李久勇+馬東曉

【摘要】 黃河下游灘區(qū)，尤其是河口地區(qū)，河槽不穩(wěn)定、主流擺動(dòng)頻繁，灘岸坍塌時(shí)有發(fā)生，對(duì)灘區(qū)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重影響，甚至威脅整個(gè)地區(qū)防洪安全，及時(shí)、準(zhǔn)確、高效、節(jié)約的測(cè)報(bào)灘岸坍塌，為防汛搶險(xiǎn)爭(zhēng)取時(shí)間是困擾治黃工作者的一個(gè)難題。通過(guò)對(duì)灘岸坍塌險(xiǎn)情的宏觀特征進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)研制了黃河灘岸坍塌預(yù)警系統(tǒng)，降低了維修養(yǎng)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高了防汛搶險(xiǎn)的時(shí)效性。

【關(guān)鍵詞】 黃河 灘岸坍塌 測(cè)報(bào)預(yù)警 防汛搶險(xiǎn)

一、引言

黃河灘區(qū)主要是指黃河下游主河槽與防汛大堤之間的區(qū)域。由于歷史原因，這里既是黃河行洪、滯洪、沉沙的重要區(qū)域，也是百萬(wàn)群眾賴以生存的場(chǎng)所，據(jù)統(tǒng)計(jì)， 黃河下游河道總面積為4647km2， 其中灘地面積 3956km2， 占河道總面積的 85%。按灘區(qū)面積大小區(qū)分： 灘區(qū)面積大于 100km2的 有6個(gè)， 50～100km2的有 9 個(gè)， 30～50km2的有 12 個(gè)， 30km2以下的有 90 多個(gè)，灘區(qū)在平時(shí)既可以用來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)生活，又可以充當(dāng)防護(hù)小洪水的第一道屏障，避免了洪水直接沖刷大堤，對(duì)提高灘區(qū)人民收入，降低人民群眾生命財(cái)產(chǎn)損失起著重要作用。目前，對(duì)黃河灘區(qū)灘岸坍塌的測(cè)報(bào)與預(yù)警手段主要是人工巡查觀測(cè)，這種方法，占用了基層維修養(yǎng)護(hù)人員的大部分時(shí)間，且受客觀條件影響較大，不夠及時(shí)高效，已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前科學(xué)治河、科技興河的要求；還有一些地方嘗試地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感、探地雷達(dá)、視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控、埋設(shè)光纖光柵測(cè)量等方法進(jìn)行測(cè)報(bào)，上述監(jiān)測(cè)技術(shù)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了灘岸坍塌的監(jiān)測(cè)與預(yù)警。然而光柵等測(cè)量安裝復(fù)雜、施工不便，遙感、雷達(dá)成本較高、設(shè)備昂貴且不便于維護(hù)，視頻監(jiān)控必須有人值守，上述監(jiān)測(cè)技術(shù)手段都在存在著一定的局限性。治黃一線迫切的需要一種可以長(zhǎng)時(shí)間脫離人員的監(jiān)管，及時(shí)對(duì)灘岸坍塌進(jìn)行測(cè)報(bào)與預(yù)警的手段方法，從而節(jié)省人力物力，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍的有效管護(hù)，為防汛搶險(xiǎn)提供準(zhǔn)確及時(shí)的信息支持。為此黃河河口管理局成立了專題科研小組，通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)資料、認(rèn)真進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，研制完成了黃河灘岸坍塌自動(dòng)測(cè)報(bào)預(yù)警儀，這將大幅度降低維修養(yǎng)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，全面提高防洪減災(zāi)能力。

二、功能設(shè)計(jì)

灘岸土體的基本物理力學(xué)特性指標(biāo)能夠直接影響灘岸的穩(wěn)定性，河岸土質(zhì)不同，其相關(guān)的基本物理力學(xué)特性指標(biāo)差別較大。這些土的特性會(huì)互相影響，通常一項(xiàng)參數(shù)的改變會(huì)引起其他幾項(xiàng)參數(shù)的變化，進(jìn)而影響灘岸的穩(wěn)定性以及灘岸后的土壓力。而環(huán)境的改變也會(huì)對(duì)土體的性質(zhì)有影響，尤其是含水量，當(dāng)含水量增加時(shí)會(huì)使土體內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力減小。

