一種泥石流力學參數監測系統及泥石流預警系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種泥石流力學參數監測系統及泥石流預警系統。針對現有技術中在泥石流發生預警中存在的缺陷，本發明首先提供了一種泥石流力學參數的監測系統。該系統利用監測斷面D上獲取的總應力監測值P與泥石流流深監測值h，實時計算監測泥石流重度γC與泥石流平均流速VC。優化設計中，系統根據流深監測值h與流深變化值Δh調整監控數據變頻采集、發送。本發明還提供一種泥石流預警系統，根據泥石流峰值流量特征實現泥石流危險性的分級預警，并確定泥石流發生預期時間。本發明泥石流力學參數監測系統能夠對泥石流流深、流速、峰值流量、重度等特征指標進行實時及變頻監測、發送。本發明泥石流預警系統能夠實現泥石流力學參數特征分析及泥石流發生預警。
【專利說明】-種泥石流力學參數監測系統及泥石流預警系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種泥石流監測系統與泥石流預警系統，特別是涉及一種以泥石流力 學參數為監測值、臨界條件的泥石流監測系統與泥石流預警系統，屬于災害監測、泥石流防 治工程領域。
【背景技術】
[0002] 泥石流災害預警是在泥石流即將發生或者已經發生尚未到達危險區的之前，發出 預警信息，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、運動等方 面的科學監測方法，以及對災害發生臨界條件的合理確定。
[0003] 泥石流發生監測與預警一直是泥石流災害防治領域的重要，目前的技術方法主要 包括三大類型：第一類是通過CCD傳感器（照相或錄像）對泥石流溝道進行監測，直觀判 斷泥石流是否發生，以及發生的規模等。該方法基于GPRS技術的圖像抓拍傳感器只能定時 拍攝泥石流發生區域照片，提供泥石流是否發生的影像，很難給出定量的預警報信息，且往 往在雨夜難以保障正常運行，難以獲取信息，易造成災害漏報；第二類是以降雨作為控制參 數的監測預警方法，主要通過雨量計測得實時降雨數據，再利用災害發生事件與降雨參數 (主要是降雨量與降雨歷時）統計分析建立的模型，進行預警。這類方法需要較大的樣本才 能保證預報的精度，加之泥石流流域地質和地貌條件的區域差異，不同區域的降雨歷時一 強度曲線具有較大差異，很難在建模樣本區域以外應用，其推廣和應用受到較大限制；第三 類是以土壤水分作為控制參數的監測預警方法，主要通過土壤水分（包括土體含水量、土 體孔隙水壓力等）與土體強度的關系，判斷泥石流發生。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節，沒有考慮破壞土體與地表水耦合形成泥石流的過程，因此 不能回答災害預警最關心的類似"土體破壞能否形成泥石流？ "的一系列問題。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種泥石流力學參數的監測系統， 該系統能夠對泥石流流深、流速、峰值流量、重度等特征指標進行監測。并同時提供一種基 于泥石流動力學參數監測與條件判別實現的泥石流預警系統。
[0005] 為實現上述目的，本發明首先提供一種泥石流力學參數監測系統，其技術方案如 下：
[0006] 一種泥石流力學參數監測系統，在泥石流溝道流通區布置監測斷面D，實時監測斷 面D上的泥石流平均流速V。與泥石流重度γ。，其特征在于：依如下步驟實施：
[0007] 步驟S1、布置監測斷面D
[0008] 確定泥石流溝道內流通區、危險區范圍，在流通區布置監測斷面D ;
[0009] 步驟S2、調查確定本底參數
[0010] 現場調查確定監測斷面D所在處坡降I。、監測斷面D寬度B、泥石流溝床糙率nc、 外阻力系數m、下游溝道最大安全排泄流量Qp，監測斷面D至泥石流溝道危險區的距離L ;
[0011] 步驟S3、安裝監測系統
[0012] 安裝監測系統，所述監測系統包括以無線通信聯接的控制中心與監測傳感器，
[0013] 所述監測傳感器安裝在監測斷面D處，包括埋設在監測斷面D溝床內的總應力傳 感器與監測斷面D上方的超聲波泥位傳感器，所述總應力傳感器與超聲波泥位傳感器在同 一堅直軸上；
[0014] 步驟S4、泥石流力學參數監測
[0015] 步驟S41、泥石流發生時，監測傳感器實時采集并向控制中心發送泥石流流深監測 值h與總應力監測值P ;
[0016] 步驟S42、控制中心依式1計算監測斷面D上的泥石流重度
[0017]
【權利要求】
