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【摘要】本文就笔者所负责的针对泥石流沟自动监控预警系统的实施等进行了分析研究，以供今后各水电站建设项目应对该类自然灾害时参考。
【关键词】泥石流；自动监控预警
Wild Dadu Hydropower Dam Changheba DEBRIS FLOW automatic monitoring and warning systems research
Wei Hong-jie
(Sichuan Datang International Ganzi Hydropower Development Co., LtdGanzizhouSichuan626000)
【Abstract】In this paper, the author is responsible for debris flow gully automatic monitoring the implementation of early warning systems were analyzed studies for reference for future hydropower projects deal with such natural disasters.
【Key words】Landslides;Automatic monitoring and early warning
1. 项目的建设背景
（1）泥石流灾害预警是采取仪器探测技术，通过对灾害发生前的征兆的分析评价，快速传送灾害发生时间、地点的临界值信息，指导人们采取疏散救援等应急行动。由于泥石流灾害分布广泛，采取“硬性”工程措施治理的投资高、周期长、恢复难，因此，强化灾前的预警是当前国内外灾害研究中受到普遍关注的课题。
（2）长河坝工区地质环境条件复杂、地貌类型多、新构造运动明显，泥石流灾害具有易发、多发和群发的特点。为了确保工区生命财产安全、工程安全建设和运营，迫切需要对库区有重大安全隐患的泥石流沟进行监测预警。本项目研究在对库区内的野坝沟泥石流进行详细调查研究的基础上，开展了监测预警系统建设示范，为库其它重大泥石流的防治提供理论和实践支撑。
2. 项目策划方案
2.1总体研究思路。
本项目泥石流监测预警系统由泥位监测子系统、遥测雨量监测系统、无线数据传输子系统和控制决策子系统组成。其中，泥位监测提供红外对射和视频图像2种方法实现。监测数据通过无线传输的方式传送至控制决策子系统。通过在无线数据传输过程设置传输中继站，可以达到更远距离的传输。控制决策子系统对接收的监测数据分析处理后，进行相应的消息发布。用户可以通过登陆到指定网址或手机终端查看监测数据，即可获得泥石流暴发与等级规模大小的信息。下图1是典型泥石流监测预警方案，图2是泥石流监测预警系统的技术方案。
图1典型泥石流监测预警方案
2.2系统模块设计。
2.2.1泥位监测子系统。
（1）泥位监测子系统包括主控制系统、红外对射传感器、视频图像采集、太阳能发电装置、电源模块和人机交互接口组成。其中，红外对射传感器用于实时监测泥石流泥位数据，其监测原理是利用红外线经LED红外光发射二极体，再经光学镜面做聚焦处理使光线发射至远距离的受光器接收。当光线被遮断时就会发出警报。泥位监测设置2个监测预警阈值，即黄色预警值和红色预警值。视频图像采集用于记录泥石流的动态数据。整个系统的供电由太阳能发电装置和电源模块提供。人机交互接口设置了系统运行状态显示和部分操作控制。图3是泥位监测子系统组成框图。
图2泥石流监测预警系统的技术方案
图3泥位监测子系统组成框图
（2）针对泥石流暴发地或监测断面的泥石流观测要素的监测值达到预设的预警等级参数值时，发出的警报预警等级参数值可采用警戒流量与警戒泥位。
最小断面警戒流量Qj1可按下式确定:
Qj1=Aj1Vj1
式中: Aj1为防护区泥石流沟最小断面警戒泥位所对应的过流断面面积； Vj1为泥石流沟最小断面达到警戒泥位时的平均流速。
监测断面警戒流量Qj2可按下式确定:
Qj2=kQj1
式中:k为系数，k=(F2/F1)0.8，其中，F1、F2分别为监测断面、防护区最小断面所控制的流域面积。
监测断面处的警戒泥确定方法是由上式计算出警戒流量与避难流量后，根据下式可得到警戒泥位：
Qj=BMcHc5/3i1/2
式中: Qj为警戒流量与避难流量；B为流量为Q时断面过流宽度；Mc为泥石流沟粗糙系数；Hc为平均泥深；i为泥石流沟平均坡降或水力梯度。根据监测和计算的平均泥深后，可确定出警戒泥位与避难泥位，一旦发现泥石流泥位值达到警戒界限或避难界限时，立即发出警报。
2.2.2遥测雨量监测子系统。
虽然气象部门在每个县域内都布置有降雨量监测设施，但是其主要布置在城镇等地势平坦区域，而泥石流区一般地势陡峭，高差大，局地气候活跃，难以满足泥石流灾害监测预警的需要，因此需要对重大泥石流灾害点布置遥测雨量计构建监测网，通过降雨与地质环境的耦合分析，进行泥石流灾害监测预警。由于现在市场上遥测雨量监测设备已经非常成熟，本项目拟直接购买成品遥测雨量计进行典型泥石流沟的雨量监测。
