一種暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置及方法
【專利摘要】一種暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置及方法，裝置包括多要素氣象站單元、泥水位報警器單元及視頻監(jiān)測器單元；當(dāng)泥石流形成區(qū)發(fā)生降雨時，多要素氣象站單元開始采集雨量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至遠端的綜控中心；當(dāng)降雨量達到或超過泥石流形成的臨界雨量值時，發(fā)出首次預(yù)警預(yù)報信號；當(dāng)泥石流匯入到主溝的上中游并超過安全閾值時，臨界泥位閾值時發(fā)出二次報警信號；當(dāng)泥石流達到預(yù)定位置的上下觀測斷面并超過臨界值時，發(fā)出緊急報警信號；綜控中心利用計算機對發(fā)回的數(shù)據(jù)分析處理，實時在線繪制數(shù)據(jù)曲線，完成數(shù)據(jù)存儲，并根據(jù)各監(jiān)測區(qū)域的預(yù)報預(yù)警信號綜合發(fā)布預(yù)報預(yù)警方案。本發(fā)明能夠?qū)τ炅?、泥水位、視頻數(shù)據(jù)自動采集、記錄、處理，提高了效率。
【專利說明】
一種暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域，具體為一種暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]山洪(泥石流)災(zāi)害的影響已由過去的農(nóng)業(yè)擴展到城市、工業(yè)、生態(tài)環(huán)境等諸多領(lǐng)域。泥流是黃土高原常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，它爆發(fā)突然，來勢兇猛而迅速，破壞力強，對黃土高原區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成了嚴(yán)重的危害。突發(fā)的泥流往往沖進村莊和城鎮(zhèn)，毀壞房屋、工廠、企事業(yè)單位以及各種設(shè)備和設(shè)施，還掩埋人畜和農(nóng)田，甚者造成村毀人亡。臨監(jiān)測警報即零小時到數(shù)小時內(nèi)的預(yù)報，是依據(jù)每小時的雨量圖、雨勢情報、危險前兆、監(jiān)測儀器制定依據(jù)，對城鎮(zhèn)、工礦和交通運輸部門的泥石流臨災(zāi)避難與救助有重要意義。
[0003]傳統(tǒng)的泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警方法是在野外建立簡易監(jiān)測點，采用簡易的觀測方法，即主要利用人工觀測雨量和發(fā)生泥石流后的預(yù)警，檢測儀器科技含量不高，方法單一，存在監(jiān)測精度差、成果不及時和可靠度不夠的問題，遇到雷雨天氣通訊難以暢通，特別是夜間，監(jiān)測預(yù)警很難實施。因此，亟待提供一種改進的泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置及方法以克服上述缺陷。
[0004]目前中國專利“一種接觸式泥石流監(jiān)測裝置”(公開號:CN205140157U)，公開的監(jiān)測裝置是一種接觸式且采用光纖光柵傳感器作為主要部件的裝置，其功能結(jié)構(gòu)單一，只能在泥石流已經(jīng)發(fā)生的情況下監(jiān)測，沒有起到預(yù)報的效果；中國專利“一種泥石流監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及方法”(公開號:CN105096533A)，公開的系統(tǒng)是一種基于泥石流發(fā)生時的力學(xué)條件為監(jiān)測對象的系統(tǒng)，該方法僅僅考慮了泥石流發(fā)生的力學(xué)條件，并沒有過多考慮發(fā)生泥石流的其他充分必要條件，所以在真正的泥石流全過程監(jiān)測預(yù)警方面還存在缺陷。