作者：卜峰、陳琴、葉凱璇、許強(qiáng)

山洪泥石流等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)常發(fā)生在高山地區(qū)，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和人民安全造成嚴(yán)重影響。由于泥石流發(fā)生過(guò)程中都會(huì)形成地聲波和次聲波，為此可以通過(guò)采集地聲或次聲信號(hào)，并結(jié)合其它傳感器信息對(duì)泥石流災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。目前，大多的應(yīng)用方案中只采用了其中一種信號(hào)的采集，缺乏對(duì)地聲和次聲組合使用進(jìn)行評(píng)估。為此，對(duì)已發(fā)生的泥石流災(zāi)害案例中采集到的地聲波和次聲波進(jìn)行特征差異分析，討論了組合使用的可行性。

一、引言

由于山區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，山洪泥石流等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成的危害日益嚴(yán)重。自汶川大地震以來(lái)，我國(guó)迎來(lái)了一個(gè)地震活躍期，造成西南地區(qū)山區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)松動(dòng)，極易誘發(fā)泥石流等災(zāi)害。泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警作為一項(xiàng)重要的非工程減災(zāi)措施,是防災(zāi)減災(zāi)的有效途徑之一。

泥石流發(fā)生過(guò)程中存在石塊碰撞，水流與河道的摩擦，會(huì)造成地表振動(dòng)，這種振動(dòng)沿地表傳播，稱之為“地聲”。此外，還會(huì)發(fā)出通過(guò)空氣傳播的低于20Hz的低頻聲音，稱之為“次聲”。地聲波和次聲波在傳播方式、信號(hào)特征方面都有所不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)[1,2]。

泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警方法主要有泥位法、聲學(xué)法、視頻監(jiān)視法等。泥位法能同時(shí)對(duì)泥石流的發(fā)生和規(guī)模進(jìn)行警報(bào)。聲學(xué)法通過(guò)捕捉地聲波或次聲波來(lái)判識(shí)并警報(bào)。其中，地聲法對(duì)傳感器的埋設(shè)要求很高；次聲法能獲得足夠長(zhǎng)的警報(bào)提前量，是目前國(guó)內(nèi)外泥石流警報(bào)采取的主要方式之一。視頻監(jiān)視的最大優(yōu)勢(shì)是能實(shí)時(shí)掌握災(zāi)害發(fā)展的圖像信息，但設(shè)備易受損。

然而，目前泥石流監(jiān)測(cè)中次聲法通過(guò)設(shè)定閾值來(lái)進(jìn)行預(yù)警，這種方法無(wú)疑會(huì)降低預(yù)警的準(zhǔn)確度。為了提升準(zhǔn)確性，本文分析了泥石流地聲波與次聲波的特性差異，討論了采用組合預(yù)警的方法，以此為建立泥石流地聲和次聲聯(lián)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供參考。

二、泥石流中地聲波與次聲波的特征

2.1地聲波

泥石流地聲頻率主要介于10Hz至30Hz之間。其它地面運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生地聲，但頻率特性不同。例如地震引發(fā)的地聲頻率一般小于10Hz，峰值頻率約為0.5Hz [3]。為此，通過(guò)地聲頻率可以區(qū)分不同的地質(zhì)災(zāi)害。

地聲傳感器的構(gòu)造與重力計(jì)類似，其基本原理為法拉第感應(yīng)定律。當(dāng)?shù)乇戆l(fā)生運(yùn)動(dòng)，內(nèi)部磁鐵便會(huì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致磁通量變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。地聲傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地聲傳感器結(jié)構(gòu)圖

地聲波沿地表傳播的衰減很快，且容易因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)物的阻擋而造成信號(hào)的減弱，不同的地質(zhì)條件對(duì)其影響較大，所以若要以地聲信號(hào)作為泥石流預(yù)警的唯一依據(jù)，并不是相當(dāng)理想。

2.2次聲波

泥石流次聲波具有獨(dú)特的特征。次聲波在常溫空氣中的傳播速度（約344m/s）是泥石流運(yùn)動(dòng)速度（5m/s~20m/s）的數(shù)十倍。另外，次聲波由于頻率低，其波長(zhǎng)會(huì)比一般的聲波長(zhǎng)很多，對(duì)于障礙物所造成的反射、折射、繞射等的影響并不大，具有穿透力強(qiáng)、受大氣和水粘滯作用衰減小、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，可以用來(lái)偵測(cè)不易近距離觀測(cè)的天然災(zāi)害。

