地声在泥石流预测方面的应用()

地声在泥石流预测方面的应用

摘要：应用地声传感器和数据采集仪，经地声传感器监测到的声波变成电信号送入数据采集仪。数据采集仪接GPRS模块，声波信号通过GPRS网络传到监测中心，在现场采集了多阵泥石流地声信号，并对数据进行了初步分析处理，根据地声频率的变化进行泥石流的预警。

关键词：地声、泥石流、预测、GPRS

我国泥石流灾害的概况

泥石流常常具有暴发突然、来势凶猛、迅速的特点。并兼有崩塌、滑坡和洪水破坏的双重作用，其危害程度往往比单一的滑坡、崩塌和洪水的危害更为广泛和严重。它对人类的危害具体表现在如下四个方面：

（1）对居民点的危害：泥石流最常见的危害之一是冲进乡村、城镇，摧毁房屋、工厂、企事业单位及其他场所、设施。淹没人畜，毁坏土地，甚至造成村毁人亡的灾难。

图-1泥石流的威力巨大，可使建筑物彻底摧毁

图-2.2009年8月，台湾小林村泥石流造成约400人被掩埋

（2）对公路、铁路及桥梁的危害：泥石流可直接埋没车站、铁路、公路，摧毁路基、桥涵等设施，致使交通中断，还可引起正在运行的火车、汽车颠覆，造成重大的人身伤亡事故。有时泥石流汇入河流，引起河道大幅度变迁，间接毁坏公路、铁路及其他构筑物，甚至迫使道路改线，造成巨大经济损失。

图-3.被泥石流掩埋的客车

（3）对水利、水电工程的危害：主要是冲毁水电站、引水渠道及过沟建筑物，淤埋水电站水渠，并淤积水库、磨蚀坝面等。

（4）对矿山的危害：主要是摧毁矿山及其设施，淤埋矿山坑道、伤害矿山人员、造成停工停产，甚至使矿山报废。我国泥石流常发地区分布

泥石流运动的物理实质

1）什么是泥石流

由暴雨、冰雪融水或库塘溃坝等水源激发，使山坡或沟谷中的固体堆积物混杂在水中沿山坡或沟谷向下游快速流动，并在山坡坡脚或出山口的地方堆积下来，就形成了泥石流。泥石流经常突然爆发，来势凶猛，沿着陡峻的山沟奔腾而下，山谷犹如雷鸣，可携带巨大的石块，在很短时间内将大量泥沙石块冲出沟外，破坏性极大，常常给人类生

命财产造成很大危害。

图-4.典型泥石流示意图

2）形成泥石流的基本条件

泥石流的形成必须同时具备以下3个条件：陡峻的地形地貌、丰富的松散物质、短时间内有大量的水源。

（1）地形地貌条件：地形上，山高沟深、地势陡峻，沟床纵坡降大，沟谷形状便于水流汇集。沟谷上游地形多为三面环山，一面出口的瓢状或漏斗状，周围山高坡陡，植被生长不良，有利于水和松散土石的集中；沟谷中游地形多为峡谷，沟底纵向坡降大，使泥石流能够向下游快速流动；沟谷下游出山口的地方地形开阔平坦，泥石流物质出山口后能够堆积下来。

（2）松散物质来源条件：沟谷斜坡表层岩层结构疏松软弱、易于风化、节理发育，有厚度较大的松散土石堆积物，可为泥石流形成提供丰富的固体物质来源；人类工程活动，如滥伐森林造成水土流失，采

矿堆弃在沟谷的弃渣堆土等，往往也为泥石流提供大量的物质来源。（3）水源条件：水既是泥石流的重要组成部分，又是泥石流的重要激发条件和动力来源。泥石流的水源有暴雨、冰雪融水和水库（池）溃决下泄水体等。

