基于温度传感的泥石流监测方法与系统
技术领域
本发明涉及泥石流监测领域，具体涉及一种基于温度传感的泥石流监测方法与系统。
背景技术
泥石流是山区常见的自然灾害，以掏蚀、淤埋和冲击等方式对下游居民、生态环境造成危害。为了减小泥石流所造成的人员伤亡和财产损失，一种方案是开展泥石流防治工程，如：设置泥石流拦挡坝，拦截泥石流中的石块，降低泥石流对下游的冲击破坏，同时也可以通过拦截泥石流的固体物质，减少泥石流冲入主河中的总量，降低堵塞主河的风险，保证主河的水利工程安全。另一种方案是进行泥石流的监测预警，即在泥石流沟道的上游布置各类监测仪器或系统，如：雨量计、泥位计、次声监测系统、视频监控系统等。当泥石流发生且未到达下游聚居区前，上述监测仪器或系统的监测信号达到预警阈值时，自动发布预警信号，使下游居民拥有足够的时间及时逃散，减小人员伤亡。上述两种方案均是直接关乎下游工程和居民安全的重要减灾措施。由于泥石流防治工程的布置区域有限，且并不能保证万无一失，因此，泥石流监测预警的准确性和及时性就显得尤为重要。在受泥石流威胁的聚居区、交通干线和水利水电工程等重要场所都需布置泥石流监测预警系统，因此，研发测点覆盖面广、监测装置整体稳定性高、监测数据准确可靠的泥石流监测预警系统具有重要的社会意义和工程应用价值。
目前泥石流监测预警主要采用非接触式监测方法，泥位计即为其中应用最为广泛的监测仪器之一，其监测原理为：通过泥位计发射激光或声波信号，该信号遇到障碍后会发生反射，反射信号再被泥位计接收。通过测量发射信号与接收信号之间的时间差Δt，并利用光波和声波的波速即可计算发射端到反射端的距离。首先，在发生泥石流前，通过泥位计测量泥位计至泥石流沟道河床的距离H0，作为基准值。若发生泥石流，在泥石流沟道内会形成泥石流堆积体，此时，反射面上移，泥位计测量的距离变为H1，H0-H1即为泥位深度，通过监测泥位深度的变化来实现泥石流的监测预警。采用泥位计进行监测的方法存在以下的缺点：
(1)安装泥位计的安装支架需要固定在不受泥石流影响的稳固地段，对测点的选址要求较高，泥石流沟道的弯道区段不宜布置，测点覆盖面较窄；
(2)当泥石流沟道宽度较大时，安装支架的悬挑长度较长，当风力较大时，安装支架的稳定性难于保证；
(3)信号载体主要为电磁信号，容易受电磁干扰。
发明内容
为解决上述问题，本发明目的在于提供一种利用温度变化规律来监测泥石流的系统与方法，该装置能够降低测点选址要求、提高测点覆盖面，且能提高监测装置的结构稳定性，减小信号干扰源，提高信噪比。该发明利用温度变化规律结合传热学理论，提供了一种有效而快捷的泥石流预测方法。
本发明通过下述技术方案实现：
基于温度传感的泥石流监测系统，包括用于安装监测点的钢板混凝土悬臂桩体，所述钢板混凝土悬臂桩体包括预制不锈钢外壳，还包括传感加热系统，所述传感加热系统包括数据传输模块、数据接收模块、电源模块和至少一个传感加热单元，所述传感加热单元包括固定在一起的加热元件和温度传感器，至少一个传感加热单元沿钢板混凝土悬臂桩体的轴线方向均匀设置在预制不锈钢外壳内，加热元件和电源模块相连，温度传感器和数据传输模块相连，数据传输模块和数据接收模块相连，工作时，接通电源模块对加热元件加热，使得热源产生的热量与测点向外界释放的热量达到平衡时，测点温度保持稳定，若发生泥石流，测点温度将发生显著变化，根据该异常现象进行泥石流预警；并可根据温度异常测点的分布确定泥位深度。本发明中所述的显著变化，是指数据接收模块接收到的数据的大波动，如在12V加热电压下，可以将每秒变化(如降温)0.5摄氏度以上作为显著变化的判别指标。
本发明中，电源模块包括稳压电源和用于连接电器的电线。数据传输模块可以是铠装光缆，数据接收模块可以是解调仪。