2.2.3无线数据传输子系统。
系统工作过程中，无线数据传输子系统将接收到的泥位监测数据实时的传输至控制决策中心。该子系统包括控制系统、无线数传电台、人机交互接口和防雷击装置。其中，无线数传电台的工作频率选用223MHz～235MHz数据传输专用频段。表1是无线数传电台的主要综合指标。此外，考虑到野外实际工作环境，防雷击装置用于保护系统安全工作。图4是无线数据传输子系统组成框图。
图4无线数据传输子系统组成框图
表1无线数传电台的主要综合指标
内容 指标
工作频段 230MHz
频率容差 ±2.5ppm
信道间隔 25KHz
传输速率 1200/2400/4800/9600bps
发射功率 0.5W～5W
传输距离 可达十几公里（与使用的环境、天线类型等有关）。
环境温度 -35℃～+65℃
误码率 ≤10-6@-119dBm4800bps
2.2.4太阳能发电装置和电源模块。
（1）太阳能发电装置和电源模块主要由太阳能电池板、充电控制器、蓄电池组成。图5是太阳能发电装置和电源模块系统结构框图。
图5太阳能发电装置和电源模块系统结构框图
（2）太阳电池板的作用是将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。针对野外环境工作，系统设计了100W～200W的太阳能发电功率输出。电源控制模块主要由专用处理器MCU、电子元器件、显示器、开关功率管等组成。在太阳发电系统中，充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。同时记录并显示系统各种重要数据，如充电电流、电压等。多组电源输出模块的作用就是将太阳能电池方阵或蓄电池提供的24V的直流转换成系统需要的工作电源。
（3）供电系统在白天有光照的时候，太阳能板将太阳辐射转换成电能，既对电池组充电，也为用电系统提供电能。在夜间没有光照的时候，电池组放电，经过电源转换继续供给用电系统。
2.2.5控制决策子系统。
（1）控制决策子系统包括控制系统、无线数传电台、GPRS模块和计算机系统。该系统的核心是基于计算机的预警分析与决策系统。它是以基础数据库为支撑，以泥位监测为动态数据获取手段，以泥石流预警分析模型为基础，以最佳减灾方案为目的的综合性减灾决策支持系统。因此，该系统在结构上主要由泥石流基础数据库、泥石流预警分析和泥石流减灾决策应用三大模块构成，其组成结构主要包括：泥石流沟基本资料、DEM、泥位动态资料、预警分析模型、城市土地覆盖、危险范围预测模型、灾情预估、减灾决策应用模块。
（2）根据泥石流在堆积扇上运动的数值模拟，划分危险范围并确定危险度，预估不同位置的泥石流灾害风险程度，由此确定安全区和避难路线，为制定居民的应急撤离预案和抢险救灾提供科学依据。
（3）预警分析与决策系统的消息发布既可以通过GPRS网络发送至手机终端，也可以通过WEB方式在互联网上发布，并及时发出报警信息（控制决策子系统组成框图见图6）。
图6控制决策子系统组成框图
2.3野坝沟泥石流监测方案。
本项目拟在该沟物源区布置1套遥测雨量计，在流通区中段两支沟交汇处下游附近布置泥位计和视频监测仪，并在沟口位置布置报警器，具体布置位置如图7所示。
图7野坝沟监测布置及流域特征图
3. 效果和结论
该套自动监控预警系统各模块均是经受过实践检验能够发挥实际效果的产品，成套系统的效果须经历雨季验证后方可清楚，不过可以确定，通过建立该套自动监控预警系统，将在雨季期间对预防泥石流发挥巨大的作用，产生无法估量的效益，值得在各水电建设项目中推广。
［文章编号］1006-7619（2014）05-09-187
［作者简介］ 魏宏杰(1983.03-)，男，职称：工程师，职务：安全专责，工作单位：四川大唐国际甘孜水电开发有限公司。
【关键词】泥石流；自动监控预警
Wild Dadu Hydropower Dam Changheba DEBRIS FLOW automatic monitoring and warning systems research
Wei Hong-jie
(Sichuan Datang International Ganzi Hydropower Development Co., LtdGanzizhouSichuan626000)
【Abstract】In this paper, the author is responsible for debris flow gully automatic monitoring the implementation of early warning systems were analyzed studies for reference for future hydropower projects deal with such natural disasters.
