吳道榮

（福建省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，福州 350001）

閩北順昌縣滑坡遠(yuǎn)程實時監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

吳道榮

（福建省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，福州 350001）

系統(tǒng)利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，為滑坡體變形破壞的研究提供連續(xù)、完整和可靠的數(shù)據(jù)。監(jiān)測內(nèi)容包括降雨量、土體含水量、孔隙水壓力、地下水位和位移參數(shù)。數(shù)據(jù)流程包括現(xiàn)場測試儀器采集、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)接收中心站。

滑坡；遠(yuǎn)程；實時；監(jiān)測；順昌縣

福建省“十一五”期間實施地質(zhì)災(zāi)害防治“一百千萬”工程，其中包含開展兩個專業(yè)監(jiān)測點建設(shè)工作［1］。通過在閩北順昌縣建立滑坡遠(yuǎn)程實時監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測參數(shù)包括降雨量、土體含水量、孔隙水壓力、地下水位、地表位移和深部位移等參數(shù)。系統(tǒng)實現(xiàn)實時遙控遙測與數(shù)據(jù)雙向傳輸技術(shù)，使遠(yuǎn)方監(jiān)控計算機可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控查看地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場監(jiān)測物理參數(shù)的變化，為滑坡體變形破壞的研究提供連續(xù)、完整、可靠的數(shù)據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在滑坡變形監(jiān)測中，采用GPRS等先進(jìn)技術(shù)將發(fā)揮更大的作用［2］。

1 系統(tǒng)功能及技術(shù)優(yōu)勢

1.1 系統(tǒng)功能

監(jiān)測中心可快速采集、存儲滑坡災(zāi)害監(jiān)測站點的雨量、水位、孔隙水壓力、表面位移、深部位移、土壤含水量數(shù)據(jù)及設(shè)備自身工作電壓和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。

監(jiān)測站可通過計算機或無線顯示器可實現(xiàn)對雨量、水位、孔隙水壓力、位移、土壤含水率數(shù)據(jù)的計算、現(xiàn)場顯示、查詢功能，例如：場雨強/雨強、時段雨量/日雨量/最大降雨量/累計雨量，并可實現(xiàn)對測站的配置和人工置數(shù)。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

先進(jìn)性和成熟性：系統(tǒng)建設(shè)采用當(dāng)前的電子和通信最新技術(shù)，保證系統(tǒng)的先進(jìn)性，同時兼顧成熟的技術(shù)。

可靠性與穩(wěn)定性：采用可靠的定型產(chǎn)品和技術(shù)，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

實用性及可管理性：根據(jù)系統(tǒng)的需要，采用合適的設(shè)備及技術(shù)，便于網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的運行管理。

2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

滑坡體監(jiān)測參數(shù)的測量數(shù)據(jù)通過本地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)集中到本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器經(jīng)過GPRS短信方式傳送到省國土資源廳監(jiān)測中心。

2.1 無線傳感器通信技術(shù)

Zigbee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它基于IEEE 802.15.4協(xié)議棧建立，支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)，具有強大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能和系統(tǒng)可靠性。

2.2 GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸

系統(tǒng)利用本地?zé)o線通訊網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)滑坡體降雨量、地下水位、孔隙水壓力、地表位移、深部位移（測斜）、土壤含水率的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集和上報。降雨量和表面位移數(shù)據(jù)的采集一般采用增量觸發(fā)工作機制，地下水水位、孔隙水壓力、深部位移、土壤含水率數(shù)據(jù)的采集一般采用定時上報工作機制。

3 地質(zhì)災(zāi)害概況

該滑坡位于福建省順昌縣大歷鎮(zhèn)大歷村［3］，區(qū)域上屬于侵蝕剝蝕低山丘陵區(qū)，山頂高程314.2m，相對高差約150m，上部自然坡度約35°，下部自然坡度約20°，上陡下緩，為凹型坡；坡腳建房、修路開挖陡坎高約4～8m，坡度約60°～70°，未支護(hù)。2005年6月20日，受強降雨影響，發(fā)生滑坡?；缕矫嫘螒B(tài)呈“簸箕”形（圖1），主軸長185m，后緣寬210m，中部寬235m，前緣寬260m，平均厚度約8 m，涉及土方量約34×104m3，屬中型滑坡，滑動主軸方向115°。

圖1 滑坡監(jiān)測總平面圖Fig.1 General layout for monitoring the landslide

4 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布設(shè)

根據(jù)地質(zhì)勘探和野外調(diào)查測繪，在分析地質(zhì)災(zāi)害點滑坡破壞模式的基礎(chǔ)上，布置專業(yè)監(jiān)測點監(jiān)測儀器。監(jiān)測項目包括降雨量監(jiān)測、變形監(jiān)測、土壤含水率監(jiān)測、孔隙水壓力監(jiān)測和地下水位監(jiān)測，變形監(jiān)測包括地表變形監(jiān)測和深部變形監(jiān)測。監(jiān)測儀器平面位置見圖2。

