CN116663882A - 一种城市地质安全风险智慧监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种城市地质安全风险智慧监测预警系统，包括城市地下地质结构动态变化潜在安全风险监测系统、地面沉降与地面监测系统、岩溶塌陷监测系统、浅层气灾害监测系统、区域地下水监测系统与安全风险评价系统；本发明不但监测地面高程、地层物性、土层形变、地层应力、地下水水位(水头)水温、水化学成分等要素，还将空‑天‑地一体化综合考虑判断，基于城市地下智慧感知法掌握重要地质安全风险要素的状态和变化规律，构建空天地一体化地质环境监测网络，全面掌握城市地质环境演化过程，为保障城市整体安全提供数据支撑。

Description

一种城市地质安全风险智慧监测预警系统

技术领域

本发明涉及城市地质监测技术，具体涉及一种城市地质安全风险智慧监测预警系统。

背景技术

随着国民经济的高速发展，一些城市的建筑达到了前所未有的建筑高度、密度和大容积率，也造成了地面交通拥堵、环境恶化、土地资源紧张等一系列城市问题，随着一系列城市问题的出现，近年来，城市地质安全事故频发，严重威胁城市安全和可持续发展以及人民群众的生命财产安全。

加强地质安全事故的监测，进行城市地质事故监测与预警体系建设的规划，在监测基础上，实现对城市地质安全的治理与对地质环境的保护，不仅是防灾减灾的需要，而且也是国家经济社会可持续发展、保护生态环境和进行生态环境建设的最基本的保障，是一项重要的基础性和公益性的国家地质工作，因此建立城市地质监督预警体系十分重要，然而目前没有相对成熟的一体化集成智慧监督预警体系，城市地质安全风险预警以单一风险预警为主，风险预测存在落后性，尚未考虑城市中多风险出现时的中和集成预警以及风险处理。在仅考虑单风险的处理的情况下，“以人为本”、专业服务功能与公众服务功能并重等基本理念未被良好落实，无法全方面监测城市的地质安全情况。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种城市地质安全风险智慧监测预警系统，本发明围绕城市存在的地面沉降、基坑失稳、地面塌陷、岩溶塌陷、浅层气灾害等地质安全风险，提出空-天-地一体化集成城市地下智慧感知技术方法，改善目前仅对单一地质灾害进行预警以及评价的现状，以实现综合一体化预警。

技术方案：本发明的一种城市地质安全风险智慧监测预警系统，包括地下地质结构动态变化潜在安全风险监测系统F1、地面沉降与地面塌陷监测系统F2、岩溶塌陷监测系统F3、浅层气灾害监测系统F4以及区域地下水监测系统F5五个子系统；

首先，地下地质结构动态变化潜在安全风险监测系统F1采集中心城区主干道路的地下空洞指标X1，地面沉降与地面塌陷监测系统F2探测城市区域性地面高程X2、地面沉降速率X3和深地下水位埋深X4；岩溶塌陷监测系统F3监测城市隐伏岩溶地区的岩溶影响力范围X5、上覆盖层厚度X6和上覆盖层结构X7；浅层气灾害监测系统F4采集城市浅层区的气压和气体数据X8；区域地下水监测系统F5监测城市区域地下水富水性数据X9、浅地下水位埋深X10和地下水位年变化X11；

然后，基于上述11个指标采用专家-层次分析法判别城市地质安全风险严重程度：利用专家-层次分析法列出上述所有数据X1～X11之间的因子判别矩阵，以及五个子系统内各自的判别因子的判别矩阵，接着进行权值判别，随后利用经验以及规范中的易发判断值确定权值分级表；

最后，基于上述11个监测指标形成多场多参量空-天-地一体化城市安全风险感知系统，定时掌握地质体和重要地质风险要素的状态和变化特征，基于监测数据，对不同安全风险的易发等级进行判别，根据判别结构进行预警，基于“数据监测-风险评估-分析排查-分级预警-的地质安全防控标准体系，当11个指标监测中出现3个及以上中易发性情况或出现任何高易发状况，则进行预警，在处理地质安全风险时根据权值判别分析表所得出的权值大小，进行处理优先级的判别，即权重越大越优先处理。

