新型泥石流预警监测系统设计

曹 波，闵 霁，杨永平，张 倩

(1.长江工程建设局，湖北 武汉 430010;2.长江勘测规划设计研究院，湖北 武汉 430010)

目前在我国推广应用的突发性地质灾害监测预警(尤其对泥石流进行监测预警)技术主要以人工巡视巡查、简易监测为主，包括埋桩法、埋钉法、上漆法、贴片法等，这些方法的监测报警技术比较落后，在恶劣天气和复杂气象条件下可能会错失灾害预报机会，造成很大隐患;另外，巡视巡查人员在现场原本就面临生命危险，发现险情也不一定能够及时通知灾区居民转移.因此，迫切需要研发一种新技术或新手段以提高泥石流预警监测水平.为此，设计开发了一种新型泥石流预警监测系统，通过现场的泥水位观测、雨量观测和视频观察的有线或无线信息传输，并利用软件平台全时在线自动监测突发性地质灾害(特别是泥石流)，同时进行现场实时报警，提高泥石流预警监测水平.

1 新型泥石流预警监测系统设计

1.1 系统设计方案

当监测地区前方(上游)降雨量大于阈值时，监控计算机根据无线遥测雨量站报来的数据进行初判断和预报;当监测泥石流沟中到来泥水时，泥水位探头会分级预报泥石流的到来;当降雨和泥水两个条件都满足时，将向监控计算机发出泥石流到来的分级报警，同时即刻启动高清数码相机，以泥位标尺为背景采集图片发给计算机(光暗自动补光)，监测人员对照图片再次进行判别，如确认泥石流到来，则发出报警;警报以短信发到多个相关责任人手机上，同时安装在乡村和城镇中的警报器由监控计算机发出指令，无线遥控启动并发出警报.

除泥水位预警子系统外，泥石流预警监测系统的所有设备均由太阳能供电，监控计算机安装在监测站房(远离泥石流沟)，警报器安装在需要报警的乡村和城镇中.系统工作流程如图1 所示.

图1 系统工作流程

1.2 关键技术

该系统集成了多种技术，包括数据GPRS/GSM通信、视屏图像CDMA 快速回传、软件重用技术、编译技术、数据挖掘技术、组件构造及接口技术、数据信息表象GIS 等.同时，系统综合运用RS 和GIS 以及水文地质信息综合分析算法，并通过模糊数据统计法和抽样统计法、模糊综合分析法和主成分分析法，结合当地的气象(部分站点已与当地气象局联网，资源共享)、水情和地质历史信息，建立决策子系统.该子系统可以分析得出预警值作为当地的报警限制值，同时求得最优的人员转移路径，为系统的进一步研究开发奠定了基础.

2 预警监测系统组成及功能

该系统由泥水位报警仪子系统、雨量计子系统、视频监控子系统以及集成软件子系统组成，其功能分述如下.

2.1 泥水位报警仪子系统

泥水位报警仪子系统主要依靠泥水位探头和数据采集报警仪工作，由数据采集报警仪、泥水位探头、报警音响图文及短信猫、计算机等组成.

泥石流导渠边缘侧壁按高度均匀分布泥水位报警仪探头(简称传感器)，传感器遇到水或饱和泥水时会分别发出信号，传达至数据采集报警仪，采集报警仪发出报警音，并将该警报传达至该系统，系统收到警报后显示、储存、绘制状态图并通过计算机音频发出指定报警音，同时向指定手机发出报警短信息.泥水位报警仪子系统通过有线传输.

泥水位探头用于泥石流发生初期对泥水位的变化进行实时监测，探头具有探针倾斜功能，实现了导渠内水位或饱和泥水位的分级报警.

数据采集报警仪通过分布于泥石流导渠不同高度的泥水位传感器所传递的信息，显示相应高程的泥水位报警灯亮和闪烁，同时启动报警音响，并向计算机发送报文;采集报警仪发出报警的同时，计算机向预定手机发出报警短信，值班人员启动搜索探照灯，通过视频系统进行再判别，最终发出报警，引导下游人员撤离;采集报警仪设有探头灵敏度调节开关，可调节高、中、低3 档，常规设在高档，并设有手动报警开关和消音开关，可手动启动报警音响，按消音开关可消除报警音.

2.2 雨量计子系统

雨量计子系统主要依靠雨量计工作，由雨量计、雨量自报系统及软件等组成.

