雪融化成水速度预防破冰塌雪崩塌方监测

项目背景与行业痛点

高山寒区积雪进入升温和融雪阶段后，会由以固态冰晶为主的雪体逐渐转变为包含大量液态水的湿雪。融雪水首先在雪层局部产生，随后沿雪层孔隙、冰层界面、土壤表面及裂隙向下迁移，并最终进入坡面、冻土、岩土体、沟道和河流系统。

对于雪崩源区、高山道路、铁路边坡、冰湖、水库岸坡、冻土坡面和高寒工程而言，真正值得关注的不只是“温度升高”或“雪正在融化”，而是：

• 单位时间到底有多少固态雪正在转变为自由水。
• 融水产生速度是否突然加快。
• 雪层内部是否已经由干雪向湿雪转变。
• 融水是否已经到达雪—地界面。
• 雪水储量是否正在快速下降。
• 融雪水是否正在进入冻土、土体或岩体裂隙。
• 坡体孔隙水压力是否开始升高。
• 冰层或冻融壳是否发生破坏。
• 湿雪强度和层间结合状态是否正在下降。
• 是否正在形成湿雪雪崩、雪层塌陷、冰雪崩塌或融雪诱发边坡塌方条件。

传统仅依靠空气温度的方法只能说明环境正在变暖，无法直接反映雪层中已经产生了多少液态水。

仅依靠雪深也存在局限。雪深下降可能来自压实、风蚀或融化，并不能直接说明融化成水的速度。

仅依靠地表流水观测又存在明显滞后，因为当融水已经从雪层底部大量排出时，雪层内部湿化过程可能已经持续较长时间。

融雪型灾害监测主要存在以下问题：

• 缺少固态雪向自由水转化过程的连续量化。
• 无法区分雪层升温和实际液态水形成。
• 无法知道融水产生是在缓慢进行还是短时间快速增加。
• 雪层内部液态水、雪底出水和坡体响应之间缺少统一时间轴。
• 春季昼融夜冻会产生复杂的融化—排水—再冻结过程。
• 雨落在积雪上时可能同时增加外部液态水输入并加速融雪。
• 雪盖融化后形成的水可能集中进入裂隙、冻土活动层和边坡土体。
• 湿雪可能发生强度降低、层间滑移和整体塌陷。
• 冰面、冰壳或冻结层局部融蚀可能导致突然破裂和垮塌。
• 单一融水指标不能独立证明雪崩或塌方即将发生。

因此，需要建设“融水形成—雪层湿化—雪水储量释放—雪底出水—坡体水文响应—雪冰动力事件”全过程监测系统，把雪融化成水的速度作为重要先导监测量之一。

建设目标与监测目标

建设目标

建设一套面向高山融雪型灾害的综合在线监测系统，以S-CGSWE01双层称重固液分离系统作为融雪过程采样参考模块，并融合天然雪层LWC、雪温、雪深、地面积雪SWE、雪—地界面水分、土壤水分、孔隙水压力、位移以及冰雪动态监测。

形成：

升温

↓

雪层达到融化条件

↓

自由水开始形成

↓

融水形成速度增加

↓

雪层湿化

↓

湿润锋向下迁移

↓

雪底出水

↓

土壤/冻土/岩体进水

↓

孔压和坡体状态变化

↓

湿雪滑移 / 雪层塌陷 / 冰体破裂 / 边坡塌方

的全过程数据链。

监测目标

• 监测采样雪冰固态质量。
• 监测融化后形成的自由水质量。
• 计算自由水形成速度。
• 计算单位时间融水增量。
• 记录初始融水出现时间。
• 记录融水快速增长时间。
• 分析固态雪冰质量下降速率。
• 分析固—液两相质量转移。
• 监测天然雪层LWC。
• 监测多层雪温。
• 监测地面积雪SWE。
• 监测雪深及消融速度。
• 监测雪—地界面出水。
• 监测土壤含水率和孔隙水压力。
• 监测雪体/坡体位移。
• 识别湿雪、雪层塌陷、冰体破裂和边坡失稳风险变化。

