地质灾害监测仪器设备的研发

从近10年来地质灾害监测仪器领域取得的成就中，选取以下几个作为代表。

1.地质灾害多参数采集传输仪

针对国内地质灾害监测行业的现状，基于国内外地质灾害监测领域广泛使用的各种工作模式的优缺点，研制了地质灾害多参数采集传输仪。可连接的传感器有拉杆位移传感器、拉绳位移传感器、磁致伸缩位移传感器、地声传感器、雨量传感器、含水量传感器、泥浆液位传感器、倾斜传感器等。通过这些传感器的组合，可以分别用于监测滑坡、泥石流、崩塌、地面沉降等领域。采集的数据通过中国移动的GPRS网络以TCP/IP方式传输到后端数据监控中心服务器进行显示和存储。如果现场没有GPRS信号，可以通过北斗卫星以短信方式传输数据。系统框图如图1所示，实物如图2所示。

图1地质灾害多参数采集传输仪框图

主要技术指标:

1)采样方式:定时采集，远程设置采集时间；

2)模拟输入通道:4个通道；

3)A/D分辨率:相当于16位；

4)数字输入输出通道:雨量开关输入和报警开关输出；

5)工作温度:-30 ~ 50℃；

6)传输方式:中国移动GPRS或北斗卫星短信；

7)供电电压:DC 12V，交流/DC两用电源。

图2地质灾害多参数采集传输仪主机和配套传感器

2.滑坡预警伸缩仪和裂缝报警器

这两种仪器主要用于监测裂缝的变化，当达到预设的报警阈值时发出规避报警，可以代替人工巡视，应用于山体滑坡、地面塌陷或房屋裂缝的监测。滑坡预警伸缩仪工作原理如图3所示，裂缝报警器工作原理如图4所示，实物如图5所示。

图3滑坡预警伸缩仪示意框图

主要技术指标:

1)监测范围:滑坡预警引伸计0 ~ 1000 mm，裂缝报警0 ~ 100mm；

2)监测精度:1mm；

3)A/D分辨率:相当于16位；

4)报警声压:滑坡预警引伸计105dB，裂缝报警100 db；；

5)供电电压:滑坡预警引伸仪为12V碱性电池，裂缝报警器为3V碱性电池。

滑坡预警伸缩仪在使用报警器的基础上，增加了利用无线开关模块远程报警的功能，安装在居民区的主机可以接收多个滑坡预警伸缩仪发出的报警信号，如图6所示。

图4裂缝报警器原理框图

图5滑坡预警伸缩仪和裂缝报警器

3.分布式电导地质灾害监测装置

本发明主要用于海水入侵监测。通过采集海水入侵观测井中不同深度井液的电导率值，根据电导率值和电极所在井的深度确定咸淡水边界，可以方便、快速、准确地完成对海水入侵等地质灾害的监测。

分布式电导率地质灾害监测装置由主机、电缆和分布式测量电极组成。观测井中布置30个测量电极，电极间距为1m，每个电极通过继电器连接到主机的数字输出引脚。主机控制30个继电器在预定时间后依次打开和关闭30个电极。AD采集的数据存储在上位机的内存中，监测效果在后续的处理中以曲线的形式表现出来。系统框图见图7，工作意见见图8，实物见图9。

图6具有无线报警功能的滑坡预警伸缩仪

图7分布式电导地质灾害监测装置框图

图8分布式电导地质灾害监测装置示意图。

图9分布式电导率地质灾害监测装置

主要技术指标:

1)电导率监测范围:500μs/cm ~ 0.3s/m；

2)测量精度:1%；

3)电源:DC 12V，交流/DC两用电源；

4)工作环境温度:-5 ~+40℃；

5)电极最大控制范围:24m。

4.泥石流监测分析预警装置

图10泥石流监测分析预警装置框图

图11泥石流监测、分析及预警装置

开展泥石流预警研究，获取准确可靠的数据是关键。泥石流监测分析预警装置是根据泥石流特征的主要参数设计的。泥石流地声信号频率较低，其优势频率远高于其他频率成分(环境噪声)，为我们检测和识别信号提供了有利条件。泥石流地声信号的强度(幅度)与泥石流规模成正比，通过泥石流地声数据的收集和分析可以确定规模，并根据规模进行预警。通过收集和分析泥石流地声的强度、频率范围和持续时间，可以初步摸清泥石流地声的活动特征、分布规律和发展趋势，提供有效的预防预警技术方案，促进泥石流灾害防治能力的提高，为地质灾害监测预警提供技术支撑。系统框图见图10，实物见图11。

