本發(fā)明涉及鐵路沿線環(huán)境安全評(píng)估和預(yù)警，尤其是涉及鐵路沿線水土流失監(jiān)測(cè)與預(yù)警。
背景技術(shù)：
：鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，在交通運(yùn)輸中起著重要的作用，而水土流失嚴(yán)重影響鐵路的正常運(yùn)行和行車(chē)安全。我國(guó)是水土流失活動(dòng)較頻繁的國(guó)家之一，而鐵路又是遭受水土流失危害最嚴(yán)重的行業(yè)之一。水土流失常常會(huì)對(duì)鐵路路基形成沖毀、淤埋、堵塞橋涵等，嚴(yán)重影響鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。隨著近年來(lái)全球環(huán)境的惡化，極端氣候頻發(fā)，鐵路不斷地向山區(qū)延伸，鐵路沿線水土流失災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅鐵路運(yùn)輸線營(yíng)運(yùn)安全，每年鐵路受災(zāi)損失居高不下。水土流失災(zāi)害是鐵路運(yùn)輸線上所遇到的最頻繁的自然災(zāi)害，常常淤埋、堵塞、沖毀鐵道線路，引發(fā)鐵路斷道、列車(chē)出軌等安全事故，給鐵路運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅，因此建立一個(gè)完善的水土流失監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于鐵路安全的意義十分重大。針對(duì)水土流失造成的泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的方法包括模糊數(shù)學(xué)方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色理論、GIS技術(shù)、可拓理論、回歸分析法。早期的系統(tǒng)模型基于降雨條件建立預(yù)警模型，沒(méi)有與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境條件結(jié)合，預(yù)測(cè)預(yù)警精度不高。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)影響水土流失的因素主要有巖性結(jié)構(gòu)、地形地貌、土層植被、水文條件、氣候降雨等，因此科研人員進(jìn)一步建立了降雨條件與地質(zhì)條件耦合的監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，綜合考慮了山坡坡度、邊坡松散物質(zhì)儲(chǔ)量、植被覆蓋率、土壤含水量、歷史降雨量、實(shí)時(shí)降雨量等多個(gè)因素。土壤中的孔隙充滿水，具有從高水勢(shì)點(diǎn)向低水勢(shì)點(diǎn)流動(dòng)的不平衡性；水流不會(huì)改變土壤中水儲(chǔ)存量。土壤水分飽和后，土壤顆粒間的膠結(jié)物發(fā)生變化，如膨脹、溶解等，土壤顆粒間的團(tuán)聚性能減弱，土壤團(tuán)聚體遭到破壞，土粒間的作用力，如范德華力、水膜張力、粘結(jié)力等消失或失去作用，土粒間發(fā)生滑動(dòng)，再加上水力的作用，土壤會(huì)發(fā)生溜坍，引起邊坡垮塌，導(dǎo)致水土流失，引發(fā)自然災(zāi)害，掩埋路基，沖垮堤壩等，因此土壤中的含水量情況是誘發(fā)發(fā)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(fā)的重要啟動(dòng)因素，強(qiáng)度越大，巖土體失穩(wěn)的可能性越高，水土流失爆發(fā)的可能性越大；24h雨量是指至此時(shí)前24h降雨量，雨量越大，水土流失發(fā)生的可能性越大。長(zhǎng)歷時(shí)的降雨較易使邊坡深層土體的孔隙水壓力增加，土體易產(chǎn)生滑動(dòng)性破壞，為后期水土流失的發(fā)生起著重要的貢獻(xiàn)；3天的累計(jì)降雨量則在一定程度上反應(yīng)土體的飽和液化的程度。根據(jù)即時(shí)的土壤含水量和前期不同時(shí)間段統(tǒng)計(jì)的降雨量能夠反映當(dāng)前時(shí)刻邊坡?tīng)顩r，然而在南方某些地區(qū)的多雨季節(jié)，經(jīng)常連續(xù)降暴雨很多天，現(xiàn)有技術(shù)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和即使數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前的邊坡水土流失狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，不能對(duì)未來(lái)時(shí)刻進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，這在連續(xù)降暴雨的天氣時(shí)會(huì)導(dǎo)致處理不及時(shí)，帶來(lái)危險(xiǎn)隱患。