基于GNSS的尾矿库在线监测系统研究与应用_王伟.pdf

第 46 卷 第 6 期2023 年 6 月测绘与空间地理信息GEOMATICS SPATIAL INFOMATION TECHNOLOGYVol 46，No 6Jun，2023收稿日期:20221031作者简介:王伟(1984)，男，黑龙江虎林人，高级工程师，本科学历，主要从事国土测绘、工程测量等相关技术与管理工作。通信作者:石善福(1979)，男，黑龙江黑河人，高级工程师，学士，主要从事测绘地理信息、地下管线探测等方面的应用研究工作。基于 GNSS 的尾矿库在线监测系统研究与应用王伟1，张伟东2，石善福3(1 黑龙江省第九地质勘查院，黑龙江 齐齐哈尔 161006;2 黑龙江省农垦科学院，黑龙江 哈尔滨 150038;3 齐齐哈尔市国土空间规划测绘研究院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)摘要:针对尾矿库的筑坝监测以及对尾矿库坝体的维护与管理技术水平不高这一问题，本文采用 GNSS 方法对坝体表面位移进行变形监测，并差分、解算出各监测点的空间坐标，分析变化量，建立自动监测系统，实时了解尾矿库坝的安全状态并做出预测、预警，有效防范和化解尾矿库安全风险，减少尾矿事故带来的不必要损失。根据实际项目建设的基于 GNSS 的尾矿库在线监测系统，对矿山环境调查、尾矿库变形监测分析、尾矿库环境风险评估、尾矿库溃坝灾害推演、尾矿库安全管理等研究领域具有一定的借鉴作用。关键词:GNSS;尾矿库;变形监测;灾害预警中图分类号:P208文献标识码:A文章编号:16725867(2023)06010204esearch and Application of Online Monitoring System forTailings Pond Based on GNSSWANG Wei1，ZHANG Weidong2，SHI Shanfu3(1 Heilongjiang Institute of the Ninth Geological Exploration，Qiqihar 161006，China;2 Heilongjiang Academy of Land eclamation Sciences，Harbin 150038，China;3 Qiqihar Surveying and Mapping esearch Institute of Land and Spatial Planning，Qiqihar 161006，China)Abstract:Aiming at the low technical level of dam construction monitoring and maintenance and management of tailings pond dams，this paper adopts GNSS method to monitor the deformation of dam surface displacement，and calculates the spatial coordinates of eachmonitoring point by difference，analyzes the changes，establishes an automatic monitoring system，understands the safety status of tail-ings pond dam in real time，makes prediction and early warning，and effectively prevents and resolves the safety risks of tailings pond，reduces unnecessary losses caused by tailings accidents The online monitoring system of tailings pond based on GNSS constructed ac-cording to the actual project has a certain reference function for the research fields such as mine environment investigation，deformationmonitoring