进一步地，所述地下地质结构动态变化潜在安全风险监测系统F1中设有分布式光纤声波传感DAS、绿色气枪震源、地质雷达、智慧路灯分布式地球物理探测模块和被动源面波；

所述分布式光纤声波传感器DA监测地下震动与声音的产生，提取该监测位置不同时刻的干涉信号并调解，以实现对地下地质结构的结构动态监测；所述绿色气枪震源通过将枪体的高压空气瞬间释放产生机械振动而激发地震波，以实现地质结构探测的绿色化；所述地质雷达通过发射的脉冲电磁波讯号与其反射信号判断探测目标位置与距离；通过智慧路灯分布式地球物理探测模块路灯工作的同时对实现地球物理探测数据的收集；所述被动源面波在一段时间内连续接收地震或者随机噪声信号进行探测研究。

进一步地，所述地面沉降与地面塌陷监测系统F2中设有干涉雷达InSAR、GPS、光纤传感器、位移传感器和水位水温传感器；

所述岩溶塌陷监测系统F3中设有GPS、光纤传感器、位移传感器和水位水温传感器；

所述浅层气灾害监测系统F4中压力传感器、光纤传感器和气体传感器；

所述区域地下水监测系统F5中设有地下水综合传感器；

其中，所述干涉雷达InSAR对观测位置的两幅复数值影像数据进行相干处理，以获取平原区高程信息的技术；所述GPS提供监测位置的地理位置；所述位移传感器监测浅层地下土层的形变；所述水位水温传感器监测地下水位与水温；所述压力传感器监测浅层气赋存区的气压及其变化；所述光纤传感器监测浅层气赋存区的气体浓度；所述地下水综合传感器监测地下水水位、水温、水质的动态变化。

有益效果：本发明基于InSAR、地球物理综合探测、三维激光扫描、分布式光纤、智能传感等技术的地下智慧感知系统构建方法，通过监测地面高程、地层物性、土层形变、地层应力、地下水水位(水头)水温、水化学成分等要素的空-天-地一体化集成城市地下智慧感知技术方法，掌握重要地质安全风险要素的状态和变化规律，并对城市地质安全风险防控进行预警，突出以人为本，全面、协调、可持续的发展和人口、资源、环境协调发展的一系列政策。紧密结合经济社会发展规划的总体目标和要求，充分认识城市地质事故监测预警体系建设的重要性和紧迫性。且从实际出发，尊重自然规律和经济规律，正确处理长远与当前、整体与局部的关系，依靠科技进步，运用新思路、新理论、新技术、新方法，实现对地质灾害的有效监控和预报预警，为我国地质灾害防治、地质环境保护和资源环境的可持续利用提供有力支撑。

附图说明

图1为本发明的整体系统结构示意图；

图2为本发明一实施例中专家-层次分析法示意图；

图3为本发明一实施例的城市3D模拟展示图；

其中：1、对地高光谱探测；2、InSAR地表形变监测；3、绿色气枪震源；4、基岩标分层标监测；5、智慧路灯分布式地球物理探测技术；6、岩溶区上覆盖层应力、应变、地下水监测；7、岩溶区；8、用于监测潜水层的综合地下水传感器；9、高精度GPS；10、用于承压含水层的综合地下水传感器；11、分布式光纤声波传感器；12、浅层地表；13、潜水层、14、软土层；15、承压含水层；16、基岩层。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种城市地质安全风险智慧监测预警系统，包括地下地质结构动态变化潜在安全风险监测系统F1、地面沉降与地面塌陷监测系统F2、岩溶塌陷监测系统F3、浅层气灾害监测系统F4以及区域地下水监测系统F5五个子系统；首先，地下地质结构动态变化潜在安全风险监测系统F1采集中心城区主干道路的地下空洞指标X1，地面沉降与地面塌陷监测系统F2探测城市区域性地面高程X2、地面沉降速率X3和深地下水位埋深X4；岩溶塌陷监测系统F3监测城市隐伏岩溶地区的岩溶影响力范围X5、上覆盖层厚度X6和上覆盖层结构X7；浅层气灾害监测系统F4采集城市浅层区的气压和气体数据X8；区域地下水监测系统F5监测城市区域地下水富水性数据X9、浅地下水位埋深X10和地下水位年变化X11；然后，先利用专家-层次分析法列出上述所有数据X1～X11之间的因子判别矩阵，以及五个子系统内各自的判别因子的判别矩阵，接着进行权值判别，随后利用经验以及规范中的易发判断值确定权值分级表；最后，基于上述11个监测指标形成多场多参量空-天-地一体化城市安全风险感知系统，实时(定时)掌握地质体和重要地质风险要素的状态和变化特征，基于“数据监测-风险评估-分析排查-分级预警-联动处置”的地质安全防控标准体系，当11个指标监测中出现3个及以上中易发性情况或出现任何高易发状况，则进行预警。

