一種泥石流力學(xué)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)及泥石流預(yù)警系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種泥石流力學(xué)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)及泥石流預(yù)警系統(tǒng)。針對現(xiàn)有技術(shù)中在泥石流發(fā)生預(yù)警中存在的缺陷，本發(fā)明首先提供了一種泥石流力學(xué)參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用監(jiān)測斷面D上獲取的總應(yīng)力監(jiān)測值P與泥石流流深監(jiān)測值h，實(shí)時計算監(jiān)測泥石流重度γC與泥石流平均流速VC。優(yōu)化設(shè)計中，系統(tǒng)根據(jù)流深監(jiān)測值h與流深變化值Δh調(diào)整監(jiān)控數(shù)據(jù)變頻采集、發(fā)送。本發(fā)明還提供一種泥石流預(yù)警系統(tǒng)，根據(jù)泥石流峰值流量特征實(shí)現(xiàn)泥石流危險性的分級預(yù)警，并確定泥石流發(fā)生預(yù)期時間。本發(fā)明泥石流力學(xué)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)δ嗍髁魃?、流速、峰值流量、重度等特征指?biāo)進(jìn)行實(shí)時及變頻監(jiān)測、發(fā)送。本發(fā)明泥石流預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)泥石流力學(xué)參數(shù)特征分析及泥石流發(fā)生預(yù)警。
【專利說明】-種泥石流力學(xué)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)及泥石流預(yù)警系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種泥石流監(jiān)測系統(tǒng)與泥石流預(yù)警系統(tǒng)，特別是涉及一種以泥石流力 學(xué)參數(shù)為監(jiān)測值、臨界條件的泥石流監(jiān)測系統(tǒng)與泥石流預(yù)警系統(tǒng)，屬于災(zāi)害監(jiān)測、泥石流防 治工程領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 泥石流災(zāi)害預(yù)警是在泥石流即將發(fā)生或者已經(jīng)發(fā)生尚未到達(dá)危險區(qū)的之前，發(fā)出 預(yù)警信息，為人員疏散撤離贏得時間，減免人員傷亡。其核心是泥石流起動、形成、運(yùn)動等方 面的科學(xué)監(jiān)測方法，以及對災(zāi)害發(fā)生臨界條件的合理確定。
[0003] 泥石流發(fā)生監(jiān)測與預(yù)警一直是泥石流災(zāi)害防治領(lǐng)域的重要，目前的技術(shù)方法主要 包括三大類型：第一類是通過CCD傳感器（照相或錄像）對泥石流溝道進(jìn)行監(jiān)測，直觀判 斷泥石流是否發(fā)生，以及發(fā)生的規(guī)模等。該方法基于GPRS技術(shù)的圖像抓拍傳感器只能定時 拍攝泥石流發(fā)生區(qū)域照片，提供泥石流是否發(fā)生的影像，很難給出定量的預(yù)警報信息，且往 往在雨夜難以保障正常運(yùn)行，難以獲取信息，易造成災(zāi)害漏報；第二類是以降雨作為控制參 數(shù)的監(jiān)測預(yù)警方法，主要通過雨量計測得實(shí)時降雨數(shù)據(jù)，再利用災(zāi)害發(fā)生事件與降雨參數(shù) (主要是降雨量與降雨歷時）統(tǒng)計分析建立的模型，進(jìn)行預(yù)警。這類方法需要較大的樣本才 能保證預(yù)報的精度，加之泥石流流域地質(zhì)和地貌條件的區(qū)域差異，不同區(qū)域的降雨歷時一 強(qiáng)度曲線具有較大差異，很難在建模樣本區(qū)域以外應(yīng)用，其推廣和應(yīng)用受到較大限制；第三 類是以土壤水分作為控制參數(shù)的監(jiān)測預(yù)警方法，主要通過土壤水分（包括土體含水量、土 體孔隙水壓力等）與土體強(qiáng)度的關(guān)系，判斷泥石流發(fā)生。這類方法只是考慮了泥石流形成 過程中的土體破壞這一個環(huán)節(jié)，沒有考慮破壞土體與地表水耦合形成泥石流的過程，因此 不能回答災(zāi)害預(yù)警最關(guān)心的類似"土體破壞能否形成泥石流？ "的一系列問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種泥石流力學(xué)參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)， 該系統(tǒng)能夠?qū)δ嗍髁魃?、流速、峰值流量、重度等特征指?biāo)進(jìn)行監(jiān)測。并同時提供一種基 于泥石流動力學(xué)參數(shù)監(jiān)測與條件判別實(shí)現(xiàn)的泥石流預(yù)警系統(tǒng)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明首先提供一種泥石流力學(xué)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，其技術(shù)方案如 下：
