者間所具備的關(guān)聯(lián)，為滑坡預(yù)警提供可靠的參考依據(jù)。

（5）地下水的監(jiān)測(cè)。在鉆孔內(nèi)安裝地下水位（滲壓）計(jì)，利用此類(lèi)儀器監(jiān)測(cè)地下水水位和孔隙水壓，根據(jù)監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)探明地下水位的變化特點(diǎn)以及孔隙水壓所造成的影響（指的是其對(duì)斜坡移動(dòng)和滑坡事故的發(fā)生所帶來(lái)的影響）。

（6）降雨的監(jiān)測(cè)。在降雨監(jiān)測(cè)工作中，要求各滑坡分別有一個(gè)雨量計(jì)，由其監(jiān)測(cè)該處的降雨量，由此研究斜坡失穩(wěn)以及滑坡的特性。

2.2 泥石流監(jiān)測(cè)傳感器

為保證泥石流監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在監(jiān)測(cè)時(shí)需選擇典型泥石流溝，適配泥石流監(jiān)測(cè)傳感器，綜合考慮泥石流本體以及環(huán)境因素進(jìn)行全方位的分析。

（1）降雨監(jiān)測(cè)。挑選典型泥石流溝的各個(gè)具有代表性的斷面，開(kāi)展水位、流速、泥位的監(jiān)測(cè)工作。在各泥石流溝適配全自動(dòng)雨量站，數(shù)量可控制在3～5個(gè)，具體根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)需求而定，其作用在于監(jiān)測(cè)雨量以及降雨強(qiáng)度，從而進(jìn)一步得到與泥石流溝水位、泥位、雨量有關(guān)的各項(xiàng)信息，達(dá)到自動(dòng)監(jiān)測(cè)泥石流實(shí)際特性的效；此外，還需得到流域內(nèi)各關(guān)鍵部位的降雨值。在得到具體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后構(gòu)建分布式降雨-侵蝕模型，準(zhǔn)確確定泥石流降雨閾值。

（2）土層水分和孔隙水壓監(jiān)測(cè)。選取規(guī)格合適、性能穩(wěn)定的土層水分傳感器和張力計(jì)，將其安裝在全自動(dòng)雨量站周邊的位置，在利用儀器監(jiān)測(cè)后得到土層水分和孔隙水壓的具體數(shù)據(jù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)分析在土層水分和孔隙水壓共同作用下所顯現(xiàn)出的泥石流發(fā)生特性。

（3）水位、流速及泥位的監(jiān)測(cè)。在泥石流溝的分布范圍內(nèi)選取三個(gè)測(cè)流斷面，盡可能將其分布在上、中、下游三個(gè)區(qū)段，適配壓差式水流檢測(cè)器和壓力式水位傳感器，經(jīng)監(jiān)測(cè)得到具體的流量信息和水位信息。此外，在斷面上用標(biāo)尺做泥位監(jiān)測(cè)，生成泥位數(shù)據(jù)。

（4）固體物質(zhì)供給監(jiān)測(cè)?？蛇x用的儀器包含地質(zhì)雷達(dá)、地形掃描儀等，其均要具有高精度的特性，以便監(jiān)測(cè)泥石流溝內(nèi)物源的情況以及溝道兩側(cè)可能會(huì)發(fā)生滑坡的規(guī)模。

3 地質(zhì)災(zāi)害傳感器布設(shè)時(shí)的注重要點(diǎn)

典型地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害傳感器布設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)性較強(qiáng)、考慮要素較多的工作，在布設(shè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如下內(nèi)容：

（1）在明確監(jiān)測(cè)因子后，將合適類(lèi)型的傳感器置于指定的位置，例如滑坡體后壁、裂隙、泥石流松散堆積物區(qū)域、河道中段等較為關(guān)鍵的部位，經(jīng)過(guò)儀器的監(jiān)測(cè)后得到具有代表性的數(shù)據(jù)，對(duì)整體情況做出判斷。

（2）在布設(shè)多點(diǎn)傳感器時(shí)，較為可行的方法是利用單點(diǎn)公網(wǎng)傳輸傳感器采集信息，也可以引入局域組網(wǎng)技術(shù)，由其構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的發(fā)送操作。若數(shù)據(jù)的發(fā)送依托于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而實(shí)現(xiàn)，則需要注重傳感器間網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩個(gè)方面的選擇與應(yīng)用，要求所選擇的類(lèi)型能夠與實(shí)際情況相符，同時(shí)以合理的方法應(yīng)用。