and analysis of tailings pond，environmental risk assessment of tailings pond，deduction of dam break disaster of tailingspond，and safety management of tailings pondKey words:GNSS;tailings pond;deformation monitoring;disaster warning0引言尾矿库是矿山的附属产物，由于废水、废渣的长年堆积，容易对周边环境造成污染，同时也存在溃坝的风险，一旦监管不利，则极易对矿区周边人民生活造成不利影响，因此国家对尾矿库问题非常重视，相关部门对尾矿库的管理也十分严格1。我国目前登记在册的尾矿库有8 000 余个，个别尾矿库泄漏已经对人民生活和财产安全造成了影响2，为了避免尾矿库灾害事件的发生，需要设计 1 套相对完善的尾矿库监测解决方案，以解决尾矿库的筑坝监测以及尾矿库坝体的维护与管理技术水平不高这一技术难题。1研究基础1 1基于 GNSS 的变形监测传统的尾矿库安全监测方法为人工测量监测，这种监测方法效率不高，人为干扰因素多，准确度不足，不能做到实时监测，很难做到灾害预警3。本文采用的基于GNSS 的变形监测方法解决了上述问题，通过 GNSS 监测站，实时获取坝体位移数据，并结合浸润线、干滩、降雨量、水位等外界因素提供反演支撑，能够高效、准确地获取尾矿库的状态，从而实现灾害预警。利用 GNSS 监测站获取坝体位移数据，受气候条件影响较小，能够实现连续观测，而且精度能够满足要求，是 1 种相对完备的尾矿库变形监测解决方案。1 2基于 B/S 架构的管理信息系统基于 B/S 架构的管理信息系统是经过多年运行实践总结并完善的，较为稳定且高效的管理信息系统体系结构，其基本思路是通过浏览器收集和显示数据，用户可以发送请求到服务器，服务器通过 JSON 数据反馈给用户，通过服务器进行数据处理和数据存储，并向相关平台发送指令4。基于 B/S 架构的管理信息系统具有成本低、结构简单、可维护性和可扩展性强等优点，适合大型实时在线数据的管理，以及空间数据的实时展示。本文设计的在线监测系统采用 NET 平台的系统结构。2研究方法2 1技术路线在研究的初始阶段，首先需要收集研究区域的各种资料，例如尾矿库的基本信息，包括库面积、水深、空间坐标等信息，另外还需要收集研究区域的水文地质、气象等信息，以及库周边居民地、水体、交通、植被、重点建构筑物等信息。其次，得到原始资料后，需要编写需求分析和总体规划，形成方案的初步设计，进行调研后编写详细设计方案。然后分两步走，分别设计实施和调试软硬件部分，硬件包括监测中心、检测设施、各种设备、基站等，软件包括数据收集和分析应用等计算机程序。最后构建灾害预警模型，对整体系统进行灾害模拟演练，然后总结系统的不足，逐步完善升级。系统的技术路线如图 1 所示。图 1系统技术路线Fig 1System technical route2 2尾矿库坝体地表变形位移监测GNSS 位移在线监测系统可以实时获取监测点高精度空间坐标，从而获取坝体地表变形位移测量。随着我国北斗卫星开始对外提供定位服务，它正在取代 GPS 进行测量与定位，因此，北斗卫星能够在一定程度上提高坝体地表变形位移测量的精度。具体实施方法为建设基准站，并在坝体表面建设若干 GNSS 接收机(监测站)，通过串口或网络与指挥中心通信，实时跟踪、获取坝体表面空间坐标数据，监测站同时可以下载星历并调试卫星种类，将监测数据发送回监控调度指挥中心，在监测系统中计算监测期间产生的位移56。为了便于数据分析，在研究区域取 1 个检测剖面作为分析对象，建立 1 个基准站和 3 个 GNSS 变形监测站，每个监测点建造观测墩，在观测墩上安装监测站天线和GNSS 接收机。施工要点:研究区域冻土深度 1 5 m，混凝土基础层设计为2 m，基石采用540 mm 碎石、32 5 级水泥、0 153 mm 中砂，浇灌基石时逐层浇筑捣固7。2 3其他尾矿库监测方法对于尾矿库的监测还要综合使用多种方法。1)尾矿库坝体内部变形测量固定式测斜仪是尾矿库坝体内部变形测量常用的传感器，主要由测斜杆、导向轮、钢丝绳、通信电缆等几部分组成，可以对坝体深部变形情况进行实时在线监测，其原理是测量测斜杆与铅垂线之间的夹角变化8，计算出土层的水平位移量，如图 2 所示。