需求分析

融化成水速度监测需求

融雪灾害监测不能只知道是否出现自由水，还需要监测自由水单位时间增加速度。

当融水量缓慢增加时，雪层和下垫面可能具有较充分的排水时间；而短时间大量融水形成，则可能明显改变雪层和坡体的水力条件。

固液两相同步监测需求

通过上层固态雪冰质量和下层自由水质量同步监测，可以更加直观地观察采样雪体从固态向液态转化过程。

天然雪层验证需求

采样桶中的固液分离过程只是代表性样本，不能直接代替整个坡面天然雪盖，因此必须增加天然雪层LWC、雪温和SWE等监测。

雪底出水需求

当融水从雪层中下渗到达雪—地界面后，灾害过程开始进一步向土壤、冻土和岩体发展。因此雪底出水是非常重要的转换节点。

孔隙水压力需求

对于融雪诱发边坡塌方、滑坡或松散堆积体失稳，水进入坡体后造成的含水率和孔压变化比雪面温度本身更加直接。

冰雪结构状态需求

对于雪层塌陷、冰壳破裂和湿雪雪崩，应增加雪层压力、位移和动态振动监测。

全过程统一时间需求

所有设备必须统一时间，才能回答：

融水开始后多久出现雪底出水？

雪底出水后多久土壤含水率升高？

土壤含水率升高后多久孔压异常？

孔压异常后是否出现位移或塌方事件？

总体解决方案

系统采用“固液分离称重 + 天然雪层多参数 + 雪—地界面 + 坡体水文 + 动态灾害感知”的总体架构。

S-CGSWE01承担代表性降雪样本的固态雪冰和自由水两相称重。

上层：

监测雪冰质量ms

下层：

监测已分离自由水质量mw

边缘计算得到：

总采样水当量

自由水质量变化率

自由水形成速率

固态质量变化率

固液转化事件

同时，天然雪坡布设多层介电LWC、雪温、雪深和地面SWE监测。

雪底设置融雪水/界面水分节点。

坡体内部设置：

土壤含水率

土壤温度

孔隙水压力

必要时地下水位

雪体和坡体设置：

位移

倾斜

裂缝

振动

地声/次声

形成融雪灾害多级监测体系。

系统架构设计

融雪采样参考：

S-CGSWE01 上层雪冰称重 + 下层自由水称重

天然雪盖状态：

雪深 + 地面积雪SWE + 雪密度

雪层内部：

多层雪温 + 多层LWC

雪面能量：

空气温湿度 + 太阳辐射 + 风速风向 + 降雨

雪—地界面：

界面温度 + 出水/含水状态

地下水文：

土壤水分 + 土壤温度 + 孔隙水压力 + 地下水位

雪冰力学：

雪层压力 + 雪体位移

坡体变形：

GNSS / 倾角 / 裂缝 / 地表位移

动态事件：

振动 + 地声 + 次声 + 视频

边缘计算：

融水速率 + SWE消耗率 + LWC变化率 + 孔压变化率 + 多参数事件识别

平台：

融雪进程 + 水分迁移 + 风险状态 + GIS + 告警联动

监测内容与监测方法

技术原理与算法模型

双层称重固液分离原理

降雪或雪冰样本进入上层后，固态部分被倾斜筛网截留。

当雪开始融化，形成能够自由流动的水后，液态水通过筛网和排水孔进入下层集水桶。

上层称重得到：

ms(t)

下层称重得到：

mw(t)

其中：

ms = 当前固态雪冰净质量

mw = 当前已分离自由水质量

采样口雪水当量

设有效承雪面积为A，则：

SWE = (ms + mw) / A

当质量采用kg、面积采用m²时，其数值可直接对应mm水当量。

自由水形成速度

在下层尚未排水、且不存在外部液态降水输入的有效时间段内，可以计算：

Rw = Δmw / Δt

其中：

Rw：自由水质量增加速率

Δmw：时间段内下层自由水净增加质量

Δt：统计时间

单位可采用：

g/min

或：

kg/h

面积归一化融水速率

为了不同设备和不同口径之间比较，可进一步计算：

Rm = Δmw / (A × Δt)

换算为水当量后可表示为：

mm/h

该指标可以描述“该采样口样本单位面积自由水形成速度”。

固态雪冰消耗速率

在没有新增降雪、风吹雪进入和机械损失的条件下，可以观察：

Rs = -Δms / Δt

用于描述固态雪冰质量下降过程。

但上层质量下降可能同时受到融化、掉落、清桶和机械扰动影响，因此必须结合设备状态标记解释。

固液质量转移一致性

理想融化过程中，上层质量下降应与下层自由水增加具有一定对应关系。

可比较：

Δms + Δmw

检查是否存在：

排水

蒸发

挂雪

筛网滞留

冻堵

外部雨水输入

等影响。

自由水比例

采样系统可计算：

FW = mw / (ms + mw)