【Key words】Landslides;Automatic monitoring and early warning
1. 项目的建设背景
（1）泥石流灾害预警是采取仪器探测技术，通过对灾害发生前的征兆的分析评价，快速传送灾害发生时间、地点的临界值信息，指导人们采取疏散救援等应急行动。由于泥石流灾害分布广泛，采取“硬性”工程措施治理的投资高、周期长、恢复难，因此，强化灾前的预警是当前国内外灾害研究中受到普遍关注的课题。
（2）长河坝工区地质环境条件复杂、地貌类型多、新构造运动明显，泥石流灾害具有易发、多发和群发的特点。为了确保工区生命财产安全、工程安全建设和运营，迫切需要对库区有重大安全隐患的泥石流沟进行监测预警。本项目研究在对库区内的野坝沟泥石流进行详细调查研究的基础上，开展了监测预警系统建设示范，为库其它重大泥石流的防治提供理论和实践支撑。
2. 项目策划方案
2.1总体研究思路。
本项目泥石流监测预警系统由泥位监测子系统、遥测雨量监测系统、无线数据传输子系统和控制决策子系统组成。其中，泥位监测提供红外对射和视频图像2种方法实现。监测数据通过无线传输的方式传送至控制决策子系统。通过在无线数据传输过程设置传输中继站，可以达到更远距离的传输。控制决策子系统对接收的监测数据分析处理后，进行相应的消息发布。用户可以通过登陆到指定网址或手机终端查看监测数据，即可获得泥石流暴发与等级规模大小的信息。下图1是典型泥石流监测预警方案，图2是泥石流监测预警系统的技术方案。
图1典型泥石流监测预警方案
2.2系统模块设计。
2.2.1泥位监测子系统。
（1）泥位监测子系统包括主控制系统、红外对射传感器、视频图像采集、太阳能发电装置、电源模块和人机交互接口组成。其中，红外对射传感器用于实时监测泥石流泥位数据，其监测原理是利用红外线经LED红外光发射二极体，再经光学镜面做聚焦处理使光线发射至远距离的受光器接收。当光线被遮断时就会发出警报。泥位监测设置2个监测预警阈值，即黄色预警值和红色预警值。视频图像采集用于记录泥石流的动态数据。整个系统的供电由太阳能发电装置和电源模块提供。人机交互接口设置了系统运行状态显示和部分操作控制。图3是泥位监测子系统组成框图。
图2泥石流监测预警系统的技术方案
图3泥位监测子系统组成框图
（2）针对泥石流暴发地或监测断面的泥石流观测要素的监测值达到预设的预警等级参数值时，发出的警报预警等级参数值可采用警戒流量与警戒泥位。
最小断面警戒流量Qj1可按下式确定:
Qj1=Aj1Vj1
式中: Aj1为防护区泥石流沟最小断面警戒泥位所对应的过流断面面积； Vj1为泥石流沟最小断面达到警戒泥位时的平均流速。
监测断面警戒流量Qj2可按下式确定:
Qj2=kQj1
式中:k为系数，k=(F2/F1)0.8，其中，F1、F2分别为监测断面、防护区最小断面所控制的流域面积。
监测断面处的警戒泥确定方法是由上式计算出警戒流量与避难流量后，根据下式可得到警戒泥位：
Qj=BMcHc5/3i1/2
式中: Qj为警戒流量与避难流量；B为流量为Q时断面过流宽度；Mc为泥石流沟粗糙系数；Hc为平均泥深；i为泥石流沟平均坡降或水力梯度。根据监测和计算的平均泥深后，可确定出警戒泥位与避难泥位，一旦发现泥石流泥位值达到警戒界限或避难界限时，立即发出警报。
2.2.2遥测雨量监测子系统。
虽然气象部门在每个县域内都布置有降雨量监测设施，但是其主要布置在城镇等地势平坦区域，而泥石流区一般地势陡峭，高差大，局地气候活跃，难以满足泥石流灾害监测预警的需要，因此需要对重大泥石流灾害点布置遥测雨量计构建监测网，通过降雨与地质环境的耦合分析，进行泥石流灾害监测预警。由于现在市场上遥测雨量监测设备已经非常成熟，本项目拟直接购买成品遥测雨量计进行典型泥石流沟的雨量监测。