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置及方法，旨在解決泥流觀測和量化困難的問題，實現(xiàn)全自動監(jiān)測預(yù)報泥石流的爆發(fā)，實時、快速、準(zhǔn)確、全程地監(jiān)測和收集有關(guān)泥石流形成、運動規(guī)律、災(zāi)害程度等多方面的信息數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)及時防護和避險，保障人們的生命和財產(chǎn)安全，有效降低泥石流的危害性。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置包括多要素氣象站單元、泥水位報警器單元以及視頻監(jiān)測器單元;所述的多要素氣象站單元包括雨量采集模塊、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向感應(yīng)器、氣溫采集模塊、氣壓采集模塊以及濕度采集模塊;所述的泥水位報警器單元包括用于檢測水或飽和泥水的數(shù)據(jù)采集報警儀、用于在泥石流發(fā)生初期對泥水位變化進行實時監(jiān)測的激光物位探頭、用于發(fā)出指定報警音的報警音響以及用于數(shù)據(jù)接收處理并能夠進行無線發(fā)送的計算機;所述的視頻監(jiān)測器單元包括能夠全天候移動偵測錄像的攝像頭。
[0007]所述的多要素氣象站單元、泥水位報警器單元及視頻監(jiān)測器單元均采用太陽能電池供電。
[0008]所述的多要素氣象站單元、泥水位報警器單元以及視頻監(jiān)測器單元分別通過遙測終端和通訊終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸。
[0009]所述的多要素氣象站單元包括安裝支架，安裝支架上固定有太陽能電池板與電池盒，所述的雨量采集模塊為設(shè)置在安裝支架上的降水收集漏斗，風(fēng)速傳感器為固定在安裝支架正前方頂部的風(fēng)速計，所述的風(fēng)向感應(yīng)器為固定在安裝支架正前方底部的風(fēng)向標(biāo)，安裝支架上還設(shè)置有水準(zhǔn)儀。
[0010]所述的泥水位報警器單元采用濰坊金水華禹信息科技有限公司生產(chǎn)的激光水位
i+o
[0011 ]所述的視頻監(jiān)測器單元包括采集鏡頭，用于檢測光線強弱的光敏電阻，用于夜間補光的陣列大燈以及用于對視頻信號進行無線傳輸?shù)腤IFI天線。
[0012]本發(fā)明暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警方法采用的技術(shù)方案，包括以下步驟:
[0013]步驟一、當(dāng)泥石流形成區(qū)發(fā)生降雨時，多要素氣象站單元開始采集雨量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至遠端的綜控中心；
[0014]步驟二、當(dāng)降雨量達到或超過泥石流形成的臨界雨量值時，發(fā)出首次預(yù)警預(yù)報信號；
[0015]步驟三、當(dāng)泥石流匯入到主溝的上中游并超過安全閾值時，安裝于主溝上中游的泥水位報警器單元被啟動，臨界泥位閾值時發(fā)出二次報警信號；
[0016]步驟四、當(dāng)泥石流達到預(yù)定位置的上下觀測斷面并超過臨界值時，發(fā)出緊急報警信號；
[0017]步驟五、綜控中心利用計算機對發(fā)回的數(shù)據(jù)進行分析處理，實時在線繪制數(shù)據(jù)曲線，完成數(shù)據(jù)存儲，并根據(jù)各監(jiān)測區(qū)域的預(yù)報預(yù)警信號綜合發(fā)布預(yù)報預(yù)警方案。
[0018]所述的步驟二得到泥石流形成臨界雨量值的方法包括:首先通過SWAT模型建立降雨和徑流的關(guān)系；然后通過3S技術(shù)中的HEC-RAS與HEC-GeoRAS插件建立徑流和致災(zāi)程度的關(guān)系；以此對淹沒范圍及水深分布進行計算，確定淹沒范圍的臨界降雨量值。
[0019]建立SWAT模型方法如下:結(jié)合數(shù)字高程模型DEM，通過SWAT模型將流域劃分成若干個子流域;加載土地利用圖、土壤類型圖，再進行重分類，對坡度進行分類之后，將所有圖層疊加，生成若干個水文響應(yīng)單元，每個水文響應(yīng)單元內(nèi)土地利用、土壤類型和坡度相同；