1. 一種泥石流力學參數監測系統，在泥石流溝道流通區布置監測斷面D，實時監測斷 面D上的泥石流平均流速V。與泥石流重度γ。，其特征在于：依如下步驟實施： 步驟S1、布置監測斷面D 確定泥石流溝道內流通區、危險區范圍，在流通區布置監測斷面D ; 步驟S2、調查確定本底參數 現場調查確定監測斷面D所在處坡降I。、監測斷面D寬度B、泥石流溝床糙率η。、外阻 力系數m、下游溝道最大安全排泄流量，監測斷面D至泥石流溝道危險區的距離L ; 步驟S3、安裝監測系統 安裝監測系統，所述監測系統包括以無線通信聯接的控制中心與監測傳感器， 所述監測傳感器安裝在監測斷面D處，包括埋設在監測斷面D溝床內的總應力傳感器 (1)與監測斷面D上方的超聲波泥位傳感器（2)，所述總應力傳感器（1)與超聲波泥位傳感 器⑵在同一堅直軸上； 步驟S4、泥石流力學參數監測 步驟S41、泥石流發生時，監測傳感器實時采集并向控制中心發送泥石流流深監測值h 與總應力監測值P ; 步驟S42、控制中心依式1計算監測斷面D上的泥石流重度γ c :
式1 式中，h-泥石流流深監測值，m，步驟S41確定 I。-監測斷面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-總應力監測值，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，取值0.05 Rh_水力半徑，m，依式5計算確定 I。-監測斷面D所在處坡降，步驟S2確定 m-外阻力系數，步驟S2確定 Y H-泥石流固體物質比重，取值2. 65t · πΓ3 Φ-泥石流修正系數，依式6計算確定 R-泥石流水力半徑，m，由泥石流流深監測值h代替 H。-為泥位深度，m，由泥石流流深監測值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-泥石流流深監測值，m，步驟S41確定 B-監測斷面D寬度，m，步驟S2確定 Y「監測斷面D上的泥石流重度，g · cnT1，步驟S42確定。
2. 根據權利要求1所述的監測系統，其特征在于： 所述步驟S3中，在安裝監測系統固件后，在控制中心預置泥石流流深閾值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 監測斷面D上的泥石流平均流速，m · s'步驟S4確定， B-監測斷面D寬度，m，步驟S2確定。 所述步驟S4中，泥石流發生時，控制中心實時計算泥石流流深變化值Ah并根據流深 判別條件選擇傳感器工作模式確定所述監測傳感器的對泥石流流深監測值h與總應力監 測值P的數據采集周期?\與數據發送周期T 2 ; 所述泥石流流深變化值Ah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測值，m hg-t-l時刻的泥石流流深監測值，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. 根據權利要求1或2所述的監測系統，其特征在于：所述監測斷面D布置在泥石流 溝道流通區內溝道橫斷面形狀規則、溝道沖淤變化小、溝床順直、兩邊岸坡較高且陡直的位 置。
4. 根據權利要求3所述的監測系統，其特征在于：所述總應力傳感器（1)埋置在所述 監測斷面D溝床洞坑內，傳感器受力面向上；所述洞坑上覆蓋抗沖擊環氧玻璃鋼蓋板（3)， 抗沖擊環氧玻璃鋼蓋板（3)下表面與總應力傳感器（1)受力面緊接。
5. -種利用權利要求1、2、4任一所述的泥石流力學參數監測系統實現的泥石流預警 系統，對泥石流發生規模實現分級預警，其特征在于 ： 步驟S5、泥石流發生規模預警 所述控制中心實時測算泥石流峰值流量Q。，依據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生規模及預警級別； 所述泥石流峰值流量Q。依式9計算確定： Qc = VchB 式 9 式中，V。-監測斷面D上的泥石流平均流速，m · s'步驟S4確定 h-監測斷面D上的泥石流流深監測值，m，步驟S4確定， B-監測斷面D寬度，m，步驟S2確定， 所述流量判別條件及預警級別如表2所示： 表2泥石流流量判別條件及預警級別
當泥石流預警級別進入黃色、橙色、紅色時，控制中心分別發相應的泥石流預警信號。
6. 根據權利要求5所述的預警系統，其特征在于：當控制中心判斷泥石流預警級別為 黃色或橙色或紅色時實施步驟S6 ; 步驟S6、泥石流發生時間預警 控制中心依式10測算泥石流發生預期時間T。： Tc = L/Vc 式 10 式中，L-監測斷面D至泥石流溝道危險區的距離，m，步驟S2確定 Vc_監測斷面D上的泥石流平均流速，m · s'步驟S4確定。
7. 根據權利要求5或6所述的預警系統，其特征在于：當控制中心判斷泥石流預警級 別為黃色或橙色或紅色時，控制中心同時發布步驟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 優先權日:2014年7月18日
【發明者】崔鵬, 嚴炎, 郭曉軍, 葛永剛 申請人:中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所