泥位计监测站在泥石流监测预警中的应用

泥位计监测站在泥石流监测预警中的应用

刘宇, ,赵红云

云南地质工程第二勘察院有限公司 云南 大理 671000

摘要：我国是世界上地质灾害最严重、发生频率最高和造成损失最大的国家之一。据不完全统计，建国以来全国共遭受各类自然灾害260多万次，直接经济损失达5.8万亿元人民币；因灾死亡失踪人数约37万人，倒塌房屋419万间，农作物受灾面积近2亿亩。其中滑坡、崩塌、泥石流等突发性地质灾害占总数的80%以上。因此，对于泥石流进行有效地预测预报显得尤为重要。目前，国内外常用的泥石流监测方法有：地面调查法、遥感解译分析法、数值模拟计算法以及模型试验研究法等。这些方法都各有优缺点，但由于其各自存在一定局限性，不能满足实际工作需求。本文选取了泥位计监测站在泥石流监测预警中的应用作为研究课题，旨在探讨泥位计监测站在泥石流监测预警中的应用技术过程和方法，并给出实施建议[1]。

关键词：泥位计监测站；泥石流；监测预警

引言

目前，地质灾害监测工作主要依靠群测群防员的人工巡查和简易监测，专业化和信息化程度较低，迫切需要运用新技术装备手段用于监测预警。但由于受到成本过高、稳定性差、运行维护难度大、标准不统一等诸多方面的影响，现有监测预警装备产业化水平较低，难以适应新时期地质灾害防治需求。

对地质灾害隐患点进行地质灾害监测预警体系建设，开展方案设计、安装布设与运行维护，提供实时监测数据与预警技术支撑服务；基于物联网平台实现部-省-市-县监测数据互联互通，开展窄带物联网与北斗卫星基准站网数据融合应用；对设备性能可靠性、安装部位合理性、预警有效性及综合性价比等进行系统试用与动态优化，有效支撑专群结合地质灾害监测预警工作。

按照“统一标准、各级协同、市场参与、动态管理”原则， 创新创立地质灾害监测预警体系的建设、管护、运行、研 判、发布模式与行政管理体制和运行机制，有力有效构建和完善大理州地质灾害监测预警网络体系。解决地质灾害监测预警技术水平低、设备落后、信息发布不及时等问题，普及专业监测设备安装应用，达到专业监测与群测群防相结合的新局面，使地质灾害监测预警水平达到新的高度，满足地质灾害新形式下监测预警新要求。

泥位监测站在泥石流监测中有着举足轻重的作用，通过对沟内泥水位高低的研判，配合上游雨量监测及下游视频监测，对泥石流沟是否真正暴发泥石流提供有利的判据。

一、泥位计监测站总体方案设计

1.1泥位计监测站的硬装设计

泥位计监测站应选取能客观、准确反映沟道内泥石流泥水位变化特征、监测断面规则、沟床稳定的沟段。超声波雷达泥水位计是一种用来监测泥石流沟泥水位变化的设备，它利用了超声波测距的原理，即雷达向泥石流沟底发射超声波,同时开始计时,碰到泥石流沟底就立即返回,雷达收到反射波就立即停止计时。根据发射和接收的时间差，再乘以速度，就可计算出雷达到泥石流沟底的实际距离。当然，我们平台上看到的是这个距离的变化量，不是实际值。也因为这个原理，它的准确性是容易受到现场环境变化的影响的，比如恶劣天气（雨雪）、周边植被以及过往的人畜等等，分析的时候要结合环境加以排查。

1.2泥位计监测站的软装设计

  泥位计监测站采用脉冲相参雷达（PCR）技术，用毫米雷达波作为载波信号，通过复杂的信号识别算法实现了毫米级的测量精度，优化的消浪滤波设计，使测量结果更加稳定。

1.3泥位计监测站的功能分析

 泥位计监测站具备以下特点：

（1）测量范围大，监测精度高；数据测量精度达到毫米级。

（2）采用触发+定时两种数据采集机制，非接触式测量、低功耗、高可靠性、免维护，可避免蜘蛛结网、虫蚁筑巢导致的跳数和采集误差。

（3）手机APP可现场进行参数调整和设置，支持远程程序安装、升级，支持远程参数配置、远程加密采集。

（4）多种工作模式：周期、休眠、自动；实时长传数据上报频率，可调整，阈值触发自动加报，达到阈值实时启动本地预警。

（5）具有防雷保护，侵入水中能正常工作。

（6）安装方便：泥位计监测站可根据需要灵活部署于任意位置，仅受沟道和光照限制。

（7）可实现与预警广播之间的本地组网，支持HTTP、自然资源部地质灾害技术指导中心MQTT等协议。

（8）支持全网通、NB-loT、loRa、北斗等通信模式，通讯稳定可靠。

1.4泥位监测站优势分析

（1）基于毫米波射频芯片，实现更紧凑的射频架构，更高的信噪比，更小的盲区。

（2）工作带宽较大，使泥位监测站拥有更高的测量分辨率与测量精度。

（3）天线波束角较窄，安装环境中的干扰对仪表的影响更小，安装更为便捷。

（4）一体化透镜设计，体积精巧。

二、泥位计监测站在泥石流监测预警中的应用

2.1 泥位监测站应符合以下要求

（1）根据监测精度需求选择监测仪器设备。在满足监测精度的前提下，宜选用运行可靠、功能简约、性价比高、安装便捷、易于维护、可实现智能预警的监测设备。

（2）监测设备应具备接收未来24小时地质灾害气象预警预报数据能力，并根据预警等级动态调整采样与上传频率等运行参数，且具备双向控制功能，适应监测需求。

（3）监测设备应具有良好的稳定性和可靠性，适应监测点的地质环境条件，具备防雷、

防水、防尘及耐高低温等基本性能。

（4）监测设备应经过具有法定计量测试资质的机构校准或标定合格，且校准记录和标

定资料齐全，并应在规定的校准有效期内使用。

（5）设备原则上以内置高性能电池供电为主。采用太阳能供电的仪器设备，配套的蓄电池容量必须保证监测设备在无日照条件下至少连续工作30天，在久雾久雨及日照率小于30%的地区适当增大容量，太阳能电池板功率应与蓄电池容量匹配。采用一次性电池供电的低功耗仪器设备，在1小时采集和上报一次的工作频率下，应保证电池至少能供设备正常工作1年（即电池更换周期为1年）。