[0006] 一種泥石流力學(xué)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，在泥石流溝道流通區(qū)布置監(jiān)測斷面D，實(shí)時監(jiān)測斷 面D上的泥石流平均流速V。與泥石流重度γ。，其特征在于：依如下步驟實(shí)施：
[0007] 步驟S1、布置監(jiān)測斷面D
[0008] 確定泥石流溝道內(nèi)流通區(qū)、危險區(qū)范圍，在流通區(qū)布置監(jiān)測斷面D ;
[0009] 步驟S2、調(diào)查確定本底參數(shù)
[0010] 現(xiàn)場調(diào)查確定監(jiān)測斷面D所在處坡降I。、監(jiān)測斷面D寬度B、泥石流溝床糙率nc、 外阻力系數(shù)m、下游溝道最大安全排泄流量Qp，監(jiān)測斷面D至泥石流溝道危險區(qū)的距離L ;
[0011] 步驟S3、安裝監(jiān)測系統(tǒng)
[0012] 安裝監(jiān)測系統(tǒng)，所述監(jiān)測系統(tǒng)包括以無線通信聯(lián)接的控制中心與監(jiān)測傳感器，
[0013] 所述監(jiān)測傳感器安裝在監(jiān)測斷面D處，包括埋設(shè)在監(jiān)測斷面D溝床內(nèi)的總應(yīng)力傳 感器與監(jiān)測斷面D上方的超聲波泥位傳感器，所述總應(yīng)力傳感器與超聲波泥位傳感器在同 一堅直軸上；
[0014] 步驟S4、泥石流力學(xué)參數(shù)監(jiān)測
[0015] 步驟S41、泥石流發(fā)生時，監(jiān)測傳感器實(shí)時采集并向控制中心發(fā)送泥石流流深監(jiān)測 值h與總應(yīng)力監(jiān)測值P ;
[0016] 步驟S42、控制中心依式1計算監(jiān)測斷面D上的泥石流重度
[0017]

【權(quán)利要求】
1. 一種泥石流力學(xué)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，在泥石流溝道流通區(qū)布置監(jiān)測斷面D，實(shí)時監(jiān)測斷 面D上的泥石流平均流速V。與泥石流重度γ。，其特征在于：依如下步驟實(shí)施： 步驟S1、布置監(jiān)測斷面D 確定泥石流溝道內(nèi)流通區(qū)、危險區(qū)范圍，在流通區(qū)布置監(jiān)測斷面D ; 步驟S2、調(diào)查確定本底參數(shù) 現(xiàn)場調(diào)查確定監(jiān)測斷面D所在處坡降I。、監(jiān)測斷面D寬度B、泥石流溝床糙率η。、外阻 力系數(shù)m、下游溝道最大安全排泄流量，監(jiān)測斷面D至泥石流溝道危險區(qū)的距離L ; 步驟S3、安裝監(jiān)測系統(tǒng) 安裝監(jiān)測系統(tǒng)，所述監(jiān)測系統(tǒng)包括以無線通信聯(lián)接的控制中心與監(jiān)測傳感器， 所述監(jiān)測傳感器安裝在監(jiān)測斷面D處，包括埋設(shè)在監(jiān)測斷面D溝床內(nèi)的總應(yīng)力傳感器 (1)與監(jiān)測斷面D上方的超聲波泥位傳感器（2)，所述總應(yīng)力傳感器（1)與超聲波泥位傳感 器⑵在同一堅直軸上； 步驟S4、泥石流力學(xué)參數(shù)監(jiān)測 步驟S41、泥石流發(fā)生時，監(jiān)測傳感器實(shí)時采集并向控制中心發(fā)送泥石流流深監(jiān)測值h 與總應(yīng)力監(jiān)測值P ; 步驟S42、控制中心依式1計算監(jiān)測斷面D上的泥石流重度γ c :
式1 式中，h-泥石流流深監(jiān)測值，m，步驟S41確定 I。-監(jiān)測斷面D所在處坡降，步驟S2確定 η。-泥石流溝床糙率，步驟S2確定 Ρ-總應(yīng)力監(jiān)測值，kpa，步驟S41確定 g_重力加速度常量； 步驟S43、控制中心根據(jù)泥石流重度判斷泥石流類型： 若1. 0 < Y。< 1. 3,判斷為高含沙水流 若1. 3彡γ。< 1. 6,判斷為稀性泥石流 若1. 6彡γ。< 1. 9,判斷為過渡性泥石流 若Y。彡1. 9,判斷為粘性泥石流； 步驟S44、控制中心依式計算監(jiān)測斷面D上的泥石流平均流速V。：若為高含沙水流，依 式2計算，若為稀性泥石流，依式3計算，若為過渡性泥石流或粘性泥石流，依式4計算：
