CN102829842B - 一种泥石流泥位测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥石流泥位测量装置及方法。针对现有技术中利用无线测量传感器测量泥石流泥位技术中将无线测量传感器安装在泥石流沟道正上方造成的诸多技术缺陷，本发明提供了一种利用无线测量传感器测量泥石流泥位的装置。该装置将无线测量传感器安装在泥石流沟道侧岸，从发射点同时发出多根倾角不同的测量线，同时结合沟道地形特征对测量线倾角设置进行优化。本发明还提供一种利用上述装置实现的泥石流泥位测量方法，该方法通过测量装置获取数据，经插值计算与三角计算确定泥位值。本发明装置省略了现有测量装置中最易损坏且严重影响测量精度的结构，节约了测量系统成本，通过配合计算方法，提高了测量精度，特别适用于工程领域的需要。

Description

一种泥石流泥位测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种泥位测量装置及方法，特别是涉及一种泥石流多点泥位测量装置及方法，属于水利工程测量测试领域。

背景技术

泥石流的泥位（也称为泥深）是指泥石流运动时，从泥面某点到它在底床对应的垂直投影点的距离。泥位是泥石流的一个非常关键的参数，可用于计算泥石流的流速和规模等。通过监测泥位的连续动态变化指标，还可分析泥石流的发生与运动变化。泥石流的工程设计、运动计算和监测预警中都需要准确的泥位值。泥石流泥位测量通常有3类方法，分别是泥痕观测法、泥位标尺法与无线测量传感器泥位计测量方法。其中，传感器泥位计测量方法是在泥石流通过的沟道上空悬挂超声波/激光传感器，通过测量发射超声波/激光的回波时间来测量泥石流的泥位。该方法可用于测量泥石流泥位的连续动态变化值，是目前使用最广泛的方法。

发表在1987年第04期《山地学报》的“超声波仪在泥石流泥位测试中的应用”一文公开了传感器泥位计测量方法及其系统的技术方案。该测量系统将无线测量传感器（超声波/激光）安装在泥石流观测断面的缆道上，泥石流未发生时，传感器测得的是沟床表面高程（常数），一旦有泥石流通过，传感器测得的数据就是泥石流体的表面高程。用沟床表面高程减去泥石流体表面高程，就是泥石流流动时的泥深。测量系统中的传感器可根据主流的游动情况随时调整测点的水平位置，并可根据沟槽的冲淤情况适当地调整换能器到沟底的高度。目前在泥石流研究领域，泥位测量依然延续这一技术方案的主体内容，即将无线测量传感器安装在泥石流沟道的正上方。

现有的测量系统及方法在实际应用中至少存在三方面不足：一、由于需要将无线测量传感器安装在泥石流沟道的正上方，因此需要在沟道两岸同时架设支架并连接横梁/缆绳，或者在沟道一侧岸架设支架以及很长的悬臂。这样的悬臂或横梁/缆绳受风的影响较大，容易晃动，使得传感器随着摇摆，严重影响泥位的测量精度；二、泥石流龙头的高度往往4-5m，且运动时石块、泥浆向上飞溅。为了避免被泥石流撞到，传感器安装在沟道正上方时，悬臂或横梁/缆绳都必须架设到很高的位置，极大增加了设计与安装成本；三、距离地面很高的悬臂或横梁/缆绳容易受环境条件影响而损坏、损毁，造成测量系统使用维护成本高。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种结构简单，能够有效防止恶劣环境干扰，且节约安装运行成本的泥石流泥位测量装置与测量方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种泥石流泥位测量装置，包装立柱与安装在立体上的无线测量传感器，其特征在于：所述立柱垂直固定在泥石流沟道的一侧，立柱所在的沟道横截面为平面α；所述无线测量传感器2能够从发射点A发射出n条倾角θ不相同的测量线，所有测量线位于平面α内，n≥2。

上述测量装置将测量高程的无线测量传感器集中安装在泥石流沟道的一侧，去除了传统测量装置中最容易受到环境影响甚至损坏的跨越沟道的横梁或长（悬）臂，有效降低了装置受损风险，提高了装置在恶劣天气条件下的测量精度，提高了工作效能。装置的传感器探头从同一点发出的多根测量线均位于同一平面内。为了简化后期计算，该平面是立柱所在的泥石流沟道的横截面。