2.2泥位监测站位置的选取

（1）泥位计监测点应选取能客观、准确反映沟道内泥石流泥水位变化特征、监测断

面规则、沟床稳定的沟段。

（2）监测站点布设应避开以下位置：

①地势低洼，易于积水淹没之处。

②埋设有地下管线处。

③位置隐蔽，信号不佳处。

2.3泥位计监测站的基础安装要求

（1）对采用地埋件安装立杆的监测设备，采用钢筋混凝土基础，上端为地脚螺栓螺纹，下端为防拔结构；在保障稳定性需求前提下，可采用预埋箱、地插胀杆等新型绿色安装方式；地埋件应保持水平，上端与监控立杆法兰盘应可靠配合。

（2）对采用混凝土浇筑安装立杆的监测设备，2m立杆高度时混凝土底座长×宽×深不小于500mm×500mm×600mm，3m立杆高度时混凝土底座长×宽×深不小于600mm×600mm×800mm，5-6m立杆高度时混凝土底座长×宽×深不小于800mm×800mm×1000mm。

（3）对于地插胀杆式的新型安装方法，应保证钻孔直径不小于5cm，地插部分长度不小于60cm，地插深度不小于60cm。并采用原位土活泥浆填充空隙，保证仪器安装稳定。

（4）监测基础地面平台长、宽不小于400mm，露出地面高度不小于200mm。

（5）采用悬挂安装的仪器设备，应配备仪器安装背板，并安装不少于3颗φ6mm 的膨胀螺钉固定。

（6）需要采取避雷措施的泥位监测站，基础施工时应预先埋入接地电极。

2.4泥位计监测站的设备安装要求

（1）泥位计立杆和横杆管径应分别≥140mm、76mm，管壁厚度≥4mm，支撑杆管径和长度视实际需求而定，要求雷达泥水位计晃动幅度不超过精度范围。

（2）需配备太阳能电池板的仪器设备，应将太阳能支架固定在立杆上，并确保太阳能板受力均匀，朝向为南向。

（3）采用外置传输天线的设备应通过机箱预留开孔固定在机箱外侧。

（4）设备安装完成后，应整理接线，收纳美观。对安装的所有监测仪器支架进行接地电阻测试，达到防雷设计规范。

（5）设备安装完成后，现场应统一安装普适型地质灾害监测仪器标识，仪器设备二维码应刻蚀、印刷或贴于仪器外壳明显处，并防止损毁。

三、工程实例

洱源县凤羽镇兰林河泥石流流域内松散固体物源储量丰富，松散物储量丰富约792.92万m3，可移动方量约61.31万m3，沟床纵坡降大，已有谷坊坝已满库，其拦蓄物源的功能丧失，排导槽的排沙压力增大，流域内依然有较多物源参与泥石流活动。鉴于该泥石流的爆发频率及沿岸、沟口村庄密集，在连续强降雨时易造成危害，有必要对其开展专业监测工作。

设计中上游设置2个雨量监测站，在兰林村上游1.5km的支沟内设置2个雷达泥位监测站，在铁甲村上游1.5km处设置1个雷达泥位监测站，在兰林村上游沟口处设置1个视频监测站，兰林村、铁甲村附近设置2个无线预警广播站。

四、效果分析

2021年9月13日，洱源县普降大雨，专业监测技术人员收到兰林河泥石流蓝色～红色预警短信通知，触发红色预警后，预警广播进行了播报，群测群防人员巡视后发现水位暴涨，将险情上报至村、镇，在发生大规模泥石流前转移铁甲村村民540人。通过分析地质灾害监测预警管理系统降雨量，泥水位变化数据，监测系统平台预警信息准确，成功进行预报，使铁甲村村民成功避险。

三、结束语

泥位计监测站具有自动采集、实时传输数据功能，能满足现场对泥石流沟内泥水位的监测要求；安装简单、方便，使用成本低；并能与预警广播本地组网发出预警，提醒沟岸农户注意安全；支持远程监测、短信预警等多种方式进行预警。该设备安装在地泥石流沟流域中游，对沟道内的泥水位进行实时监测，实现泥石流预警功能。泥位计监测站将为防灾减灾工作提供有力的数据支撑。随着社会发展和技术进步，泥位计监测站还可根据需要，进一步加强其预警功能和自动控制功能。泥位计监测站作为一种新型监测预警设备已经广泛应用于泥石流地质灾害监测预警领域。我们期待泥位计监测站在配合其它监测设备后发挥更大的作用。

参考文献：

［1］阮开陆，李晓梅，刘宇.云南省2020年度大理州地质灾害监测预警体系建设（总承建）A包（大理市、祥云县、剑川县、鹤庆县、宾川县、永平县、洱源县）实施方案.云南地质工程第二勘察院，2021

年1月.