水工环地质监测技术在地质灾害治理中的应用

刘国谋 LIU Guo-mou；徐玲俊 XU Ling-jun

（河南省地质局生态环境地质服务中心，郑州 450000）

0 引言

随着人类对环境破坏的加剧，自然灾害也变得越来越频繁。在自然灾害中，地质灾害的威胁最大，重大地质灾害可导致人员伤亡和财产损失，地质灾害防治工作受到高度重视。因此，为了避免地质灾害，有必要对水工环地质技术在地质灾害治理工程中的应用进行分析。

1 水工环地质监测在地质灾害治理中的应用作用

水工环地质监测的广泛应用有力地推动了地质灾害管理创新的发展，但由于现代科学技术的应用以及各种先进精密设备仪器在水工环地质监测中的应用，一直难以取得进展。在我国水工环地质监测中，固定的长期开发周期不够，很多技术装备有待完善，开发体系不够成熟，在地质灾害管理应用过程中会出现各种问题。因此需要对存在的问题及时采取优化措施，确保调查结果真实有效，对技术人员要求更加严格，提高技术人员的技术资质和专业技能水平，鼓励技术人员深入地质领域，深入基层开展工作，定期开展研究实验的实际调查，运用有效方法得出真实结论，并根据调查结果采取积极有效的措施，及时发现地质灾害，减少隐患，为人民群众的生产生活安全提供坚实的保障。

2 水工环地质监测技术在地质灾害治理中的应用

2.1 水工环地灾治理中的遥感信息监测技术应用

2.1.1 遥感信息技术应用原理与方法

遥测技术广泛应用于地质研究，具有获取基本构造、地质标志、水文标志等特点。从采集到的图像特征可以理解地下水的分布规律，通过间接植被分析证明地下沉降；可通过遥感技术入渗检测古河道分布特征。还可以借助红外热成像来检测地表水的确切位置等，实现水污染监测。

随着高新技术的发展和进步，遥感信息技术已经从单源向多源、从静态向动态发展。该技术对来自多个来源的信息进行复杂分析，其中“复合”对象包括照片、地图、遥测信息和非遥测数据。根据物体的特征，选择最佳延时照片，并采用合理的分类算法对其进行分类。在灾害管理中，遥感信息技术主要用于地质灾害监测。首先，研究从中等遥感图像获得的调查数据，识别危险区域，然后通过研究从更高的传感器图像获得的调查数据，在距离上标记危险地质体。上述原则的应用取决于准确性和多样性。其准确性决定了其实施的对象和目标。“低精度”适用于区域监测，以帮助控制灾害机制的变化。“高精度”是指对威胁组织的详细监控，以便确定其活动的优先级或目标。此外，遥感技术的应用指南见表1。

表1 遥感技术应用方向

2.1.2 遥感信息技术应用的优缺点

广济扫描遥控传感器不仅优化了红外和可见光采集技术，还扩大了服务带宽，增强了遥感信息技术应用的便捷性。目前，用于灾害管理监测的传感器和远程传感器已经具备探测波长更长的电磁波的能力，对红外和可见光的探测已经达到纳米级水平。遥感信息源价格昂贵，必须实时或定期提供，以获得实地灾害预警和预报。由于资金有限，不能广泛使用，只能用于重点项目。现有的高分辨率图像没有得到有效利用，离实际需求还很远。遥感信息技术在灾害监测中的作用尚未得到充分挖掘，主要用于宏观调查。因此，加强这项技术的研发是十分必要的。

2.2 北斗定位监测技术在沉降地质监测中的应用

2.2.1 北斗地质沉降监测方法

北斗定位系统以卫星定位站参考技术为基础，使用双差分模型优化RTK技术和数据同步监测站。以参考点为基础，综合判断地质倾角监测点的变形情况。在北斗定位中，地质沉降监测的实施依赖于定位的准确性，因此被称为北斗高精度测量技术。为解决电磁波的电离层延迟问题，可以采用双频接收机同时处理两个不同频率的载波信号。在观测数据中的误差保持不变的情况下，可以通过观测信息对其进行校正，并可以创建相应的模型。此外，距输出和载波相位为北斗定位解决方案提供支持。