宏觀上，灘岸坍塌出險(xiǎn)的時(shí)候，坍塌部位主要變化為相對(duì)位置移動(dòng)、相對(duì)高度發(fā)生改變。比較而言，從宏觀上判斷灘岸坍塌更容易。因此，基于對(duì)坍塌部位相對(duì)位移變化、加速度變化的監(jiān)測(cè)，利用計(jì)算機(jī)編程和無(wú)線通信技術(shù)，研發(fā)了黃河灘岸坍塌自動(dòng)測(cè)報(bào)預(yù)警儀。根據(jù)功能要求，儀器需對(duì)地理位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，應(yīng)能獨(dú)立運(yùn)行而無(wú)需外部條件輸入，監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠自主探測(cè)信息而不用外接設(shè)備，儀器應(yīng)當(dāng)自動(dòng)向指揮中心發(fā)出警報(bào)信息，供管理單位及時(shí)了解情況制定應(yīng)對(duì)措施，并考慮使用安裝條件，及黃河野外影響等因素，儀器設(shè)備應(yīng)采用內(nèi)置電源并能長(zhǎng)期工作。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)功能需求，選取傳感器并編寫(xiě)程序，確定閾值。當(dāng)前常用的有振動(dòng)、磁場(chǎng)、陀螺、加速度計(jì)、光敏等傳感器，結(jié)合地勢(shì)的緩慢變化特點(diǎn)和區(qū)域特性分析，采用加速度傳感器、土壓力傳感器、測(cè)斜傳感器聯(lián)合測(cè)量數(shù)據(jù)，加速度計(jì)敏感垂直方向上的重力加速度，若灘岸發(fā)生坍塌，則傾斜角增大，敏感的加速度值減小，控制器采集加速度值，判斷加速度范圍；灘岸坍塌后，土體各項(xiàng)性質(zhì)發(fā)生變化，使土壓力傳感器上壓力發(fā)生變化，采集變化數(shù)值，同時(shí)利用對(duì)測(cè)斜管的變形反向逆推得土壓力，驗(yàn)證土壓力傳感器的數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)并與微型計(jì)算模塊中閾值比較、判斷各項(xiàng)指標(biāo)是否需超過(guò)閾值，若達(dá)到或超過(guò)閾值，則計(jì)算模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)GPRS指揮中心號(hào)碼發(fā)送警報(bào)信息，顯示各項(xiàng)數(shù)值，通過(guò)計(jì)算和實(shí)踐，可同時(shí)設(shè)定多個(gè)閾值，分別作為預(yù)警和報(bào)警的閾值，實(shí)現(xiàn)報(bào)警與預(yù)警雙功能，提高利用效率，為防汛搶險(xiǎn)提供更充分的時(shí)間。根據(jù)這一思路，經(jīng)過(guò)前期設(shè)計(jì)與制作，目前已經(jīng)完成了灘岸坍塌預(yù)警系統(tǒng)V1.0的軟件開(kāi)發(fā)，并形成專利，硬件組裝和調(diào)試也在進(jìn)行中，該儀器無(wú)需外接電源，安裝便捷、內(nèi)置電源保守測(cè)算可以提供2年電力，可以根據(jù)情況進(jìn)行合適密度的布置，并形成系統(tǒng)，更好的監(jiān)測(cè)灘岸狀態(tài)，提供險(xiǎn)情信息。

結(jié)論：根據(jù)灘岸坍塌的出險(xiǎn)特點(diǎn)與形成原理測(cè)報(bào)預(yù)警儀器的使用需求和使用環(huán)境等分析，明確了儀器各項(xiàng)功能要求，針對(duì)功能要求進(jìn)行了詳細(xì)的需求分析與模塊設(shè)計(jì)說(shuō)明，從而形成了完整的體系，并提出了解決方案。及時(shí)對(duì)灘岸坍塌進(jìn)行測(cè)報(bào)與預(yù)警，從而節(jié)省人力物力，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍的有效管護(hù)，能夠?yàn)榉姥磽岆U(xiǎn)提供準(zhǔn)確及時(shí)的信息支持。

參 考 文 獻(xiàn)

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