CN112652148A - 一种滑坡涌浪实时监测预警系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种滑坡涌浪实时监测预警系统及其方法，系统包括涌浪感应单元、涌浪识别单元和涌浪预警单元，所述涌浪感应单元的水位传感器设置在桩基上，所述桩基分别设于滑坡上游、滑坡下游和滑坡对岸，所述涌浪感应单元用于监测感应桩基所在位置的涌浪高度信息，所述涌浪识别单元用于接收涌浪感应单元传输的涌浪高度信息、判别灾害性涌浪并计算分析得到涌浪预警信息，所述涌浪预警单元用于接收涌浪识别单元传输的涌浪预警信息并进行预警；本发明还公开上述系统对应的方法；本发明能够在远端滑坡造成涌浪来袭时，提前知晓滑坡涌浪的抵达时间和强烈程度，实现远端滑坡涌浪预警的目的，其能够针对滑坡涌浪实时监测预警，逻辑结构简单，灵活性好，可靠性高。

Description

一种滑坡涌浪实时监测预警系统及其方法
技术领域
本发明涉及地质灾害监测预警技术领域，具体地指一种滑坡涌浪实时监测预警系统及其方法。
背景技术
大型水利枢纽工程建成后，由于山区库区蓄水和水位变动，经常导致水库滑坡的发生。库岸失稳运动冲击库水产生涌浪波，危害长距离大范围的航道和沿岸生产生活带。滑坡涌浪形成巨大的波浪，推覆船只，淹没岸线，夺走生命财产，破坏力巨大。
当前的滑坡涌浪预警主要依赖于滑坡预警预报。目前滑预报技术尚不能准确预测滑坡发生时间，大多属于概率性预报。大型山区水库区内移民城集镇一般相隔数十公里沿江聚集，即便有滑坡预警，远端滑坡造成涌浪来袭时，也很难提前知晓滑坡涌浪的抵达时间、强烈程度等，非常不利于临灾紧急撤离。对于极具突发性和短时性的滑坡涌浪，预警避让是很好的方式，可以大大减少生命财产损失，但目前国内外尚没有行之有效的滑坡涌浪实时监测预警系统。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种滑坡涌浪实时监测预警系统及其方法，能够在远端滑坡造成涌浪来袭时，提前知晓滑坡涌浪的抵达时间和强烈程度，实现远端滑坡涌浪预警的目的。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种滑坡涌浪实时监测预警系统，包括涌浪感应单元、涌浪识别单元和涌浪预警单元，所述涌浪感应单元的水位传感器设置在桩基上，所述桩基分别设于滑坡上游、滑坡下游和滑坡对岸，所述涌浪感应单元用于监测感应桩基所在位置的涌浪高度信息，所述涌浪识别单元用于接收涌浪感应单元传输的涌浪高度信息、判别灾害性涌浪并计算分析得到涌浪预警信息，所述涌浪预警单元用于接收涌浪识别单元传输的涌浪预警信息并进行预警。
优选地，所述涌浪感应单元包括水位传感器和数据采集与发送模块。
优选地，所述涌浪识别单元设置在云端或电脑终端。
优选地，所述涌浪识别单元包括信号接收模块、涌浪判别预测模块和信息发送模块。
优选地，所述涌浪预警单元设置于当地政府管理部门和沿岸承灾体位置。
优选地，所述涌浪预警单元包括信息接收模块和声光预警装置。
优选地，位于滑坡上游和滑坡下游的桩基沿河流方向设置且分布于水面附近，在滑坡对岸的桩基沿涌浪爬高方向设置。
优选地，所述涌浪预警信息包括预计涌浪抵达高度信息和预计涌浪抵达时间信息。
另外，本发明还公开上述系统的监测预警方法，它包括以下步骤：
S1、由设置在滑坡上游、滑坡下游和滑坡对岸的水位传感器实时收集水位高度信息，数据采集与发送模块实时传输涌浪高度信息至涌浪识别单元；