雨量计子系统安装在泥石流监测观测场范围内，报警仪电缆连接雨量计，雨量计检测到降雨后将此信息传至数据采集报警仪，报警仪计算累计雨量后传至计算机，计算机接收、储存后列出该日雨量信息并绘制雨量柱状图，同时检查实时雨量、日雨量，并与阈值进行对比是否越限，若越限则通过计算机音频发出指定报警音，同时向预订的多部手机发出报警短信息.雨量系统通过无线传输.

长时间的连续强降雨或暴雨是诱发泥石流的主要原因.雨量计可以测量出单位时间的降雨强度和当日累计雨量，当单位时间雨强和雨量超过设定的警戒阈值时，系统将先与数据库已存历史数据进行比较，并确定警报等级同时发出有可能发生泥石流的警报.

2.3 视频监测子系统

由摄像机、搜索探照灯、图像采集卡及软件等组成.

通过视频系统对导渠内的泥水位高程进行人工判别和泥位尺核实，并按预案发出警报，引导下游人员撤离，其安装示意图如图2 所示.

图2 摄像机和搜索探照灯安装示意图

2.4 集成软件子系统

由数据采集软件、数据管理软件、视频管理软件等组成.

数据采集软件可以对泥水位、雨量等进行实时采集，并形成相关图文和报表;数据管理软件对数据采集报警仪发出的雨量、泥石流报文后自动存入数据库，用户可以在数据管理界面查看任何时间段的历史报文;视频管理软件可以对实时视频进行抓拍，并可浏览近期抓拍的照片和视频.

3 系统检测

3.1 应用项目

长江上游水土保持重点防治区滑坡泥石流预警系统建设项目，范围涉及云、贵、川、甘、陕、渝、鄂7省(市)12 市(州、区)38 个县(区).主要任务是对原有预警系统各级监测预警机构软、硬件条件进行典型配置，开发配套的滑坡泥石流调查GIS 系统，提高预警系统的信息化和现代化水平.

为保证监测预警效果，分布在甘肃省和四川省的8 个区县内14 个泥石流改造站点均采用该泥石流预警监测系统.

3.2 应用优缺点

此项泥石流监测预警技术应用时间不长，且运用实例相对较少，结合长江上游水土保持重点防治区滑坡泥石流预警系统建设项目的实施，可知该系统具有以下优缺点:①系统设备研制、采购简单，施工安装工期短，可对突发性地质灾害及时监测预警;②改变了以往泥石流监测预警主要依靠人工观测，监测方法单一，数据采集、管理、保存手段落后，夜间监测工作难等局面;③雨量、泥水位、视频数据可自动采集、记录、处理，节省了人力，提高了效率，提高了预报的合理性和可信度，同时报警信息的无线传输提高了预警决策的时效性;④监测报警仪器设备的安装需要在完成相关土建工程(泥水位观测断面等)的基础上开展，必须进行统筹安排，制定切实可行的工作计划;⑤目前已安装监测报警设备的站点未发生泥石流活动，从而未进行报警，无法对监测仪器的灵敏性、有效性进行实例考证.

4 结语

该预警系统优点突出，增加了泥石流在恶劣天气和复杂气象条件下的预报机会，提高了泥石流预警监测的技术和水平.为进一步推广应用此项新技术，提出如下建议:①滑坡、泥石流预警是一项综合性很强的工作，涉及到地质、水文、气象、社会等众多学科知识，要求预警人员具有较全面的能力，急需加强监测预警人员的技术培训;②重视监测预警的运行管理工作，必须对相关监测数据进行整理、分析，研究其发展规律，并进一步验证监测仪器的可靠性;③继续加强此项技术后续的研发工作，建议通过无线传输系统、太阳能系统等对监测仪器设备进行升级和改进.

［1］师哲，赵健，刘晓璐，等.长江上游水土保持重点防治区滑坡泥石流预警系统建设项目初步设计报告［R］.武汉:长江科学院，2008.

［2］费祥俊，舒安平.泥石流运动机理与灾害防治［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［3］崔鹏，刘世建，谭万沛.中国泥石流监测预报预警研究现状与展望［J］.自然灾害学报，2000，9(2):10－15.

［4］刘飞，陈劲松.山洪诱发的泥石流监测技术研究［R］.北京:中国地质大学(北京)，2004.