实施例：

本实施例构建如图3城市3D模拟展示图，在城市上空对城市进行对地高光谱探测1和利用InSAR2对地表形变监测；用于监测潜水层的综合地下水传感器8埋入潜水层13；将用于承压含水层的综合地下水传感器10埋入承压含水层15；将绿色气枪震源3与分布式光纤声波传感器11深入地下约200米处。

对于该城市进行地质安全评估的具体步骤：

S1、构建城市地下地质结构动态变化潜在安全风险监测系统，一是利用分布式光纤声波传感器(DAS)+绿色气枪震源，对城市主城区地下200米地质结构动态变化进行监测，每年监测1次。二是利用基于智慧路灯分布式地球物理探测技术对中心城区等人口较为密集城市区地下50米地质结构动态变化进行监测，每年监测2次。三是利用地质雷达和被动源面波探测中心城区主干道路地下10米范围内潜在空洞，每年探测1次，其中地铁沿线每年探测2次。

S2、构建地面沉降与地面塌陷监测系统，利用InSAR、水准测量、基岩标和分层标、激光扫描技术监测平原区地面沉降；利用高精度GPS、光纤传感器、位移传感器、水位水温传感器在城市软土分布区地铁沿线，监测地下60米土层形变、水位(水头)、水温、沉降速率。InSAR、水准测量每年1次，基岩标和分层标每年监测4次，高精度GPS、光纤监测、位移传感器、水位水温传感器每天实时自动监测。

S3、构建岩溶塌陷监测系统，利用高精度GPS、光纤传感器、位移传感器、水位水温传感器在城市隐伏岩溶地区监测溶洞覆盖层厚度，岩溶水水位水温，岩溶影响范围。高精度GPS、光纤监测、位移传感器、水位水温传感器每天实时自动监测。

S4、构建浅层气灾害监测系统，利用压力传感器、光纤传感器在浅层气赋存区监测含气层气压，利用气体传感器在地铁隧道监测浅层气浓度，监测频率为每天实时自动监测。

S5、构建区域地下水系统监测系统，在已有国家地下水监测网络的基础上，按地下水流系统，结合城市建设，利用地下水综合传感器分层监测潜水和承压水水位(水头)、水温、水质动态变化。水位水温每天实时自动监测，水质监测每年2次。

S6、构建地质安全风险评价系统，通过采集前五个系统所采集的数据，包括所述地下地质结构动态变化潜在安全风险监测系统F1的地下空洞指标X1；地面沉降与地面塌陷监测系统F2的高程X2、沉降速率X3、深地下水位埋深X4；岩溶塌陷监测系统F3的岩溶影响范围X5、上覆盖层厚度X6、上覆盖层结构X7；浅层气灾害监测系统F4的浅层气影响范围；区域地下水监测系统F5中的地下水富水性X9、浅地下水位埋深X10、地下水位年变化X11。通过专业-层次分析法首先列出五个系统间的因子判别矩阵，随后列出不同系统内的各判别因子的判别矩阵，进行权值判别。随后利用经验以及规范中的易发判断值确定权值分级表。

随后通过上述五个监测系统所采集的数据，对不同地质风险进行易发性判断，具体判别标准见表10，表10中展示了各个监测因子根据层次分析法中所得出的权值大小，以及易发性判断标准，在易发性判别时，根据监测结果对地质安全风险进行易发性判断，在处理风险时，可以根据二级因子评价总权值大小，进行地质风险优先级处理判断。

