CN114659490A - 崩岸易发段水下岸坡位移实时监测及崩岸预警方法 - Google Patents

崩岸易发段水下岸坡位移实时监测及崩岸预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及崩岸易发段水下岸坡位移实时监测及崩岸预警方法，基于河段岸坡的平均坡度和岸线与深泓线的距离确定监测区域；在监测区域的水下岸坡上布置若干断面水压传感器组，每个断面水压传感器组所在平面与岸线交界处配置水位计；基于水压传感器和水位计的实时监测数据计算每个水压传感器的位移变化值，并对多个传感器的位移变化值进行分析计算，判断是否超过警戒阈值，若超过阈值则发出预警。本发明的方法既达到防范崩岸发生和应急监测的目的，又缩小了监测范围，减小了监测成本，为崩岸预警监测提供了重要的技术参考。

Description

崩岸易发段水下岸坡位移实时监测及崩岸预警方法
技术领域
本发明涉及测量及灾害预警技术领域，特别是涉及崩岸易发段水下岸坡位移实时监测及崩岸预警方法。
背景技术
长江中下游河段受其自然特性及上游水沙条件的影响，河床和洲滩摆动性较大，岸线冲淤变化也较为频繁，崩岸现象时常发生，长江中下游干流河道两岸岸线总长约4250km，其中35.7%的岸段属于崩岸段。特别是在长江下游感潮河段，由于受上游径流和下游潮汐的双重影响，水流条件十分复杂，加之水深流急，河势变化往往十分剧烈，更易发生崩岸险情。同时，崩岸现象的危害难以估量。因此，对于崩岸易发段的崩岸监测及预警研究显得尤为重要。
现有崩岸监测主要分为日常巡查、应急监测及实时监测三种。日常巡查主要通过测船、快艇、交通车等，必要时采用GNSS、激光测距枪、卷尺、激光流速仪等对重点岸段汛前、汛期高洪水退后及汛后枯季进行风险排查。应急监测主要运用三维激光扫描仪、多波束测深系统、GNSS、惯性导航系统、全景相机等一系列测量方法获取局部岸段的陆上及水下地形数据，借助无人机低空寻迹快速获取险工段图像资料。实时监测主要依靠真实孔径雷达系统进行快速扫描，建立高精度DTM并与之前时段扫描数据对比，得到边坡位移数据从而达到预警的目的。
以上崩岸监测方法大多是针对陆域地形变化的监测，水下岸坡的监测仅能依靠多波束测深系统。然而多波束测深系统需耗费大量的人力物力成本，且由于监测时间间隔较长并不能提供实时连续的地形变化数据，无法达到实时监测以及预警的目的。实际上，崩岸的发生往往是由于水下岸坡先受水流的淘刷逐渐导致陆域岸坡失稳，随后致使整个堤岸发生崩塌。
发明内容
本发明的目的在于提供一种崩岸易发段水下岸坡位移实时监测及崩岸预警方法。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
崩岸易发段水下岸坡位移实时监测及崩岸预警方法，包括：
S1基于河段岸坡的平均坡度和岸线与深泓线的距离确定监测区域；
S2在监测区域的水下岸坡上布置若干断面水压传感器组，所述断面指垂直于岸线的平面，断面水压传感器组为布置于同一断面的一组水压传感器；
每个断面水压传感器组所在平面与岸线交界处配置水位计；
S3实时获取水压传感器和水位计的测量结果，基于水压传感器测量的实时静水压强和水位计测量的实时水位计算每个水压传感器的位移变化值，即对应监测点处水下岸坡的高程变化值；
S4对多个水压传感器的位移变化值进行分析计算，判断是否超过警戒阈值，若超过阈值则发出预警。
作为本发明的进一步改进，所述方法中，将同时满足平均坡度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
大于20°且深泓线与岸线距离≤200m的河段作为监测区域。
作为本发明的进一步改进，所述水压传感器的布设方式为：将水压传感器固定于刚性拉杆上，将所述刚性拉杆埋入泥面以下，使水压传感器稳定放置于泥面上。
作为本发明的进一步改进，相邻断面水压传感器组的间隔
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
基于下式确定：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
分别代表相邻两个断面水压传感器组所在断面与岸线的交界线到深泓线的距离。
作为本发明的进一步改进，同一断面水压传感器组中水压传感器的间隔
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
基于下式确定：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
为岸坡坡脚处水深；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
为深泓线与断面水压传感器组所在断面和岸线交界点的距离。
作为本发明的进一步改进，基于实时静水压强和实时水位计算每个水压传感器的位移变化值的方式为：
根据
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
将水压传感器测得的静水压强
