典型区域地质灾害监测传感器布设方法

梁军

（深圳市地质局 广东省深圳市 518023）

1 典型区域地质灾害监测概述

滑坡、崩塌、泥石流等均是较为常见的地质灾害，此类灾害发生后会直接或间接威胁人们的生命和财产安全，因此加强监测、预警、控制均极具必要性[1]。在地质灾害监测中，基于物联网技术组建的传感器网络具有重要作用，可以采集环境监测数据，通过各类传感器的联合应用将采集到的信息全面汇总并将其传递至灾害监控数据云平台，从各类数据中通过专业算法剖析具有价值的内容，再结合监测预警系统和风险评价系统模型，对总体状况做出判断，以便向管理决策部门提供参考依据，由相关人员高效开展应急处置工作。

在地质灾害监测预警体系中，无线传感器设备为关键的装置，需要以合理的方法布设到位。首先，立足于待监测区域的致灾因子以及诱发条件，据此选择合适类型的传感器，按地质专业设计分区域、底层布置到位；随后，充分考虑现场的地域通信条件，选择具有可行性的传感器组网通信方式（如4G、NB、LoRa等），使传感器设备直接或通过智能网关稳定地完成数据收发操作。

传感器在整个地质灾害监测预警系统中占据举足轻重的地位，做好传感器的选型、布设、运行等相关工作可以有效提升监测预警系统的使用效果，从而为后续工作的开展提供重要的参考数据[2]。

2 地质灾害监测传感器的选择思路

在选择监测传感器时，密切关注地质灾害的诱发因素以及装置的实际运行环境，由此选择具有可行性的监测传感器；此外，综合考虑传感器探头、通信模块、供电模块等硬件条件合理选择。

在致灾因子相同的前提下，尽可能选择同型号的传感器，利用此类装置组织灾害监测工作，其特点在于可以消除监测数据的异源问题。对于致灾因子不同的情况，应尽可能选择同一厂家的传感器，或选择在通信及数据制式具有一致性的传感器，避免异源数据转换成本，有利于提高预警系统的运行效率，高效处理传感器采集数据，减轻云平台资源开销，通过大数据分析提取关键灾害预警信息。

不同灾害场景的监测要求存在较大差异性，所需采集信息的要素也有不同，需要应用不同类型的地质灾害传感器来监测和采集大气降水、采集地表位移、倾角、加速度、深部位移、倾角、加速度、结构物应力、地下水等信息。下文则着重考虑边坡工程中的滑坡和崩塌两类传感器，对其应用特点、布设方法等内容展开探讨。

2.1 滑坡监测传感器

滑坡监测时重点关注降雨量、主要裂缝、地下水、软弱土层等较为薄弱的部位，在该监测区域，通过选择滑坡类监测传感器监测降水、地表裂缝、深部位移、地下水位、滑坡体力学等指标。

图1：滑坡监测布设示意图

图2：泥石流监测布设

（1）局部地表裂缝和位移的监测。在典型滑坡体监测中，监测点需要分布在各类薄弱的区域，较为关键的有主要裂缝处、滑带处、软弱夹层处等，选择大量程水平位移计，利用该装置测定地表裂缝和表面局部位移，在经过持续性的监测后掌握关键部位的变形特性（在某个阶段的变形量、变形速率等）。

（2）地表的变形监测。滑坡体地表变形测量可采用空中倾斜摄影、地面三维激光扫描，经过不定期的监测后得到地表变形数据，由此对地表变形特性展开分析；也可以通过高精度GNSS的定位系统实现对地表指定位置的持续性观测。所提出的两种方法均具有可行性，各自的监测结果可以相互验证与补充，保证了监测数据的全面性与可靠性。

（3）滑体内部的变形监测。在典型地区滑坡的内部监测工作中，则采取钻探分析和滑坡勘察的方法，由此确定滑坡监测的具体位置以及其产生的主滑动面。于指定位置合理设置钻孔，各孔需分别在主、次级滑动面上安装测斜仪传感器和多点位移计，通过两类装置的联合应用测定滑坡体内的变形数据，且尤其是滑动面的变形数据。依托于测斜仪、多点位移计多类装置的应用得到多组监测结果，对其做对比分析，选择适用于滑体深层位移的监测技术。

（4）岩土体应力的监测。通过多纬一体的位移、倾角、震动加速度设备的应用监测岩土体内部的应力，根据该监测数据判断岩土体的应力变化特点，进一步剖析应力变化与滑体深部变形两者间所具备的关联，为滑坡预警提供可靠的参考依据。

（5）地下水的监测。在钻孔内安装地下水位（渗压）计，利用此类仪器监测地下水水位和孔隙水压，根据监测所得的数据探明地下水位的变化特点以及孔隙水压所造成的影响（指的是其对斜坡移动和滑坡事故的发生所带来的影响）。

