郑汴新区地质灾害变形监测系统方案改进探讨

张鸿祥，刘平利，刘家橘，王传先

（1.河南省地质调查院 河南省城市地质工程技术研究中心，河南 郑州 450001；2.河南省地质科学研究所，河南 郑州 450001）

随着我国城镇化率的不断提高，城镇的建设区域在不停的快速扩张，地面高大建筑物如雨后春笋般的增加。老城区年久失修的地下防空洞、新规划建设的地铁等地下工程的开展，使得城镇地面沉降、地裂缝、地面塌陷等灾害形势日趋严重[1]，从而制约了当地的可持续发展和城镇安全，对城镇化的基础工程设施建设以及人民生命和财产安全构成了巨大威胁。

河南省郑汴新区位于黄河流域平原区，地质灾害变形监测的特点为：监测区域面积大，形成地质灾害的因素多，不同地区发生地质灾害的方式和频率也不相同[2]。原方案采用的监测方式为间断式定期观测，即利用GPS静态测量原理对监测点进行静态数据采集，再利用随机软件标准化形成观测数据文件和广播星历文件[3]。基线解算时，数据解算软件采用美国麻省理工学院的GAMIT/GLOBK软件，该软件可进行标石中心位置的自行归算。原方案不能实现连续不间断的观测，对监测数据存在偶然性影响，随着现代地质灾害变形监测技术的快速发展，更先进的监测设备和监测手段层出不穷，为了提高郑汴新区地质灾害变形监测的有效性和可靠性，本文提出了改进方案。

改进方案采用基于嵌入式ARM9-Linux系统的SM系列双频接收机作为专业变形监测主机。该接收机针对变形监测系统的工程特点，集数据采集存储、数据通信传输、智能供电和防雷功能于一体，具有精度高、可自动连续观测、稳定可靠等性能，能很好地实现地质灾害变形监测系统的连续运行。

1 改进方案的设计要求

1.1 硬件设计要求

根据郑汴新区本次地质灾害监测的要求，综合考虑以前所建工程综合利用和改进方案的可行性，需对原有的监测设备进行更新和添加，因此对硬件设备的技术先进性、易用性、兼容性和可扩展性具有较高要求，除了原来的GNSS地表位移监测设备，至少应添加GN系列固定式测斜仪等深部位移监测设备、地下水监测仪器VWP系列渗压计、采用基于分时复用技术的锂电池组与PERC太阳能电池联合供电方式[4-5]的电源设备、系统实时传输设备、计算处理服务器设备和预报预警设备等。

1.2 软件设计要求

改进方案对地质灾害变形监测软件的要求为：①能实时动态地对地表位移监测设备、深部位移监测设备、固定测斜仪、地下水监测仪器等传感器采集的数据进行数据信息接收、数据实时计算解析等处理，由于地质灾害实时监测数据及时处理能力的强弱是能否成功预报预警的关键，因此要求各种传感器采集的数据可形成单独的处理文件，并形成历程曲线图、三维坐标图、模拟图、直方图等相应成果；②数据以数字或相应曲线、图表等格式实时调阅显示，软件操作界面清晰直观，各界面能自由切换，可方便调取查阅存储的历史数据，能根据级别对登陆系统的每个用户进行权限管理，并将登陆后的操作写入系统日志；③考虑到以后系统的扩展和升级，方便软件系统功能的添加、修改、维护等，还需具有很好的开放性和兼容性，支持Access、Oracle、MongoDB等多种数据库的兼容。客户端采用C/S架构模式[6]，可分散和降低系统自身的承载压力，从而使客户端的响应速度变得非常快捷。

2 系统改进方案设计

为了实现实时监测区域的地质灾害变形特征、速率和规律等，及时为政府和决策部门提供规划依据，本文将改进方案设计为4个部分，即前端数据采集子系统、数据信息传输子系统、数据分析与管理子系统（监控计算中心）以及终端预报预警子系统。

前端数据采集子系统由数据采集模块通过各种前端数据采集设备采集原始数据而构成，是整个系统最前端的子系统。数据采集设备采集的各种数据信息经过数据调理模块进行存储处理，转换成标准的数字信号实时输出。改进方案基于嵌入式系统Linux与ARM9主控处理器设计，为了保证同一时刻的数据能向同一个方向传输，本文采用UART与RS485构成半双工总线，保持了与RS485电气标准数据传输的一致性[7]。在监测节点处设计了3种采集设备，分别为地面位移监测设备、深部位移监测设备和地下水监测设备，可实时监测地面三维坐标位移量、位移方向和位移速率，监测结构体内部结构的扰度变形情况，并通过对监测点位的地下水位、土壤含水量等的实时监测来分析监测体可能发生地质灾害的概率。