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明目的在于提供一種具有預(yù)測(cè)功能的水土流失監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，尤其是在連續(xù)暴雨天氣時(shí)對(duì)下一時(shí)刻邊坡土壤狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，能夠提前預(yù)測(cè)危險(xiǎn)，使得在惡劣天氣時(shí)有足夠的反應(yīng)時(shí)間來(lái)進(jìn)行處理，避免和減輕水土流失帶來(lái)的泥石流危險(xiǎn)。一種具有預(yù)測(cè)功能的水土流失監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，其包括數(shù)據(jù)采集裝置、信號(hào)接收及處理裝置、無(wú)線信號(hào)傳輸裝置、監(jiān)測(cè)中心等部分；監(jiān)測(cè)中心包括水土流失監(jiān)測(cè)與預(yù)警模型，所述水土流失監(jiān)測(cè)與預(yù)警模型將采集或計(jì)算數(shù)據(jù)作為影響因子計(jì)算發(fā)生水土流失的風(fēng)險(xiǎn)；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(shí)刻t1的土壤含水量值，所述降雨量可以是下一時(shí)刻t1的降雨量。進(jìn)一步的所述下一時(shí)刻t1的土壤含水量能夠根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻t0的土壤含水量與t0-t1時(shí)間的降雨量得到。進(jìn)一步的所述t0-t1時(shí)間段的降雨量可以根據(jù)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)獲得。進(jìn)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(jì)降雨量。進(jìn)一步的所述影響因子還包括邊坡相對(duì)高度、邊坡坡度、植被覆蓋率、土壤質(zhì)地、土壤含水量、地層巖性、侵蝕強(qiáng)度、邊坡松散物儲(chǔ)量、災(zāi)害發(fā)生敏感分區(qū)。進(jìn)一步的所述水土流失監(jiān)測(cè)與預(yù)警模型是基于層次分析法確定其影響因子權(quán)重系數(shù)，再基于功效系數(shù)法構(gòu)建得到。與現(xiàn)有技術(shù)相比：本發(fā)明基于層次分析法確定影響因子權(quán)重系數(shù)，基于功效系數(shù)法構(gòu)建水土流失預(yù)警模型，能夠考慮多個(gè)變量，對(duì)水土流失溝進(jìn)行整體性預(yù)測(cè)，其中土壤含水量是評(píng)價(jià)邊坡溜灘和水土流失是否發(fā)生的重要因素之一，降雨量是誘發(fā)水土流失的關(guān)鍵因素，在連續(xù)降暴雨天氣時(shí)，將土壤含水量和降雨量設(shè)置為下一時(shí)刻t1時(shí)值，能夠提前預(yù)測(cè)邊坡水土流失狀況，能夠提前預(yù)測(cè)危險(xiǎn)，有足夠的反應(yīng)時(shí)間來(lái)進(jìn)行處理，避免和減輕水土流失帶來(lái)的泥石流危險(xiǎn)。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明水土流失預(yù)測(cè)預(yù)警指標(biāo)層次體系圖。圖2是本發(fā)明土壤含水量布置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3是本發(fā)明水土流失預(yù)測(cè)預(yù)警模型的建立流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。如圖1-3所示，本發(fā)明選取邊坡相對(duì)高度、邊坡坡度、植被覆蓋率、土壤質(zhì)地、土壤含水量、地層巖性、侵蝕強(qiáng)度、邊坡松散物儲(chǔ)量、災(zāi)害發(fā)生敏感分區(qū)、前3d累計(jì)降雨量、24h降雨量、10分鐘降雨量為水土流失預(yù)警模型的影響指標(biāo)(即影響因子)。其中，邊坡松散物儲(chǔ)量是水土流失物源的重要來(lái)源，儲(chǔ)量越大，水土流失發(fā)生時(shí)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(wěn)破壞，因此，水土流失溝松散物具有一定的儲(chǔ)量為水土流失的形成提供了物源條件；山坡坡度大小反應(yīng)了坡面上土壤顆粒的穩(wěn)定條件和水流動(dòng)力條件，并直接影響地表徑流的沖刷和搬運(yùn)能力；植被覆蓋率指標(biāo)反應(yīng)了防止水土流失的能力，覆蓋率越高，巖土體失穩(wěn)所需的能量越大；鐵路邊坡的相對(duì)高差則體現(xiàn)了溝谷的地形條件，高差越大，提供的勢(shì)能越大，水動(dòng)力就越強(qiáng)，發(fā)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(fā)的重要啟動(dòng)因素，強(qiáng)度越大，巖土體失穩(wěn)的可能性越高，水土流失爆發(fā)的可能性越大；24h雨量是指至此時(shí)前24h降雨量，雨量越大，水土流失發(fā)生的可能性越大。