主要技术指标:

1)A/D分辨率:相当于12位；

2)采样间隔:10 ~ 50μs；

3)频段:1 ~ 500Hz；

4)程控放大器增益:5 ~ 1000倍程控可调；

5)通道数量:3个传感器信号，使用MSD总线协议；

6)工作环境温度:0 ~+40℃；

7)电源:DC 8 ~ 28V，交流/DC两用电源。

5.分布式地质灾害监测采集传输仪

目前开发应用的地质灾害监测仪器主要是通过电缆与前端传感器连接。主要缺点是布线困难，连接的传感器数量有限，不适合地形复杂、监测点多的监测环境。分布式地质灾害监测采集传输仪在物理层和MAC层采用IEEE802.15.4协议，在网络层采用ZigBee协议，降低了功耗，简化了路由算法，有效增加了传感器数量，比有线方式有很大优势。仪器系统框图见图12，实物见图13。

图12分布式地质灾害监测采集传输仪框图

主要技术指标:

1)A/D分辨率:相当于16位；

2)组网规模:1台主机，10台采集器；

3)无线保真:780MHz，符合ZigBee规范的网状网络拓扑；

图13分布式地质灾害监测采集传输仪

4)采集器电源:3.6V电池；

5)主机电源:DC 12V，交流/DC两用电源；

6)工作环境温度:-20 ~+40℃。

6.地质灾害监测与防治预警信息管理系统

地质灾害预警信息管理系统包括单机版、B/S版、宣传网站和C/S(三维)版。系统单机版基于VB+MapObject组件开发模式开发，地图格式为shp格式，主要用于群防群治基础信息的录入和管理。软件如图14所示。

图14地质灾害群测群防预警信息管理系统单机软件

系统的B/S版本是基于网络开发的，应用了超图公司的超图is.net平台的二次开发功能。通过网络实现了监测数据实时查询、群测群防系统管理、按权限录入数据、群测群防两卡一表录入和查询等管理功能，极大地方便了地方管理者对灾害点和群测群防点的管理。软件如图15所示。

地质灾害群测群防监测信息网是为群测群防监测技术研发和示范项目的成果展示和仪器宣传而开发的网站。网站通过新闻、项目概述、仪器介绍、科普等栏目宣传项目的主要成果和地质灾害监测的重要性。计划今后实现地质灾害监测统一宣传工作。软件如图16所示。

图15 B/S版地质灾害群测群防预警信息管理系统软件

图16地质灾害监测预防预警信息管理系统网站软件

C/S版本(3D)是在以前B/S版本的基础上开发的。该系统基于iTelluro的三维地理信息组件，实现了三维环境下的地质灾害、预警预案、群测群防、监测信息的一体化管理。基于插件二次开发接口，可快速实现防控决策、综合管理等定制化服务。软件如图17所示。

图17 C/S版地质灾害群测群防预警信息管理系统软件

二、适用范围及应用实例

1.示范区的应用

图18水富火车站地质灾害多参数采集传输仪

图19安装在大关职业中学的分布式地质灾害监测采集发射器

以上研制的仪器已在云南省昭通市示范区得到应用。在水富县布设了三套地质灾害多参数采集传输仪器，监测降雨、位移、含水量参数(图18)。在水富县、演金县和大关县安装了150滑坡预警引伸计、300个裂缝报警器和3套泥石流监测分析预警装置。在大观职业中学安装一套分布式地质灾害监测采集传输仪(图19)；分布式电导率地质灾害监测装置已用于监测河北南戴河和山东昌邑观测井的海水入侵情况(图20)；地质灾害预警信息管理系统已在云南省昭通市应用，编辑了云南省昭通市主要县的地形图和影像图，记录了882个灾害点和8个专业监测点。