Vc= (Hc2/3XIc1/2)/nc 式 4 式中，η-曼寧系數(shù)，取值0.05 Rh_水力半徑，m，依式5計算確定 I。-監(jiān)測斷面D所在處坡降，步驟S2確定 m-外阻力系數(shù)，步驟S2確定 Y H-泥石流固體物質(zhì)比重，取值2. 65t · πΓ3 Φ-泥石流修正系數(shù)，依式6計算確定 R-泥石流水力半徑，m，由泥石流流深監(jiān)測值h代替 H。-為泥位深度，m，由泥石流流深監(jiān)測值h代替 η。-泥石流溝床糙率，步驟S2確定
式5 Φ = (yc-l)/(yH-yc) 式 6 式中，h-泥石流流深監(jiān)測值，m，步驟S41確定 B-監(jiān)測斷面D寬度，m，步驟S2確定 Y「監(jiān)測斷面D上的泥石流重度，g · cnT1，步驟S42確定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于： 所述步驟S3中，在安裝監(jiān)測系統(tǒng)固件后，在控制中心預(yù)置泥石流流深閾值Hp，泥石流流 深閾值Hp依式7計算確定：
式7 式中，Qp-下游溝道最大安全排泄流量，m3 · s'步驟S2確定， Y 監(jiān)測斷面D上的泥石流平均流速，m · s'步驟S4確定， B-監(jiān)測斷面D寬度，m，步驟S2確定。 所述步驟S4中，泥石流發(fā)生時，控制中心實(shí)時計算泥石流流深變化值A(chǔ)h并根據(jù)流深 判別條件選擇傳感器工作模式確定所述監(jiān)測傳感器的對泥石流流深監(jiān)測值h與總應(yīng)力監(jiān) 測值P的數(shù)據(jù)采集周期?\與數(shù)據(jù)發(fā)送周期T 2 ; 所述泥石流流深變化值A(chǔ)h依式8計算確定： Λ h = ht-ht-i 式 8 式中，ht-t時刻的泥石流流深監(jiān)測值，m hg-t-l時刻的泥石流流深監(jiān)測值，m 所述流深判別條件與傳感器工作模式選擇方法如表1所示： 表1流深判別條件與傳感器工作模式選擇方法
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述監(jiān)測斷面D布置在泥石流 溝道流通區(qū)內(nèi)溝道橫斷面形狀規(guī)則、溝道沖淤變化小、溝床順直、兩邊岸坡較高且陡直的位 置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述總應(yīng)力傳感器（1)埋置在所述 監(jiān)測斷面D溝床洞坑內(nèi)，傳感器受力面向上；所述洞坑上覆蓋抗沖擊環(huán)氧玻璃鋼蓋板（3)， 抗沖擊環(huán)氧玻璃鋼蓋板（3)下表面與總應(yīng)力傳感器（1)受力面緊接。
5. -種利用權(quán)利要求1、2、4任一所述的泥石流力學(xué)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的泥石流預(yù)警 系統(tǒng)，對泥石流發(fā)生規(guī)模實(shí)現(xiàn)分級預(yù)警，其特征在于 ： 步驟S5、泥石流發(fā)生規(guī)模預(yù)警 所述控制中心實(shí)時測算泥石流峰值流量Q。，依據(jù)Q。與下游溝道最大安全排泄流量Qp 間流量判別條件確定泥石流發(fā)生規(guī)模及預(yù)警級別； 所述泥石流峰值流量Q。依式9計算確定： Qc = VchB 式 9 式中，V。-監(jiān)測斷面D上的泥石流平均流速，m · s'步驟S4確定 h-監(jiān)測斷面D上的泥石流流深監(jiān)測值，m，步驟S4確定， B-監(jiān)測斷面D寬度，m，步驟S2確定， 所述流量判別條件及預(yù)警級別如表2所示： 表2泥石流流量判別條件及預(yù)警級別
當(dāng)泥石流預(yù)警級別進(jìn)入黃色、橙色、紅色時，控制中心分別發(fā)相應(yīng)的泥石流預(yù)警信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于：當(dāng)控制中心判斷泥石流預(yù)警級別為 黃色或橙色或紅色時實(shí)施步驟S6 ; 步驟S6、泥石流發(fā)生時間預(yù)警 控制中心依式10測算泥石流發(fā)生預(yù)期時間T。： Tc = L/Vc 式 10 式中，L-監(jiān)測斷面D至泥石流溝道危險區(qū)的距離，m，步驟S2確定 Vc_監(jiān)測斷面D上的泥石流平均流速，m · s'步驟S4確定。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于：當(dāng)控制中心判斷泥石流預(yù)警級 別為黃色或橙色或紅色時，控制中心同時發(fā)布步驟S43中確定的泥石流類型信息。
【文檔編號】G06F19/00GK104111091SQ201410342566
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】崔鵬, 嚴(yán)炎, 郭曉軍, 葛永剛 申請人:中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所