長(zhǎng)歷時(shí)的降雨較易使邊坡深層土體的孔隙水壓力增加，土體易產(chǎn)生滑動(dòng)性破壞，為后期水土流失的發(fā)生起著重要的貢獻(xiàn)。因此，前期的累計(jì)降雨量大小則在一定程度上反應(yīng)土體的飽和液化的程度，根據(jù)水土流失發(fā)生時(shí)前期降雨影響程度，選取3天的累計(jì)降雨量作為前期降雨影響指標(biāo)。根據(jù)以上影響因子及下文提到的方法可以建立水土流失監(jiān)測(cè)與預(yù)警模型，再進(jìn)一步結(jié)合數(shù)據(jù)采集裝置、信號(hào)接收及處理裝置、無(wú)線信號(hào)傳輸裝置、監(jiān)測(cè)中心等可以組成一套水土流失監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)吰滤亮魇顩r進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警。然而該預(yù)警系統(tǒng)只能反映當(dāng)前狀況，沒(méi)有一定的預(yù)測(cè)前瞻性，在連續(xù)的暴雨天氣，就是預(yù)知當(dāng)前處于危險(xiǎn)狀況，也可能來(lái)不及處理，沒(méi)有在時(shí)間上有一個(gè)推移的預(yù)測(cè)。本發(fā)明的影響因子中的土壤含水量可以是下一時(shí)刻t1的土壤含水量值，所述降雨量可以是下一時(shí)刻t1的降雨量；其中下一時(shí)刻t1的土壤含水量值能夠根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻t0的土壤含水量與t0-t1時(shí)間的降雨量得到，具體數(shù)值可以從相關(guān)部門(mén)數(shù)據(jù)庫(kù)中的降雨量—土壤含水量關(guān)系得到，而t0-t1時(shí)間的降雨量也可以根據(jù)相關(guān)部門(mén)數(shù)據(jù)得到，如天氣預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)。下一時(shí)刻t1是可以由技術(shù)人員設(shè)定的時(shí)間，為了有足夠的反映時(shí)間，同時(shí)又避免時(shí)間太長(zhǎng)而準(zhǔn)確度降低，下一時(shí)刻t1可以進(jìn)一步控制在1小時(shí)-6小時(shí)內(nèi)，降雨量因子包括了10分鐘降雨量、24h雨量、3天的累計(jì)降雨量，因此下一時(shí)刻t1的降雨量也包括其10分鐘降雨量、24h雨量、3天的累計(jì)降雨量，由已經(jīng)發(fā)生的降雨和即將發(fā)生的降雨兩部分組成。在此基礎(chǔ)上根據(jù)計(jì)算權(quán)重原始數(shù)據(jù)的來(lái)源，可將權(quán)重確定方法分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和組合賦權(quán)法。首先由專家群體對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要程度進(jìn)行評(píng)判；然后采用相關(guān)的集結(jié)算法對(duì)單個(gè)專家的評(píng)判數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，得到各指標(biāo)的權(quán)重。項(xiàng)目將采用主、客觀結(jié)合，綜合評(píng)判的方法進(jìn)行，得到綜合評(píng)分表1。表1鐵路沿線水土流失預(yù)測(cè)預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)體系綜合評(píng)分表權(quán)重系數(shù)是評(píng)價(jià)指標(biāo)重要程度的一個(gè)量化標(biāo)準(zhǔn)，量化值越大重要程度越高，因此權(quán)重系數(shù)確定的準(zhǔn)確及合理性將直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果。本發(fā)明采用層次分析法進(jìn)行影響因子賦權(quán)，層次分析法作為一種新的、簡(jiǎn)潔而實(shí)用的建模方法、其建模過(guò)程大體上可按下面四個(gè)步驟進(jìn)行:建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型；構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣；層次單排序及一致性檢驗(yàn)；層次總排序及一致性檢驗(yàn)。