[0020]模型中用到的土壤數(shù)據(jù)分為物理屬性數(shù)據(jù)和化學(xué)屬性數(shù)據(jù);物理屬性數(shù)據(jù)包括土壤分層數(shù)、各層厚度、土壤顆粒組成、土壤水文分組以及飽和水力傳導(dǎo)系數(shù);化學(xué)屬性為土壤中氮、磷的初始濃度;土地利用數(shù)據(jù)來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，土地利用數(shù)據(jù)在建模時將數(shù)據(jù)源的分類代碼轉(zhuǎn)化成SWAT模型能夠識別的代碼;氣象數(shù)據(jù)由氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)中心提供;以上數(shù)據(jù)錄入到Excel表格后，均按模型要求以DBF格式文件存儲；
[0021]參數(shù)敏感性分析和率定通過對參數(shù)進行敏感性分析，選取敏感性等級最高的參數(shù)，進行模型率定；調(diào)整過程中，先調(diào)整月徑流，再調(diào)整日徑流，先調(diào)整基流，再調(diào)整直接徑流;采用ArcSWAT提供的參數(shù)敏感度分析模塊進行參數(shù)敏感性分析，根據(jù)模型參數(shù)敏感性分析的結(jié)果，對徑流過程敏感性的參數(shù)進行校正;根據(jù)以上過程建立降雨與徑流之間的關(guān)系。
[0022]所述的步驟三臨界泥位閾值的獲取方法為:首先通過建立泥位要素與泥石流災(zāi)害規(guī)模之間的關(guān)系，然后分析泥位要素與泥石流災(zāi)害預(yù)警預(yù)報警戒級別之間的對應(yīng)關(guān)系，通過實測溝道斷面積和數(shù)學(xué)模型計算，確定泥位閾值，最終建立泥位監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)；
[0023]具體地，利用ArcGIS軟件及其插件HEC-GeoRAS對研究區(qū)域的河網(wǎng)幾何資料進行提取;在ArcMap中，利用GIS的空間分析功能，將研究區(qū)的DEM數(shù)字高程模型轉(zhuǎn)化為TIN模型，建立流域的數(shù)字地形模型，然后疊加SPOT衛(wèi)星遙感影像，對研究區(qū)的河網(wǎng)幾何資料進行概化處理;實際調(diào)查泥石流區(qū)概化河段，對不同圖層的數(shù)據(jù)概化步驟類似，即首先導(dǎo)入地形和遙感影像資料，導(dǎo)入之前需要對數(shù)據(jù)進行投影轉(zhuǎn)換;然后對不同圖層要素進行概化，如果需要的圖層要素已經(jīng)有相應(yīng)的矢量資料，則將矢量資料投影轉(zhuǎn)換后直接導(dǎo)入到HEC-GeoRAS中，若沒有則需要根據(jù)地形圖和遙感影像資料勾畫相應(yīng)的圖層，然后對該圖層進行賦屬性;所有河網(wǎng)幾何資料概化后，將其結(jié)果導(dǎo)入到HEC-RAS中作為模型的幾何基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后將SWAT模型計算的各流域出口處徑流量作為HEC-RAS的初始條件，并對模型的邊界條件及流態(tài)進行設(shè)定，在此基礎(chǔ)上對泥石流的演進進行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)定不同的報警級別。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置能夠根據(jù)發(fā)生泥石流區(qū)域的具體情況，將各監(jiān)測單元分別在泥石流不同區(qū)域進行布置，整體上使其成為多級泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)。在系統(tǒng)運行期間，由多要素氣象站單元以及泥水位報警器單元自動采集有關(guān)測量指標(biāo)數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到綜合控制中心，綜合控制中心實時在線顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線過程，完成數(shù)據(jù)存儲，并根據(jù)各監(jiān)測區(qū)域的預(yù)報預(yù)警信號綜合確定發(fā)布預(yù)報預(yù)警方案。本發(fā)明的暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置采用全自動一體化設(shè)計，能夠節(jié)省人力資源，保證工作人員安全，且監(jiān)測準(zhǔn)確、快速、方便，能夠為為泥石流防災(zāi)避險提供高質(zhì)量的臨監(jiān)測警報。