本发明还提供利用上述测量装置实施的泥石流泥位测量方法，具体技术方案如下：

一种泥石流泥位测量方法，其特征在于：依照如下步骤进行：

步骤S1、安装泥石流泥位测量装置

在泥石流流过的沟道一侧，垂直安装立柱，确定立柱所在的沟道横截面为平面α，立柱上安装无线测量传感器；无线测量传感器从发射点A发出倾角θ不同的n条测量线，n≥2，所有测量线都位于平面α内，并将平面α划分为n＋1个区间；

步骤S2、测量记录

现场测量，以泥石流沟道底床的最低点为基准点B，记发射点A到基准点B的垂直距离为H；n条测量线的倾角分别记为θ₁,θ₂，......θ_n；无泥石流通过时，n条测量线从发射点A至底床的斜距记为L₁,L₂，......L_n；当泥石流通过时，n条测量线从发射点A至泥面的斜距记为l₁,l₂，……l_n；

步骤S3、泥位计算

步骤S31、依式1计算每根测量线与底床交点距立柱1的平距x₁,x₂,……x_n

x_i＝L_isinθ_i    式1

步骤S32、依式2计算每根测量线与泥面交点距立柱1的平距X₁,X₂，......X_n

X_i＝l_isinθ_i    式2

步骤S33、计算每根测量线与底床交点处的泥位H₁,H₂，……H_n

判断每根测量线与底床交点在泥面投影点在平面α内所对应的区间，并通过线性插值计算每根测量线与底床交点处的泥位H_i，具体是假设第j根测量线的平距X_j符合条件x_i<X_j<x_i+1，则认为该测量线底床交点在泥面投影点落入第i个区间，该测量线与底床交点处的泥位H_j通过式3、式4求得：

$h^{\&prime;}=h_i+\frac{X_j+x_i}{x_{i+1}-x_i}(h_{i+1}-h_i)$ 式3

H_j＝H-h′-l_j cosθ_j    式4。

泥位是从泥面某点到它在底床对应的垂直投影点的距离。在现有技术中，当无线测量传感器安装在泥石流沟道正上方时，测量线均与泥石流沟道底床垂直，可以方便测量得到传感器探头到底床的高程，再测量得到该传感器探头到泥面的高程，两个高程数据相减则很容易获得对应的泥位值。但当无线测量传感器均以倾斜角度发出测量线时，由于底床坡度影响，则无法通过测量值间的换算获得对应的泥位值（具体技术问题请见实施例三说明）。这些技术问题的存在正是泥石流泥位的无线传感器测量技术发展近20年来，尽管安装在泥石流沟道正上方的测量装置存在测量精度不理想、用材成本高、安装费用高、损坏风险高等诸多问题，但却一直未被替代的原因。

本发明测量方法的技术原理是：当测量装置工作时，由无线测量传感器从侧向某一点位（发射点A）向泥石流沟道的同一横截面发出倾角不相同的n根测量线，并将平面α划分为n＋1个区间，对沟道或泥石流体进行多点测量，以获得足够的数据计算泥位。获得的记录数据经线性插值计算与三角计算最终确定测量线与泥石流泥面交点的泥位值。

上述测量方法中，为保证测量精度，测量线数量n≥W/2根，W为沟道宽度，单位m。

实际的沟道底床断面形状往往起伏不平，再加之线性插值计算存在一定系统误差，会影响测量结果的精度。为了提高测量精度，上述测量方法可进行优化，将测量线的布置与沟道底床断面形状相结合，使充分数量的测量线与底床交点落与底床断面转折点重合，这样可以保证线性插值公式3的精度，减少计算误差。在实际测量中，首先利用全站仪、GPS或其他地形测量设备测量沟道横截面（α）的地形数据，得到底床的断面形态，标出断面上每个地形变化的转折点T；其次由转折点到立柱的平距反推该点测量线应当具备的倾角θ；最后根据每一个转折点反算的倾角θ值确定每一根测量线倾角，并布置测量线。