次聲波的聲速與可聞聲聲速大致相等，其聲速的平方與氣體的彈性絕熱模數(shù)除以密度的值成正比，即：

C2=rP/ρ              （1）

 其中，C為次聲波聲速（m/s），P為氣壓值（Pa），ρ為空氣密度，r為常數(shù)=1.402。

Chou 等人[4]對(duì)云南東川蔣家溝泥石流和臺(tái)灣火炎山泥石流次聲信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)和分析,指出稀性泥石流的主頻范圍為5Hz至15Hz，較粘性泥石流為5Hz至10Hz, 聲壓通常低于5Pa。并認(rèn)為實(shí)際應(yīng)用中需考慮風(fēng)、雨等環(huán)境噪聲的干擾。

次聲傳感器一般由振動(dòng)膜、極板、絕緣體和外罩組成。次聲波引起空氣擾動(dòng)，導(dǎo)致空氣壓力、密度產(chǎn)生區(qū)域性變化，導(dǎo)致傳感器中膜片與后極板之間距離發(fā)生改變，從而引起電壓變化并輸出。次聲傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 次聲傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.3地聲與次聲的特征

不同類型的泥石流具有不同特征的地聲波和次聲波，其受到漿體性質(zhì)、固體顆粒級(jí)配、流速、流量等影響。根據(jù)粘度可以將泥石流分為礫石型、一般型和泥流型[3]，其地聲和次聲信號(hào)特征具有一定的差異，如表1所示。

表 1 不同類型泥石流的地聲和次聲特性

泥石流類型	次聲主頻范圍(Hz)	地聲主頻范圍(Hz)	振幅特性
礫石型	3～11	10~350	最大
一般型	1～5，3～11	10~350	中等
泥流型	1～4	10～30	最小

以2008年在Lattenbach試驗(yàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的一次礫石型泥石流數(shù)據(jù)為例[5,6]，該數(shù)據(jù)記錄的泥石流事件持續(xù)時(shí)間為867秒，水流深度>30cm，峰值流量為380m3/s，在此時(shí)間內(nèi)總流量為14000m3。使用的次聲傳感器型號(hào)是Gefell WME 960H，其頻率范圍為0.5Hz至20Hz，靈敏度為50mV/Pa。

圖3顯示了該泥石流的次聲和地聲數(shù)據(jù)，泥石流信號(hào)的總持續(xù)時(shí)間為1650秒。在兩個(gè)傳感器的時(shí)間序列中，泥石流信號(hào)在650秒時(shí)到達(dá)。泥石流產(chǎn)生的次聲信號(hào)的最大振幅高達(dá)5Pa，地聲信號(hào)的最大振幅高達(dá)2×10-3 m/s。泥石流前四次浪涌可以在650秒到800秒之間被識(shí)別，兩種信號(hào)中的浪涌在時(shí)間序列中都呈現(xiàn)脈沖形狀。次聲傳感器在泥石流到達(dá)傳感器前90秒可檢測(cè)出泥石流，地聲傳感器在到達(dá)傳感器前50秒可檢測(cè)出泥石流。

圖3 泥石流次聲和地聲信號(hào)波形

圖4顯示了次聲和地聲數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換（FFT）后的頻譜圖。頻譜圖上可以看出泥石流次聲和地聲信號(hào)在頻率上是互補(bǔ)的，次聲信號(hào)的峰值頻率為3Hz至10Hz，而地聲信號(hào)的峰值頻率為10Hz至20Hz。隨著泥石流接近傳感器位置，能量會(huì)突然增加。當(dāng)泥石流向下游移動(dòng)遠(yuǎn)離傳感器時(shí)，能量會(huì)緩慢降低。

圖4 泥石流次聲和地聲信號(hào)的頻譜

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，地聲信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度要比次聲信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度要大得多，說(shuō)明了泥石流發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生信號(hào)的主要能量還是集中在地聲。對(duì)于頻域特性，泥石流地聲信號(hào)的能量集中頻率段要高于次聲信號(hào)。

次聲波出現(xiàn)最大振幅的特征頻率范圍根據(jù)泥石流粘度而變化，對(duì)于高含沙量泥石流，頻率通常為5Hz至10Hz，對(duì)于低粘度泥石流，頻率通常為15至30Hz[4]，對(duì)于地聲波，頻率通常為10Hz至30Hz。由于泥石流的次聲和地聲信號(hào)在時(shí)間-頻率范圍內(nèi)具有典型模式，這就允許在泥石流通過(guò)傳感器位置之前對(duì)此進(jìn)行早期檢測(cè)和識(shí)別[7,8]。