图 2尾矿库坝体内部变形测量Fig 2Internal deformation measurement oftailings pond dam2)尾矿库坝体浸润线监测浸润线是尾矿库水位产生稳定渗流后形成的 1 条类抛物曲线，浸润线的变化在某种程度上能够反映尾矿库坝体的稳定性。对浸润线的监测一般采用振弦式渗压计监测坝体不同位置振弦应力变化，从而反推出渗压情况，如图 3 所示。图 3尾矿库坝体浸润线监测Fig 3Seepage line monitoring of tailings pond dam3)尾矿库雨量监测监测雨量变化有多种方法，本项目采用的是翻斗式雨量传感器，当一侧翻斗收集到的雨量达到一定数值后，翻斗将水倒出，另一侧继续承接雨量，两侧翻斗交替工作，从而记录降雨过程。4)尾矿库水位监测尾矿库的水位一般相对较平缓，可以采用超声波水位监测器实时发送水位，从而做到监测尾矿库水位的301第 6 期王伟等:基于 GNSS 的尾矿库在线监测系统研究与应用方法。5)尾矿库干滩监测对干滩的监测可以采用坡度推算的方法，即在干滩剖面线不同高度设置 2 个监测点，在点位上立杆测量干滩高程，计算出坡比，从而根据水位高度反演得到干滩度量值以供监测，如图 4 所示。图 4尾矿库干滩监测Fig 4Dry beach monitoring of tailings pond3系统设计与实施3 1信息采集库区监测点信息采集传感器系统主要由 GNSS 监测站、固定式测斜仪、振弦式渗压计、翻斗式雨量传感器、超声波水位监测器、视频监控等部分组成。传感器收集到相关信息后，实时传回监测中心，流水数据存入监测系统数据库备查，可疑数据通过信息弹窗和短信进行提醒，危险数据经过分析后，进行声光报警。监测数据需要满足一定的精度，在调试阶段结合人工监测的同时，预警数值和报警数值也需要满足一定的指标9，研究区域监测的精度标准和预警、报警指标见表 1。表 1监测精度标准及预警、报警指标Tab 1Monitoring accuracy standards and early warning and alarm indicators监测项目精度标准预警值报警值尾矿库地表变形位移监测水平小于 3 mm，垂直小于 5 mm15 mm20 mm尾矿库内部变形监测误差小于 3 mm15 mm20 mm尾矿库浸润线监测误差小于 10 mm水位渗压 10 m水位渗压 9 m尾矿库雨量监测误差小于 0 2 mm/min150 mm/h300 mm/h尾矿库水位监测误差小于 20 mm146 8 m147 0 m尾矿库干滩监测滩顶高程小于 20 mm，干滩长度小于 1 mm，干滩坡度小于 0 05%干滩长度 90 m干滩长度 70 m3 2信息管理尾矿库在线监测系统采用 B/S 架构，分为五大模块，分别为数据采集、数据查询、统计分析、预警报警管理和用户管理，下设 21 个子模块，系统模块图如图 5 所示。图 5系统模块图Fig 5System module diagram以尾矿库在线监测系统坝体地表变形位移监测为例，在这个功能中，用户可以看到每个监测站的位置及实时回传的坝体位移数据。3 3尾矿库风险评价尾矿库风险评价可以采用模糊层次分析法，即综合考虑“定性”和“定量”2 个指标，对尾矿库进行层次化环境风险等级划分。假设 X=x1，x2，xm为评价因素集，Y=y1，y2，yn为评价结果等级，其关系如式(1)所示。S=S11S12S1nS21S22S2nSm1Sm2Smn(1)其中 Sij=(xi，yj)，表示因素 xi隶属于评价结果等级yj的隶属度，0 Sij 1，i=(1，2，m)，j=(1，2，n)，矩阵中的第 i 行 Si=(Si1，Si2，Sin)是第 i 个评价因素的单因素评判。用模糊一致判定关系矩阵 表示其上层元素 D 为基础的相对性比较，表示如式(2)所示。Dd1d2dnd1d2dnr11r12r1nr21r22r2nrn1rn2rnn(2)用 ij表示 di比 dj重要的多，在 di和 dj在相对于 D 进行比较时。如果将这种关系定量描述，则可以用 0 1401测绘与空间地理信息2023 年0 9 进行度量10，见表 2。