S2、涌浪识别单元分别对滑坡上游Zs1所在位置水位传感器、滑坡下游Zx1所在位置水位传感器和滑坡对岸Zh0所在位置水位传感器传输过来的涌浪高度信息进行判别，如果三个位置产生涌浪水位高度均超过设置的临界高度AK0时，则确认涌浪发生，如果三个位置产生涌浪水位高度并未都超过设置的临界高度AK0，则确认没有涌浪发生；
S3、涌浪识别单元选取滑坡上游Zs1、滑坡下游Zx1和滑坡对岸Zh0和涌浪水位高度数据中的最大涌浪值Amax，根据涌浪传播浪高公式和涌浪爬坡浪高公式，计算涌浪抵达沿岸承灾体位置的传播浪高和爬坡浪高；
S4、涌浪识别单元根据涌浪危害对象分布情况和传播浪高情况，遴选划分滑坡涌浪预警范围，发送预计涌浪抵达高度信息至涌浪预警单元；
S5、选取距离Zs1为Sz1的滑坡上游位置Zs2，并在Zs2所在位置也设置水位传感器，获取涌浪从Zs1到达Zs2的时间ΔT1，涌浪识别单元计算得到滑坡上游涌浪平均传播速度为Sz1/ΔT1；选取距离Zx1为Sz2的滑坡下游位置Zx2，并在Zx2所在位置也设置水位传感器，获取涌浪从Zx1到达Zx2的时间ΔT2，涌浪识别单元计算得到滑坡下游涌浪平均传播速度为Sz2/ΔT2；涌浪识别单元比较2个涌浪平均传播速度，得到其中的较大值为Vmax，根据滑坡与沿岸承灾体位置的距离，计算涌浪抵达各自位置的时间，发送预计涌浪抵达时间信息至涌浪预警单元；
S6、涌浪预警单元接受到涌浪预警信息后，激发声光预警装置并播放相关信息，形成社区预警通知；
S7、每隔一定时间重复进行S2-S6，当计算的Vmax和Amax出现更大值时，涌浪识别单元重新发送预计涌浪抵达高度信息和预计涌浪抵达时间信息至涌浪预警单元，更新社区预警通知内容。
进一步地，所述步骤S3中，涌浪传播浪高公式和涌浪爬坡浪高公式依次为：
Figure RE-GDA0002924591730000031
Figure RE-GDA0002924591730000032
式中：
Hx为沿河道传播至某处的传播浪高度(m)；
Amax为涌浪波平行传播的初始值(m)；
x为沿程某处至滑坡点的距离(m)；
h为水深；
HR为涌浪沿程最大爬坡浪高(m)；
αx为爬坡浪岸坡的坡角。
本发明的有益效果：
1、本发明能够在远端滑坡造成涌浪来袭时，提前知晓滑坡涌浪的抵达时间和强烈程度，实现远端滑坡涌浪预警的目的，其能够针对滑坡涌浪实时监测预警，逻辑结构简单，灵活性好，可靠性高。
2、本发明具有涌浪实时监测功能，沿岸水位计可以完整记录涌浪的全部水位过程，并利用实时无线传输方式，在远方终端对监测位置的涌浪高度进行实时展示。
3、本发明具有实时智能判别涌浪灾害功能，一旦滑坡入水产生一定规模的涌浪，其在对岸产生的最大涌浪高度大于或等于临界触发浪高值(临界触发浪高值可根据滑坡河道环境情况承灾体位置自行设定，一般设定临界触发涌浪高度Ak0≥2.0m)，将启动涌浪识别单元，而且结合利用滑坡上游/下游最近的涌浪感应单元ZS1/ZX1涌浪信号的同振性来协同判断涌浪是否发生，这一智能判别可以实时进行，避免了人工巡查发现险情再报警的缺点，实现第一时间报警，同时由于有实时循环迭代更新功能，不会出现漏报和误报问题。
4、本发明具有实时快速预测涌浪灾害功能，由于通过涌浪感应单元和涌浪识别单元获取了滑坡入江河段的最大涌浪高度和涌浪传播速度，利用已有的涌浪传播和爬高计算公式，可以进行实时快速预测涌浪抵达承灾体位置处时的相关关键值信息(涌浪抵达时间、传播浪高、爬坡浪高)，利用的基础数据是非常准确的原位实时监测数据，有效增加了涌浪预测的精确性。
