龚春龙(深圳市水务规划设计院有限公司，广东 深圳 518000) 摘 要：深圳市水库密集，对下游城区构成了潜在的安全威胁，需加强安全监测工作，GNSS自动化变形监测是未来的应用趋势。依据全市GNSS监测规划，探讨了建设GNSS基准站网络的可行性和必要性，提出了基准站网设计方案，可为后续GNSS监测工作提供参考。 关键词：GNSS;大坝变形监测；基准站网；深圳市水库 深圳市有大、中、小型水库共168座，是城市防洪和供水调蓄的重要基础设施。大部分水库下游地区人口集中、建筑密集，如果出现水库大坝安全事故，将产生灾难性后果。 为保障水库大坝安全，相关部门开展了大坝安全监测工作。其中，大坝表面位移监测是一项重要内容，目前主要采用水准仪、全站仪人工观测手段。这种作业方式存在监测效率低、无法实时连续观测、全天候观测等局限性，在台风暴雨等关键时刻无法为管理方及时提供信息，增加了管理方决策的难度。以北斗、GPS为代表的GNSS变形监测技术，具有实时连续、全天候、自动化变形监测的优点[1-2]。随着北斗产业化的发展，未来在变形监测领域应用前景广阔。 1 GNSS变形监测基准站GNSS自动化变形监测系统一般由基准站、监测站、控制中心和配套的数据传输网络、供电网络和防雷设施组成。在单座水库开展GNSS变形监测时，一般选择稳固可靠的位置布设至少3个基准点组成基准网，并在其中1～2个基准点安装GNSS观测设备形成基准站。GNSS自动化监测系统中，基准站是变形监测系统的实时起算基准，其稳定性直接影响监测成果的正确性，一般通过定期的基准网观测予以检验。 GNSS变形监测基准站的选址应满足两方面的要求：一方面应稳固可靠，因此应布设在基岩上或稳固可靠的土层内，且易于长期保存；另一方面应具备良好的GNSS观测条件。相较于一般基准点，基准站需要配备GNSS观测设备和配套的供电、通信网络设备，导致其建设成本更高。 深圳市水库多，若全面开展GNSS观测，在每座水库都建设GNSS监测基准站，则需要大量的建设和运维经费。由于深圳市水库位置分布较为密集，若能够组建GNSS变形监测基准站网，则既能多座水库共用基准站网以节约资源，又能相互校正、易于维护。 全球导航卫星系统连续运行参考站(Continuously Operating Reference System，CORS)于20世纪80年代开始发展，至今已广泛应用于国际地球参考框架的维持、地壳形变监测、电离层及大气水汽变化监测、实时网络差分定位等领域[3]。2001年，深圳建成了由5个站点组成的CORS系统，可实现cm级精度的实时定位[4]。2011年，中国大陆构造环境监测网络建成了由260个站点组建而成的CORS网[5]，主要用于监测中国大陆地壳运动，站点地心坐标单日解精度在cm量级[6]。上述案例虽然不能直接应用于mm级精度的大坝变形监测，但是能为水务工程GNSS基准站网的建设提供借鉴。 2 共用基准站的可行性分析GNSS变形观测采用载波相位相对定位的原理，利用基准站和监测站之间的差分处理，消除大气对流层延迟、电离层延迟等观测误差源的影响，从而获得高精度的三维基线向量。然后，通过比较不同时间获取的三维基线向量，计算监测点的变形量。但是，随着基线距离增加，基准站和监测站之间的对流层延迟、电离层延迟差异越明显，越不利于观测误差的消除，从而导致变形监测精度降低。此外，静态GNSS变形观测的监测精度除了随基线长度变化外，还与监测时段的时间长度相关。一般情况下，观测时间长度越长，越有利于提升观测精度。 为了分析监测精度随空间距离、时间长度的变化规律，在3座间距分别为12 km、10 km、5 km的水库安装了天宝NET R 9型GNSS设备，连续采集17 d的观测数据，然后采用武汉大学研发的PowerSbp软件，将观测值进行无电离层组合，分1 h、2 h、4 h、12 h、24 h等不同时段长度进行静态基线解算。对处理结果中3条基线的重复观测精度进行统计，结果如表1。 表1 重复基线观测精度统计  时段长度/h基线长度/km重复基线标准差/mm东向北向高程方向5(西丽-长岭皮)2.12.57.3110(茜坑-长岭皮)24.98.023.612(西丽-茜坑)15.45.116.55(西丽-长岭皮)1.51.85.0210(茜坑-长岭皮)3.03.88.412(西丽-茜坑)2.43.08.15(西丽-长岭皮)1.11.13.6410(茜坑-长岭皮)1.72.25.612(西丽-茜坑)1.61.95.95(西丽-长岭皮)0.50.71.91210(茜坑-长岭皮)1.01.23.612(西丽-茜坑)0.81.14.05(西丽-长岭皮)0.40.41.52410(茜坑-长岭皮)1.00.82.012(西丽-茜坑)1.20.82.5 基线长度为5 km时，时段长度为1 h的基线解，水平方向精度优于3 mm。