数据信息传输子系统负责实现前端数据采集子系统（各监控节点）、数据分析与管理子系统和终端预报预警子系统之间的数据传输，主要通过相应的通信模块（RS485/Zigbee）传送数据。各前端传感器采集的数据通过Zigbee网络传输到ARM9主处理器，同时可通过RS485模式将数据传输到计算监控中心[8]。该数据传输方式不仅简单易行，而且具有远距离传送、较强的抗干扰能力和降低功耗等特点。

数据分析与管理子系统是整个系统的数据处理和管理中心，负责对各监控节点的数据进行接收汇总、计算整理、阈值对比、存储和发布命令等。该子系统主要包括数据接收模块、数据计算分析模块、数据管理模块、数据查询模块、数据输出模块、安全预警和命令发布模块等。基于上述功能模块的平台服务器通过对各项变形监测数据的计算与分析，建立预警模型、阈值标准、以动态监测数据为基础的运行机制[9]，实现变形监测节点的实时监测。

终端预报预警子系统为客户端的监视系统控制服务。基于监测数据分析的地质灾害预警模型负责处理比对各种数据，当某个或多个监测节点出现超限数据时，系统将出现明显的报警提示和信息，方便监控人员迅速做出反应。报警形式可包括声光多媒体画面和手机短信等多种方式。

3 系统工作原理

地质灾害变形监测系统的工作原理为：首先通过在监测节点安装的地表位移GNSS接收机（SM02型双频监测主机）、深部位移监测设备（GN系列固定式测斜仪）、地下水监测仪器（VWP系列渗压计）等前端设备采集原始数据和参数；然后经数据信息传输子系统把相应时刻的数据传输到主控计算机平台进行计算处理、存储等；当出现超限数据时，终端预报预警子系统将通过多种形式报告监测预警情况。系统总体构架如图1所示。

图1 地质灾害连续监测系统结构图

4 系统方案改进前后分析

改进方案涉及的郑汴新区位于郑州市中州大道以东、开封市金明大道以西、郑州航空港以北、黄河沿岸以南区域，由郑州新区和汴西新区两个部分构成，涵盖中牟县域大部地区，沉降监测范围约为2 000 km2。工作区属于黄河下游冲积平原，地形总趋势为西高东低，由西北向东南缓倾斜。郑汴新区地面绝大部分的面积为黄泛区，地表主要是黄河泛滥而堆积的物质，土质为黄河冲积沙质壤土，表层则沙土化。

郑汴新区发生地面大范围沉降的主要原因可能是地下流体的开发，即抽取地下水。抽水沉降是由于过量抽汲地下水引起水位下降，在欠固结或半固结土层分布区，土层固结压密而造成的大面积地面下沉现象。郑汴新区小范围的地质灾害形变现象则主要由近年来各种矿山开采、城市人防工程和地铁隧道建设等引起，这些存在于地面下的工程设施在今后较长时期还将存续下去或将扩大建设力度（如城市地铁等）。

改进前的地质灾害变形监测系统方案采用单一的GPS静态定位方式对监测区某些特征点位进行了5次沉降变形观测，并对观测结果进行了有效分析。结果表明，导致地面沉降的主要因素为地下水、地面荷载、局部地区受施工影响等；但项目持续的时间较短（有效定期观测时间为18个月），必须有长期不间断的观测，才能精确地监测沉降与否以及沉降速率、沉降区域等。

改进后的地质灾害变形监测系统方案，在充分运用现代先进的计算机微处理技术、网络环境下的传输技术的基础上，实现了地质灾害信息的实时处理分析、动态监测数据的存储与查询以及监测系统自动报警等功能。相较于改进前，系统方案的实时性、智能性、可靠性均得到了提高。地质灾害变形监测系统方案改进前后对比如表1所示。

表1 地质灾害变形监测系统方案改进前后对比表

5 结 语

根据郑汴新区前期地质灾害变形监测的工作成果和作业方式，为了提高监测系统的各项性能，本文设计了地质灾害变形监测系统的改进方案。首先将以前的定期监测改进为现在的实时连续监测，以提高监测系统的智能性以及监测数据的可靠性、准确性和及时性；其次将原来单一的GPS地面位移监测设备改进为GNSS地面位移监测设备、GN系列深部位移监测测斜仪和VWP系列地下水监测渗压计等多种设备，这样就能综合比对多方面的监测数据，从而提高监测预警系统预报的实时性、智能性和可靠性等。