本發(fā)明涉及鐵路沿線環(huán)境安全評估和預警，尤其是涉及鐵路沿線水土流失監(jiān)測與預警。
背景技術：
：鐵路是國民經(jīng)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(yè)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(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害頻發(fā)，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(fā)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(jiān)測與預警系統(tǒng)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(jiān)測預警系統(tǒng)方法包括模糊數(shù)學方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、灰色理論、GIS技術、可拓理論、回歸分析法。早期的系統(tǒng)模型均是基于降雨條件建立預警模型，沒有與當?shù)氐牡刭|環(huán)境條件結合，預測預警精度不高。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)影響水土流失的因素主要有巖性結構、地形地貌、土層特性、地表植被、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環(huán)境條件耦合的監(jiān)測與預警系統(tǒng)，綜合考慮了山坡坡度、相對高差、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(fā)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(fā)生滑動，再加上水力的作用，土壤會發(fā)生溜坍，引起邊坡垮塌，導致水土流失，引發(fā)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(fā)邊坡溜坍和水土流失的重要因素，現(xiàn)有技術中考慮了土壤含水量因素，但是沒有進一步考慮土壤中不同位置含水量對水土流失造成的區(qū)別。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種預測更精確的水土流失監(jiān)測與預警系統(tǒng)，考慮邊坡不同位置土壤含水量對水土流失造成的區(qū)別，建立一個多點、多層的多維預測模型；其包括數(shù)據(jù)采集裝置、信號接收及處理裝置、無線信號傳輸裝置、監(jiān)測中心等部分；其還包括監(jiān)測與預警模型，基于層次分析法確定其影響因子權重系數(shù)，基于功效系數(shù)法構建所述監(jiān)測與預警模型，所述影響因子包括基礎因子、響應因子、誘導因子；所述基礎因子包括多個位置的土壤含水量，其監(jiān)測點布置為多點和多層相結合的布置方式，對同一個單元邊坡的不同高度位置分別布點，對同一高度的不同土壤深度位置分別布點，測量多點的土壤含水量，對所述不同高度位置測定的土壤含水量賦予不同的權重系數(shù)，對所述不同深度位置測定的土壤含水量賦予不同的功效系數(shù)評價值。進一步的所述同一個單元邊坡的不同高度位置為邊坡上、中、下部位，所述同一高度的不同土壤深度位置土壤表層、深層部位。進一步的土壤含水量監(jiān)測布置的所述土壤表層為10-20cm、所述土壤深層為30-40cm。進一步的所述權重系數(shù)為邊坡位置越高土壤含水量的權重系數(shù)越小，邊坡位置越低土壤含水量的權重系數(shù)越大。進一步的所述功效系數(shù)評價值包括土壤含水量的滿意值和不允許值，所述土壤深度越小土壤含水量的滿意值和不允許值越大，所述土壤深度越大土壤含水量的滿意值和不允許值越小。與現(xiàn)有技術相比：本發(fā)明基于層次分析法確定影響因子權重系數(shù)，基于功效系數(shù)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坍和水土流失是否發(fā)生的重要因素之一，對土壤中含水量的測定采用多點和多層相結合的布置方式，且在建立預警模型中根據(jù)具體位置設置不同的評價參數(shù)，能夠得到一個多點、多層的多維預測模型，相比傳統(tǒng)的單點土壤含水量預測模型能夠反映整個邊坡的水土流失狀況，進一步提高水土流失監(jiān)測與預警系統(tǒng)的精度。附圖說明圖1是本發(fā)明水土流失預測預警指標層次體系圖。圖2是本發(fā)明土壤含水量布置拓撲結構。圖3是本發(fā)明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發(fā)明。如圖1-3所示本發(fā)明選取邊坡相對高度、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(fā)生敏感分區(qū)、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。