随着观测时长的增加，GNSS基线解算结果的标准差逐渐缩小。当时长为 24 h，长度为5 km、10 km、12 km的3条基线，水平方向精度均可达到1.2 mm以内，垂直方向精度可达到2.5 mm以内，满足《土石坝安全监测技术规范》要求的3 mm精度[7]。这也说明，在观测时长足够的情况下，一定距离内的相邻水库是可以通过共用基准站，达到预期的监测精度水平的。 3 建设基准站网的必要性分析3.1 城市水务安全风险管控的需要 光明新区“12·20”滑坡事故说明：深圳市现行城市公共安全系统远不能满足实际需要，保障机制不够健全；城市基础运行系统较为脆弱，公共安全基础建设较为落后；对城市公共安全进行监测、预警、调查、评估的信息网络系统建设滞后，监测预警的科技手段较为落后，未能形成全面覆盖的信息管理技术平台；缺乏系统和长期规划，缺乏物资储备和资金保障机制。 2016年10月，国务院安委会办公室印发《国务院安委会办公室关于实施遏制重特大事故工作指南构建双重预防机制的意见》(安委办[2016]11号)，指出构建安全风险分级管控和隐患排查治理双重预防机制，是遏制重特大事故的重要举措，要尽快建立健全安全风险分级管控和隐患排查治理的工作制度和规范，完善技术工程支撑、智能化管控、第三方专业化服务的保障措施。 在城市水务公共安全方面，针对深圳市水库众多的现状，当前监测技术和作业方式还存在一定的局限性，因此有必要从全市整体布局出发，完善技术工程支撑、智能化管控，提升水务设施的安全监测能力。 3.2 大坝及库岸边坡变形监测的重要性 水库大坝溃坝引发的溃坝洪水，是指大坝或其他挡水建筑物发生瞬间溃决，水体突然涌出，造成下游地区灾害。这种灾害虽然范围不大，但破坏力很大，特别是大多数深圳市内的水库下游有大面积的建成区，一旦发生意外后果严重。 与溃坝洪水相对应的城市抵御灾害的环境却在改变[8]，溃坝洪水灾害对城市影响程度必将增加，因此，水库大坝安全管理能力也亟需进一步提升。大坝及其库岸边坡变形监测作为水库安全监测的重要组成部分，是保证大坝正常运行的必要手段，也应得到足够重视。 3.3 GNSS自动化监测是未来的应用趋势 随着经济水平的不断发展，人力资源成本的不断提升，无人值守的自动化监测必将成为未来的应用趋势，而北斗监测将是其中的重要组成部分。GNSS监测技术具有全天候、实时、24 h连续、自动化监测的优势，相较于传统作业方式，能很好地满足水库大坝变形监测的需求，为管理方提供更加详实、可靠的大坝监测结果，可准确掌握大坝变形规律及异常情况下实时预警。 3.4 提升水务工程应急监测能力 GNSS变形监测基准网，能为全市范围内的水务设施开展GNSS监测提供监测基准，用于日常监测和应急监测。若水务设施出现紧急情况，在已有基准站网的支持下，快速部署GNSS设备即可开展在线监测，并通过网络实时上报至应急指挥中心，实现快速响应、在线应急，提升应急保障能力。 3.5 公共基准站建设的经济效益 深圳市水库多，若每座水库单独建设变形监测基准站，则需要高昂的建设和运维经费。考虑到深圳市水库位置分布较为密集，若能够多座水库共用基准站，可显著降低GNSS监测系统建设期和运行期的项目经费，经济效益明显。 参考已有水库基准站建设费用，以1套含10个GNSS监测点、1个基准站的系统为例，基准站建设费用约占项目总经费的9%～13%。若2座或者多座水库能够共用基准站，降低基准站总数，可显著降低建设期的项目经费。 GNSS监测系统维护期间，需定期检验基准站的稳定性、定期进行巡视检查和设备维护、保护基准站周边不受外界干扰。因此，基准站运行维护需要投入人力、物力，数量越少，越便于管理。 4 GNSS基准站网的设计本文以深圳市内的大中型水库和小1型水库为监测对象。考虑到中型以上水库的重要程度和管理设施完善程度，在中型以上水库优先布置基准站，然后通过量化评分对其余水库排序，依次选择基准站。此处以监测站距离基准站不超过5 km为限制条件，选择基准站方法如下： 1) 在茜坑水库、铁岗水库、梅林水库、西沥水库、赤坳水库、径心水库、长岭皮水库、深圳水库、清林径水库、松子坑水库、罗田水库、石岩水库、公明水库等优先布设基准站； 2) 将大中型水库及其周边5 km范围内的水库从列表中排除； 3) 对余下水库进行量化评分，选择经验公式计算评分，并按评分排序(此处不考虑测站环境影响，GNSS基准站的布设主要由以下因素决定：水库的重要程度；水库大坝GNSS监测点数量；监测站可达到的精度水平；监测站距基准站的距离)； 4) 选择评分最高的水库作为备选基准站位置； 5) 以基准站至监测站的最长距离不超过5 km为约束条件，将备选基准站周边5 km范围内的水库从列表中排除； 6) 重复上述第3、4、5步直至水库列表为空。 