2.2.2 北斗沉没地质监测的实现

首先，地下水活动规律对于监测地质沉降非常重要。必须监测不同气候环境中地下水位和水量的变化，以充分了解其对地质沉降的影响。

其次，基准站的选择是监测系统可靠性的保证。参考站必须配备北斗接收器才能接收观测数据。要知道施工区域的坐标，选择稳定区域。为保证基准站建设区域内有足够的信号覆盖，视野要宽，区域内不能有障碍物。为了避免来自参考站的干扰，必须远离高压电力线和大型变电站。应尽可能避免使用这种高功率无线设备。参考站不需要有人值守，必须配备备用电源，通信必须流畅稳定。

最后，做好监测站的设计工作。根据变形特点，合理设置检测中心。为了达到观测的目的，真实地反映变形，在测点配置一个卫星接收器。监测站必须选择地质变化和重大变化的位置。观景台必须充分发挥作用，以避免阻挡或反射多条路径，并且必须在1.5m至1.7m的距离内操作。

2.2.3 通信网络的选择

初步建设完成后，还需要建立一个通信网络，在站点之间建立有效的通信。适用于北斗地质监测系统的方法有很多，如无线蓝牙、无线WIFI、ZigBee、受限光纤等。由于中心距小，植被面积大，必须采用无线传输通信。基于系统采集到的大量数据，并且地点之间有合适的距离，CPE+无线基站+网桥是实践中最理想的通信方式。

2.3 GNSS技术在滑坡应急变形监测中的应用

2.3.1 GNSS技术测试内容

①设置检测基站。探测参考站应综合考虑目标位置山体的走向和形态，结合岩土结构和滑坡区实际情况进行合理定位。②设置动态检测点。这个过程是监测GNSS技术的主要部分。通过部署自动检测系统，即可完成在目标区域的地质数据的扫描，并根据扫描的数据结果，指定相应的报告，包括对这些位置的监控。在这种过程环境下，需要高度重视通信系统的建设，严格控制通信质量，防止后期因数据采集不足而造成监控质量的损失。③设置信号接收器监视器。该过程的重点是使用GNSS技术监测滑坡的紧急变形。接收器位置的选择，尤其是金属矿物的位置，必须与控制站的位置相结合，防止后续信号接收受到谐波干扰。④数据处理的监控。这部分主要涉及计算机软件数据处理和后续人工分析评估。需要说明的是，同济大学GPSADJ软件系列和TGPPS主要用于二维和三维网格的横向区分。如图1。

图1 监测数据分析逻辑构图

2.3.2 GNSS技术的应用特点

①高准确率。GNSS平面监测数据精度达到5mm水平。如果可以同时使用5颗以上的卫星进行监测，精度可以达到1cm。这种高精度的监测数据，尤其是大范围的区域监测，也非常适合一些大型项目。②监测方法多样。GNSS监测技术可分为动态、静态和快速三种模式。动态检测精度为5mm，实际误差小于2cm。静态监控需要3到5个接收器来创建检测网络并在指定区域进行操作。这种静态跟踪主要用于平面工程类项目的变形监测。而快速监测则适用于短期内发生的边坡变形或公路工程变形等。③天气和地质作业。它的主要特点是不受气候和地形的限制，适用于任何有信号的区域。

2.3.3 GNSS技术应用注意事项

设备的质量决定了GNSS监测技术在地质灾害中的有效性，因此，必须选择合理的GNSS技术检测设备。在实际应用中，更好的接收器，如NSS、gv-X9、北斗GNSS、单频GNSSOceanSuperstar。设备的选择应考虑到可靠稳定的信号接收、准确的数据处理，以及选择具有更高价值和可取性的设备。