5、本发明具有滑坡涌浪灾害远程预警功能，滑坡入江河段产生涌浪后1-2分钟内(这一时间与涌浪传播速度、Szi值和涌浪识别单元计算耗时有关)可完成涌浪识别运算、涌浪关键特征值计算和涌浪预警信息发送，河流远端尚未被涌浪影响的区域接收到涌浪预警信息后，可有临灾前的紧急撤离时间，临灾紧急撤离时间的多少与这一区域离滑坡区的距离有关，对五公里以上的远端区域而言，将有约5分钟以上的临灾紧急撤离时间，有效保证了临灾撤离的及时性。
附图说明
图1为一种滑坡涌浪实时监测预警系统布置的平面结构示意图；
图2为一种滑坡涌浪实时监测预警系统监测预警流程框图；
图3为滑坡位置涌浪感应单元的安装结构示意图；
图4为沿岸承灾体位置涌浪预警单元的安装结构示意图；
图中，涌浪感应单元1、水位传感器1.1、发送模块1.2、涌浪识别单元2、涌浪预警单元3、信息接收模块3.1、声光预警装置3.2、桩基4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1至4所示，一种滑坡涌浪实时监测预警系统，包括涌浪感应单元1、涌浪识别单元2和涌浪预警单元3，所述涌浪感应单元1的水位传感器1.1设置在桩基4 上，所述桩基4分别设于滑坡上游、滑坡下游和滑坡对岸，所述涌浪感应单元1用于监测感应桩基4所在位置的涌浪高度信息，所述涌浪识别单元2用于接收涌浪感应单元1传输的涌浪高度信息、判别灾害性涌浪并计算分析得到涌浪预警信息，所述涌浪预警单元3用于接收涌浪识别单元2传输的涌浪预警信息并进行预警。
优选地，所述涌浪感应单元1包括水位传感器1.1和数据采集与发送模块1.2。
优选地，所述涌浪识别单元2设置在云端或电脑终端。
优选地，所述涌浪识别单元2包括信号接收模块、涌浪判别预测模块和信息发送模块。
上述发送模块可通过无线通信方式进行数据发送，例如通过GPRS实时传输。
优选地，所述涌浪预警单元3设置于当地政府管理部门和沿岸承灾体位置。在本发明中，沿岸承灾体位置是指沿岸居民集聚区、码头等潜在涌浪危害对象。当
优选地，所述涌浪预警单元3包括信息接收模块3.1和声光预警装置3.2。
优选地，位于滑坡上游和滑坡下游的桩基4沿河流方向设置且分布于水面附近，在滑坡对岸的桩基4沿涌浪爬高方向设置。
优选地，所述涌浪预警信息包括预计涌浪抵达高度信息和预计涌浪抵达时间信息。
另外，本发明还公开上述系统的监测预警方法，它包括以下步骤：
S1、由设置在滑坡上游、滑坡下游和滑坡对岸的水位传感器1.1实时收集水位高度信息，数据采集与发送模块1.2实时传输涌浪高度信息至涌浪识别单元2；
S2、涌浪识别单元2分别对滑坡上游Zs1所在位置水位传感器1.1、滑坡下游Zx1所在位置水位传感器1.1和滑坡对岸Zh0所在位置水位传感器1.1传输过来的涌浪高度信息进行判别，如果三个位置产生涌浪水位高度均超过设置的临界高度AK0时，则确认涌浪发生，如果三个位置产生涌浪水位高度并未都超过设置的临界高度AK0，则确认没有涌浪发生；本实施例中的AK0可设置为1.0m。另外截取Zh0、Zs1、Zx1中各自出现涌浪高度最大值时的前15秒数据，当这三个数据列的相关性系数超过0.85时，确认滑坡涌浪正在发生，这样可以有效避免其他原因产生波浪而导致的影响或误判。
S2.1、如果确认滑坡涌浪正在发生时，涌浪识别单元2的信息发送模块也可以通过GPRS信号给当地政府管理部分所在的涌浪预警单元3发送第一则短消息告知该滑坡产生了涌浪。
S3、涌浪识别单元2选取滑坡上游Zs1、滑坡下游Zx1和滑坡对岸Zh0和涌浪水位高度数据中的最大涌浪值Amax，根据涌浪传播浪高公式和涌浪爬坡浪高公式，计算涌浪抵达沿岸承灾体位置的传播浪高和爬坡浪高；
涌浪传播浪高公式和涌浪爬坡浪高公式依次为：
