CN104598737A - 泥石流预报方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥石流预报系统及预报方法，包括硬件网络监测系统、软件网络判定系统和预报系统，首先对泥石流监测现场进行钻探和取样，在符合泥石流发生条件的监测现场设置硬件网络监测系统，通过雨量计实时实地记录坡面内的雨强、雨量，通过网孔内的次声波发生器和电磁波发生器在物源位移时发出信号，软件网络判定系统通过远程通讯手段接收到泥石流监测现场传输的数据之后，计算位移量、结合气象预报数据中的未来降雨信息，与警报阈值进行比较，当符合预报条件时则通过预报系统发出预报信息。本发明提供了科学的泥石流预报系统和方法，综合泥石流监测现场各项数据，在泥石流发生之前发出预警信息，为附近人员争取疏散时间，避免造成重大损失。

Description

泥石流预报方法及系统

技术领域

本发明属于泥石流信息监测与预报技术领域，具体涉及一种能够进行泥石流预报的方法及预报系统。

背景技术

泥石流一般发生在山区或者其他沟谷深壑，地形险峻的地区，主要成因由暴雨或强降雨引发山洪暴发，泥石与洪水混在一起形成的液固两相流，且固体物质处于超饱和状态，在水流冲力和重力作用下造成了水、土、砂、石混杂着向前涌动。泥石流灾害形成后其破坏力大，淤积河道，阻塞江河，中断交通，毁坏农田房屋，甚至摧毁城镇，造成巨大损失。

为了防止形成更大危害，目前已经建立了泥石流预警系统，通过监测手段在泥石流开始发生后，向泥石流可能冲击的地区发出警报，提醒民众撤离，并能够在第一时间通知相关人员紧急投入抢险救灾。但现有的预警系统只能在泥石流发生后才能发出警示信息，而泥石流的冲击速度极快，得到警示后当地人员往往没有充足的时间进行紧急应对，因此预警效果通常并不理想。当下，尚欠缺在泥石流灾害发生前进行有效预报的相关系统和方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种泥石流预报方法及预报系统，能够在泥石流灾害发生前发出警报信息。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明还提供了一种泥石流预报方法，包括如下步骤：

步骤1，对泥石流监测现场进行钻探，测量能够产生位移的物源的表面积、深度，计算物源体积，测量物源所在山体的坡度角和泥石流可能行进的泻出坡面的倾斜角，对物源进行取样，实验测定物源摩擦角；

步骤2，在符合泥石流发生条件的监测现场设置硬件网络监测系统，在坡面或坡顶设置雨量传感器，在物源内钻纵横网孔，所述网孔形成立体网格，每个孔洞内均埋设有次声波发生器和/或电磁波发生器；

步骤3，泥石流监测现场数据采集和传输：

雨量计实时实地记录坡面内的雨强、雨量，以电信号形式远程传输至软件网络判定系统；

次声波发生器受坡面内物源位移压迫后，将物源位移产生的次声波放大后，进行远程传输，

和/或

电磁波发生器受坡面内物源位移压迫后，压电材料产生电量，产生电磁波，通过卫星或通讯基站传输；

步骤4，软件网络判定系统接收到泥石流监测现场传输的数据之后，进行计算，并结合气象预报数据中的未来降雨信息，并与警报阈值进行比较分析，当符合预报条件时则通过预报系统发出预报信息。