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警方法結(jié)合3S及數(shù)學(xué)模擬技術(shù)，能夠保證實現(xiàn)不同條件下及早監(jiān)測泥石流的形成、運動和發(fā)展，實現(xiàn)提前預(yù)報預(yù)警，對防災(zāi)避災(zāi)非常有實用價值。監(jiān)測預(yù)警過程中自帶動力并且自動控制，儀器設(shè)備集成度高，便于進行各種工況下的野外監(jiān)測，在野外情況下采用有人看管、無人值守的管理模式，節(jié)省人力資源，保證了工作人員的安全，該方法對泥石流的監(jiān)測精確度高，大大提高了工作效率，具有較大的推廣應(yīng)用價值。此外本發(fā)明系統(tǒng)施工安裝工期短，能對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害及時監(jiān)測預(yù)警，改變了以往泥石流監(jiān)測預(yù)警主要依靠人工觀測，監(jiān)測方法單一，數(shù)據(jù)采集、管理、保存手段落后，夜間監(jiān)測工作難等局面。而且雨量、泥水位、視頻數(shù)據(jù)自動采集、記錄、處理，節(jié)省了人力，提高了效率以及預(yù)報的合理性和可信度，同時報警信息的無線傳輸提高了預(yù)警決策的時效性。因此，本發(fā)明能夠較好的實現(xiàn)暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警。
[0026]進一步的，本發(fā)明步驟二首次預(yù)警預(yù)報信號是否發(fā)出的判斷過程具體包括:①確定分析地點所在斷面的安全流量;②計算最小臨界雨量;③確定年最大24h相應(yīng)頻率設(shè)計暴雨量;④計算臨界雨量;⑤確定暴雨臨界曲線參數(shù);⑥整理泥石流時段雨量與累計雨量;⑦繪制暴雨臨界曲線;⑧在暴雨臨界曲線圖中點繪實際時段雨量與累計雨量，結(jié)合SWAT模型判斷泥石流是否發(fā)生。這種方法綜合考慮了累計降雨量與降雨強度雙指標(biāo)，克服了以往方法僅考慮降雨強度單指標(biāo)的缺陷，使得最終結(jié)果能夠成為一條暴雨臨界曲線，能較好地反映出由暴雨引發(fā)的山洪災(zāi)害是降雨強度與累計降雨量共同作用的結(jié)果。
【附圖說明】
[0027]圖1各監(jiān)測單元位置布置示意圖；
[0028]圖2多要素氣象站單元整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3泥水位報警器單元監(jiān)測原理示意圖；
[0030]圖4視頻監(jiān)測器單元整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031 ]圖5本發(fā)明測預(yù)報預(yù)警方法流程圖；
[0032]附圖中:1.泥石流區(qū)域遙感影像底圖；2.泥石流區(qū)域邊界線；3.泥石流區(qū)域水系；4.多要素氣象站單元;5.泥水位報警器單元;6.視頻監(jiān)測器單元;4-1.風(fēng)速計;4-2.太陽能電池板;4-3.水準(zhǔn)儀;4-4.降雨收集漏斗;4-5.安裝支架;4-6.電池盒，4_7.風(fēng)向標(biāo);6_1.采集鏡頭;6-2.Wif i天線;6-3.陣列大燈;6-4.光敏電阻。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0034]參見圖1-4，本發(fā)明暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置包括以下各單元:
[0035]多要素氣象站單元4:在暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置中釆用六要素配置設(shè)備，設(shè)備主要包括雨量采集、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向感應(yīng)器、氣溫、氣壓和濕度等監(jiān)測設(shè)備。供電方式以太陽能電池為主，同時附加充蓄電池。