2.2.3无线数据传输子系统。
系统工作过程中，无线数据传输子系统将接收到的泥位监测数据实时的传输至控制决策中心。该子系统包括控制系统、无线数传电台、人机交互接口和防雷击装置。其中，无线数传电台的工作频率选用223MHz～235MHz数据传输专用频段。表1是无线数传电台的主要综合指标。此外，考虑到野外实际工作环境，防雷击装置用于保护系统安全工作。图4是无线数据传输子系统组成框图。
图4无线数据传输子系统组成框图
表1无线数传电台的主要综合指标
内容 指标
工作频段 230MHz
频率容差 ±2.5ppm
信道间隔 25KHz
传输速率 1200/2400/4800/9600bps
发射功率 0.5W～5W
传输距离 可达十几公里（与使用的环境、天线类型等有关）。
环境温度 -35℃～+65℃
误码率 ≤10-6@-119dBm4800bps
2.2.4太阳能发电装置和电源模块。
（1）太阳能发电装置和电源模块主要由太阳能电池板、充电控制器、蓄电池组成。图5是太阳能发电装置和电源模块系统结构框图。
图5太阳能发电装置和电源模块系统结构框图
（2）太阳电池板的作用是将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。针对野外环境工作，系统设计了100W～200W的太阳能发电功率输出。电源控制模块主要由专用处理器MCU、电子元器件、显示器、开关功率管等组成。在太阳发电系统中，充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。同时记录并显示系统各种重要数据，如充电电流、电压等。多组电源输出模块的作用就是将太阳能电池方阵或蓄电池提供的24V的直流转换成系统需要的工作电源。
（3）供电系统在白天有光照的时候，太阳能板将太阳辐射转换成电能，既对电池组充电，也为用电系统提供电能。在夜间没有光照的时候，电池组放电，经过电源转换继续供给用电系统。
2.2.5控制决策子系统。
（1）控制决策子系统包括控制系统、无线数传电台、GPRS模块和计算机系统。该系统的核心是基于计算机的预警分析与决策系统。它是以基础数据库为支撑，以泥位监测为动态数据获取手段，以泥石流预警分析模型为基础，以最佳减灾方案为目的的综合性减灾决策支持系统。因此，该系统在结构上主要由泥石流基础数据库、泥石流预警分析和泥石流减灾决策应用三大模块构成，其组成结构主要包括：泥石流沟基本资料、DEM、泥位动态资料、预警分析模型、城市土地覆盖、危险范围预测模型、灾情预估、减灾决策应用模块。
（2）根据泥石流在堆积扇上运动的数值模拟，划分危险范围并确定危险度，预估不同位置的泥石流灾害风险程度，由此确定安全区和避难路线，为制定居民的应急撤离预案和抢险救灾提供科学依据。
（3）预警分析与决策系统的消息发布既可以通过GPRS网络发送至手机终端，也可以通过WEB方式在互联网上发布，并及时发出报警信息（控制决策子系统组成框图见图6）。
图6控制决策子系统组成框图
2.3野坝沟泥石流监测方案。
本项目拟在该沟物源区布置1套遥测雨量计，在流通区中段两支沟交汇处下游附近布置泥位计和视频监测仪，并在沟口位置布置报警器，具体布置位置如图7所示。
图7野坝沟监测布置及流域特征图
3. 效果和结论
该套自动监控预警系统各模块均是经受过实践检验能够发挥实际效果的产品，成套系统的效果须经历雨季验证后方可清楚，不过可以确定，通过建立该套自动监控预警系统，将在雨季期间对预防泥石流发挥巨大的作用，产生无法估量的效益，值得在各水电建设项目中推广。
［文章编号］1006-7619（2014）05-09-187
［作者简介］ 魏宏杰(1983.03-)，男，职称：工程师，职务：安全专责，工作单位：四川大唐国际甘孜水电开发有限公司。