进一步的，所述步骤2中条件是指泥石流可能行进的泻出坡面的倾斜角在3°～22°之间，且坡度角大于最大稳定坡角，且物源达到一定的体积量。

进一步的，所述步骤4中计算过程为分别根据各个网孔传送出的次声波信号和电磁波信号强度进行计算，得出位移量。

进一步的，所述步骤4中预报条件包括雨量条件和位移量条件中的至少一种，

所述雨量条件为：总体雨量超过所述物源面积对应的物源体积在安全范围内能够吸收的雨水总量上限阈值，并且气象预报数据中的未来降雨量超过预先设定的阈值；

所述位移量条件为：监测到物源位移的网孔数量超过预先设定的阈值。

本发明还提供了一种能够实现上述预报方法的泥石流预报系统，包括硬件网络监测系统、软件网络判定系统和预报系统，所述硬件网络监测系统设置在泥石流监测环境坡面上，包括雨量计、次声波发生器和/或电磁波发生器，所述雨量计设置在坡面表面上，坡面中设置有纵横网孔，每个网孔内均埋设有次声波发生器和/或电磁波发生器，次声波发生器能够在物源位移时发出次声波信号，电磁波发生器能够在物源位移时发出电磁信号；所述软件网络判定系统包括运算模块、数值分析模块、次声波发生器和/或电磁波发生器，运算模块用于根据接收到的各个网孔内传送出的次声波信号和电磁波信号，分别进行计算后得出位移量，数值分析模块用于综合泥石流监测现场传送来的雨量数据、降雨预报数据和位移量数据进行分析判断，当达到泥石流预报条件后通过预报系统发出泥石流预报信息。

与现有技术相比，本发明提供了科学的泥石流预报系统和方法，有效综合泥石流监测现场的各项数据，能够在泥石流发生之前发出预警信息，为附近人员争取疏散时间，并能提醒相关部门及早采取应对措施，避免泥石流造成重大损失。

附图说明

图1为泥石流预报系统结构示意图；

图2为泥石流监测现场网孔设置示意图；

图3为泥石流监测现场示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

要实现泥石流的精确预报，必须要深入分析产生泥石流的必要和充分条件，这就需要从泥石流的成因出发。泥石流成因是物源(特定流域内岩土体)由于岩土力学、水力学的变化，积聚强大的势能，从而导致该物源失稳位移。具体说来：地形地貌、沟涧、植被、坡度、物源的体积量，这些表征是形成泥石流势能积聚条件。本发明中的物源是指能够位移的泥土、砂石等物质，而不包括位置稳固的基岩。而物源发生位移后，也必须要具有能够让物源产生大规模运动的环境，这样的滚动环境须有一定的倾斜角坡度和滚动距离。更为具体地说，泥石流的产生与所处位置的地理环境中物源所在山体的坡度以及物源位移后进行滚动的泻出坡面或沟壑的斜度密不可分，这也是泥石流产生的充分条件。此外，在一般的自然条件下泥石流的发生还具备一个极其关键的必要条件：雨量。很显然，在一般的自然条件下(在本发明中不考虑突发意外——如决堤导致的泥石流)，要有足够的雨量使物源达到饱和层水压梯度临界值才会令物源失去平时的相对稳定状态，在此基础上，还需要明确在未来的一段时间内还会发生一定时间的持续降水，否则即使物源中含水量已经饱和，但降雨已经停止也不会发生泥石流，这就意味着物源现场的未来气象数据也必须结合到泥石流的成因之中。在实验中我们发现，如果光凭当地环境坡度和雨量进行泥石流的预报，准确率并不令人满意，这就会造成不必要的人力物力浪费。经过多年来对泥石流发生前后数据的监测，我们选取了其中相对容易测定和量化的参数进行采集，并和实际结果进行比对之后发现，在具备上述充分和必要条件之外，更为关键的是，物源还需要确实产生一定的位移。因此，还需要精确采集当地物源的位移数据并传输至后台，结合前述必要和充分条件进行综合判断后才能够实现较为精确的泥石流预报。当满足上述条件后，形成压力势能和重力势能的积聚迭加，导致物源体失稳产生位移，它们满足从一个质点M₀(x₀,y₀,z₀)沿坡面运动到另一个质点M₁(x₀+δxy₀+δyz₀+δz₀)，其运动半径一个微量。

基于上述分析和研究，如图1所示本发明提供了一种泥石流预报系统，包括硬件网络监测系统、软件网络判定系统和预报系统，硬件网络监测系统设置在泥石流可能发生的监测环境现场，软件网络判定系统应设置在远程后台数据中心，远程后台数据中心中应具有数据处理设备，安装有用于在本发明中进行运算、判断、控制的软件网络判定系统中的软件模块部分，泥石流监测环境现场设置的硬件网络监测系统能够将现场采集到的相关数据通过一定的通讯手段传输至软件网络判定系统，软件网络判定系统对接收到的数据进行计算和分析，当发现满足泥石流预报条件时则向预报系统传送数据，预报系统能够通过各种通讯手段发出泥石流预报信息。进一步的，本系统还可以包括中央处理器，作为泥石流预报系统神经元中枢，负责管控、指令调度，用于管控硬件网络监测系统、软件网络判定系统和预报系统。中央处理器监控各个系统接收和发出的数据，硬件网络监测系统将数据传输至中央处理器，中央处理器对数据进行一定的预处理后再将数据传输至软件网络判定系统，软件网络判定系统的判定结果也可以先传送至中央处理器中，由中央处理器启动预报系统进行泥石流预报。