表2水土流失目標(biāo)層矩陣構(gòu)建與權(quán)重計(jì)算鐵路沿線水土流失預(yù)測(cè)基礎(chǔ)因子(B1)響應(yīng)因子(B2)誘導(dǎo)因子(B3)Wi基礎(chǔ)因子(B1)1.00000.81650.74370.2802響應(yīng)因子(B2)1.22481.00000.91080.3431誘導(dǎo)因子(B3)1.34471.09791.00000.3767表3準(zhǔn)則層基礎(chǔ)因子矩陣構(gòu)建與權(quán)重計(jì)算基礎(chǔ)因子(C1)(C2)(C3)(C4)(C5)Wi相對(duì)高差(C1)1.00000.88210.79501.15791.11730.1942邊坡坡度(C2)1.13371.00000.90131.31291.26680.2201土壤質(zhì)地(C3)1.25781.10951.00001.45651.40550.2442植被覆蓋度(C4)0.86360.76170.68661.00000.96500.1677地層巖性(C5)0.89500.78940.71151.03631.00000.1738表4準(zhǔn)則層響應(yīng)因子矩陣構(gòu)建與權(quán)重計(jì)算響應(yīng)因子土壤含水量(C6)侵蝕強(qiáng)度(C7)災(zāi)害敏感性(C8)邊坡松散物質(zhì)儲(chǔ)量(C9)Wi土壤含水量(C6)1.00001.29470.99901.14550.2742侵蝕強(qiáng)度(C7)0.77241.00000.77150.88470.2118災(zāi)害敏感性(C8)1.00101.29611.00001.14670.2745邊坡松散物質(zhì)儲(chǔ)量(C9)0.87301.13030.87211.00000.2394表5準(zhǔn)則層誘導(dǎo)因子矩陣構(gòu)建與權(quán)重計(jì)算表6水土流失影響因子指標(biāo)組合權(quán)重功效系數(shù)法又叫功效函數(shù)法，是一種反映多個(gè)指標(biāo)、綜合分析的定量評(píng)價(jià)方法，對(duì)每一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定一個(gè)滿意值和不允許值，以滿意值為上限，以不允許值為下限，計(jì)算各指標(biāo)實(shí)現(xiàn)滿意值程度，并以此確定各指標(biāo)的功效系數(shù)值，再經(jīng)過(guò)加權(quán)評(píng)價(jià)確定綜合評(píng)價(jià)值，從而評(píng)價(jià)被研究對(duì)象的綜合狀況。其評(píng)價(jià)步驟如下:(1)選取評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)須具有代表性和典型性，在評(píng)價(jià)體系中既要獨(dú)立又能互補(bǔ)，應(yīng)盡可能地反映評(píng)價(jià)目標(biāo)的總體情況。(2)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的滿意值和不允許值對(duì)每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，都要確定其滿意值和不允許值。滿意值是人們根據(jù)自身或行業(yè)經(jīng)驗(yàn)給出的一個(gè)值；不允許值一般取評(píng)價(jià)指標(biāo)的可以接受的最低值或最高值。(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)值在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系當(dāng)中，根據(jù)各指標(biāo)的特點(diǎn)，可按照以下規(guī)則確定單項(xiàng)功效系數(shù)。共分為4種變量，其中指標(biāo)值越大、單項(xiàng)功效系數(shù)值越高的為極大型變量；指標(biāo)數(shù)值越小、單項(xiàng)功效系數(shù)要高的為極小型變量；指標(biāo)數(shù)值在某一點(diǎn)時(shí)其單項(xiàng)系數(shù)最高的為穩(wěn)定型變量；指標(biāo)數(shù)值在某一區(qū)間時(shí)其單項(xiàng)系數(shù)最高的為區(qū)間型變量。極大型變量單項(xiàng)功效系數(shù)計(jì)算公式為：極小型變量單項(xiàng)功效系數(shù)公式：穩(wěn)定型變量單項(xiàng)功效系數(shù)公式為：區(qū)間型變量單項(xiàng)功效系數(shù)公式為：式中，g1i為第i個(gè)極大型評(píng)價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)值，Xi為第I(i＝l,2,,,m)個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值；Xyi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的滿意值；Xni為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的不允許值；Xmax為區(qū)間型變量的上限值；Xmin為區(qū)間型變量的下限值；Xnmax為上限的不允許值；Xnmin為下限的不允許值。