S7、构建地质安全风险预警系统，基于上述11个监测指标，形成多场多参量空-天-地一体化城市安全风险感知系统，定时掌握地质体和重要地质风险要素的状态和变化特征，基于“数据监测-风险评估-分析排查-分级预警-”的地质安全防控标准体系，当11个指标监测中出现3个及以上中易发性情况或出现任何高易发状况，则进行预警。

实施例2：

第一步：划分目标层、准则层、方案层

如图2所示，将整个地质安全风险评价系统U分为地下地质结构动态变化潜在安全风险监测系统F1、地面沉降与地面塌陷监测系统F2、岩溶塌陷监测系统F3、浅层气灾害监测系统F4以及区域地下水监测系统F5五个子系统；五个子系统共11个评价指标。

第二步：对11个评价指标进行矩阵判别

表1判断矩阵的标度及含义

表2分区因子判别矩阵U-F

表3U-F判别矩阵层次分析结果

注：CI＝0.0033<0.01，检验通过

表4分区因子判别矩阵F2-X

表5分区因子判别矩阵F2-X分析结果

注：CI＝00174<0.1，检验通过

表6分区因子判别矩阵F3-X

表7分区因子判别矩阵F3-X分析结果

注：CI＝0.0002<0.1，检验通过

表8分区因子判别矩阵F5-X

表9分区因子判别矩阵F5-X分析结果

注：CI＝0<0.1，检验通过

第三步：监测要素易发性因子赋值标准以及权重分级表

表10监测要素易发性因子赋值标准以及权重分级表

如上表所述，地下地质结构动态变化潜在安全风险监测系统F1中，对于分布式光纤声波传感DAS、绿色气枪震源、地质雷达、智慧路灯分布式地球物理探测模块和被动源面波所采集的五类数据，若没有超过预警值的，则判断地下空洞指标X1为非易发，若有一类数据超过预警值，则判断地下空洞指标X1为低易发，若两类数据超过预警值，判断地下空洞指标X1为中易发，若有两类以上数据超出预警值，判断地下空洞指标X1为高易发。

地面沉降与地面塌陷监测系统F2中，若城市区域性地面高程X2>7.94、地面沉降速率X3<10mm/a且深地下水位埋深X4处于30-40m，则判断为地面沉降与地面塌陷非易发；若城市区域性地面高程X2处于5.1～7.94、地面沉降速率X3＝10mm/a且深地下水位埋深X4小于40m，则判断为地面沉降与地面塌陷低易发；若城市区域性地面高程X2处于4.23～5.1、地面沉降速率X3处于10-30mm/a且深地下水位埋深X4处于40-50m，则判断为地面沉降与地面塌陷中易发；若城市区域性地面高程X2<5.1、地面沉降速率X3大于30mm/a且深地下水位埋深X4大于50m，则判断为地面沉降与地面塌陷高易发。

岩溶塌陷监测系统F3中，若岩溶影响力范围X5>25m、上覆盖层厚度X6属于基岩裸露区和上覆盖层结构X7属于基岩裸露区，则判断岩溶塌陷为非易发，若岩溶影响力范围X5处于15-25m、上覆盖层厚度X6>30m和上覆盖层结构X7属于单层结构，则判断岩溶塌陷为低易发；若岩溶影响力范围X5处于10-15m、上覆盖层厚度X615-30m和上覆盖层结构X7属于双层结构，则判断岩溶塌陷为中易发；若岩溶影响力范围X5处于0-10m、上覆盖层厚度X6<15和上覆盖层结构X7属于多层结构，则判断岩溶塌陷为高易发。

浅层气灾害监测系统F4中，若浅层气影响范围X8>25m，则判断浅层气灾害为非易发，若浅层气影响范围X8处于15-25m，则判断浅层气灾害为低易发；浅层气影响范围X810-15m，则判断浅层气灾害为中易发；浅层气影响范围X8处于0-10m，则判断浅层气灾害为高易发。