具体地说，硬件网络监测系统包括雨量计、次声波发生器、电磁波发生器，雨量计能够测量出一段时间内泥石流检测现场的降雨量和雨强，次声波发生器、电磁波发生器可以在物源发生位移时发出信号，软件网络判定系统接收次声波发生器发出的次声波信号和电磁波发生器发出的电磁信号，并根据信号强度计算出位移量。只有达到一定体积量的物源都产生位移才可能产生泥石流，因此，如图2所示，我们在一定体积的物源内设计纵横网孔，这些网孔形成立体网格，每个网孔内均埋设有次声波发生器和电磁波发生器，埋设装置后网孔用当地物源填充，次声波发生器和电磁波发生器能够监测足够面积和足够深度的物源位移状况。域面内纵横网孔设置是根据物源的地质构造、坡度角大小设计的。纵向孔距、孔数、孔深设计，是依据物源侵透性决定的，近坡顶处孔深较浅，向坡底延伸孔深逐渐加大，通常孔深设计在-500mm～-2500mm。横向孔距、孔数是依据泥石流形成的最小物源体量决定的。

相对次声波发生器而言，电磁波发生器对物源位移较为敏感，我们对泥石流监测A地物源进行取样，模拟当地坡度环境，并在物源下埋设电磁波发生器和次声波发生器，采用人工降雨手段令物源产生移动，我们发现，位移超过3mm时，电磁波发生器能够发出信号，随着位移增大，电磁波信号强度不变；当位移超过5mm时次声波开始发射信号，位移增大时，次声波信号逐渐增大。考虑到软件网络判定系统一般距离泥石流发生现场较远，当位移超过10mm时，次声波才能够达到足够覆盖一定距离的发射功率。为了达到较为精确的监测效果，网络内优选同时埋设次声波发生器和电磁波发生器，但根据实际条件本领域内技术人员可以采用其一进行物源位移的监测。由于次声波会绕过阻碍物，具有较长的传输距离，应作为优选项。

与现场埋设次声波发生器和/或电磁波发生器相对应，软件网络判定系统也要设置次声波接收器和/或电磁波接收器来接收泥石流监测现场发出的次声波信号和电磁波信号——多个网孔内的次声波发生器和/或电磁波发生器传输来的信号代表了一定体积的物源已经移动从而产生了形成泥石流的先决条件。同时，软件网络判定系统能够接收泥石流监测现场设置的雨量计传输来的雨量、雨强数据，并能够获得气象预报数据中关键的未来降雨信息。软件网络判定系统还包括运算模块和数值分析模块，运算模块用于根据接收到的各个网孔内传送出的次声波信号和电磁波信号，分别进行计算，得出位移量，数值分析模块用于综合泥石流监测现场传送来的雨量数据、降雨预报数据和位移量数据，当发现所有数据均超过预先设定的警报阈值或有某一数据超过预先设定的警报阈值时，则通过预报系统向信息传输渠道——如广播、电视、微博、手机短信、警报器及时向相关人员发出泥石流预报信息。例如：当分析得出物源的位移达到临界状态时，根据域面内的气象报告，当地雨量和雨强将仍保持几小时，在这种态势下，通过预报系统及时发出泥石流预报指令，通常预报提前1～2小时，视域面内的人口密度、道路通畅情况而定。预报系统与信息发布渠道建立连接，属于现有技术，在本发明不再赘述。