通过上述方法，筛选出28座水库布置基准站组成基准站网，如图1所示。在每座基准站周围半径5 km的范围内，可覆盖2座大型水库、14座中型水库、65座小1型水库，在半径10 km的范围内可覆盖全部168座水库。根据表1的统计数据，以28座基准站为基础，在连续观测时长达到24 h的情况下，全部水库可达到规范要求的3 mm监测精度。 5 结论与建议本文借鉴已有连续运行基准站系统， 提出了构建覆盖深圳市水库GNSS变形监测基准站网的设想。 通过实验数据分析， 验证了多座水库共用基准站的可行性，从城市安全、应急监测、经济效益等多个角度论证了基准站网建设的必要性。初步设计了基准站网布置方案，28个基准站即可在10 km范围内覆盖全部水库，可作为深圳市开展水务GNSS变形监测的参考方案。同时，GNSS监测基准站网作为共用基础设施，还可服务于高层建筑物、高边坡等水务领域以外的变形监测。 图1 基准站网设计示意 本文的实验分析中，主要采用3座水库的实测数据建立精度分析模型。由于不同水库的GNSS观测环境还存在一定差异，实际结果可能与本研究中的结果存在一定出入。因此，在基准站网建设时，应根据基准站规划方案，采集更加充分的观测数据，对监测精度进行更准确的评估。 参考文献： [1] 李征航. GPS定位技术在变形监测中的应用[J]. 全球定位系统，2001(2)：18-25． [2] 徐绍铨. 隔河岩水库大坝外观变形GPS监测系统[C]∥北京：中国全球定位系统技术应用协会年会第三届年会， 1998． [3] 李健，吕志平，乔书波. 连续运行参考站网的演化与发展趋势[J]. 测绘科学，2008(33):44-46． [4] 刘晖，时晓燕，杨沾吉，等. 深圳市连续运行卫星定位服务系统的建立与试验[J]. 测绘通报， 2003(9):33-36． [5] 何江，张英丽，田亮. 陆态网络 CORS站站点监测系统设计与实现[J].测绘技术装备， 2015(1)：88-90. [6] 刘光明，唐颖哲，吴富梅,等. 陆态网基准站的坐标和速度[J].大地测量与地球动力学，2012(32):53-56． [7] 水利部土石坝安全监测技术规范:SL 551—2012 [S]. [8] 刘树坤. 强化城市洪涝灾害风险管理 建设不怕水的城市[J].特别关注，2010(17):4-5． (本文责任编辑 王瑞兰) Construction of Water Infrastructures’ GNSS Deformation Monitoring Reference NetworkGONG Chunlong (Shenzhen Water Planning and Design Institute， Shenzhen 528000， China) Abstract：The reservoirs in Shenzhen pose a potential security threat to the downstream areas. It is necessary to strengthen the safety monitoring of the reservoirs’ dams. GNSS automatic deformation monitoring can be useful in the future. Based on the GNSS monitoring plan of Shenzhen， the feasibility and necessity of constructing GNSS deformation monitoring reference network are discussed， and a design scheme of network is put forward． Keywords：GNSS; dam; deformation monitoring; reference network 收稿日期：2017-04-17； 修回日期：2017-05-05 作者简介：龚春龙(1988)，男，硕士，工程师，主要从事土石坝变形监测研究工作。 中图分类号：P228.4；TV698.1 文献标识码：B 文章编号：1008-0112(2017)08-0084-04 |
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