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
换算成水压传感器处实时水深值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
；实时水位和实时水深值的差值即为水下岸坡的实时高程值，每次测量得到的实时高程值的差值为水下岸坡的高程变化值，即水压传感器的位移变化值。
作为本发明的进一步改进，所述S4中，对单个水压传感器、断面水压传感器组、相邻断面水压传感器组分别设置警戒阈值；
所述相邻断面水压传感器组指平面相邻三个断面水压传感器组形成的水压传感器阵列；
对断面水压传感器组、相邻断面水压传感器组计算传感器位移变化值时，取所有水压传感器位移变化值的平均值与警戒阈值对比。
进一步的，对单个水压传感器、断面水压传感器组、相邻断面水压传感器组分别设置不同的警戒阈值A1、A2和A3；其中A1＞A2＞A3。
作为本发明的进一步改进，所述方法还包括S5，对发出预警的区域进行应急监测判断，包括：
a. 当单个水压传感器位移变化值在警戒阈值和上限阈值范围内，获取该水压传感器及同一断面相邻两个水压传感器后续每分钟位移变化值，若后续一小时内位移变化值≤警戒阈值，则不做处理；
若后续一小时内位移变化数值在警戒阈值和上限阈值范围内，则重复a；
若后续一个小时内某个传感器位移变化数据＞上限阈值，则采用多波束测深系统针对传感器周围100m范围水下岸坡进行地形测量，根据测量结果采取进一步措施；
b. 当单个水压传感器位移变化值＞上限阈值，采用多波束测深系统针对传感器周围100m范围水下岸坡进行地形测量，根据测量结果采取进一步措施。
进一步的，所述方法还包括，当断面水压传感器组、相邻断面水压传感器组水压传感器位移变化值的平均值超过警戒阈值，采用多波束测深系统针对传感器周围100m范围水下岸坡进行地形测量，根据测量结果采取进一步措施。
与现有崩岸监测技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、提供了确定易发生崩岸河段范围的方法，缩小了监测范围，节约了仪器成本。
2、根据本发明提供的水压传感器布置方法，可以根据岸线与深泓线距离以及坡度大小计算传感器布置间距，即约容易发生崩岸险情的岸段布设越密集，此布设方法更为合理。
3、通过布设水压传感器可以实时监测水下岸坡的高程变化，可以节约大量人力、物力、财力，且能够在发生崩岸前或者发生崩岸时及时发现异常位移变化。本发明能够帮助相关水利部门实时快速掌握各岸段水下岸坡位移变化情况，从而及时采取有效措施避免崩岸的发生或者降低其造成的损失。
4、本发明给出了水下岸坡在单个传感器范围及多个传感器范围内发生位移异常变化的阈值，并给出了不同情况下的后续措施，既达到防范崩岸发生和应急监测的目的，又避免了不必要的监测，减小了监测成本，为崩岸预警监测提供了重要的技术参考。
附图说明
图1是本发明方法流程图。
图2是河道水下地形图。
图3是水下地形坡度等值线图。
图4是水压传感器纵剖面布置示意图。
图5是水压传感器平面布置示意图。
图6是异常位移数据判断流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本发明实施例以长江老海坝河段为例，对本发明的技术方案作进一步阐述。
老海坝河段隶属于长江澄通河段中段如皋沙群汊道段，沿江岸线分布着张家港市大量的大、中型企业及码头，其中包括特大型企业张家港江苏沙钢集团有限公司。老海坝江段受主流顶冲，深泓逼岸，河床冲淤变化剧烈，对该河段堤防安全及河势稳定构成了严重威胁，需针对崩岸易发段开展岸坡位移实时监测及崩岸预警研究。
本实施例所述崩岸易发段水下岸坡位移实时监测及崩岸预警方法，包括如下步骤：
步骤一：确定监测区域。
根据研究河段水下地形数据可绘制河道河势图如图2，图中实线代表深泓线（即沿河流方向最大水深处的连线），虚线方框为深泓线与岸线距离
Figure 892956DEST_PATH_IMAGE018
≤200m的河段范围，该河段岸坡附近水深流急，且易受主流顶冲，年内冲淤变化较大，属于易发生崩岸岸段。同时，考虑到岸坡坡度大小对崩岸的发生影响较大，对受主流顶冲的河段绘制水下地形坡度等值线示意图（图3），平均坡度
Figure 980735DEST_PATH_IMAGE002
大于20°的区域认为是易发生崩岸岸段，将同时满足深泓线与岸线距离≤200m且坡度大于20°的河段作为监测区域。
步骤二：在监测区域水下岸坡布置水压传感器（图4，图5）。
由于崩岸前水下岸坡会发生明显的垂向或者水平位移，本发明在监测区域水下上布置若干断面水压传感器组，其中断面指垂直于岸线的平面，断面水压传感器组为布置于同一断面的一组水压传感器。断面可测量垂直岸线方向的岸坡位移，相邻断面可测量沿岸线方向和垂直岸线方向的岸坡位移。
具体的，相邻断面水压传感器组间距：
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
式中，
Figure 635839DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 703152DEST_PATH_IMAGE010