区域地下水监测系统F5中，若地下水富水性X9<100m3/d、浅地下水位埋深X10>30m且地下水位年变化X11为0，则判断区域地下水渗流情况为非易发，若地下水富水性X9处于100-1000m3/d、浅地下水位埋深X10处于10-30m且地下水位年变化X11<5m，则判断区域地下水渗流情况为低易发；若地下水富水性X9处于1000-3000m3/d、浅地下水位埋深X10处于5-10m且地下水位年变化X11处于5-10m，则判断区域地下水渗流情况为中易发；若地下水富水性X9>3000m3/d、浅地下水位埋深X10处于0-5m且地下水位年变化X11>10m，则判断区域地下水渗流情况为高易发。

Claims (3)

1.一种城市地质安全风险智慧监测预警系统，其特征在于：包括地下地质结构动态变化潜在安全风险监测系统F1、地面沉降与地面塌陷监测系统F2、岩溶塌陷监测系统F3、浅层气灾害监测系统F4以及区域地下水监测系统F5五个子系统；

首先，地下地质结构动态变化潜在安全风险监测系统F1采集中心城区主干道路的地下空洞指标X1，地面沉降与地面塌陷监测系统F2探测城市区域性地面高程X2、地面沉降速率X3和深地下水位埋深X4；岩溶塌陷监测系统F3监测城市隐伏岩溶地区的岩溶影响力范围X5、上覆盖层厚度X6和上覆盖层结构X7；浅层气灾害监测系统F4采集城市浅层区的气压和气体数据X8；区域地下水监测系统F5监测城市区域地下水富水性数据X9、浅地下水位埋深X10和地下水位年变化X11；

然后，基于上述11个指标采用专家-层次分析法判别城市地质安全风险严重程度：利用专家-层次分析法列出上述所有数据X1～X11之间的因子判别矩阵，以及五个子系统内各自的判别因子的判别矩阵，接着进行权值判别，随后利用经验以及规范中的易发判断值确定权值分级表；

最后，基于上述11个监测指标形成多场多参量空-天-地一体化城市安全风险感知系统，定时掌握地质体和重要地质风险要素的状态和变化特征，基于监测数据，对不同安全风险的易发等级进行判别，根据判别结构进行预警，基于“数据监测-风险评估-分析排查-分级预警-的地质安全防控标准体系，当11个指标监测中出现3个及以上中易发性情况或出现任何高易发状况，则进行预警，在处理地质安全风险时根据权值判别分析表所得出的权值大小，进行处理优先级的判别，即权重越大越优先处理。

2.根据权利要求1所述的城市地质安全风险智慧监测预警系统，其特征在于：所述地下地质结构动态变化潜在安全风险监测系统F1中设有分布式光纤声波传感DAS、绿色气枪震源、地质雷达、智慧路灯分布式地球物理探测模块和被动源面波；

所述分布式光纤声波传感器DA监测地下震动与声音的产生，提取该监测位置不同时刻的干涉信号并调解；所述绿色气枪震源通过将枪体的高压空气瞬间释放产生机械振动而激发地震波；所述地质雷达通过发射的脉冲电磁波讯号与其反射信号判断探测目标位置与距离；通过智慧路灯分布式地球物理探测模块路灯工作的同时对实现地球物理探测数据的收集；所述被动源面波在一段时间内连续接收地震或者随机噪声信号进行探测研究。

3.根据权利要求1所述的城市地质安全风险智慧监测预警系统，其特征在于：所述地面沉降与地面塌陷监测系统F2中设有干涉雷达InSAR、GPS、光纤传感器、位移传感器和水位水温传感器；

所述岩溶塌陷监测系统F3中设有GPS、光纤传感器、位移传感器和水位水温传感器；

所述浅层气灾害监测系统F4中压力传感器、光纤传感器和气体传感器；

所述区域地下水监测系统F5中设有地下水综合传感器；

其中，所述干涉雷达InSAR对观测位置的两幅复数值影像数据进行相干处理，以获取平原区高程信息的技术；所述GPS提供监测位置的地理位置；所述位移传感器监测浅层地下土层的形变；所述水位水温传感器监测地下水位与水温；所述压力传感器监测浅层气赋存区的气压及其变化；所述光纤传感器监测浅层气赋存区的气体浓度；所述地下水综合传感器监测地下水水位、水温、水质的动态变化。