该指标表示采样装置中已被分离并进入下层的自由水质量比例。

它不能未经项目验证直接等同于天然雪层液态含水率LWC。

天然雪层LWC变化率

天然雪层多层LWC可计算：

RLWC = ΔLWC / Δt

当多个层位LWC持续升高时，可说明实际雪盖正在明显湿化。

地面积雪SWE消耗率

地面积雪SWE连续监测后可计算：

RSWE = -ΔSWE / Δt

在排除新增降雪和风吹雪重新分配后，可用于描述雪盖水储量释放过程。

雪底出水时滞

设天然雪层LWC明显增加时间为T1，雪—地界面开始明显出水时间为T2：

ΔT1 = T2 - T1

可以分析融水由雪层内部向底部迁移所需要的时间。

坡体孔压响应时滞

雪底出水时间为T2，孔隙水压力明显增加时间为T3：

ΔT2 = T3 - T2

用于分析融雪水进入坡体后产生水力响应的时间过程。

融雪速度分级分析

项目不建议在缺少历史数据时直接采用全国统一固定mm/h阈值，而应建立本站历史背景和百分位统计。

破冰与冰雪结构失稳监测

对于积雪覆盖冰层、冻融壳、雪桥或冰雪混合结构，融水可能沿界面渗透并改变冰雪结构。

监测组合建议：

雪表温度

+

雪层温度

+

LWC

+

冰层温度

+

冰厚

+

融水速度

+

振动/声发射

当出现：

持续融水

+

冰层温度升高

+

冰厚下降

+

裂纹/振动事件增加

时，应提高对冰体破裂、雪桥坍塌和冰雪结构失稳的关注。

融水速度本身不能直接说明冰已经达到破裂条件，真正的破冰安全判断仍需要冰厚、结构和裂缝直接监测。

湿雪雪崩监测

湿雪雪崩通常与雪层中液态水增加密切相关。

融水进入雪层后可能改变雪粒之间的结合状态以及层间界面条件，因此仅有空气温度并不足以描述实际风险。

推荐组合：

融水形成速度

+

多层LWC

+

多层雪温

+

SWE

+

雪层压力

+

雪体位移

当出现：

整个雪层逐渐接近融化状态

+

LWC持续升高

+

雪底出现水

+

雪体位移增加

时，应进入更高等级的湿雪雪崩专业研判。

雪层塌陷与塌雪监测

融化过程中，积雪结构可能发生快速压实、失去支撑或形成内部空洞，最终出现局部塌雪。

可以联合监测：

雪深快速下降

+

SWE变化

+

融水速度

+

雪层压力重新分配

+

振动事件

如果雪深短时间明显下降，但SWE下降程度与其不一致，可进一步判断是否存在明显压实、塌陷或结构重组过程。

融雪诱发边坡塌方监测

雪融水进入边坡之后，其主要风险机制已经从“积雪问题”逐步转换为“岩土水文—力学问题”。

因此边坡塌方预防必须进一步监测：

• 表层土壤含水率。
• 深层土壤含水率。
• 孔隙水压力。
• 地下水位。
• 坡体倾角。
• GNSS位移。
• 裂缝宽度。
• 地表振动。

典型过程链为：

快速融雪

↓

雪底大量出水

↓

表层土壤含水率上升

↓

融水向深部渗透

↓

孔隙水压力升高

↓

有效应力降低

↓

坡体位移/裂缝增加

↓

局部塌方或滑坡

冻土与融雪联合监测

在多年冻土或季节冻土区，融雪水不一定立即向深部入渗。

冻结土层可能形成临时隔水界面，使融雪水在浅层聚集并形成较高含水率。

因此可采用：

雪底出水

+

0.1m / 0.3m / 0.5m / 1.0m土壤水分

+

多层地温

+

孔压

分析活动层逐步解冻和融雪水入渗过程。

多参数综合风险模型

建议将融雪速度作为重要驱动因子，而不是独立灾害结论。

综合风险模型可表示为：

R = F(MeltRate, LWC, SWE_loss, SnowTemp, BottomWater, SoilWater, PorePressure, Displacement, IceThickness, DynamicEvents)