（3）在傳感器遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收發(fā)工作中主要收集傳感器采集數(shù)據(jù)，將其完整傳輸至特定的地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)云平臺(tái)，在該通信機(jī)制中存在較多可供選擇的路徑，例如：①因特網(wǎng)傳輸路徑，在采取此類(lèi)傳輸方法時(shí)應(yīng)結(jié)合傳感器的特點(diǎn)，應(yīng)用有線鏈接構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，或通過(guò)對(duì)智能傳感器的應(yīng)用形成傳感器專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)（如：NB-IoT、LoRa），在得到數(shù)據(jù)后將其統(tǒng)一發(fā)送至專(zhuān)用的數(shù)據(jù)收發(fā)儀器（如：智能網(wǎng)關(guān)）上，再進(jìn)一步將該部分?jǐn)?shù)據(jù)接入因特網(wǎng)；②衛(wèi)星鏈路傳輸路徑，其直接將采集數(shù)據(jù)傳至監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)器上，整個(gè)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，但在經(jīng)濟(jì)效益性方面存在局限之處。受衛(wèi)星頻段、鏈路寬帶、數(shù)據(jù)量多重因素的限制，導(dǎo)致在實(shí)際監(jiān)測(cè)中所需投入的成本明顯偏多，其嚴(yán)重阻礙監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行，因此在小規(guī)模項(xiàng)目以及成本吃緊的項(xiàng)目中缺乏可行性；③無(wú)線蜂窩通信移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，其能夠利用傳感器采集數(shù)據(jù)并回傳，在整個(gè)過(guò)程中，信信號(hào)覆蓋范圍較廣、信號(hào)穩(wěn)定可靠、成本較低，且所需的智能傳感器的制作更為簡(jiǎn)單，因此是地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)活動(dòng)中較為重要的方法。

在滑坡監(jiān)測(cè)中，根據(jù)致滑因子和地表位移狀況，可以分為兩個(gè)主要的監(jiān)測(cè)方向，即地表和地下的監(jiān)測(cè)，各自又包含多項(xiàng)細(xì)分的監(jiān)測(cè)內(nèi)容。地表監(jiān)測(cè)重點(diǎn)指的是滑坡前緣傾斜和滑坡后壁裂縫兩個(gè)方面；地下監(jiān)測(cè)則重點(diǎn)包含土壤含水率、地下水位、土壓力、深部位移。對(duì)于地下監(jiān)測(cè)而言，為了準(zhǔn)確掌握深部位移的具體數(shù)據(jù)，需要有效控制傳感器的布設(shè)位置，較為合適的是將其設(shè)置在滑坡體主滑動(dòng)面以下的薄弱部位，于該處部署傳感器設(shè)備，得到更具真實(shí)性與全面性的數(shù)據(jù)，具體布設(shè)情況如圖1所示。

泥石流監(jiān)測(cè)需要考慮到泥石流的各個(gè)階段，包含發(fā)生、發(fā)展，同時(shí)還需考慮其在各階段的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。具體包含如下幾點(diǎn)：

（1）上游水源與固體物源監(jiān)測(cè)，此方面的監(jiān)測(cè)指標(biāo)包含地下水位、土壤含水率、降雨量等；

（2）中游流量以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程，較為關(guān)鍵的有降雨量、地下水位、泥位、流量流速、高清攝像頭等，監(jiān)測(cè)時(shí)需要全面覆蓋各項(xiàng)指標(biāo)；

（3）下游運(yùn)動(dòng)過(guò)程監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)考慮的是流量流速、地聲、高清攝像頭等。

泥石流監(jiān)測(cè)布設(shè)示意圖如圖2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

地質(zhì)災(zāi)害是一類(lèi)突發(fā)性的自然災(zāi)害，其往往具有較強(qiáng)的破壞性作用，若未及時(shí)掌握實(shí)際情況則難以給防控及應(yīng)對(duì)工作的開(kāi)展提供重要的依據(jù)，出現(xiàn)方法不合理、操作滯后性強(qiáng)等問(wèn)題，從而造成嚴(yán)重的破壞。傳感器的應(yīng)用可以給工作的開(kāi)展提供具有參考價(jià)值的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，工作人員根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際情況做出判斷。為充分發(fā)揮出傳感器的應(yīng)用價(jià)值，必須合理布設(shè)傳感器，將其置于各關(guān)鍵的部位，并構(gòu)建完善的設(shè)備組網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)，采集數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)處理，利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)及時(shí)發(fā)出預(yù)警，減小地質(zhì)災(zāi)害所造成的不良影響。