为了减小降雨对监测结果的影响，钢板混凝土悬臂桩体顶部设置有用于避雨的遮挡物。混凝土内沿桩体轴线方向预埋有钢筋，钢筋和遮挡物连接。钢筋和遮挡物可以通过焊接实现固定连接。
进一步的，加热元件为电阻式加热元件。如加热棒、加热管等。当然，加热元件并不仅仅限于本发明提及的加热棒、加热管等，任何能够达到加热效果的元件均在本发明的保护范围内。
优选的，温度传感器为光纤光栅温度传感器。
所述预制不锈钢外壳的内腔现浇有混凝土，以提高悬臂桩体的承载力和稳定性。预制不锈钢外壳为四面围护箱体。
传感加热系统还包括数据分析存储模块，数据分析存储模块通过数据传输模块与数据接收模块相连。当数据接收模块接收到温度传感器的温度数据后，再将温度数据传输给数据分析存储模块进行进一步的分析。
特别说明，本发明的系统安装步骤如下：
(1)根据监测需求确定不锈钢外壳的几何尺寸，在机械加工厂进行加工；
(2)加热元件采用电线和电源串联在一起，温度传感器采用铠装光缆和数据接收模块串联在一起；
(3)将加热元件与温度传感器构成的传感加热单元固定(如：采用导热胶粘贴)后，沿桩体轴线方向排布在不锈钢外壳的内侧；
(4)在泥石流沟道内挖坑(深度需满足锚固要求)，将不锈钢外壳插入挖好的坑内，使泥石流冲击方向与固定有传感加热单元的侧面相对应，往坑内浇筑混凝土，使不锈钢外壳嵌固在泥石流沟道内；
(5)当坑内浇筑的混凝土凝固后，往不锈钢外壳内浇筑混凝土，并预埋钢筋，当不锈钢外壳内浇筑的混凝土凝固后，可以在钢筋上焊接雨蓬，以减小降雨对监测结果的影响；
(6)将串联加热元件的电线和串联温度传感器的铠装光缆引入监测房内；
(7)将电线与稳压电源连接构成回路，铠装光缆的出口端与解调仪进行单端连接。
本发明的监测系统具体工作原理是：接通电源对加热元件加热，温度传感器将温度数据通过数据传输模块输送给数据接收模块，数据接收模块反馈测点温度变化时程，观察温度变化时程：加热使得热源产生的热量与测点向外界释放的热量达到平衡时，测点温度将保持稳定，若观察到测点温度发生显著变化，则说明发生了泥石流，进行泥石流预警。
本发明提供的基于温度传感的泥石流监测方法，具体为将泥石流监测系统设置在监测点，对加热元件进行加热，使得测点周围介质的温度逐渐增大，当热源产生的热量与测点向外界释放的热量达到平衡时，数据接收模块监测的测点温度保持稳定；当数据接收模块监测到测点温度发生显著变化时，执行泥石流预警。此处设置的监测点，就是填埋在泥石流沟道中。
进一步的，将钢板混凝土悬臂桩体固定设置在监测点时，确保设置有传感加热单元的钢板混凝土悬臂桩体侧面和泥石流冲击方向相对应。
本发明中当监测到测点温度发生显著变化时，不仅可以进行泥石流预警，还可根据异常测点的分布来确定泥石流的泥深。本发明的监测系统中钢板混凝土悬臂桩体的机械尺寸已知，而传感加热单元的位置在实际安装时也是根据一定的距离均匀排布设置的，因此监测到某个传感加热单元传递回来的数据，就可以根据该传感加热单元在钢板混凝土悬臂桩体内的高度位置确定泥石流的泥深。
本发明的监测系统中的热源为点热源，其在介质中的热量传递方式包括：1)热传导，主要与点热源周围介质的热力学参数及温度梯度有关；2)热对流，主要与周围环境(如：风力大小、降雨量、泥石流冲刷等)有关。
根据传热学理论，单位时间通过传传导方式从高温物体向低温物体传递的热量可按下式表示：
q(t)＝λ·ζ(t).A(1)
式中：q(t)为t时刻单位时间的传导热量；λ为材料的热传导系数；ζ(t)为t时刻的温度梯度；A为传热面积。
根据牛顿冷却定律，单位时间通过对流传递的热量与温度差成正比，如式(2)。
式中：Q为热量；A为传热面积；h为对流传热系数，与热源所处环境有关；Tθ为环境温度。