4.1 降雨量監(jiān)測

降雨量監(jiān)測儀器采用翻斗式雨量器。降雨量監(jiān)測擬選用一體化結(jié)構(gòu)的SMARTDATA－3000C無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（帶雨量），SMARTDATA－3000C不僅是SMARTDATA－3000系列無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心接收設(shè)備，還具有雨量數(shù)據(jù)智能采集、存儲和GPRS轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能。此外，利用無線顯示終端還可實現(xiàn)近距離顯示、人工置數(shù)及設(shè)備配置以及聲光告警。計算機可定期通過RS232通信口或GPRS在本地及遠(yuǎn)程讀取固態(tài)存儲中的數(shù)據(jù)。接收靈敏度：－100dBm。

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（帶雨量）Fig.2 Wireless network coordinator（with precipitation）

4.2 土壤含水率監(jiān)測

降雨入滲形成的土壤含水率上升是導(dǎo)致滑坡發(fā)生的重要途徑。為監(jiān)測土壤的水平滲透速度和垂直滲透速度，土壤含水率監(jiān)測儀沿主剖面布設(shè)于ZK3、ZK4、ZK5內(nèi)。在ZK3的0.5m、1m、2m處，ZK4的0.5m、1m、2m處和ZK5的0.5m、1m、2m、3m、4m、5m、6m、7.5m、9m 處各設(shè)置傳感器探頭，分別監(jiān)測不同位置的殘積層、坡積層的土壤含水率。

監(jiān)測儀器采用土壤濕度傳感器SWR－3監(jiān)測儀，土壤容積含水量θV，90%的影響在圍繞中央探針的直徑為3cm、長為6cm的圓柱體內(nèi)。精度：0～50%（m3/m3）范圍內(nèi)為±2%（m3/m3）。

4.3 地下水位監(jiān)測

地下水位監(jiān)測儀器采用進(jìn)口的高精度HG500系列壓力式水位計，考慮水位與坡面大致平行，主剖面的后緣ZK2中14.9m和前緣ZK7中15.5m的孔底位置各布設(shè)一臺地下水位計。

HG500系列壓力式水位計選用進(jìn)口的高精度、高穩(wěn)定性的擴(kuò)散硅傳感器組件，通過高可靠性的放大電路及精密溫度補償，將被測液體的液位信號轉(zhuǎn)換成4～20mADC、0～5VDC等標(biāo)準(zhǔn)電信號。精度：±0.25% 、±0.5%（包括非線性、遲滯性和重復(fù)性）。

4.4 孔隙水壓力監(jiān)測

孔隙水壓力測試儀采用BGK－4500系列弦式滲壓計，ZK4孔深8.5m處布設(shè)孔隙水壓力探頭，測量孔隙水壓力或液體液位。其各種性能非常優(yōu)異，主要部件均用特殊鋼材制造，適合各種惡劣環(huán)境使用。分辨率：±0.025%F.S；非線性：＜0.5%F.S；精度：±0.1%F.S。

4.5 變形系統(tǒng)監(jiān)測

4.5.1 地表位移監(jiān)測

在主剖面兩側(cè)的后緣拉張裂縫兩側(cè)各布設(shè)一臺地表位移監(jiān)測儀，本系統(tǒng)選用SMARTDATA－3000E1型無線位移計進(jìn)行觸發(fā)式動態(tài)監(jiān)測，分別位于ZK1、ZK2之間和ZK8后。

SMARTDATA－3000E1無線位移計采用機電一體式結(jié)構(gòu)，利用旋轉(zhuǎn)的磁鋼驅(qū)動干簧管產(chǎn)生位移脈沖，并對位移脈沖進(jìn)行加減計數(shù)。分辨率：1 mm；測量精度：±0.25%。

4.5.2 深部位移監(jiān)測

深部位移監(jiān)測可準(zhǔn)確掌握正在活動的滑坡面的位置、位移速率、滑坡帶的數(shù)目及滑坡體隨深度的位移變化情況。監(jiān)測儀器采用航天科工慣性技術(shù)有限公司GGCX－02固定式測斜儀，該儀器布設(shè)于坡腳位置的ZK6內(nèi)，鉆探揭示的潛在滑動面位置為5.2 m和8.3m，故3個傳感器分別安裝在孔底16m、7.5m、4.5m處，對兩個潛在滑動面重點監(jiān)控。