上述泥石流泥位测量装置与方法同样适用于水位的测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：技术方案采用侧向测量技术，简化了硬件结构，节约测量系统成本；测量装置抗环境干扰能力增强，能够有效防止泥石流龙头的冲击，野外适应性广，可以适应泥位变化幅度较大的情况；有效避免了传统测量系统中测量传感器在测量过程随长梁、悬臂发生的抖动现象，增加了测量精度。

附图说明

图1是测量装置安装示意图。

图2是测量记录示意图。

图3是线性插值计算示意简图。

图4是实施例二测量记录示意图。

图5是侧向测量泥石流泥位的技术问题示意图。

附图中的数字标记分别是：

1立柱    2无线测量传感器

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1～3所示，在某泥石流沟道安装测量装置，应用本发明方法测量泥石流泥位。

步骤S1、安装泥石流泥位测量装置

图1是测量装置安装示意图。在泥石流流过的沟道一侧，垂直安装立柱1，立柱1高5～6m，根据立柱1位置确定平面α。立柱1上安装无线测量传感器2，无线测量传感器2从发射点A发出不同倾角的n条测量线，n≥2，所有测量线都位于平面α内，并将平面α划分为n＋1个区间。

为保证测量精度，测量线数量n≥W/2根，W为沟道宽度，单位m。

步骤S2、测量记录

图2是测量记录示意图。现场测量，以泥石流沟道底床的最低点为基准点B，记发射点A到基准点B的垂直距离为H；n条测量线的倾角分别记为θ₁,θ₂，......θ_n；无泥石流通过时，n条测量线从发射点A至底床的斜距记为L₁,L₂，......L_n；当泥石流通过时，n条测量线从发射点A至泥面的斜距记为l₁,l₂,……l_n。

步骤S3、泥位计算

步骤S31、计算每根测量线与底床交点距立柱1的平距x₁,x₂，......x_n

x_i＝L_isinθ_i    式1

步骤S32、计算每根测量线与泥面交点距立柱1的平距X₁,X₂，......X_n

X_i＝l_isinθ_i    式2

步骤S33、计算每根测量线与底床交点处的泥位H₁,H₂，......H_n

图3是线性插值测算示意简图。判断每根测量线与底床交点在泥面投影点在平面α内所对应的区间，并通过线性插值计算每根测量线与底床交点处的泥位H_i。

假设第j根测量线的平距X_j符合条件x_i<X_j<x_i+1，则认为该测量线底床交点在泥面投影点落入第i个区间，该测量线与底床交点处的泥位H_j通过式3、式4求得：

$h^{\&prime;}=h_i+\frac{X_j+x_i}{x_{i+1}-x_i}(h_{i+1}-h_i)$ 式3

H_j＝H-h′-l_jcosθ_j    式4

实施例二

在某泥石流沟道安装测量装置，应用本发明方法测量泥石流泥位，其与实施例一相同之处不再重复，其不同之处在于：测量线的布置方法。

图4是测量记录示意图。测量装置安装前，首先获取底床断面截面的断面形态，确定底床表面线上的转折点T及其对应的倾角θ_t，在测量装置安装时，使充分数量的测量线与底床的交点落在底床断面转折点T上。

转折点T及其倾角θ的确定方法为：用全站仪、GPS或其他地形测量设备测得沟道横截面（α）上q个点的坐标(x_t，h_t)，t从1到q；记有向线段T_tT_t-1(x_t-x_t-1,h_t-h_t-1)与有向线段T_tT_t+1(x_t+1-x_t，h_t+1-h_t)的夹角为β。若β∈(90°,135°)或β∈(225°,270°)，则确定点T_t为转折点，该点倾斜角 $\mathrm{\&theta;}=\arctan \frac{H-h_t}{x_t}.$

将测量线的倾斜角设置为θ，使测量线与底床的交点与T_t重合。

实施例三

本实施例说明现有技术无法实现侧向测量泥石流泥位的技术问题。

如图5所示：以泥面上点F为例，F点泥位值指泥面某点到其在底床对应的垂直投影点的距离，即为图1中距离a₂。

采用现有测量方法：在泥石流发生前，测量线记录距离AE值，当泥石流发生时，测量线记录距离AF值，两距离值相减得到距离EF值，再经三角函数计算能够得到a₁值。但由于泥石流沟道底床存在坡度，并且坡度变化不定，因此a₁值并非泥面F点对应的泥位值。真正的泥位值a₂无法测量确定。