图20安装在河北省南戴河的分布式电导率地质灾害监测装置

2.推广和效果

1)在2008年汶川地震灾后重建工作中，为汶川灾区生产了5000套滑坡预警引伸计和85000套裂缝报警器(图21)；在青海玉树震后重建中，安装了40套滑坡预警引伸计；在四川省安县，云南省昭通市，预警预报成功4次(图22)。

图21为汶川灾区9万套裂缝报警器、滑坡预警引伸仪及配套设备的生产组装。

图22报警材料

2)地质灾害多参数采集传输仪器在四川康定安装(图23)，在四川中江县冯店库梁子滑坡安装2台(图24)，在舟曲灾后恢复重建规划区(二期)地质灾害监测预警安装73台(图25)，在重要地质灾害隐患点监测论证安装16(图26)。

3)北京怀柔油谷神坛、门头沟矿区已安装6套泥石流监测分析预警装置(图27)，四川康定地区已安装9套(图28)，目前均正常工作。

3.应用前景

地质灾害的破坏力是巨大的，对人类的生命财产和人类赖以生存发展的资源环境造成伤害和破坏。这些仪器的推广不仅可以使开发单位产生良好的经济效益，更重要的是通过应用可以及时预警地质灾害，可以最大限度地减少人民生命财产的损失和对环境的破坏。这个值不能用经济指标来估算。按照这种运作模式，可以充分发挥有限的资金，实现社会效益和经济效益的最大化。

图23四川康定遗址

图24四川冯店破亮子遗址

图25甘肃舟曲遗址

图26辽宁场景

图27北京怀柔场景

图28四川康定遗址。

第三，促进转变方式

1.申请知识产权专利保护

泥石流监测分析预警装置已获专利，如图29所示。地质灾害多参数采集传输仪、滑坡预警引伸仪、裂缝报警器已获得实用新型专利，如图30至图32所示。地质灾害监测预防预警信息管理系统已获得计算机软件著作权，如图33所示。分布式电导地质灾害监测装置和分布式地质灾害监测采集传输仪发明专利通过初审。

图29泥石流监测分析预警装置发明专利证书

图30地质灾害多参数采集传输仪实用新型专利证书

2.培训、宣传和交流

在汶川地震灾后重建工作中，开展了大量的现场培训和指导工作(图34)；群测群防项目开发的9项技术装备和软件，在2008年科技部发布的《南方雨雪冰冻灾后重建实用技术手册》和国家减灾委、科技部抗震救灾专家组编写的《地震次生灾害应急响应实用技术手册》中，被列为代表国土资源部的9项地质灾害防治实用技术。2009年3月，在全国地质环境工作会议上做了宣传报告，展出了群测群防的监测预警仪器。2009年5月，在云南地质灾害防治工作会议上做了宣传报告，并对仪器的安装、维护和应用进行了培训。2009年7月，在全国汛期地质灾害防治工作会议上发放了群测群防仪器的宣传资料。2009年7月，协办昭通市地质灾害群测群防沟通培训会，编写了群测群防知识宣传手册和群测群防监测预警系列仪器使用说明书，录制了群测群防知识宣传视频节目。2009年9月，在河北省地质灾害防治工作会议上做了宣传报告，并对仪器的安装、使用和维护进行了培训。2009年6月5日至10月，在全国地质灾害应急防治会议(长沙)上做专题报告和仪器展示。2009年6月5日至10月，国土资源部在黄石开展地质灾害应急演练，这些仪器参与了演练。2009年6月5日至2月，东南亚国际滑坡大会做了多媒体报告，展示了仪器，发表了论文《低成本监测报警系统在中国的应用》。

图31滑坡预警望远镜实用新型专利证书

图32裂纹报警器实用新型专利证书

图33地质灾害群测群防预警信息管理系统计算机软件著作权证书

图34灾区安装培训指南

技术支持单位:中国地质调查局水文地质环境地质调查中心。

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