（6）降雨的监测。在降雨监测工作中，要求各滑坡分别有一个雨量计，由其监测该处的降雨量，由此研究斜坡失稳以及滑坡的特性。

2.2 泥石流监测传感器

为保证泥石流监测结果的准确性，在监测时需选择典型泥石流沟，适配泥石流监测传感器，综合考虑泥石流本体以及环境因素进行全方位的分析。

（1）降雨监测。挑选典型泥石流沟的各个具有代表性的断面，开展水位、流速、泥位的监测工作。在各泥石流沟适配全自动雨量站，数量可控制在3～5个，具体根据实际监测需求而定，其作用在于监测雨量以及降雨强度，从而进一步得到与泥石流沟水位、泥位、雨量有关的各项信息，达到自动监测泥石流实际特性的效；此外，还需得到流域内各关键部位的降雨值。在得到具体的监测数据后构建分布式降雨-侵蚀模型，准确确定泥石流降雨阈值。

（2）土层水分和孔隙水压监测。选取规格合适、性能稳定的土层水分传感器和张力计，将其安装在全自动雨量站周边的位置，在利用仪器监测后得到土层水分和孔隙水压的具体数据，根据所得数据分析在土层水分和孔隙水压共同作用下所显现出的泥石流发生特性。

（3）水位、流速及泥位的监测。在泥石流沟的分布范围内选取三个测流断面，尽可能将其分布在上、中、下游三个区段，适配压差式水流检测器和压力式水位传感器，经监测得到具体的流量信息和水位信息。此外，在断面上用标尺做泥位监测，生成泥位数据。

（4）固体物质供给监测。可选用的仪器包含地质雷达、地形扫描仪等，其均要具有高精度的特性，以便监测泥石流沟内物源的情况以及沟道两侧可能会发生滑坡的规模。

3 地质灾害传感器布设时的注重要点

典型地区地质灾害传感器布设是一项系统性较强、考虑要素较多的工作，在布设时应重点关注如下内容：

（1）在明确监测因子后，将合适类型的传感器置于指定的位置，例如滑坡体后壁、裂隙、泥石流松散堆积物区域、河道中段等较为关键的部位，经过仪器的监测后得到具有代表性的数据，对整体情况做出判断。

（2）在布设多点传感器时，较为可行的方法是利用单点公网传输传感器采集信息，也可以引入局域组网技术，由其构建无线传感网络，从而实现对采集数据的发送操作。若数据的发送依托于无线传感器网络而实现，则需要注重传感器间网络通信协议和网络拓扑结构两个方面的选择与应用，要求所选择的类型能够与实际情况相符，同时以合理的方法应用。

（3）在传感器远程数据收发工作中主要收集传感器采集数据，将其完整传输至特定的地质灾害自动化远程监测预警系统云平台，在该通信机制中存在较多可供选择的路径，例如：①因特网传输路径，在采取此类传输方法时应结合传感器的特点，应用有线链接构成传感器网络，或通过对智能传感器的应用形成传感器专用网络（如：NB-IoT、LoRa），在得到数据后将其统一发送至专用的数据收发仪器（如：智能网关）上，再进一步将该部分数据接入因特网；②卫星链路传输路径，其直接将采集数据传至监测预警服务器上，整个过程较为简单，但在经济效益性方面存在局限之处。受卫星频段、链路宽带、数据量多重因素的限制，导致在实际监测中所需投入的成本明显偏多，其严重阻碍监测预警系统的运行，因此在小规模项目以及成本吃紧的项目中缺乏可行性；③无线蜂窝通信移动网络，其能够利用传感器采集数据并回传，在整个过程中，信信号覆盖范围较广、信号稳定可靠、成本较低，且所需的智能传感器的制作更为简单，因此是地质灾害监测活动中较为重要的方法。

在滑坡监测中，根据致滑因子和地表位移状况，可以分为两个主要的监测方向，即地表和地下的监测，各自又包含多项细分的监测内容。地表监测重点指的是滑坡前缘倾斜和滑坡后壁裂缝两个方面；地下监测则重点包含土壤含水率、地下水位、土压力、深部位移。对于地下监测而言，为了准确掌握深部位移的具体数据，需要有效控制传感器的布设位置，较为合适的是将其设置在滑坡体主滑动面以下的薄弱部位，于该处部署传感器设备，得到更具真实性与全面性的数据，具体布设情况如图1所示。

泥石流监测需要考虑到泥石流的各个阶段，包含发生、发展，同时还需考虑其在各阶段的运动过程。具体包含如下几点：

（1）上游水源与固体物源监测，此方面的监测指标包含地下水位、土壤含水率、降雨量等；

（2）中游流量以及运动过程，较为关键的有降雨量、地下水位、泥位、流量流速、高清摄像头等，监测时需要全面覆盖各项指标；

（3）下游运动过程监测，重点考虑的是流量流速、地声、高清摄像头等。

泥石流监测布设示意图如图2所示。

4 结束语

地质灾害是一类突发性的自然灾害，其往往具有较强的破坏性作用，若未及时掌握实际情况则难以给防控及应对工作的开展提供重要的依据，出现方法不合理、操作滞后性强等问题，从而造成严重的破坏。传感器的应用可以给工作的开展提供具有参考价值的监测数据，工作人员根据数据对实际情况做出判断。为充分发挥出传感器的应用价值，必须合理布设传感器，将其置于各关键的部位，并构建完善的设备组网和通信网络，采集数据并实时处理，利用大数据平台及时发出预警，减小地质灾害所造成的不良影响。