一種具有預測功能的水土流失監測與預警系統技術方案

本發明專利技術研制與構建了一種具有預測功能的水土流失監測與預警系統，基于功效系數法構建水土流失預警模型，能夠考慮多個變量，對水土流失溝進行整體性預測，將土壤含水量和降雨量設置為下一時刻t

A soil loss monitoring and warning system with predictive function

The development and construction of a soil erosion monitoring and early warning system for forecasting function of the invention, the construction efficiency coefficient method of soil erosion prediction model based on multiple variables to consider, to ditch overall prediction of soil erosion, soil moisture and rainfall will be set for the next time t

【技術實現步驟摘要】
一種具有預測功能的水土流失監測與預警系統
本專利技術涉及鐵路沿線環境安全評估和預警，尤其是涉及鐵路沿線水土流失監測與預警。
技術介紹
鐵路是國民經濟的大動脈，在交通運輸中起著重要的作用，而水土流失嚴重影響鐵路的正常運行和行車安全。我國是水土流失活動較頻繁的國家之一，而鐵路又是遭受水土流失危害最嚴重的行業之一。水土流失常常會對鐵路路基形成沖毀、淤埋、堵塞橋涵等，嚴重影響鐵路的安全運營。隨著近年來全球環境的惡化，極端氣候頻發，鐵路不斷地向山區延伸，鐵路沿線水土流失災害頻發，嚴重威脅鐵路運輸線營運安全，每年鐵路受災損失居高不下。水土流失災害是鐵路運輸線上所遇到的最頻繁的自然災害，常常淤埋、堵塞、沖毀鐵道線路，引發鐵路斷道、列車出軌等安全事故，給鐵路運營安全帶來嚴重威脅，因此建立一個完善的水土流失監測與預警系統對于鐵路安全的意義十分重大。針對水土流失造成的泥石流等地質災害的監測預警系統的方法包括模糊數學方法、人工神經網絡法、灰色理論、GIS技術、可拓理論、回歸分析法。早期的系統模型基于降雨條件建立預警模型，沒有與當地的地質環境條件結合，預測預警精度不高。經過研究發現影響水土流失的因素主要有巖性結構、地形地貌、土層植被、水文條件、氣候降雨等，因此科研人員進一步建立了降雨條件與地質條件耦合的監測與預警系統，綜合考慮了山坡坡度、邊坡松散物質儲量、植被覆蓋率、土壤含水量、歷史降雨量、實時降雨量等多個因素。土壤中的孔隙充滿水，具有從高水勢點向低水勢點流動的不平衡性；水流不會改變土壤中水儲存量。土壤水分飽和后，土壤顆粒間的膠結物發生變化，如膨脹、溶解等，土壤顆粒間的團聚性能減弱，土壤團聚體遭到破壞，土粒間的作用力，如范德華力、水膜張力、粘結力等消失或失去作用，土粒間發生滑動，再加上水力的作用，土壤會發生溜坍，引起邊坡垮塌，導致水土流失，引發自然災害，掩埋路基，沖垮堤壩等，因此土壤中的含水量情況是誘發發生邊坡溜坍和水土流失的重要因素，10分鐘降雨量是水土流失激發的重要啟動因素，強度越大，巖土體失穩的可能性越高，水土流失爆發的可能性越大；24h雨量是指至此時前24h降雨量，雨量越大，水土流失發生的可能性越大。長歷時的降雨較易使邊坡深層土體的孔隙水壓力增加，土體易產生滑動性破壞，為后期水土流失的發生起著重要的貢獻；3天的累計降雨量則在一定程度上反應土體的飽和液化的程度。根據即時的土壤含水量和前期不同時間段統計的降雨量能夠反映當前時刻邊坡狀況，然而在南方某些地區的多雨季節，經常連續降暴雨很多天，現有技術根據歷史數據和即使數據對當前的邊坡水土流失狀況進行監測和預警，不能對未來時刻進行監測和預警，這在連續降暴雨的天氣時會導致處理不及時，帶來危險隱患。
技術實現思路
本專利技術目的在于提供一種具有預測功能的水土流失監測與預警系統，尤其是在連續暴雨天氣時對下一時刻邊坡土壤狀況進行監測和預警，能夠提前預測危險，使得在惡劣天氣時有足夠的反應時間來進行處理，避免和減輕水土流失帶來的泥石流危險。一種具有預測功能的水土流失監測與預警系統，其包括數據采集裝置、信號接收及處理裝置、無線信號傳輸裝置、監測中心等部分；監測中心包括水土流失監測與預警模型，所述水土流失監測與預警模型將采集或計算數據作為影響因子計算發生水土流失的風險；所述影響因子包括降雨量、土壤含水量等；其特征在于：所述土壤含水量可以是下一時刻t1的土壤含水量值，所述降雨量可以是下一時刻t1的降雨量。進一步的所述下一時刻t1的土壤含水量能夠根據當前時刻t0的土壤含水量與t0-t1時間的降雨量得到。進一步的所述t0-t1時間段的降雨量可以根據天氣預報數據獲得。