水工環地質監測技術在地質災害治理中的應用

劉國謀 LIU Guo-mou；徐玲俊 XU Ling-jun

（河南省地質局生態環境地質服務中心，鄭州 450000）

0 引言

隨著人類對環境破壞的加劇，自然災害也變得越來越頻繁。在自然災害中，地質災害的威脅最大，重大地質災害可導致人員傷亡和財產損失，地質災害防治工作受到高度重視。因此，為了避免地質災害，有必要對水工環地質技術在地質災害治理工程中的應用進行分析。

1 水工環地質監測在地質災害治理中的應用作用

水工環地質監測的廣泛應用有力地推動了地質災害管理創新的發展，但由于現代科學技術的應用以及各種先進精密設備儀器在水工環地質監測中的應用，一直難以取得進展。在我國水工環地質監測中，固定的長期開發周期不夠，很多技術裝備有待完善，開發體系不夠成熟，在地質災害管理應用過程中會出現各種問題。因此需要對存在的問題及時采取優化措施，確保調查結果真實有效，對技術人員要求更加嚴格，提高技術人員的技術資質和專業技能水平，鼓勵技術人員深入地質領域，深入基層開展工作，定期開展研究實驗的實際調查，運用有效方法得出真實結論，并根據調查結果采取積極有效的措施，及時發現地質災害，減少隱患，為人民群眾的生產生活安全提供堅實的保障。

2 水工環地質監測技術在地質災害治理中的應用

2.1 水工環地災治理中的遙感信息監測技術應用

2.1.1 遙感信息技術應用原理與方法

遙測技術廣泛應用于地質研究，具有獲取基本構造、地質標志、水文標志等特點。從采集到的圖像特征可以理解地下水的分布規律，通過間接植被分析證明地下沉降；可通過遙感技術入滲檢測古河道分布特征。還可以借助紅外熱成像來檢測地表水的確切位置等，實現水污染監測。

隨著高新技術的發展和進步，遙感信息技術已經從單源向多源、從靜態向動態發展。該技術對來自多個來源的信息進行復雜分析，其中“復合”對象包括照片、地圖、遙測信息和非遙測數據。根據物體的特征，選擇最佳延時照片，并采用合理的分類算法對其進行分類。在災害管理中，遙感信息技術主要用于地質災害監測。首先，研究從中等遙感圖像獲得的調查數據，識別危險區域，然后通過研究從更高的傳感器圖像獲得的調查數據，在距離上標記危險地質體。上述原則的應用取決于準確性和多樣性。其準確性決定了其實施的對象和目標?！暗途取边m用于區域監測，以幫助控制災害機制的變化?！案呔取笔侵笇ν{組織的詳細監控，以便確定其活動的優先級或目標。此外，遙感技術的應用指南見表1。

表1 遙感技術應用方向

2.1.2 遙感信息技術應用的優缺點

廣濟掃描遙控傳感器不僅優化了紅外和可見光采集技術，還擴大了服務帶寬，增強了遙感信息技術應用的便捷性。目前，用于災害管理監測的傳感器和遠程傳感器已經具備探測波長更長的電磁波的能力，對紅外和可見光的探測已經達到納米級水平。遙感信息源價格昂貴，必須實時或定期提供，以獲得實地災害預警和預報。由于資金有限，不能廣泛使用，只能用于重點項目?，F有的高分辨率圖像沒有得到有效利用，離實際需求還很遠。遙感信息技術在災害監測中的作用尚未得到充分挖掘，主要用于宏觀調查。因此，加強這項技術的研發是十分必要的。

2.2 北斗定位監測技術在沉降地質監測中的應用

2.2.1 北斗地質沉降監測方法

北斗定位系統以衛星定位站參考技術為基礎，使用雙差分模型優化RTK技術和數據同步監測站。以參考點為基礎，綜合判斷地質傾角監測點的變形情況。在北斗定位中，地質沉降監測的實施依賴于定位的準確性，因此被稱為北斗高精度測量技術。為解決電磁波的電離層延遲問題，可以采用雙頻接收機同時處理兩個不同頻率的載波信號。在觀測數據中的誤差保持不變的情況下，可以通過觀測信息對其進行校正，并可以創建相應的模型。此外，距輸出和載波相位為北斗定位解決方案提供支持。