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(fā)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(wěn)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(wěn)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(wěn)所需的能量越大；鐵路邊坡的相對高差則體現(xiàn)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(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)的重要啟動因素，強度越大，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雨量是指至此時前24h降雨量，雨量越大，水土流失發(fā)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(chǎn)生滑動性破壞，為后期水土流失的發(fā)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(jù)水土流失發(fā)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。本發(fā)明進一步對土壤含水量的監(jiān)測布置為多點和多層相結合的布置方式，對同一個單元邊坡的上、中、下部位分別布點，對土壤表層、深層部位分別布點，因此對邊坡不同位置土壤含水量對水土流失造成的影響進行區(qū)別，建立一個多維的水土流失模型，能夠反映整個邊坡的水土流失狀況，進一步提高水土流失模型的準確性，因此對土壤含水量進行細分，進一步將邊坡上部土壤含水量、中部土壤含水量、下部土壤含水量作為影響指標。根據(jù)計算權重原始數(shù)據(jù)的來源，可將權重確定方法分為主觀賦權法、客觀賦權法和組合賦權法。首先由專家群體對各評價指標的相對重要程度進行評判；然后采用相關的集結算法對單個專家的評判數(shù)據(jù)進行綜合，得到各指標的權重。項目將采用主、客觀結合，綜合評判的方法進行，得到綜合評分表1，邊坡下部土壤松散物質量較多，土壤含水量高時更易造成泥石流、山體滑坡，因此邊坡上部土壤含水量(C61)評分<中部土壤含水量(C62)評分<下部土壤含水量評分(C63)。表1鐵路沿線水土流失預測預警評價指標體系綜合評分表權重系數(shù)是評價指標重要程度的一個量化標準，量化值越大重要程度越高，因此權重系數(shù)確定的準確及合理性將直接影響到評價結果。本發(fā)明采用層次分析法進行影響因子賦權，層次分析法作為一種新的、簡潔而實用的建模方法、其建模過程大體上可按下面四個步驟進行:建立遞階層次結構模型；構造出各層次中的所有判斷矩陣；層次單排序及一致性檢驗；層次總排序及一致性檢驗。表2水土流失目標層矩陣構建與權重計算鐵路沿線水土流失預測基礎因子(B1)響應因子(B2)誘導因子(B3)Wi基礎因子(B1)1.00000.81650.74370.2802響應因子(B2)1.22481.00000.91080.3431誘導因子(B3)1.34471.09791.00000.3767表3準則層基礎因子矩陣構建與權重計算基礎因子(B1)(C1)(C2)(C3)(C4)(C5)Wi相對高差(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準則層響應因子矩陣構建與權重計算響應因子(B2)(C63)(C62)(C61)(C7)(C8)(C9)Wi下部土壤含水量(C63)1.00001.26691.58481.23030.94921.08850.1921中部土壤含水量(C62)0.78931.00001.25080.97110.74920.85910.1516上部土壤含水量(C61)0.63100.79951.00000.77630.59900.68690.1212侵蝕強度(C7)0.81281.02981.28811.00000.77150.88470.1561災害敏感性(C8)1.05351.33471.66951.29611.00001.14670.2024邊坡松散物質儲量(C9)0.91871.16401.45591.13030.87211.00000.1765表5準則層誘導因子矩陣構建與權重計算誘導因子(B3)(C10)(C11)(C12)Wi前3d降雨量(C10)1.00000.93550.82690.305024h降雨量(C11)1.06901.00000.88390.326110分鐘降雨量(C12)1.20941.13131.00000.3689表6水土流失影響因子指標組合權重功效系數(shù)法又叫功效函數(shù)法，是一種反映多個指標、綜合分析的定量評價方法，對每一項評價指標確定一個滿意值和不允許值，以滿意值為上限，以不允許值為下限，計算各指標實現(xiàn)滿意值程度，并以此確定各指標的功效系數(shù)值，再經(jīng)過加權評價確定綜合評價值，從而評價被研究對象的綜合狀況。