[0036]泥水位報警器單元5:由數(shù)據(jù)采集報警儀、激光物位探頭、報警音響、計算機等組成。激光物位探頭是一款非接觸式測量儀器，有很強的抗干擾能力，安裝、維護、使用非常方便，更適合于環(huán)境復(fù)雜的現(xiàn)場。它采用低功率、小盲區(qū)專用激光鏡頭，測量范圍大、測量精度高，運行穩(wěn)定，廣泛用于水文水利等行業(yè)。傳感器遇到水或飽和泥水時會分別發(fā)出信號，傳達至數(shù)據(jù)采集報警儀，采集報警儀發(fā)出報警音，并將該警報傳達至該系統(tǒng)，系統(tǒng)收到警報后顯示、儲存、繪制狀態(tài)圖并通過計算機音頻發(fā)出指定報警音，同時向指定手機發(fā)出報警短信息。泥水位報警儀子系統(tǒng)通過無線傳輸，探頭用于泥石流發(fā)生初期對泥水位的變化進行實時監(jiān)測。
[0037]視頻監(jiān)測器單元6:由攝像機、搜索探照燈及采集軟件等組成。
[0038]攝像機有效像素為300萬，支持移動偵測錄像:攝像頭拍攝到動態(tài)畫面后，自動開始錄像，且支持無動態(tài)畫面不錄像，更大釋放了存儲空間。具有全自動紅外夜視功能:無需任何開關(guān)控制，通電后，自動開始工作錄像，光線充足時，默認(rèn)關(guān)閉夜視，光線較暗時自動開啟夜視。這樣即使在夜間也能對泥石流的發(fā)生具有很好的監(jiān)視作用。通過視頻系統(tǒng)對導(dǎo)渠內(nèi)的泥水位高程進行人工判別和泥位尺核實，并按預(yù)案發(fā)出警報，引導(dǎo)下游人員撤離。
[0039]圖3中，W為水位;H為激光頭離水面高度，H=LXsinhJ為激光頭安裝的海拔高度；L為激光測量距離;β為保護管與水平面的夾角，若β為90°時為垂直測量，W = J-L;圖中的反射板提供一個隨水位變化而變化的反射體;保護管保護激光束免受環(huán)境干擾，控制浮球運動方向；激光頭發(fā)射一束直徑為6毫米的紅色激光并接收，安裝時可以用激光束對保護管進行準(zhǔn)直。最終的水位測量計算公式為W=J-H=J-LXsinK
[0040]參見圖5，本發(fā)明暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警方法包括以下步驟:
[0041]步驟一、當(dāng)泥石流形成區(qū)發(fā)生降雨時，多要素氣象站子系統(tǒng)開始采集雨量數(shù)據(jù)，并把降雨信息發(fā)回綜控中心；
[0042]步驟二、當(dāng)降雨量(或雨強)達到或超過泥石流形成臨界雨量值時，首先發(fā)出預(yù)警預(yù)報；
[0043]步驟三、當(dāng)泥石流匯入到主溝的上中游，并超過閾值時，位于上中游的泥位遙測子系統(tǒng)被啟動，并發(fā)出二次報警信號；
[0044]步驟四、輔助監(jiān)測子系統(tǒng)也進入監(jiān)測狀態(tài)。當(dāng)泥石流達到預(yù)定的上下觀測斷面，并超過臨界值時，發(fā)出緊急報警；
[0045]步驟五、在整個過程中，各個子系統(tǒng)都把各種信息數(shù)據(jù)通過有線或無線方式連續(xù)不斷地送到綜控中心。在綜控中心利用計算機對這些數(shù)據(jù)進行分析處理，實時在線顯示曲線過程及數(shù)據(jù)存儲，并根據(jù)各監(jiān)測區(qū)域的預(yù)報預(yù)警信號綜合發(fā)布預(yù)報預(yù)警方案。
[0046]步驟二所述的測泥石流形成的臨界雨量值，即臨界閾值的獲取方法如下:
[0047]得到泥石流形成的臨界雨量值的方法分兩個部分:一是建立降雨和徑流的關(guān)系，主要通過SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型來實現(xiàn);二是建立徑流和致災(zāi)程度的關(guān)系，主要通過 3S 技術(shù)里面的 HEC_RAS(Hydrologic Engineering Center’s RiverAnalysis System)和HEC-GeoRAS插件來實現(xiàn)。對由降雨造成的山洪(泥石流)淹沒范圍及水深分布進行計算，并對山洪(泥石流)產(chǎn)生的淹沒范圍的臨界降雨量閾值進行確定。
[0048]主要思路和算法如下:①確定分析地點所在斷面的安全流量;②計算最小臨界雨量;③確定年最大24h相應(yīng)頻率設(shè)計暴雨;④計算臨界雨量;⑤確定暴雨臨界曲線參數(shù);⑥整理山洪時段雨量與累計雨量;⑦繪制暴雨臨界曲線;⑧在暴雨臨界曲線圖中點繪實際時段雨量與累計雨量，結(jié)合SWAT模型判斷山洪是否發(fā)生。這種方法綜合考慮了累計降雨量與降雨強度雙指標(biāo)，克服了以往方法僅考慮降雨強度單指標(biāo)的缺陷，最終成果為一條暴雨臨界曲線，能較好地反映由暴雨引發(fā)的山洪災(zāi)害是降雨強度與累計降雨量共同作用的結(jié)果。