2.2.2 北斗沉沒地質監測的實現

首先，地下水活動規律對于監測地質沉降非常重要。必須監測不同氣候環境中地下水位和水量的變化，以充分了解其對地質沉降的影響。

其次，基準站的選擇是監測系統可靠性的保證。參考站必須配備北斗接收器才能接收觀測數據。要知道施工區域的坐標，選擇穩定區域。為保證基準站建設區域內有足夠的信號覆蓋，視野要寬，區域內不能有障礙物。為了避免來自參考站的干擾，必須遠離高壓電力線和大型變電站。應盡可能避免使用這種高功率無線設備。參考站不需要有人值守，必須配備備用電源，通信必須流暢穩定。

最后，做好監測站的設計工作。根據變形特點，合理設置檢測中心。為了達到觀測的目的，真實地反映變形，在測點配置一個衛星接收器。監測站必須選擇地質變化和重大變化的位置。觀景臺必須充分發揮作用，以避免阻擋或反射多條路徑，并且必須在1.5m至1.7m的距離內操作。

2.2.3 通信網絡的選擇

初步建設完成后，還需要建立一個通信網絡，在站點之間建立有效的通信。適用于北斗地質監測系統的方法有很多，如無線藍牙、無線WIFI、ZigBee、受限光纖等。由于中心距小，植被面積大，必須采用無線傳輸通信?；谙到y采集到的大量數據，并且地點之間有合適的距離，CPE+無線基站+網橋是實踐中最理想的通信方式。

2.3 GNSS技術在滑坡應急變形監測中的應用

2.3.1 GNSS技術測試內容

①設置檢測基站。探測參考站應綜合考慮目標位置山體的走向和形態，結合巖土結構和滑坡區實際情況進行合理定位。②設置動態檢測點。這個過程是監測GNSS技術的主要部分。通過部署自動檢測系統，即可完成在目標區域的地質數據的掃描，并根據掃描的數據結果，指定相應的報告，包括對這些位置的監控。在這種過程環境下，需要高度重視通信系統的建設，嚴格控制通信質量，防止后期因數據采集不足而造成監控質量的損失。③設置信號接收器監視器。該過程的重點是使用GNSS技術監測滑坡的緊急變形。接收器位置的選擇，尤其是金屬礦物的位置，必須與控制站的位置相結合，防止后續信號接收受到諧波干擾。④數據處理的監控。這部分主要涉及計算機軟件數據處理和后續人工分析評估。需要說明的是，同濟大學GPSADJ軟件系列和TGPPS主要用于二維和三維網格的橫向區分。如圖1。

圖1 監測數據分析邏輯構圖

2.3.2 GNSS技術的應用特點

①高準確率。GNSS平面監測數據精度達到5mm水平。如果可以同時使用5顆以上的衛星進行監測，精度可以達到1cm。這種高精度的監測數據，尤其是大范圍的區域監測，也非常適合一些大型項目。②監測方法多樣。GNSS監測技術可分為動態、靜態和快速三種模式。動態檢測精度為5mm，實際誤差小于2cm。靜態監控需要3到5個接收器來創建檢測網絡并在指定區域進行操作。這種靜態跟蹤主要用于平面工程類項目的變形監測。而快速監測則適用于短期內發生的邊坡變形或公路工程變形等。③天氣和地質作業。它的主要特點是不受氣候和地形的限制，適用于任何有信號的區域。

2.3.3 GNSS技術應用注意事項

設備的質量決定了GNSS監測技術在地質災害中的有效性，因此，必須選擇合理的GNSS技術檢測設備。在實際應用中，更好的接收器，如NSS、gv-X9、北斗GNSS、單頻GNSSOceanSuperstar。設備的選擇應考慮到可靠穩定的信號接收、準確的數據處理，以及選擇具有更高價值和可取性的設備。