GGCX－02固定式測斜儀采用數(shù)字化探頭，所用傳感器為石英撓性加速度計，是非常精密的部件，傳感器靈敏度為0.02mm/8″。

5 數(shù)據(jù)接收中心站建設(shè)

5.1 中心硬件設(shè)備組成

中心數(shù)據(jù)接收通過GPRS短信主備兩種方式，中心由計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、數(shù)據(jù)接收設(shè)備以及有固定ip接入的網(wǎng)絡(luò)專線以及短信接收發(fā)送前置機（連接通訊服務(wù)器）、通訊服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等組成（圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)接收界面Fig.3 Data receiving interface

5.2 系統(tǒng)監(jiān)控軟件

系統(tǒng)檢控軟件采用 SMARTDATA－3000/1000，SMARTDATA－1000H中心短信發(fā)送接收機可用于中心的短信發(fā)送和接收，采用2U的標(biāo)準(zhǔn)機箱，可方便地安裝于標(biāo)準(zhǔn)機柜內(nèi)或放置在桌面上。

（1）接收遙測數(shù)據(jù)：識別數(shù)據(jù)幀的來源和目的地，并進(jìn)行CRC檢驗；為數(shù)據(jù)幀添加接收該幀的時間。

（2）數(shù)據(jù)分發(fā)：通信模塊軟件接收到遙測站數(shù)據(jù)后，可根據(jù)配置文件設(shè)定的信息，將接收到的遙測數(shù)據(jù)分發(fā)到多個數(shù)據(jù)用戶。

（3）遙測數(shù)據(jù)的處理：將數(shù)據(jù)幀的地址信息轉(zhuǎn)化為特定的站號、站名；將一幀中多個遙測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為最小監(jiān)測數(shù)據(jù)單元。

（4）遙測數(shù)據(jù)存貯：將原始通信數(shù)據(jù)寫入日志文件，用于原始數(shù)據(jù)備份及系統(tǒng)故障核查。

5.3 參數(shù)遠(yuǎn)程配置

中心站（或分中心）可向遙測站發(fā)布命令，用以讀取遙測站時段自記數(shù)據(jù)或動態(tài)配置遙測站參數(shù)。配置遙測站參數(shù)命令集包括對遙測站地址、通信方式、數(shù)據(jù)采集及通信策略、電源控制方式等命令。

配置遙測站參數(shù)。操作人員可通過中心站計算機下發(fā)命令，向特定遙測站寫入采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)的時間控制參數(shù)（如改變采集數(shù)據(jù)的密度，或發(fā)送數(shù)據(jù)的頻度）等。

6 結(jié)論

（1）滑坡遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)流程主要包括現(xiàn)場測試儀器采集、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)接收中心站等。

（2）本監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)包括降雨量監(jiān)測儀1臺、土壤含水率監(jiān)測儀15臺、孔隙水壓力監(jiān)測儀1臺、地下水位監(jiān)測儀2臺、地表變形監(jiān)測儀2臺和深部變形監(jiān)測儀1臺。

（3）利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)滑坡遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，為滑坡體變形破壞的研究提供連續(xù)、完整、可靠的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對監(jiān)測儀器參數(shù)的遠(yuǎn)程配置。

［1］福建省地質(zhì)災(zāi)害信息與預(yù)警系統(tǒng)可行性研究報告暨初步設(shè)計方案［R］.福建省發(fā)展和改革委員會，2006.10.

［2］袁生貴，方東，李小凱，基于GPRS監(jiān)測技術(shù)在災(zāi)區(qū)山體滑坡中的應(yīng)用探討［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（10）：69－71.

［3］福建省地質(zhì)災(zāi)害信息與預(yù)警系統(tǒng)兩個專業(yè)監(jiān)測點建設(shè)［R］.福建省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心.2009.10.

REAL－TIME REMOTE MONITORING SYSTEM FOR LANDSLIDES IN SHUNCHANG COUNTY OF NORTH FUJIAN

Wu Dao－rong
（Fujian Geological and Environmental Monitoring Center，F(xiàn)uzhou 350001，China）

In the system Zigbee wireless technology and GPRS network are used to achieve real－time remote monitoring to offer continuous，complete and reliable data for studying the deformation of landslides.Monitored parameters include rainfall，soil moisture content，pore water pressure，underwater table and displacement.Data collection process includes on－site testing apparatus，data transmission network and data receiving center.

landslide；remote；real time；monitoring；Shunchang

P642.22

A

1006－4362（2011）03－0035－04

2011－05－03 改回日期：2011－08－12

資金項目：福建省地質(zhì)災(zāi)害防治“一百千萬”工程科研項目（項目編號：200502092B）

吳道榮（1978－ ），男，碩士，工程師，從事水文、工程、環(huán)境地質(zhì)的調(diào)查和研究工作。