[0049]建立SWAT模型具體方法如下:運用物理機制較強的分布式水文模型SWAT模型對研究區(qū)降雨徑流模擬。結(jié)合數(shù)字高程模型DEM，通過SWAT模型將流域劃分成若干個子流域。加載土地利用圖、土壤類型圖，再進行重分類，對坡度分類之后，將三個圖層疊加，生成若干個水文響應(yīng)單元，每個水文響應(yīng)單元內(nèi)土地利用、土壤類型和坡度相同，因此產(chǎn)流機制相似。
[0050]模型中用到的土壤數(shù)據(jù)主要包括兩大類:物理屬性數(shù)據(jù)和化學(xué)屬性數(shù)據(jù)。物理屬性主要包括土壤分層數(shù)、各層厚度、土壤顆粒組成、土壤水文分組、飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)等?；瘜W(xué)屬性主要是土壤中氮、磷的初始濃度。物理屬性決定著土壤剖面中水和氣的運動狀況，并對各個水文響應(yīng)單元中的水循環(huán)起著重要作用。由于是針對流域的徑流量模擬，不涉及水質(zhì)問題，所以主要確定土壤物理屬性數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心。土地利用數(shù)據(jù)建模時將數(shù)據(jù)源分類代碼轉(zhuǎn)化成SWAT能夠識別的代碼。氣象數(shù)據(jù)由氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)中心提供。以上資料手工錄入到Excel后，均按模型要求以DBF格式文件存儲。
[0051]參數(shù)敏感性分析和率定通過對參數(shù)進行敏感性分析，選取敏感性等級最高的參數(shù)，進行模型率定。調(diào)整過程中，先調(diào)整月徑流，再調(diào)整日徑流，先調(diào)整基流，再調(diào)整直接徑流。采用ArcSWAT提供的參數(shù)敏感度分析模塊進行參數(shù)敏感性分析，根據(jù)模型參數(shù)敏感性分析的結(jié)果，對徑流過程敏感性的參數(shù)進行校正，其目的是為了使模擬結(jié)果與實測徑流量更加接近，提高模擬精度。根據(jù)以上過程可以建立降雨與徑流之間的關(guān)系。
[0052]步驟三所述的測泥石流形成的泥位臨界值，即臨界泥位閾值的獲取方法如下:
[0053]從泥位閾值主要影響因素出發(fā)，首先通過建立泥位要素與泥石流災(zāi)害規(guī)模之間的相關(guān)關(guān)系，然后分析泥位要素與泥石流災(zāi)害預(yù)警預(yù)報警戒級別之間的對應(yīng)關(guān)系，通過實測溝道斷面積和數(shù)學(xué)模型計算，研究確定泥位閾值，最終建立泥位監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)。具體方法如下:
[0054]利用ArcGIS軟件及其插件HEC-GeoRAS對研究區(qū)域的河網(wǎng)幾何資料進行提取。在ArcMap中，利用GIS的空間分析功能，將研究區(qū)的DEM數(shù)字高程模型轉(zhuǎn)化為TIN模型，建立流域的數(shù)字地形模型，然后疊加SPOT衛(wèi)星遙感影像，對研究區(qū)的河網(wǎng)幾何資料進行概化處理。根據(jù)實際調(diào)查本研究對泥石流區(qū)概化河段。對不同圖層的數(shù)據(jù)概化步驟都是類似的，首先導(dǎo)入地形和遙感影像資料，由于后續(xù)需要對概化的幾何資料進行距離等屬性的統(tǒng)計，因此在導(dǎo)入之前需要對數(shù)據(jù)進行投影轉(zhuǎn)換。然后對不同圖層要素進行概化，如果需要的圖層要素已經(jīng)有相應(yīng)的矢量資料，則可將矢量資料投影轉(zhuǎn)換后直接導(dǎo)入到HEC-GeoRAS中，若沒有則需要根據(jù)地形圖和遙感影像資料勾畫相應(yīng)的圖層，然后對該圖層進行賦屬性。所有河網(wǎng)幾何資料概化后，將其結(jié)果導(dǎo)入到HEC-RAS中作為模型的幾何基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后將SWAT計算的各流域出口處的徑流量作為HEC-RAS的初始條件，并對模型的邊界條件及流態(tài)進行設(shè)定，在此基礎(chǔ)上對山洪(泥石流)的演進進行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)定不同的報警級別。