从式(1)可以看出：传热速度与材料的热传导系数成正比，当传热面积和温度梯度一定时，传热速度随材料热传导系数的增大而变快。从式(2)可以看出：传热速度与对流传热系数成正比，当传热面积和温度差一定时，传热速度随对流传热系数的增大而变快。
在实施时，调整稳压电源的电压，接通电源对加热元件实施加热，测点周围介质的温度逐渐增大。当热源产生的热量与测点向外界释放的热量相等时，测点温度保持稳定。发生泥石流后，由于泥石流的冲刷作用使热源周围介质发生改变(发生泥石流前为空气，发生泥石流后为水、泥、石混合的非牛顿流体)，热源周围介质的热传导系数和对流传热系数都会发生变化，从而打破原有的热量平衡关系，泥石流堆积深度范围内测点的温度将会降低，根据这一异常现象即可进行泥石流监测预警，并可根据异常测点的分布来确定泥石流的泥深。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明利用泥石流到来之际的温度变化规律，并结合传热学开创了一种基于温度变化监测泥石流到来的方法，该方法从另一个全新思维角度阐释了如何有效的预警泥石流；
2、本发明的装置使得测点可布置在泥石流沟道内，对测点选址要求较低，可实现泥石流沟道测点的全覆盖，避免监测盲区；
3、本发明能够提高监测装置的结构稳定性；
4、本发明能够减小信号干扰源，提高信噪比。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为泥石流监测系统示意图。
图2为水槽试验装置示意图。
图3为水槽试验的传感加热单元示意图。
图4为水槽试验测点的冲刷介质为水时的波长时程曲线图。
图5为水槽试验测点的冲刷介质为泥浆时的波长时程曲线图。
附图说明：
1-稳压电源，2-数据接收模块，3-加热元件，4-温度传感器，5-钢板混凝土悬臂桩体，6-遮挡物，7-料斗，8-水槽，9-监测管，10-传感加热单元，11-铜管，12-电线，13-铠装光缆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，基于温度传感的泥石流监测系统，包括用于安装在监测点的钢板混凝土悬臂桩体5，所述钢板混凝土悬臂桩体5包括预制不锈钢外壳，所述预制不锈钢外壳的内腔现浇有混凝土，便于预制不锈钢外壳在监测点的固定，还包括传感加热系统，所述传感加热系统包括数据传输模块、数据接收模块2、电源模块和至少一个传感加热单元10，所述传感加热单元10包括固定在一起的加热元件3和温度传感器4，至少一个传感加热单元10沿钢板混凝土悬臂桩体5的轴线方向均匀设置在预制不锈钢外壳内，加热元件3和电源1模块相连，温度传感器4和数据传输模块相连，数据传输模块和数据接收模块2相连，工作时，接通电源1模块对加热元件3加热，数据接收模块2接收温度传感器4的数据反馈温度变化时程：当热源产生的热量与测点向外界释放的热量达到平衡时，测点温度保持稳定，若发生泥石流，测点温度将发生显著变化，根据该异常现象进行泥石流预警；并可根据温度异常测点的分布确定泥位深度。。
本发明中，电源模块包括稳压电源1和用于连接电器的电线12。数据传输模块可以是铠装光缆13，数据接收模块2可以是光纤光栅解调仪。
为了减小降雨对监测结果的影响，钢板混凝土悬臂桩体5顶部设置有用于避雨的遮挡物6。混凝土内沿桩体轴线方向预埋有钢筋，钢筋和遮挡物6连接。钢筋和遮挡物6可以通过焊接实现固定连接。
进一步的，加热元件3为电阻式加热元件。如加热棒、加热管等。当然，加热元件3并不仅仅限于本发明提及的加热棒、加热管等，任何能够达到加热效果的元件均在本发明的保护范围内。图1中箭头表示的是泥石流侵袭方向。