3）泥石流发生的时间规律

泥石流的发生时间具有如下三个规律：

（1）季节性：泥石流的暴发主要受连续降雨、暴雨、尤其是特大暴雨等集中降雨的激发。因此，泥石流发生的时间规律与集中降雨时间规律相一致，具有明显的季节性。一般发生于多雨的夏秋季节。因集中降雨的时间的差异而有所不同。四川、云南等西南地区的降雨多集中在6-9月，因此、西南地区的泥石流多发生在6-9月；而西北地区降雨多集中在6、7、8三个月，尤其是7、8两个月降雨集中，暴雨强度大，因此西北地区的泥石流多发生在7、8两个月。

（2）周期性：泥石流的发生受雨、洪、地震的影响，而雨洪、地震总是周期性地出现。因此，泥石流的发生和发展也具有一定的周期性，且其活动周期与雨洪、地震的活动周期大体一致。当雨洪、地震两者的活动周期相叠加时，常常形成一个泥石流活动周期的高潮。

（3）泥石流的发生，一般是在一次降雨的高峰期，或是在连续降雨稍后。

4）泥石流主要类型

按流域的沟谷地貌形态可分为沟谷型泥石流和坡面型泥石流。

沟谷型：沿沟谷形成，流域呈现狭长状，规模大。

山坡型：为坡面地形，沟短坡陡，规模小。

图-5.沟谷型泥石流

图-6.坡面型泥石流

地声预测泥石流的原理

泥石流摩擦、撞击沟床而引起的弹性波,以岩石等介质传播,称之为泥石流地声

地声监测系统见图1。整体分为4部分，地声传感器选用0Hz～200Hz 的低频声音传感器。经地声传感器监测到的声波变成电信号送入数据采集仪。数据采集仪采用以MSP430单片机为核心的智能测量仪，MSP430接GPRS模块。测量仪具有A／D转换、滤波、数据存储、显示和通过GPRS与上位Pc机通信的功能。声波信号的传输是通过GPRS网完成的。监测中心上位机用普通PC机，主要完成接收数据、发送指令、数据存储、频谱分析和数据库管理等功能。

1).地声传感器的工作原理

当物体(如喇叭)在空气中前后振动时，它便会发出声波。当声波到达人耳的鼓膜时，人便会感受到压力的变化，这就是声音。声音用音量(dB)和频率(Hz)来度量。人耳能够分辨的声音频率范围为2OHz～2O000Hz；声音频率低于2OHz的声波为次声波，声音频率高于20000Hz的声波为超声波。由于地声的频率一般在200Hz以下，一部分属于人耳能听到的范围，一部分属于次声波，所以就需要一个灵敏度比较高的声音传感器，声音传感器的原理就类似于人的鼓膜或者麦克风，当有声波传进来的同时，震动鼓膜，产生压力差，传感器再把这个信号变成电信号传到后端的测量仪。

2).数据采集仪简介

数据采集仪主要完成数据采集、滤波、模数转换和与GPRS通信向上位机发送数据的功能，数据采集仪可安装在测量现场，也可在偏远地区，考虑供电等问题，要求功耗小。所以数据采集仪选用低功耗的单片机作为核心模块。本文选用MSP430作为数据采集仪的处理器。MSP430系列单片机是美国德州仪器公司近几年开发的新一代16位单片机，该单片机在设计上打破常规，采用了全新的概念，其突出的优点是低电源电压、超低功耗，非常适合各种功率要求低的应用。它有多个系列和型号，分别以一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。由于其功能丰富因而又称之为混合型单片机。典型应用是智能家庭仪表、医疗设备和保安系统等方面。由于其较高的性能价格比，应用已日趋广泛。MSP430系列单片机具有以下一些共同特点：低电压、超低功耗；强大的处理能力；丰富的片上外围模块；方便高效的开发环境；适应工业级运行环境；多种时钟模块；型号种类多。3).GPRS技术概述及数据传输方式与网络结构

目前可用于远程监测数据传输的方式有卫星通信、公用电话通信(PSTN)、GSM网、GPRS网和Internet。卫星通信初期投资和运行费用都很高，不能广泛使用；PSTN建立连接和传输数据慢；GSM 网用短消息方式传输测量数据，在采样数据量大时，运行费用高Internet是有线的，不便于在偏远地区使用，最佳选择是GPRS网。无线移动通信网络的发展，特别是GPRS的出现为工业自动化设备