[0055]以上給出的為本發(fā)明的具體實施例，需要說明的是本發(fā)明并不局限于以上具體實施例，凡在本申請技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的等同變換均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置，其特征在于:包括多要素氣象站單元(4)、泥水位報警器單元(5)以及視頻監(jiān)測器單元(6); 所述的多要素氣象站單元(4)包括雨量采集模塊、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向感應(yīng)器、氣溫采集模塊、氣壓采集模塊以及濕度采集模塊;所述的泥水位報警器單元(5)包括用于檢測水或飽和泥水的數(shù)據(jù)采集報警儀、用于在泥石流發(fā)生初期對泥水位變化進行實時監(jiān)測的激光物位探頭、用于發(fā)出指定報警音的報警音響以及用于數(shù)據(jù)接收處理并能夠進行無線發(fā)送的計算機;所述的視頻監(jiān)測器單元(6)包括能夠全天候移動偵測錄像的攝像頭。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置，其特征在于:所述多要素氣象站單元(4)、泥水位報警器單元(5)及視頻監(jiān)測器單元(6)均采用太陽能電池供電。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置，其特征在于:所述的多要素氣象站單元(4)、泥水位報警器單元(5)以及視頻監(jiān)測器單元(6)分別通過遙測終端和通訊終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置，其特征在于:所述的多要素氣象站單元(4)包括安裝支架(4-5)，安裝支架(4-5)上固定有太陽能電池板(4-2)與電池盒(4-6)，所述的雨量采集模塊為設(shè)置在安裝支架(4-5)上的降水收集漏斗(4-4)，風(fēng)速傳感器為固定在安裝支架(4-5)正前方頂部的風(fēng)速計(4-1)，所述的風(fēng)向感應(yīng)器為固定在安裝支架(4-5)正前方底部的風(fēng)向標(biāo)(4-7)，安裝支架(4-5)上還設(shè)置有水準(zhǔn)儀(4-3)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置，其特征在于:所述的泥水位報警器單元(5)采用激光水位計。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警裝置，其特征在于:所述的視頻監(jiān)測器單元(6)包括采集鏡頭(6-1)，用于檢測光線強弱的光敏電阻(6-4)，用于夜間補光的陣列大燈(6-3)以及用于對視頻信號進行無線傳輸?shù)腤IFI天線(6-2)。7.一種暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、當(dāng)泥石流形成區(qū)發(fā)生降雨時，多要素氣象站單元(4)開始采集雨量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至遠端的綜控中心； 步驟二、當(dāng)降雨量達到或超過泥石流形成的臨界雨量值時，發(fā)出首次預(yù)警預(yù)報信號； 步驟三、當(dāng)泥石流匯入到主溝的上中游并超過安全閾值時，安裝于主溝上中游的泥水位報警器單元(5)被啟動，臨界泥位閾值時發(fā)出二次報警信號； 步驟四、當(dāng)泥石流達到預(yù)定位置的上下觀測斷面并超過臨界值時，發(fā)出緊急報警信號； 步驟五、綜控中心利用計算機對發(fā)回的數(shù)據(jù)進行分析處理，實時在線繪制數(shù)據(jù)曲線，完成數(shù)據(jù)存儲，并根據(jù)各監(jiān)測區(qū)域的預(yù)報預(yù)警信號綜合發(fā)布預(yù)報預(yù)警方案。