优选的，温度传感器4为光纤光栅温度传感器。
传感加热系统还包括数据分析存储模块，数据分析存储模块通过数据传输模块与数据接收模块2相连。
在具体实施时，本发明的系统安装步骤如下：
(1)根据监测需求确定不锈钢外壳的几何尺寸，在机械加工厂进行加工；
(2)加热元件3采用电线12和电源1串联在一起，温度传感器4采用铠装光缆13和数据接收模块2串联在一起；
(3)将加热元件3与温度传感器4构成的传感加热单元10固定如：采用导热胶粘贴后，沿桩体轴线方向排布在不锈钢外壳的内侧；
(4)在泥石流沟道内挖坑深度需满足锚固要求，将不锈钢外壳插入挖好的坑内，使泥石流冲击方向与固定有传感加热单元10的侧面相对应，往坑内浇筑混凝土，使不锈钢外壳嵌固在泥石流沟道内；
(5)当坑内浇筑的混凝土凝固后，往不锈钢外壳内浇筑混凝土，并预埋钢筋，当不锈钢外壳内浇筑的混凝土凝固后，可以在钢筋上焊接雨蓬，以减小降雨对监测结果的影响；
(6)将串联加热元件3的电线12和串联温度传感器4的铠装光缆13引入监测房内；
(7)将电线12与稳压电源1连接构成回路，铠装光缆13的出口端与解调仪进行单端连接。
为了验证基于温感的泥石流监测系统与方法的有效性，开展了水槽试验，试验装置的示意图如图2所示。采用矩形断面的水槽模拟泥石流沟道，水槽坡度为12°。水槽尺寸为宽450mm，高400mm，长6000mm。水槽顶部架立了一个料斗7，料斗7泄料口设置有闸门。在距水槽底端500mm处安装了一根外径20mm，壁厚2mm，长400mm的铜管11作为监测管9，用于模拟泥石流监测装置中的钢板混凝土悬臂桩体5。在监测管9中放置一个由光纤光栅温度传感器4和陶瓷加热管组成的传感加热单元10，如图3所示。其中：光纤光栅温度传感器4的长度为60mm，直径4mm，陶瓷加热管的外径和长度均为12mm，内径8mm，二者之间的间隙填充导热胶。为了减小传感加热单元10与监测管9内壁的间隙，在陶瓷加热管外套了一个外径15mm，壁厚1mm的铜管11。
试验步骤如下：1)、往监测管9内灌满水，关闭料斗7闸门，往料斗7内填料；2)、将光纤光栅温度传感器4的接头与光纤光栅解调仪相连，加热管的电线12与稳压电源1相连，将稳压电源1的电压设置为10V；3)、启动光纤光栅解调仪，实时采集光纤光栅温度传感器4的波长，打开稳压电源1开始加热；4)、当波长基本稳定后，打开料斗7闸门，填料从料斗7出口泄出，在水槽内流动，并冲刷监测管9；5)、填料泄完后，停止数据采集，关闭稳压电源1。
具体的：
制备泥浆：在昆明市东川区蒋家沟泥石流堆积扇中取样，筛取粒径3mm以下的颗粒加水配制成容重1.57g/cm3的泥浆待用；
冲刷：分别采用水和上述泥浆进行冲刷试验，试验过程中测点的水冲刷波长时程曲线如图4所示，测点的泥浆冲刷波长时程曲线如图5所示，波长越大，温度越高。
从图4和图5可以看出：测点的波长变化规律可分为5个阶段：1)、第Ⅰ阶段快速升温；2)、第Ⅱ阶段缓慢升温，前两个阶段热源释放的热量均大于通过监测管9外壁散发的热量；3)、第Ⅲ阶段温度趋于稳定，此时热源释放的热量与通过监测管9外壁散发的热量基本相同；4)、第Ⅳ阶段，由于流体冲刷作用，热源释放的热量小于通过监测管9外壁散发的热量，温度开始下降；5)、第Ⅴ阶段，冲刷结束，温度开始回升。
从上述波长变化规律可以看出，当热源温度基本稳定后，若突然有流体冲刷热源，会导致温度急速下降；当停止冲刷时，热源温度又会开始回升。因此，可将阶段Ⅳ即温度急速下降阶段作为发生泥石流的判据，阶段Ⅴ作为泥石流停止的判据。综上：本发明提出的泥石流监测预警系统和方法是有效可行的。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
