黃河灘岸坍塌預警新思路與實踐

李久勇+馬東曉

【摘要】 黃河下游灘區，尤其是河口地區，河槽不穩定、主流擺動頻繁，灘岸坍塌時有發生，對灘區人民的生命和財產安全造成了嚴重影響，甚至威脅整個地區防洪安全，及時、準確、高效、節約的測報灘岸坍塌，為防汛搶險爭取時間是困擾治黃工作者的一個難題。通過對灘岸坍塌險情的宏觀特征進行分析，設計研制了黃河灘岸坍塌預警系統，降低了維修養護人員的工作強度，提高了防汛搶險的時效性。

【關鍵詞】 黃河 灘岸坍塌 測報預警 防汛搶險

一、引言

黃河灘區主要是指黃河下游主河槽與防汛大堤之間的區域。由于歷史原因，這里既是黃河行洪、滯洪、沉沙的重要區域，也是百萬群眾賴以生存的場所，據統計， 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%。按灘區面積大小區分： 灘區面積大于 100km2的 有6個， 50～100km2的有 9 個， 30～50km2的有 12 個， 30km2以下的有 90 多個，灘區在平時既可以用來進行生產生活，又可以充當防護小洪水的第一道屏障，避免了洪水直接沖刷大堤，對提高灘區人民收入，降低人民群眾生命財產損失起著重要作用。目前，對黃河灘區灘岸坍塌的測報與預警手段主要是人工巡查觀測，這種方法，占用了基層維修養護人員的大部分時間，且受客觀條件影響較大，不夠及時高效，已經不適應當前科學治河、科技興河的要求；還有一些地方嘗試地理信息系統（GIS）、遙感、探地雷達、視頻遠程監控、埋設光纖光柵測量等方法進行測報，上述監測技術在一定程度上實現了灘岸坍塌的監測與預警。然而光柵等測量安裝復雜、施工不便，遙感、雷達成本較高、設備昂貴且不便于維護，視頻監控必須有人值守，上述監測技術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時間脫離人員的監管，及時對灘岸坍塌進行測報與預警的手段方法，從而節省人力物力，實現長距離、大范圍的有效管護，為防汛搶險提供準確及時的信息支持。為此黃河河口管理局成立了專題科研小組，通過查閱大量文獻資料、認真進行現場調查分析，研制完成了黃河灘岸坍塌自動測報預警儀，這將大幅度降低維修養護人員的工作強度，全面提高防洪減災能力。

二、功能設計

灘岸土體的基本物理力學特性指標能夠直接影響灘岸的穩定性，河岸土質不同，其相關的基本物理力學特性指標差別較大。這些土的特性會互相影響，通常一項參數的改變會引起其他幾項參數的變化，進而影響灘岸的穩定性以及灘岸后的土壓力。而環境的改變也會對土體的性質有影響，尤其是含水量，當含水量增加時會使土體內摩擦角、內聚力減小。

宏觀上，灘岸坍塌出險的時候，坍塌部位主要變化為相對位置移動、相對高度發生改變。比較而言，從宏觀上判斷灘岸坍塌更容易。因此，基于對坍塌部位相對位移變化、加速度變化的監測，利用計算機編程和無線通信技術，研發了黃河灘岸坍塌自動測報預警儀。根據功能要求，儀器需對地理位置進行監測，應能獨立運行而無需外部條件輸入，監測設備能夠自主探測信息而不用外接設備，儀器應當自動向指揮中心發出警報信息，供管理單位及時了解情況制定應對措施，并考慮使用安裝條件，及黃河野外影響等因素，儀器設備應采用內置電源并能長期工作。

三、系統設計與實現

根據功能需求，選取傳感器并編寫程序，確定閾值。當前常用的有振動、磁場、陀螺、加速度計、光敏等傳感器，結合地勢的緩慢變化特點和區域特性分析，采用加速度傳感器、土壓力傳感器、測斜傳感器聯合測量數據，加速度計敏感垂直方向上的重力加速度，若灘岸發生坍塌，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，土體各項性質發生變化，使土壓力傳感器上壓力發生變化，采集變化數值，同時利用對測斜管的變形反向逆推得土壓力，驗證土壓力傳感器的數據，記錄數據并與微型計算模塊中閾值比較、判斷各項指標是否需超過閾值，若達到或超過閾值，則計算模塊進行數據通訊，通過GPRS指揮中心號碼發送警報信息，顯示各項數值，通過計算和實踐，可同時設定多個閾值，分別作為預警和報警的閾值，實現報警與預警雙功能，提高利用效率，為防汛搶險提供更充分的時間。根據這一思路，經過前期設計與制作，目前已經完成了灘岸坍塌預警系統V1.0的軟件開發，并形成專利，硬件組裝和調試也在進行中，該儀器無需外接電源，安裝便捷、內置電源保守測算可以提供2年電力，可以根據情況進行合適密度的布置，并形成系統，更好的監測灘岸狀態，提供險情信息。

結論：根據灘岸坍塌的出險特點與形成原理測報預警儀器的使用需求和使用環境等分析，明確了儀器各項功能要求，針對功能要求進行了詳細的需求分析與模塊設計說明，從而形成了完整的體系，并提出了解決方案。及時對灘岸坍塌進行測報與預警，從而節省人力物力，實現長距離、大范圍的有效管護，能夠為防汛搶險提供準確及時的信息支持。

參 考 文 獻

[1] 張寶森，王衛紅. 黃河下游灘區防洪減災分析[J]. 中國水利，2007，（17）：43-46.

[2] 李國英.論黃河長治久安[J].人民黃河，2001，23（7）：1-2，5.

[3] 蔣善超. 光纖Bragg光柵監測系統研制優化及其邊坡工程應用研究[D].山東大學，2016.