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警方法，其特征在于，所述的步驟二得到泥石流形成臨界雨量值的方法包括:首先通過SWAT模型建立降雨和徑流的關(guān)系；然后通過3S技術(shù)中的HEC-RAS與HEC-GeoRAS插件建立徑流和致災(zāi)程度的關(guān)系；以此對淹沒范圍及水深分布進行計算，確定淹沒范圍的臨界降雨量值。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警方法，其特征在于:建立SWAT模型具體方法如下:結(jié)合數(shù)字高程模型DEM，通過SWAT模型將流域劃分成若干個子流域;加載土地利用圖、土壤類型圖，再進行重分類，對坡度進行分類之后，將所有圖層疊加，生成若干個水文響應(yīng)單元，每個水文響應(yīng)單元內(nèi)土地利用、土壤類型和坡度相同； 模型中用到的土壤數(shù)據(jù)分為物理屬性數(shù)據(jù)和化學(xué)屬性數(shù)據(jù);物理屬性數(shù)據(jù)包括土壤分層數(shù)、各層厚度、土壤顆粒組成、土壤水文分組以及飽和水力傳導(dǎo)系數(shù);化學(xué)屬性為土壤中氮、磷的初始濃度;土地利用數(shù)據(jù)在建模時將數(shù)據(jù)源的分類代碼轉(zhuǎn)化成SWAT模型能夠識別的代碼;土地利用數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)錄入到Excel表格后，均按模型要求以DBF格式文件存儲；參數(shù)敏感性分析和率定通過對參數(shù)進行敏感性分析，選取敏感性等級最高的參數(shù)，進行模型率定；調(diào)整過程中，先調(diào)整月徑流，再調(diào)整日徑流，先調(diào)整基流，再調(diào)整直接徑流;采用ArcSWAT提供的參數(shù)敏感度分析模塊進行參數(shù)敏感性分析，根據(jù)模型參數(shù)敏感性分析的結(jié)果，對徑流過程敏感性的參數(shù)進行校正;根據(jù)以上過程建立降雨與徑流之間的關(guān)系。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的暴雨型稀性泥石流監(jiān)測預(yù)報預(yù)警方法，其特征在于，所述的步驟三臨界泥位閾值的獲取方法為:首先通過建立泥位要素與泥石流災(zāi)害規(guī)模之間的關(guān)系，然后分析泥位要素與泥石流災(zāi)害預(yù)警預(yù)報警戒級別之間的對應(yīng)關(guān)系，通過實測溝道斷面積和數(shù)學(xué)模型計算，確定泥位閾值，最終建立泥位監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)； 具體地，利用ArcGIS軟件及其插件HEC-GeoRAS對研究區(qū)域的河網(wǎng)幾何資料進行提?。辉贏rcMap中，利用GIS的空間分析功能，將研究區(qū)的DEM數(shù)字高程模型轉(zhuǎn)化為TIN模型，建立流域的數(shù)字地形模型，然后疊加SPOT衛(wèi)星遙感影像，對研究區(qū)的河網(wǎng)幾何資料進行概化處理;實際調(diào)查泥石流區(qū)概化河段，對不同圖層的數(shù)據(jù)概化步驟類似，即首先導(dǎo)入地形和遙感影像資料，導(dǎo)入之前對數(shù)據(jù)進行投影轉(zhuǎn)換;然后對不同圖層要素進行概化，如果需要的圖層要素已經(jīng)有相應(yīng)的矢量資料，則將矢量資料投影轉(zhuǎn)換后直接導(dǎo)入到HEC-GeoRAS中，若沒有則根據(jù)地形圖和遙感影像資料勾畫相應(yīng)的圖層，然后對該圖層進行賦屬性;所有河網(wǎng)幾何資料概化后，將其結(jié)果導(dǎo)入到HEC-RAS中作為模型的幾何基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后將SWAT模型計算的各流域出口處徑流量作為HEC-RAS的初始條件，并對模型的邊界條件及流態(tài)進行設(shè)定，在此基礎(chǔ)上對泥石流的演進進行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)定不同的報警級別。
【文檔編號】G08B21/10GK106023530SQ201610398015
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】霍艾迪, 黨劍, 王菊翠, 汪潔, 李則成, 王磊, 曹哲, 袁靖
【申請人】長安大學(xué)