進一步的所述降雨量包括10分鐘降雨量、24h降雨量和3天累計降雨量。進一步的所述影響因子還包括邊坡相對高度、邊坡坡度、植被覆蓋率、土壤質地、土壤含水量、地層巖性、侵蝕強度、邊坡松散物儲量、災害發生敏感分區。進一步的所述水土流失監測與預警模型是基于層次分析法確定其影響因子權重系數，再基于功效系數法構建得到。與現有技術相比：本專利技術基于層次分析法確定影響因子權重系數，基于功效系數法構建水土流失預警模型，能夠考慮多個變量，對水土流失溝進行整體性預測，其中土壤含水量是評價邊坡溜灘和水土流失是否發生的重要因素之一，降雨量是誘發水土流失的關鍵因素，在連續降暴雨天氣時，將土壤含水量和降雨量設置為下一時刻t1時值，能夠提前預測邊坡水土流失狀況，能夠提前預測危險，有足夠的反應時間來進行處理，避免和減輕水土流失帶來的泥石流危險。附圖說明圖1是本專利技術水土流失預測預警指標層次體系圖。圖2是本專利技術土壤含水量布置拓撲結構。圖3是本專利技術水土流失預測預警模型的建立流程圖。具體實施方式下面結合附圖詳細描述本專利技術。如圖1-3所示，本專利技術選取邊坡相對高度、邊坡坡度、植被覆蓋率、土壤質地、土壤含水量、地層巖性、侵蝕強度、邊坡松散物儲量、災害發生敏感分區、前3d累計降雨量、24h降雨量、10分鐘降雨量為水土流失預警模型的影響指標(即影響因子)。其中，邊坡松散物儲量是水土流失物源的重要來源，儲量越大，水土流失發生時可提供的固體碎屑物越多:固體碎屑物越松散，在降雨條件下越容易失穩破壞，因此，水土流失溝松散物具有一定的儲量為水土流失的形成提供了物源條件；山坡坡度大小反應了坡面上土壤顆粒的穩定條件和水流動力條件，并直接影響地表徑流的沖刷和搬運能力；植被覆蓋率指標反應了防止水土流失的能力，覆蓋率越高，巖土體失穩所需的能量越大；鐵路邊坡的相對高差則體現了溝谷的地形條件，高差越大，提供的勢能越大，水動力就越強，發生水土流失的可能性就越大；10分鐘降雨量是水土流失激發的重要啟動因素，強度越大，巖土體失穩的可能性越高，水土流失爆發的可能性越大；24h雨量是指至此時前24h降雨量，雨量越大，水土流失發生的可能性越大。長歷時的降雨較易使邊坡深層土體的孔隙水壓力增加，土體易產生滑動性破壞，為后期水土流失的發生起著重要的貢獻。因此，前期的累計降雨量大小則在一定程度上反應土體的飽和液化的程度，根據水土流失發生時前期降雨影響程度，選取3天的累計降雨量作為前期降雨影響指標。根據以上影響因子及下文提到的方法可以建立水土流失監測與預警模型，再進一步結合數據采集裝置、信號接收及處理裝置、無線信號傳輸裝置、監測中心等可以組成一套水土流失監測與預警系統，能夠對邊坡水土流失狀況進行監控和預警。然而該預警系統只能反映當前狀況，沒有一定的預測前瞻性，在連續的暴雨天氣，就是預知當前處于危險狀況，也可能來不及處理，沒有在時間上有一個推移的預測。本專利技術的影響因子中的土壤含水量可以是下一時刻t1的土壤含水量值，所述降雨量可以是下一時刻t1的降雨量；其中下一時刻t1的土壤含水量值能夠根據當前時刻t0的土壤含水量與t0-t1時間的降雨量得到，具體數值可以從相關部門數據庫中的降雨量—土壤含水量關系得到，而t0-t1時間的降雨量也可以根據相關部門數據得到，如天氣預報的數據。下一時刻t1是可以由技術人員設定的時間，為了有足夠的反映時間，同時又避免時間太長而準確度降低，下一時刻t1可以進一步控制在1小時-6小時內，降雨量因子包括了10分鐘降雨量、24h雨量、3天的累計降雨量，因此下一時刻t1的降雨量也包括其10分鐘降雨量、24h雨量、3天的累計降本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有預測功能的水土流失監測與預警系統，其包括數據采集裝置、信號接收及處理裝置、無線信號傳輸裝置、監測中心等部分；監測中心包括水土流失監測與預警模型，所述水土流失監測與預警模型將采集或計算數據作為影響因子計算發生水土流失的風險；所述影響因子包括降雨量、土壤含水量等；其特征在于：所述土壤含水量可以是下一時刻t

【技術特征摘要】
1.一種具有預測功能的水土流失監測與預警系統，其包括數據采集裝置、信號接收及處理裝置、無線信號傳輸裝置、監測中心等部分；監測中心包括水土流失監測與預警模型，所述水土流失監測與預警模型將采集或計算數據作為影響因子計算發生水土流失的風險；所述影響因子包括降雨量、土壤含水量等；其特征在于：所述土壤含水量可以是下一時刻t1的土壤含水量值，所述降雨量可以是下一時刻t1的降雨量。2.根據權利要求1所述的水土流失監測與預警系統，所述下一時刻t1的土壤含水量能夠根據當前時刻t0的土壤含水量與t0-t1時間的降雨量得到。3.根據...

【專利技術屬性】
技術研發人員：唐直國，周衛軍，
申請(專利權)人：長沙市玖車測控技術有限公司，
類型：發明
國別省市：湖南,43