總功效系數(shù)值根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)，在結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象的總功效系數(shù)值:其中G為評(píng)價(jià)對(duì)象的總功效系數(shù)值；gi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)值；ωi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。根據(jù)總功效系數(shù)值公式計(jì)算可得總功效系數(shù)，總功效系數(shù)大小與預(yù)警等級(jí)劃分是根據(jù)功效系數(shù)法原理，以總功效系數(shù)值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)數(shù)值大小劃分水土流失預(yù)警等級(jí)，向管理部門(mén)、相關(guān)人員發(fā)布的預(yù)警等級(jí)。由于影響因子中除了降雨量和土壤含水量隨著時(shí)間推移會(huì)有一定的變化，其他影響因子在一個(gè)相對(duì)短的時(shí)間里基本是保持不變的，因此將降雨量和土壤含水量選擇為下一時(shí)刻t1的降雨量和土壤含水量，是能夠比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)下一時(shí)刻t1的水土流失狀況，能夠提早預(yù)知風(fēng)險(xiǎn)，讓工作人員有足夠的時(shí)間來(lái)處理。表7水土流失預(yù)警等別預(yù)警等級(jí)總功效系數(shù)說(shuō)明I≤60可能性很小，不發(fā)布預(yù)警信息II60-70可能性較小，不發(fā)布預(yù)警信息III70-80可能性較大，發(fā)布黃色預(yù)警信息IV80-90可能性大，發(fā)布橙色預(yù)警信息V≥90可能性很大，發(fā)布紅色預(yù)警信息水土流失在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是利用傳感器技術(shù)、信號(hào)傳輸技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件技術(shù)，從宏觀、微觀相結(jié)合的全方位角度，來(lái)監(jiān)測(cè)影響安全的各種關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，記錄歷史、現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，分析未來(lái)的走勢(shì)，以便輔助監(jiān)測(cè)中心及鐵道部門(mén)，提升安全保障水平，有效防范和遏制重特大事故發(fā)生。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接發(fā)送到監(jiān)控中心，軟件自動(dòng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，直接輸出監(jiān)測(cè)物理量，利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或者內(nèi)部局域網(wǎng)方式，完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。傳感器通過(guò)傳感器物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)進(jìn)入GPRS接入INTERNET網(wǎng)，軟件可設(shè)置上線報(bào)警命令，手機(jī)短信報(bào)警能夠時(shí)時(shí)掌控，PC接入INTERNET網(wǎng)絡(luò)就可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。系統(tǒng)依托智能的軟件系統(tǒng)，建立分析預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)與短消息平臺(tái)結(jié)合，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)自動(dòng)發(fā)布短消息到部門(mén)管理人員，盡快啟動(dòng)相應(yīng)的預(yù)案。系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)采集裝置、信號(hào)接收及處理裝置、無(wú)線信號(hào)傳輸裝置、監(jiān)測(cè)中心等部分組成。上述實(shí)施例僅以示例的方式描述，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以采取其他的建模方法、選擇其他影響因子都是可能的。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3