三、結(jié)合地聲與次聲的監(jiān)測(cè)方案

地聲波和次聲波各有優(yōu)缺點(diǎn)，例如，地聲波對(duì)風(fēng)和天氣引起的干擾較低，但強(qiáng)烈依賴于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)。另外，地聲信號(hào)衰減快，監(jiān)測(cè)需要將傳感器安裝在靠近源頭的位置。而次聲波在局部空氣中衰減很小，傳輸距離遠(yuǎn)，但對(duì)傳感器的要求較高，容易受到干擾，例如風(fēng)會(huì)引起高背景噪聲。

目前，已有幾種利用單一次聲波或地聲波來(lái)檢測(cè)泥石流的方法，但缺乏組合預(yù)警系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)。通過(guò)上述分析可知，可以通過(guò)次聲和地聲信號(hào)的組合，利用這兩種信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，克服單一信號(hào)的缺點(diǎn)。

監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建立在地聲和次聲傳感器組合的基礎(chǔ)上，這些傳感器位于同一位置。微控制器可以運(yùn)行檢測(cè)算法，直接在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)高精度檢測(cè)泥石流，也可以將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心進(jìn)行處理。預(yù)警系統(tǒng)算法需要能夠分析次聲和地聲信號(hào)中頻率特性及時(shí)間演變。結(jié)合地聲與次聲的泥石流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架如圖5所示。

圖5 結(jié)合地聲與次聲的泥石流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

四、結(jié)束語(yǔ)

 

本文針對(duì)泥石流聲學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)，基于實(shí)際泥石流案例數(shù)據(jù)，分析了泥石流次聲和地聲數(shù)據(jù)的主要特征，以及在監(jiān)測(cè)和表征泥石流方面的應(yīng)用方案。結(jié)果表明，次聲和地聲信號(hào)相互關(guān)聯(lián)，兩種傳感器數(shù)據(jù)的組合可以提高檢測(cè)準(zhǔn)確性，是一種有價(jià)值的監(jiān)測(cè)泥石流方案。

值得注意的是，僅依靠聲學(xué)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)泥石流還不夠充分，需要其他傳感器提供更多信息來(lái)綜合判斷，如位移、降雨量、水位等傳感器數(shù)據(jù)。另外，聲學(xué)傳感器的檢測(cè)能力強(qiáng)烈依賴于地面特性以及聲源與接收器之間的距離，所以在實(shí)際應(yīng)用中需要合理選擇傳感器的分布位置。

參考文獻(xiàn)：

[1]尚東方, 劉敦龍, 韓雪,等. 基于次聲監(jiān)測(cè)的泥石流實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化, 2020(3):8-13.

[2]宋陽(yáng), 耿燦欣, 林娟娟,等. 復(fù)雜山區(qū)泥石流環(huán)境下高鐵安全運(yùn)營(yíng)的預(yù)警模型[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 44(4):8-13.

[3]周銘. 不同形態(tài)泥石流地聲與次聲特性比較研究[D]. 廣西大學(xué), 2014.

[4]Chou H T, Cheung Y L, Zhang S C. Calibration of infrasound monitoring system and acoustic characteristics of debris-flow movement by field studies[C] // Proceedings of the 4th International Conference on Debris-Flow Hazards Mitigation: Mechanics, Prediction, and Assessment. 2007:571-580.

[5]Kogelnig A，Hubl J，Suriach E，et al．Infrasound produced by debris flow: Propagation and frequency content evolution[J]．Natural Hazards, 2014, 70(3): 1713-1733

[6]J Hubl, Schimmel A , Kogelnig A , et al. A Review On Acoustic Monitoring Of Debris Flow[J]. WIT Press, 2013(2): 12-15.

[7]鐘政, 楊軍, 徐佳寶. 基于次聲波的便攜式泥石流報(bào)警器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 四川輕化工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2021, 34(4):74-80.

[8]陳忠清, 魏威, 呂越,等. 不同加載條件下巖石破壞產(chǎn)生的次聲波信號(hào)特征試驗(yàn)研究[J]. 紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào), 2020, 40(4):11-14.

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