其中：

MeltRate：融水形成速度

LWC：天然雪层液态含水率

SWE_loss：雪水储量下降速率

SnowTemp：雪温状态

BottomWater：雪底出水

SoilWater：坡体含水率

PorePressure：孔隙水压力

Displacement：雪体/坡体位移

IceThickness：冰层厚度

DynamicEvents：振动、地声等动态事件

预警机制与决策支撑

系统功能设计

双层实时称重

分别显示固态雪冰和自由液态水质量。

融水形成速度

自动计算自由水质量变化率和面积归一化mm/h。

融水累计

统计1h、3h、6h、12h和24h自由水增量。

固态雪消耗

显示上层雪冰质量变化。

固液转换事件

记录开始融水、峰值融水和融水衰减过程。

天然LWC剖面

显示实际雪层不同高度液态水状态。

雪温剖面

显示雪层热状态和等温化过程。

SWE趋势

显示地面积雪总储水量及消耗。

雪底出水

记录融水到达下垫面的时间。

坡体含水率

显示融雪水进入土层后的水分变化。

孔压趋势

重点监测快速孔压抬升。

位移联动

把雪体和坡体位移与融雪过程统一时间轴。

动态事件管理

融合振动、地声、次声和视频。

灾害过程回溯

从事故时间向前追溯融水、孔压和位移全过程。

硬件组成与配置方案

核心设备参数

上述称重精度、低温运行、系统防护和功耗属于设计及交付核验参数，应以最终整机标定和环境测试结果为准。

安全监测项目的数据完整性配置

S-CGSWE01当前说明书版本采用有效样本生成后立即上报的策略。以太网和4G用于完整周期记录，北斗短报主要用于精简数据和告警。

当前基础设计不启用断点续传，也不会在网络恢复后自动把断网期间历史数据补报到平台。

对于普通科研和当前状态观测，可以按照原有设计使用。

但对于雪崩、破冰、塌方等安全监测项目，建议升级为：

• 本地大容量工业存储。
• 原始数据持续落盘。
• 断网期间完整保存。
• 网络恢复后补传历史数据。
• 本地事件算法独立运行。
• 严重风险告警采用4G+北斗/卫星双链路。
• 平台同时显示实时数据和数据完整性状态。