其評價步驟如下:(1)選取評價指標評價指標須具有代表性和典型性，在評價體系中既要獨立又能互補，應盡可能地反映評價目標的總體情況。(2)確定評價指標的滿意值和不允許值對每一個評價指標，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)驗給出的一個值；不允許值一般取評價指標的可以接受的最低值或最高值。(3)評價指標的單項功效系數(shù)值在評價指標體系當中，根據(jù)各指標的特點，可按照以下規(guī)則確定單項功效系數(shù)。共分為4種變量，其中指標值越大、單項功效系數(shù)值越高的為極大型變量；指標數(shù)值越小、單項功效系數(shù)要高的為極小型變量；指標數(shù)值在某一點時其單項系數(shù)最高的為穩(wěn)定型變量；指標數(shù)值在某一區(qū)間時其單項系數(shù)最高的為區(qū)間型變量。極大型變量單項功效系數(shù)計算公式為：極小型變量單項功效系數(shù)公式：穩(wěn)定型變量單項功效系數(shù)公式為：區(qū)間型變量單項功效系數(shù)公式為：式中，g1i為第i個極大型評價指標的單項功效系數(shù)值，Xi為第I(i＝l,2,,,m)個評價指標的實際值；Xyi為第i個評價指標的滿意值；Xni為第i個評價指標的不允許值；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。本發(fā)明邊坡上部土壤含水量，中部土壤含水量，下部土壤含水量都屬于極大型變量，根據(jù)其滿意值和不允許值根據(jù)式1得出其功效系數(shù)值，而考慮表層土壤和深層土壤的孔隙大小不同，其含水能力也不相同，因此對于土壤含水量的滿意值和不允許值有表層土壤>深層土壤，前文已經(jīng)分別給出了邊坡各個高度位置的土壤含水量的權重系數(shù)，在計算總功效系數(shù)時，同一高度位置的土壤含水量權重系數(shù)可以是均分到該位置的不同深度的土壤含水量中，也可以是采用其他方法分配到該位置的不同深度的土壤含水量中，如遞歸法、層次分析法等?？偣π禂?shù)值根據(jù)評價指標的單項功效系數(shù)，在結合評價指標的權重系數(shù)，計算評價對象的總功效系數(shù)值:其中G為評價對象的總功效系數(shù)值；gi為第i個評價指標的單項功效系數(shù)值；ωi為第i個評價指標的權重系數(shù)。根據(jù)總功效系數(shù)值公式計算可得總功效系數(shù)，總功效系數(shù)大小與預警等級劃分是根據(jù)功效系數(shù)法原理，以總功效系數(shù)值作為評價標準，根據(jù)數(shù)值大小劃分水土流失預警等級，向管理部門、相關人員發(fā)布的預警等級。表7水土流失預警等別預警等級總功效系數(shù)說明I≤60可能性很小，不發(fā)布預警信息II60-70可能性較小，不發(fā)布預警信息III70-80可能性較大，發(fā)布黃色預警信息IV80-90可能性大，發(fā)布橙色預警信息V≥90可能性很大，發(fā)布紅色預警信息水土流失在線監(jiān)測預警系統(tǒng)是利用傳感器技術、信號傳輸技術，以及網(wǎng)絡技術和軟件技術，從宏觀、微觀相結合的全方位角度，來監(jiān)測影響安全的各種關鍵技術指標，記錄歷史、現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，分析未來的走勢，以便輔助監(jiān)測中心及鐵道部門，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)測數(shù)據(jù)直接發(fā)送到監(jiān)控中心，軟件自動對測量數(shù)據(jù)進行換算，直接輸出監(jiān)測物理量，利用GPRS無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸或者內部局域網(wǎng)方式，完成對傳感器數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。傳感器通過傳感器物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)進入GPRS接入INTERNET網(wǎng)，軟件可設置上線報警命令，手機短信報警能夠時時掌控，PC接入INTERNET網(wǎng)絡就可進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。系統(tǒng)依托智能的軟件系統(tǒng)，建立分析預警模型，實現(xiàn)與短消息平臺結合，當發(fā)生異常時，及時自動發(fā)布短消息到部門管理人員，盡快啟動相應的預案。系統(tǒng)由監(jiān)測站數(shù)據(jù)采集裝置、信號接收及處理裝置、無線信號傳輸裝置、監(jiān)測中心等部分組成。上述實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、設置土壤含水量的其他位置監(jiān)測點都是可能的。當前第1頁1 2 3