Claims (7)

1.一种泥石流泥位测量装置，包括立柱(1)与安装在立柱(1)上的无线测量传感器(2)，其特征在于：所述立柱(1)垂直固定在泥石流沟道的一侧，立柱(1)所在的沟道横截面为平面α；所述无线测量传感器(2)能够从发射点A发射出n条倾角θ不相同的测量线，所有测量线位于平面α内，n≥2；所述测量线倾角θ的确定方法为：用全站仪、GPS或其他地形测量设备测得沟道横截面α上q个点的坐标(x_t,h_t)，t从1到q；记有向线段T_tT_t-1(x_t-x_t-1,h_t-h_t-1)与有向线段T_tT_t+1(x_t+1-x_t,h_t+1-h_t)的夹角为β；若β∈(90°,135°)∪(225°,270°)，则确定点T_t为转折点，点T_t倾斜角将测量线的倾斜角设置为θ，测量线与底床的交点与T_t重合。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：测量线数量n≥W/2根，W为沟道横截面宽度，单位m。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：将测量线的布置与沟道底床断面形状相结合，使充分数量的测量线与底床的交点与底床断面转折点重合。

4.一种泥石流泥位测量方法，其特征在于：依照如下步骤进行：

步骤S1、安装泥石流泥位测量装置

在泥石流流过的沟道一侧，垂直安装立柱(1)，确定立柱(1)所在的沟道横截面为平面α，立柱(1)上安装无线测量传感器(2)，无线测量传感器(2)从发射点A发出不同倾角的n条测量线，n≥2，所有测量线都位于平面α内，并将平面α划分为n+1个区间；

步骤S2、测量记录

以泥石流沟道底床的最低点为基准点B，记发射点A到基准点B的垂直距离为H；n条测量线的倾角分别记为θ₁,θ₂,……θ_n；无泥石流通过时，n条测量线从发射点A至底床的斜距记为L₁,L₂,……L_n；当泥石流通过时，n条测量线从发射点A至泥面的斜距记为l₁,l₂,……l_n；

步骤S3、泥位计算

步骤S31、依式1计算每根测量线与底床的交点距立柱(1)的平距x₁,x₂,……x_n

x_i＝L_isinθ_i    式1

步骤S32、依式2计算每根测量线与泥面的交点距立柱(1)的平距X₁,X₂,……X_n

X_i＝l_isinθ_i    式2

步骤S33、计算每根测量线与底床的交点处的泥位H₁,H₂,……H_n

判断每根测量线与底床的交点在泥面投影点在平面α内所对应的区间，并通过线性插值计算每根测量线与底床的交点处的泥位H_i；具体是假设第j根测量线的平距X_j符合条件x_i<X_j<x_i+1，则认为该测量线底床的交点在泥面投影点落入第i个区间，该测量线与底床的交点处的泥位H_j通过式3、式4求得：

$h\text{'}=h_i+\frac{X_j-x_i}{x_{i+1}-x_i}(h_{i+1}-h_i)$     式3H_j-H-h'-l_jcosθ_j    式4。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：测量线数量n≥W/2根，W为沟道横截面宽度，单位m。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于：将测量线的布置与沟道底床断面形状相结合，使充分数量的测量线与底床的交点与底床断面转折点重合。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述测量线的布置方法为：用全站仪、GPS或其他地形测量设备测得沟道横截面α上q个点的坐标(x_t,h_t)，t从1到q；记有向线段T_tT_t-1(x_t-x_t-1,h_t-h_t-1)与有向线段T_tT_t+1(x_t+1-x_t,h_t+1-h_t)的夹角为β；若β∈(90°,135°)或β∈(225°,270°)，则确定点T_t为转折点，点T_t倾斜角将测量线的倾斜角设置为θ，测量线与底床的交点与T_t重合。