3 應用案例

3.1 應用背景

通常情況下，常見的區域地質災害監測形式，是一種動態監測的方式，借助群測群防的方式，獲取區域分為內非重點區域的地質災害情況，以常見的監測方式判斷重點地區內的地質災害情況。群測群防的方式運用中，會消耗大量的人力、物力資源，并且監測的方式單一，監測效果不佳，難以發揮地質災害的預判效果。伴隨科學技術的方式，現代化的測繪儀器的研發，促使地質災害的預判方式的革新與發展，如TCA2003測量機器人，這種設備可以在地質滑坡等災害預判中發揮良好的監測作用，是監測領域新興的監測技術手段之一，但這種技術也存在一定的弊端，能夠與這類設備匹配上的隨機軟件較少，因此，改設備目前并未被國內大面積推廣和運用。這也進一步導致目前常見的地質災害檢測方式，依然沿用傳統的手工收集操作并結合全站儀自動設備進行精準照準，并通過人工記錄和計算數據的方式來推測某一地區的地質災害情況。完成外業監測后，內業整體數據的程度更為復雜，因此，需要消耗大量的時間，并且所獲取的監測數據也存在人工誤差，導致所判定的結果常常出現問題。持此之外，地質災害即將要發生之前，由于氣象信息和地質條件都存在不穩定性因素，傳統的變形監測方式，無法達到實時獲取地質災害信息的目的，給民眾的人生安全帶來極大的威脅。所以，如何研發一套具備精準預判地質災害的監測系統軟件，提升地質災害的自動化預判水平成為亟待解決的難題（如圖2）。

圖2 測量機器人地質災害遠程無線自動化監測系統示意圖

3.2 工程概況

白蓮河抽水蓄能電站總裝機容量為1200MW，是規模較大的工程項目之一。在上庫進水口處有一個高邊坡，在不同高程的馬道上布置了14個表面變形觀測墩，設計要求是以上庫控制網點TB03、TB05作邊坡監測的工作基點，按照二等控制網的要求進行觀測。在TB03架設儀器，TB05作為后視方向，選取監測點TS11、TS12、TS13、TS14作為觀測對象，分別采用機載監測與傳統人工作業方法，對白蓮河上庫高邊坡按照方向測回數6次、距離測量16次進行觀測，兩種監測方法每個點平均觀測時間如表2所示。

表2 傳統方法與機載方法的觀測時間對比表

若在每個目標區域的定點位置上，均進行盤左盤右的觀測，并設立五個定點位置，通過六次巡回的測量方式進行數據計算，若通過傳統的觀測方式，則總共需要至少32小時的觀測時間，并且要保持觀測過程的連續性，避免收到其他不良因素的干擾。若在觀測的過程匯總，觀測人員所觀測的數據布囊達到規范的限值要求，則需要多增設兩個巡回的測量。其次，在整體觀測數據的過程匯總，需要將各個部分的數據信息進行修正，或者是通過借助其他計算軟件進行數據的整合和計算，這些工作仍需要花費多個小時的時間才能完成。而本研究中通過借助機載觀測的非往事，觀測一個周期大概需要二十五小時，同時觀測的過程中，完成借助機器設備，不需要人工進行輔助，完全進行自動化的數據收集，并且若出現超過限度的觀測數據，則系統會進行自動重測。在整理完數據后，系統還能完成數據的修正和整合排序，避免人工觀測的誤差同時也能很好地節約觀測時間。

3.3 工程總結

本研究中分析的測量機器人地質災害變形監測系統，與傳統的預測設備相比，很好地解決了難以找到與之相匹配的處理軟件的弊端，其具備的特點如下：

①本系統具備多項技術優勢，可更為高效、更為全面地監測某一特定區域內的地質變化情況，對地殼的運動進行觀測和記錄，減少人工監測和計算誤差錯誤情況的發生；

②本系統所采用的移動周期監測方式，與傳統的監測手段相比，效率更高，成果更為顯著，在觀測、數據記錄、限差檢查、數據預處理、成果輸出、平差計算、成果分析等方面凸顯出極大的技術形式，可減少人工的作業強度，同時也能提升監測的總體質量；

③本系統通過CDMA無線傳輸功能模塊，以及氣象傳感器的輔助，完成遠程地質災害的監測和管控，同時也能能達到自動化監測的目標，可顯著提升地質監測的準確性和精準度。

4 結語

綜上所述，水工環地質監測技術多種多樣，具有不同的優勢、內容和范圍。在災害管理的應用中，要根據實際情況做出合理的選擇，充分利用跟蹤技術。監管者要監督運行，合理選擇監測設備，提高監測數據的準確性和質量。