分别代表相邻两个断面水压传感器组所在断面与岸线的交界线到深泓线的距离。其含义为，随着深泓线与岸线距离的减小，断面水压传感器组的横向布置间距也减小，即布置的更加密集。
同一断面水压传感器组中水压传感器间距：
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
其含义为，随着坡度
Figure 891426DEST_PATH_IMAGE002
的增大，岸坡坡脚处水深
Figure 245046DEST_PATH_IMAGE016
的减小，以及深泓线与断面水压传感器组所在断面和岸线交界点的距离
Figure 184184DEST_PATH_IMAGE018
的减小，水压传感器的纵向布置间距也减小，即布置的更加密集。
此外，水压传感器布设时固定于不锈钢拉杆上，将拉杆埋入泥面以下2m，依靠土体的束缚力使得水压传感器稳定放置于泥面上。每个断面水压传感器组所在断面和岸线交界处配置一个水位计测量该断面水压传感器处的实时水位。
步骤三：水压传感器、水位计传输数据换算。
由于水压传感器可以实时测得该坐标下静水压强，根据
Figure 55188DEST_PATH_IMAGE020
可将静水压强换算成水深值，式中
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为水的密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为重力加速度，
Figure 97968DEST_PATH_IMAGE024
为水压传感器处的水深，实时水深
Figure 622490DEST_PATH_IMAGE024
和水压计测得的实时水位的差值即为监测点实时水下岸坡高程值，两次测量中实时水下岸坡高程值的差值即为水下岸坡高程值变化值，即水压传感器的位移值。
步骤四：多个传感器位移变化值分析计算，判断是否超过警戒阈值，若超过阈值则发出崩岸预警指示。
取第
Figure DEST_PATH_IMAGE030
个断面水压传感器组每小时位移变化绝对值序列数据
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
指第
Figure 89069DEST_PATH_IMAGE030
个断面水压传感器组共设置有
Figure 357239DEST_PATH_IMAGE036
个传感器。
首先设置单个传感器的位移变化阈值为10cm/h，当第
Figure 818308DEST_PATH_IMAGE030
个断面水压传感器组第
Figure DEST_PATH_IMAGE038
个传感器位移变化值
Figure DEST_PATH_IMAGE040
10cm/h时，数据处理终端发出预警警报，表示监测岸段出现不正常的大幅位移变化。
断面水压传感器组平均位移变化阈值为5cm/h，断面水压传感器组位移变化值为第
Figure 28578DEST_PATH_IMAGE030
个断面水压传感器组上所有水压传感器每小时位移变化绝对值的平均值，当断面水压传感器组位移变化值
Figure DEST_PATH_IMAGE042
5cm/h时，数据处理终端发出预警警报，表示监测岸段出现不正常的大幅位移变化。
相邻断面水压传感器组平均位移变化阈值为2cm/h，相邻断面水压传感器组位移变化值为相邻三个断面水压传感器组（第
Figure DEST_PATH_IMAGE044
个断面水压传感器组、第
Figure 411149DEST_PATH_IMAGE030
个断面水压传感器组、第
Figure DEST_PATH_IMAGE046
个断面水压传感器组）上所有水压传感器每小时位移变化绝对值的平均值。当相邻断面水压传感器组位移变化值
Figure DEST_PATH_IMAGE048
2cm/h，数据处理终端发出预警警报，表示监测岸段出现不正常的大幅位移变化。
步骤五：针对发生异常位移变化的区域进行进一步分析，对有必要的区域开展应急监测。
当单个水压传感器位移变化数据超过阈值且大于20cm/h时，需采用多波束测深系统针对传感器周围100m范围水下岸坡进行地形测量，根据测量结果采取进一步措施。
当单个水压传感器位移变化数据超过阈值且小于20cm/h时，对该传感器及其相邻两个水压传感器后续每分钟位移变化进行实时计算分析，若后续一小时内位移变化数值没有超过10cm/h，则表示此为偶然性河床冲淤变化，并非崩岸前兆。若后续一个小时内有某个传感器位移变化数据大于20cm/h时，采用多波束测深系统针对传感器周围100m范围水下岸坡进行地形测量，根据测量结果采取进一步措施；若有某个传感器位移变化数据大于10cm/h且小于20cm/h时，则重复上述步骤。具体流程见图6。
当断面水压传感器组或相邻断面水压传感器组位移变化平均值超过阈值时（即步骤四中的警戒阈值），说明岸坡发生区域性位移变化，应立即采用多波束测深系统针对多个传感器及其周围100m范围内的水下岸坡进行地形测量，根据测量结果采取进一步措施。