Figure RE-GDA0002924591730000051
Figure RE-GDA0002924591730000052
式中：
Hx为沿河道传播至某处的传播浪高度(m)；
Amax为涌浪波平行传播的初始值(m)；
x为沿程某处至滑坡点的距离(m)；
h为水深；
HR为涌浪沿程最大爬坡浪高(m)；
αx为爬坡浪岸坡的坡角。
S4、涌浪识别单元2根据涌浪危害对象分布情况和传播浪高情况，遴选划分滑坡涌浪预警范围，发送预计涌浪抵达高度信息至涌浪预警单元3；具体地，一般以浪高0.5m以上涌浪为灾害性的涌浪，可以根据实际情况进行调整；对居民聚集区等重要区域，要考虑安全系数Fos(例如Fos＝1.5)储备。因此，可以遴选0.5/1.5＝0.33m以上浪高范围区作为预警范围；然后涌浪识别单元2的信息发送模块通过GPRS信号给当地政府管理人员所在的涌浪预警单元3发送第二则短消息，告知该滑坡涌浪影响范围及可能的浪高；给沿岸承灾体位置所在的涌浪预警单元3发送信息。
S5、选取距离Zs1为Sz1的滑坡上游位置Zs2，并在Zs2所在位置也设置水位传感器1.1，获取涌浪从Zs1到达Zs2的时间ΔT1，涌浪识别单元2计算得到滑坡上游涌浪平均传播速度为Sz1/ΔT1；选取距离Zx1为Sz2的滑坡下游位置Zx2，并在Zx2所在位置也设置水位传感器1.1，获取涌浪从Zx1到达Zx2的时间ΔT2，涌浪识别单元2计算得到滑坡下游涌浪平均传播速度为Sz2/ΔT2；涌浪识别单元2比较2个涌浪平均传播速度，得到其中的较大值为Vmax，根据滑坡与沿岸承灾体位置的距离，计算涌浪抵达各自位置的时间，发送预计涌浪抵达时间信息至涌浪预警单元3；具体地，涌浪识别单元2的信息发送模块再通过GPRS信号给当地政府管理人员所在的涌浪预警单元3 发送第三则短消息，告知预计涌浪抵达时间；给沿岸承灾体位置所在的涌浪预警单元 3发送信息，告知涌浪抵达时间和可能的浪高。
S6、涌浪预警单元3接受到上述涌浪预警信息后，激发声光预警装置3.2并播放相关预警信息，形成社区预警通知；
S7、每隔一定时间重复进行S2-S6，当计算的Vmax和Amax出现更大值时，涌浪识别单元2重新发送预计涌浪抵达高度信息和预计涌浪抵达时间信息至涌浪预警单元3，更新社区预警通知内容。
S8、沿岸的所有涌浪感应单元1均可用于监测和实时传输涌浪水位过程，以利于获取第一手原位监测资料。在云端或电脑终端记录各位置涌浪水位过程，为滑坡涌浪研究保留第一手原始资料。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种滑坡涌浪实时监测预警系统，包括涌浪感应单元(1)、涌浪识别单元(2)和涌浪预警单元(3)，其特征在于：所述涌浪感应单元(1)的水位传感器(1.1)设置在桩基(4)上，所述桩基(4)分别设于滑坡上游、滑坡下游和滑坡对岸，所述涌浪感应单元(1)用于监测感应桩基(4)所在位置的涌浪高度信息，所述涌浪识别单元(2)用于接收涌浪感应单元(1)传输的涌浪高度信息、判别灾害性涌浪并计算分析得到涌浪预警信息，所述涌浪预警单元(3)用于接收涌浪识别单元(2)传输的涌浪预警信息并进行预警。
2.根据权利要求1所述的一种滑坡涌浪实时监测预警系统，其特征在于：所述涌浪感应单元(1)包括水位传感器(1.1)和数据采集与发送模块(1.2)。
3.根据权利要求1所述的一种滑坡涌浪实时监测预警系统，其特征在于：所述涌浪识别单元(2)设置在云端或电脑终端。
4.根据权利要求3所述的一种滑坡涌浪实时监测预警系统，其特征在于：所述涌浪识别单元(2)包括信号接收模块、涌浪判别预测模块和信息发送模块。