3 应用案例

3.1 应用背景

通常情况下，常见的区域地质灾害监测形式，是一种动态监测的方式，借助群测群防的方式，获取区域分为内非重点区域的地质灾害情况，以常见的监测方式判断重点地区内的地质灾害情况。群测群防的方式运用中，会消耗大量的人力、物力资源，并且监测的方式单一，监测效果不佳，难以发挥地质灾害的预判效果。伴随科学技术的方式，现代化的测绘仪器的研发，促使地质灾害的预判方式的革新与发展，如TCA2003测量机器人，这种设备可以在地质滑坡等灾害预判中发挥良好的监测作用，是监测领域新兴的监测技术手段之一，但这种技术也存在一定的弊端，能够与这类设备匹配上的随机软件较少，因此，改设备目前并未被国内大面积推广和运用。这也进一步导致目前常见的地质灾害检测方式，依然沿用传统的手工收集操作并结合全站仪自动设备进行精准照准，并通过人工记录和计算数据的方式来推测某一地区的地质灾害情况。完成外业监测后，内业整体数据的程度更为复杂，因此，需要消耗大量的时间，并且所获取的监测数据也存在人工误差，导致所判定的结果常常出现问题。持此之外，地质灾害即将要发生之前，由于气象信息和地质条件都存在不稳定性因素，传统的变形监测方式，无法达到实时获取地质灾害信息的目的，给民众的人生安全带来极大的威胁。所以，如何研发一套具备精准预判地质灾害的监测系统软件，提升地质灾害的自动化预判水平成为亟待解决的难题（如图2）。

图2 测量机器人地质灾害远程无线自动化监测系统示意图

3.2 工程概况

白莲河抽水蓄能电站总装机容量为1200MW，是规模较大的工程项目之一。在上库进水口处有一个高边坡，在不同高程的马道上布置了14个表面变形观测墩，设计要求是以上库控制网点TB03、TB05作边坡监测的工作基点，按照二等控制网的要求进行观测。在TB03架设仪器，TB05作为后视方向，选取监测点TS11、TS12、TS13、TS14作为观测对象，分别采用机载监测与传统人工作业方法，对白莲河上库高边坡按照方向测回数6次、距离测量16次进行观测，两种监测方法每个点平均观测时间如表2所示。

表2 传统方法与机载方法的观测时间对比表

若在每个目标区域的定点位置上，均进行盘左盘右的观测，并设立五个定点位置，通过六次巡回的测量方式进行数据计算，若通过传统的观测方式，则总共需要至少32小时的观测时间，并且要保持观测过程的连续性，避免收到其他不良因素的干扰。若在观测的过程汇总，观测人员所观测的数据布囊达到规范的限值要求，则需要多增设两个巡回的测量。其次，在整体观测数据的过程汇总，需要将各个部分的数据信息进行修正，或者是通过借助其他计算软件进行数据的整合和计算，这些工作仍需要花费多个小时的时间才能完成。而本研究中通过借助机载观测的非往事，观测一个周期大概需要二十五小时，同时观测的过程中，完成借助机器设备，不需要人工进行辅助，完全进行自动化的数据收集，并且若出现超过限度的观测数据，则系统会进行自动重测。在整理完数据后，系统还能完成数据的修正和整合排序，避免人工观测的误差同时也能很好地节约观测时间。

3.3 工程总结

本研究中分析的测量机器人地质灾害变形监测系统，与传统的预测设备相比，很好地解决了难以找到与之相匹配的处理软件的弊端，其具备的特点如下：

①本系统具备多项技术优势，可更为高效、更为全面地监测某一特定区域内的地质变化情况，对地壳的运动进行观测和记录，减少人工监测和计算误差错误情况的发生；

②本系统所采用的移动周期监测方式，与传统的监测手段相比，效率更高，成果更为显著，在观测、数据记录、限差检查、数据预处理、成果输出、平差计算、成果分析等方面凸显出极大的技术形式，可减少人工的作业强度，同时也能提升监测的总体质量；

③本系统通过CDMA无线传输功能模块，以及气象传感器的辅助，完成远程地质灾害的监测和管控，同时也能能达到自动化监测的目标，可显著提升地质监测的准确性和精准度。

4 结语

综上所述，水工环地质监测技术多种多样，具有不同的优势、内容和范围。在灾害管理的应用中，要根据实际情况做出合理的选择，充分利用跟踪技术。监管者要监督运行，合理选择监测设备，提高监测数据的准确性和质量。