基于上述系统，本发明还提供了一种泥石流预报方法，包括下述步骤：

步骤1，对泥石流监测现场进行钻探，测量能够产生位移的物源的表面积、深度，计算物源体积，测量物源所在山体的坡度角和泥石流可能行进的泻出坡面的倾斜角，对物源进行取样，实验测定物源湿润状态下的摩擦角，并模拟当地坡度环境，测量相同坡度下的取样物源能够产生位移时吸收的单位雨水量，从而计算现场一定体积物源在安全范围内能够吸收的雨水总量上限。在山坡上能够产生位移泥石流监测环境现场如图3所示，物源所在的山坡地面上覆盖有能够形成位移的物源，物源下为坚实稳定的基岩，山坡的坡度角为β，山坡旁为物源滑下后的持续滚动的泻出坡面，泻出坡面的倾斜角(即图2中龙头角)为λ，当然，如果山坡足够长该泻出坡面也可能为山坡本身。能够形成泥石流的监测地点泻出坡面的倾斜角λ要在3°～22°之间，并对坡度角也有要求。图2中坡面角为β，地表以下深度Z_w(紊流雨水面深度)处有紊流雨水面(紊流雨水面的深度可以通过实验测定，具体方法为利用采样装置在泥石流监测现场采样多处原状土，原状土采集深度与监测现场物源深度相同，在实验室中模拟当地坡度环境采用人工降雨方式在原状土上进行降雨，观测土壤截面上有雨水流出的土壤深度，即为紊流雨水面深度，应对多组原状土进行多次实验，取其平均值作为监测现场环境下的平均紊流雨水面深度)，它对应于深度为Z(物源深度)处的滑坡面，安全系数(SF)为：

$\mathrm{SF}=\frac{\mathrm{tg\θ}[(1-\frac{{\mathrm{\γ}}_w}{\mathrm{\γ}})+\frac{{\mathrm{\γ}}_w}{\mathrm{\γ}}\·\frac{z_w}{z}]}{\mathrm{tg\β}}...\left(1\right)$

式中：γ——砂土的容重

γ_w——紊流雨水的容重

θ——沙土的摩擦角

当安全系数SF＝1是，可得最大稳定坡角α，当β＝α时，则

$\mathrm{tg\α}=\mathrm{tg\θ}[(1-\frac{{\mathrm{\γ}}_w}{\mathrm{\γ}})+\frac{{\mathrm{\γ}}_w}{\mathrm{\γ}}\·\frac{z_w}{z}]...\left(2\right)$

从已发生的泥石流历史记载中可知坡度角在3°～30°，上式为常数，所以

$\mathrm{tg\α}=\frac{1}{2}\mathrm{tg\θ}(1+\frac{z_w}{z})...\left(3\right)$

通过上述公式可以计算最大稳定坡角α，当泥石流监测现场的坡度角β大于最大稳定坡角α，则表示该现场具备产生泥石流的一定条件。

步骤2，在符合泥石流发生条件的监测现场设置硬件网络监测系统，符合条件是指泥石流可能行进的泻出坡面的倾斜角λ在3°～22°之间，且坡度角β大于最大稳定坡角，且物源达到一定的体积量(应根据物源的种类设置不同的体积标准量)。在坡面或坡顶设置雨量传感器，在物源内钻纵横网孔，这些网孔均匀设置形成立体网格，能够监测足够面积和足够深度的物源位移状况，每个孔洞内均埋设有次声波发生器和/或电磁波发生器。此外，还需要架设软件网络判定系统并建立预报系统，软件网络判定系统包括次声波接收器和/或电磁波接收器，软件网络判定系统能够获取泥石流监测现场的气象预报数据。

步骤3，泥石流监测现场数据采集和传输：

雨量计实时实地记录坡面内的雨强、雨量，以电信号形式远程传输软件网络判定系统；

次声波发生器受坡面内物源位移压迫后，将物源位移产生的次声波放大后，进行远程传输。

电磁波发生器受坡面内物源位移压迫后，压电材料产生电量，产生电磁波，通过卫星或通讯基站传输。

步骤4，软件网络判定系统通过远程通讯手段接收到泥石流监测现场传输的数据之后，进行计算，并结合气象预报数据中的未来降雨信息，与警报阈值进行比较，当符合预报条件时即表示达到泥石流发生的临界状态，此时通过预报系统发出预报信息。

具体地说，预报条件包括以下几种，当发出预报时，下述条件应至少满足其中之一或全部满足：

①雨量条件：软件网络判定系统能够接收到泥石流监测现场的降雨量和降雨时间，从而计算出物源面积内降落的总体雨量，当总体雨量超过所述物源面积对应的物源体积在安全范围内能够吸收的雨水总量上限阈值(可以预先设定)，并且气象预报数据中泥石流监测现场的未来降雨量超过预先设定的阈值时，则表示符合雨量条件。