Claims (10)

1.崩岸易发段水下岸坡位移实时监测及崩岸预警方法，其特征在于，包括：
S1基于河段岸坡的平均坡度和岸线与深泓线的距离确定监测区域；
S2在监测区域的水下岸坡上布置若干断面水压传感器组，所述断面指垂直于岸线的平面，断面水压传感器组为布置于同一断面的一组水压传感器；
每个断面水压传感器组所在平面与岸线交界处配置水位计；
S3实时获取水压传感器和水位计的测量结果，基于水压传感器测量的实时静水压强和水位计测量的实时水位计算每个水压传感器的位移变化值，即对应监测点处水下岸坡的高程变化值；
S4对多个水压传感器的位移变化值进行分析计算，判断是否超过警戒阈值，若超过阈值则发出预警。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将同时满足平均坡度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
大于20°且深泓线与岸线距离≤200m的河段作为监测区域。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水压传感器的布设方式为：将水压传感器固定于刚性拉杆上，将所述刚性拉杆埋入泥面以下，使水压传感器稳定放置于泥面上。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相邻断面水压传感器组的间隔
Figure DEST_PATH_IMAGE004
基于下式确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure DEST_PATH_IMAGE010
分别代表相邻两个断面水压传感器组所在断面与岸线的交界线到深泓线的距离。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，同一断面水压传感器组中水压传感器的间隔
Figure DEST_PATH_IMAGE012
基于下式确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为岸坡坡脚处水深；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为深泓线与断面水压传感器组所在断面和岸线交界点的距离。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于实时静水压强和实时水位计算每个水压传感器的位移变化值的方式为：
根据
Figure DEST_PATH_IMAGE020
将水压传感器测得的静水压强
Figure DEST_PATH_IMAGE022
换算成水压传感器处实时水深值
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；实时水位和实时水深值的差值即为水下岸坡的实时高程值，每次测量得到的实时高程值的差值为水下岸坡的高程变化值，即水压传感器的位移变化值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4中，对单个水压传感器、断面水压传感器组、相邻断面水压传感器组分别设置警戒阈值；
所述相邻断面水压传感器组指平面相邻三个断面水压传感器组形成的水压传感器阵列；
对断面水压传感器组、相邻断面水压传感器组计算传感器位移变化值时，取所有水压传感器位移变化值的平均值与警戒阈值对比。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对单个水压传感器、断面水压传感器组、相邻断面水压传感器组分别设置不同的警戒阈值A1、A2和A3；其中A1＞A2＞A3。
9.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于，还包括S5，对发出预警的区域进行应急监测判断，包括：
a. 当单个水压传感器位移变化值在警戒阈值和上限阈值范围内，获取该水压传感器及同一断面相邻两个水压传感器后续每分钟位移变化值，若后续一小时内位移变化值≤警戒阈值，则不做处理；
若后续一小时内位移变化数值在警戒阈值和上限阈值范围内，则重复a；
若后续一个小时内某个传感器位移变化数据＞上限阈值，则采用多波束测深系统针对传感器周围100m范围水下岸坡进行地形测量，根据测量结果采取进一步措施；
b. 当单个水压传感器位移变化值＞上限阈值，采用多波束测深系统针对传感器周围100m范围水下岸坡进行地形测量，根据测量结果采取进一步措施。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括，当断面水压传感器组、相邻断面水压传感器组水压传感器位移变化值的平均值超过警戒阈值，采用多波束测深系统针对传感器周围100m范围水下岸坡进行地形测量，根据测量结果采取进一步措施。
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