表 2元素度量Tab 2Element metrics度量定义说明0 10 4反比较元素 di与元素 dj相比得到判断标度 rij，则 dj相比 di的判断度量为 rij=1 rji0 5同等重要元素两两比较，重要性一致0 6稍微重要元素两两比较，一元素稍微重要于另一元素0 7明显重要元素两两比较，一元素明显重要于另一元素0 8重要的多元素两两比较，一元素重要得多0 9极端重要元素两两比较，一元素极端重要于另一元素在尾矿库风险评价指标体系中，风险一般受多个因素的影响，包括尾矿开发、尾矿环境、风险受体、尾矿监管等 4 类，细化为主采矿中、库型、库容等 17 个影响因子，对分类层 B1B4和影响因子层 C1C17建立模糊层次分析判断矩阵，判断结果归一运算，得出权重，进而对尾矿风险评价库量化分级，评价指标包括基本无影响、一般影响、较严重影响和严重影响，不同级别对应不同的参数或监管方法。建立评价体系后，系统会利用算法综合计算尾矿库监测数据，结合气象、水文地质等外界因素，对尾矿库进行综合评测，如果达到预警值则通过信息弹窗和短信等方式进行提醒，如果达到报警值则进行声光报警。4结束语本文从实际应用出发，介绍了基于 GNSS 的尾矿库在线监测系统的整体方案，分别为技术路线、监测原理、监测设备、数据采集以及基于 B/S 架构的在线监测系统，最后给出了风险评价模型和预警、报警方式，是 1 套比较完备的尾矿库监测解决方案。参考文献:1周英杰，李思佳，魏红艳，等“高分一号 02、03、04星”卫星数据在矿山开发环境遥感监测中的初步应用评价J 测绘与空间地理信息，2020，43(3):73 75，78 2白鸿起，李建 国产高分遥感技术在矿山环境调查中的应用分析 J 测绘与空间地理信息，2018，41(9):226227，230 3高学武 基于北斗的多传感器尾矿库变形监测分析研究 D 淮南:安徽理工大学，2021 4杨张瑜，田淑芳，魏萌，等 基于模糊层次分析法的尾矿库环境风险评价研究J 测绘与空间地理信息，2019，42(9):1621 5胡美娟 基于三维 GIS 技术的尾矿库在线监测预警系统的研究 D 武汉:中南财经政法大学，2017 6王瑄，袁友翠，胡少华，等 基于无人机建模的尾矿库溃坝灾害推演与评估 J 武汉理工大学学报(信息与管理工程版)，2022，44(4):566571 7夏燕钦 基于无人机摄影测量技术的尾矿库溃坝下泄水砂流运动过程研究 D 南昌:南昌大学，2020 8李建，林元茂，赵仕宝 三维激光扫描技术在矿山尾矿库区监测中的应用J 测绘与空间地理信息，2020，43(1):196198，201 9王建兰 三鑫金铜矿干堆尾矿库的稳定性研究及监测系统 D 武汉:武汉工程大学，2019 10张鑫 商洛市尾矿库安全管理信息系统研究与实现 D 西安:西安理工大学，2017 编辑:张曦(上接第 101 页)1)基于天地图的房产信息管理有效关联了房产空间位置信息与属性信息，根据自身需求，用户可以对感兴趣的房产信息进行查询与分析，这种方法开创了房产管理新模式，整合了房产信息资源。2)天地图的地理信息资源优势可以满足用户对于地图服务的需求，并且结合快捷、简单的二次开发接口，天地图可以实现用户不同需求的定制。3)在地理信息数据脱密后，面向互联网市场的天地图可以更加便捷、高效地对公众提供服务。可以预见，对于提升测绘地理信息成果的应用市场，天地图将会发挥越来越重要的作用。参考文献:1王书阳，田超 基于天地图的房产信息系统开发及其关键技术 J 北京测绘，2019，33(3):345347 2杨帆，常文蝶 基于天地图的房产信息管理系统开发研究 J 测绘与空间地理信息，2017，40(5):1416 3宋法奇，刘波，蔡勇 面向智能终端的“天地图常州”移动端软件产品设计与实现J 现代测绘，2016，39(3):5457 4李璇，刘汉湖，王炜 基于 GIS 的房产信息管理系统设计 J 测绘与空间地理信息，2014，37(7):5052，56 5龙际梦，刘宏建，蔡中祥，等 主流网络地图应用开发API 技术研究 J 北京测绘，2015，29(3):7982 6赵栋梁 基于天地图安徽的省情发布平台的设计与实现 D 合肥:合肥工业大学，2015 7唐芝青 数字城市地理空间框架支撑环境总体方案研究 J 测绘地理信息，2015，40(1):6971 8张潇潇，王崇倡 WebGIS 房产交易信息发布系统的构建 J 测绘科学，2017，42(3):169173 9丁磊 面向不动产统一登记的南京市六合区房地历史数据整合方法研究 D 南京:南京师范大学，2018 10曾仕声 珠海市数字房产信息系统建设关键技术研究 J 测 绘 与 空 间 地 理 信 息，2020，43(4):170 172，181 编辑:张曦501第 6 期王伟等:基于 GNSS 的尾矿库在线监测系统研究与应用