②位移量条件：软件网络判定系统接收到各个网孔内监测并传送出的次声波信号和电磁波信号，根据信号强度进行计算，得出位移量。泥石流监测地电磁波信号、次声波信号和位移量之间的关系应事先通过实验测得：首先对物源进行取样，模拟当地坡度环境，并在物源下埋设电磁波发生器和次声波发生器，采用人工降雨手段令物源产生移动，并测定能够产生电磁波信号的物源位移距离以及在发生不同移动距离时产生的次声波大小，记录数据并绘制图表，获得在泥石流监测环境下能够产生足以传递的电磁波信号的物源位移距离、以及次声波信号强弱和位移量之间的线性关系。当分别根据同一网孔中测得的次声波信号和电磁波信号计算出的位移量不一致时，应取其平均值。当监测到物源位移的网孔数量超过预先设定的阈值时，则表示有相当体积的物源开始移动，符合位移量条件。更进一步的，在判定产生位移数据的网孔数量基础上，还可以判定平均位移量，当平均位移量超过一定的预设阈值时，才表示符合位移量条件。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种泥石流预报方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，对泥石流监测现场进行钻探，测量能够产生位移的物源的表面积、深度，计算物源体积，测量物源所在山体的坡度角和泥石流可能行进的泻出坡面的倾斜角，对物源进行取样，实验测定物源摩擦角；

步骤2，在符合泥石流发生条件的监测现场设置硬件网络监测系统，在坡面或坡顶设置雨量传感器，在物源内钻纵横网孔，所述网孔形成立体网格，每个孔洞内均埋设有次声波发生器和/或电磁波发生器；

步骤3，泥石流监测现场数据采集和传输：

雨量计实时实地记录坡面内的雨强、雨量，以电信号形式远程传输至软件网络判定系统；

次声波发生器受坡面内物源位移压迫后，将物源位移产生的次声波放大后，进行远程传输，

和/或

电磁波发生器受坡面内物源位移压迫后，压电材料产生电量，产生电磁波，通过卫星或通讯基站传输；

步骤4，软件网络判定系统接收到泥石流监测现场传输的数据之后，进行计算，并结合气象预报数据中的未来降雨信息，并与警报阈值进行比较分析，当符合预报条件时则通过预报系统发出预报信息。

2.根据权利要求1所述的泥石流预报方法，其特征在于：所述步骤2中条件是指泥石流可能行进的泻出坡面的倾斜角在3°～22°之间，且坡度角大于最大稳定坡角，且物源达到一定的体积量。

3.根据权利要求1或2所述的泥石流预报方法，其特征在于：所述步骤4中计算过程为分别根据各个网孔传送出的次声波信号和电磁波信号强度进行计算，得出位移量。

4.根据权利要求1或2所述的泥石流预报方法，其特征在于：所述步骤4中预报条件包括雨量条件和位移量条件中的至少一种，

所述雨量条件为：总体雨量超过所述物源面积对应的物源体积在安全范围内能够吸收的雨水总量上限阈值，并且气象预报数据中的未来降雨量超过预先设定的阈值；

所述位移量条件为：监测到物源位移的网孔数量超过预先设定的阈值。

5.一种泥石流预报系统，其特征在于：包括硬件网络监测系统、软件网络判定系统和预报系统，所述硬件网络监测系统设置在泥石流监测环境坡面上，包括雨量计、次声波发生器和/或电磁波发生器，所述雨量计设置在坡面表面上，坡面中设置有纵横网孔，每个网孔内均埋设有次声波发生器和/或电磁波发生器，次声波发生器能够在物源位移时发出次声波信号，电磁波发生器能够在物源位移时发出电磁信号；所述软件网络判定系统包括运算模块、数值分析模块、次声波发生器和/或电磁波发生器，运算模块用于根据接收到的各个网孔内传送出的次声波信号和电磁波信号，分别进行计算后得出位移量，数值分析模块用于综合泥石流监测现场传送来的雨量数据、降雨预报数据和位移量数据进行分析判断，当达到泥石流预报条件后通过预报系统发出泥石流预报信息。