5.根据权利要求1所述的一种滑坡涌浪实时监测预警系统，其特征在于：所述涌浪预警单元(3)设置于当地政府管理部门和沿岸承灾体位置。
6.根据权利要求5所述的一种滑坡涌浪实时监测预警系统，其特征在于：所述涌浪预警单元(3)包括信息接收模块(3.1)和声光预警装置(3.2)。
7.根据权利要求1所述的一种滑坡涌浪实时监测预警系统，其特征在于：位于滑坡上游和滑坡下游的桩基(4)沿河流方向设置且分布于水面附近，在滑坡对岸的桩基(4)沿涌浪爬高方向设置。
8.根据权利要求1所述的一种滑坡涌浪实时监测预警系统，其特征在于：所述涌浪预警信息包括预计涌浪抵达高度信息和预计涌浪抵达时间信息。
9.一种权利要求1至8任一项所述系统的监测预警方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、由设置在滑坡上游、滑坡下游和滑坡对岸的水位传感器(1.1)实时收集水位高度信息，数据采集与发送模块(1.2)实时传输涌浪高度信息至涌浪识别单元(2)；
S2、涌浪识别单元(2)分别对滑坡上游Zs1所在位置水位传感器(1.1)、滑坡下游Zx1所在位置水位传感器(1.1)和滑坡对岸Zh0所在位置水位传感器(1.1)传输过来的涌浪高度信息进行判别，如果三个位置产生涌浪水位高度均超过设置的临界高度AK0时，则确认涌浪发生，如果三个位置产生涌浪水位高度并未都超过设置的临界高度AK0，则确认没有涌浪发生；
S3、涌浪识别单元(2)选取滑坡上游Zs1、滑坡下游Zx1和滑坡对岸Zh0和涌浪水位高度数据中的最大涌浪值Amax，根据涌浪传播浪高公式和涌浪爬坡浪高公式，计算涌浪抵达沿岸承灾体位置的传播浪高和爬坡浪高；
S4、涌浪识别单元(2)根据涌浪危害对象分布情况和传播浪高情况，遴选划分滑坡涌浪预警范围，发送预计涌浪抵达高度信息至涌浪预警单元(3)；
S5、选取距离Zs1为Sz1的滑坡上游位置Zs2，并在Zs2所在位置也设置水位传感器(1.1)，获取涌浪从Zs1到达Zs2的时间ΔT1，涌浪识别单元(2)计算得到滑坡上游涌浪平均传播速度为Sz1/ΔT1；选取距离Zx1为Sz2的滑坡下游位置Zx2，并在Zx2所在位置也设置水位传感器(1.1)，获取涌浪从Zx1到达Zx2的时间ΔT2，涌浪识别单元(2)计算得到滑坡下游涌浪平均传播速度为Sz2/ΔT2；涌浪识别单元(2)比较2个涌浪平均传播速度，得到其中的较大值为Vmax，根据滑坡与沿岸承灾体位置的距离，计算涌浪抵达各自位置的时间，发送预计涌浪抵达时间信息至涌浪预警单元(3)；
S6、涌浪预警单元(3)接受到涌浪预警信息后，激发声光预警装置(3.2)并播放相关信息，形成社区预警通知；
S7、每隔一定时间重复进行S2-S6，当计算的Vmax和Amax出现更大值时，涌浪识别单元(2)重新发送预计涌浪抵达高度信息和预计涌浪抵达时间信息至涌浪预警单元(3)，更新社区预警通知内容。
10.根据权利要求9所述的监测预警方法，其特征在于：所述步骤S3中，涌浪传播浪高公式和涌浪爬坡浪高公式依次为：
Figure FDA0002825970030000021
Figure FDA0002825970030000022
式中：
Hx为沿河道传播至某处的传播浪高度(m)；
Amax为涌浪波平行传播的初始值(m)；
x为沿程某处至滑坡点的距离(m)；
h为水深；
HR为涌浪沿程最大爬坡浪高(m)；
αx为爬坡浪岸坡的坡角。
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