这样即使灾害发生期间公网中断，也能够保留事件前后的完整数据证据链。

软件平台与数据展示

数据分析与智能应用

初融时间识别

记录下层首次持续出现自由水的时间，并与雪温和天然LWC交叉验证。

最大融水速度

统计每日、每次融雪事件和整个雪季最大自由水形成速率。

融水加速度

不仅计算Rw，还可进一步分析：

dRw/dt

识别融水形成速度是否正在迅速加快。

融水—雪温关系

研究不同雪温条件下自由水首次形成和快速增加时间。

融水—太阳辐射关系

分析强辐射后融水速度的时间响应。

雨雪融化复合分析

当出现降雨时，将雨量、空气温度、LWC、SWE和雪底出水统一分析。

融水—雪底出水时滞

建立采样融水和天然雪底出水之间的事件时间关系。

融水—土壤湿化时滞

统计雪底出水至不同深度土壤含水率升高所需时间。

融水—孔压时滞

建立融雪事件和孔隙水压力上升之间的历史关联。

湿雪雪崩事件回溯

对实际湿雪雪崩向前回溯24h、48h和72h的融水、LWC、雪温、SWE、雪底出水及雪体位移。

融雪塌方事件回溯

对坡体塌方事件回溯融雪速度、土壤水分、孔压和位移全过程。

本地经验模型

连续多个雪季后，可建立本站不同融水速率、含水率、孔压和位移之间的统计关系，为项目化预警阈值提供依据。

项目实施方案

第一阶段：灾害类型调查

明确项目主要针对湿雪雪崩、雪层塌陷、冰体破裂、融雪塌方或多灾种综合监测。

第二阶段：历史事件调查

收集历史融雪、雪崩、塌方、气温、降雨和水文资料。

第三阶段：代表性采样点选择

S-CGSWE01应布设在能够代表当地融雪气象条件的位置，同时避开屋檐落雪、滚雪和非代表性局部堆积。

第四阶段：天然雪层监测建设

在目标坡面布设雪温、LWC、雪深和地面积雪SWE。

第五阶段：雪—地界面监测

设置界面温度、水分和必要的集流装置。

第六阶段：坡体水文监测

根据地层情况布设多层土壤水分、孔隙水压力和地下水位。

第七阶段：变形监测

安装GNSS、倾角或裂缝传感器。

第八阶段：动态事件监测

雪崩或崩塌高风险区增加振动、地声、次声和视频。

第九阶段：称重标定

分别完成上下层零点、标准质量、卸载回零和交叉影响检查。

第十阶段：固液分离测试

测试筛网、下层保温、加热、排水和残余水检测。

第十一阶段：统一时间

确保称重、LWC、孔压、位移和动态设备统一时钟。

第十二阶段：试运行

至少经历一次完整升温—融雪—再冻结过程，校验设备和算法。

第十三阶段：首个完整融雪季

建立正常背景范围和事件阈值，不在缺少历史数据时提前固化灾害阈值。

安装部署要求

• 承雪口保持水平。
• 称重基础应抗风、抗冻胀。
• 避开屋檐滴水、坡面滚雪和人为堆雪。
• 强风雪区配置适当防风结构。
• 筛网和排水孔应便于检查及维护。
• 下层桶防止严重冻结影响自由水收集。
• 加热功率应避免对上层天然融化过程造成明显人为扰动。
• 称重线路和管路不得给传感器增加额外机械载荷。
• 天然雪层LWC和雪温应安装在目标坡面，而不是只依赖采样桶。
• 土壤水分和孔压深度根据潜在滑动层布置。
• 雪崩源区主机尽量布设在潜在冲击范围之外。
• 安全项目应配置可靠本地存储和多链路告警。

运维服务保障

双层称重校准

雪季前分别校验上下层零点、线性和回零。

筛网检查

检查挂雪、冻堵和杂质。

自由水排放检查

记录排水前后质量，识别残留水和阀门异常。

温度与加热检查

确认低温条件下加热和传感器正常。

天然雪层传感器检查

核验雪温、LWC、雪深和SWE传感器状态。

坡体传感器检查

检查孔压、土壤水分、位移和裂缝设备。

通信质量检查

安全项目持续监控最后成功数据时间及链路状态。

事件后复盘

每次雪崩、破冰、塌雪或塌方后进行完整多参数回放。

项目优势与方案价值

从“气温升高”升级到“实际出现多少水”

直接监测自由水形成，比单纯空气温度更接近实际融雪过程。

从是否融雪升级到融雪速度

能够量化单位时间自由水增长及其变化趋势。

固态与液态分开

上层雪冰和下层自由水独立称重，物理意义更加清晰。

采样监测与天然雪层互相验证

通过LWC、雪温和地面积雪SWE，避免把采样桶状态直接等同于整个坡面。

从雪层延伸到坡体

融水进入土壤后继续通过水分、孔压和位移监测追踪灾害过程。

覆盖多灾种

可用于湿雪雪崩、雪层塌陷、冰体破裂以及融雪诱发边坡塌方。

形成因果过程链

不是只在灾害发生后报警，而是观察融水产生、下渗、水压力和位移逐步变化。

应用场景

效益分析

标准规范与技术依据

成功案例

当前资料未提供可公开核验的SIYB®“融水速度—湿雪雪崩—破冰—塌方”实际交付项目，因此不虚构真实客户、地点和灾害预警效果。以下作为典型工程配置模板。

参考文献

1. 《S-CGSWE01 雪水当量监测系统说明书》。
2. QX/T 320-2016《称重式降水测量仪》。
3. GB/T 35228-2017《地面气象观测规范 降水量》。
4. GB/T 35229-2017《地面气象观测规范 雪深与雪压》。
5. GB/T 4208-2017《外壳防护等级》。
6. 雪水当量、雪枕、积雪液态含水率和融雪水迁移相关技术资料。
7. 冻土水热过程、孔隙水压力和融雪诱发边坡失稳相关研究资料。
8. 湿雪雪崩、冰雪结构融蚀和冻融破坏相关研究资料。

本方案属于融雪速度及其诱发雪冰与坡体灾害的综合在线监测前期技术设计方案。实际项目中的称重采样周期、融水速度统计窗口、天然LWC层数、SWE形式、孔压深度、位移设备和风险阈值，应根据当地雪型、最大雪深、坡度、土层结构、冻土深度和历史灾害资料进行项目化设计。

特别说明：S-CGSWE01下层自由水质量非常适合用于研究“采样雪冰开始产生自由水及自由水增长速度”，但不能直接把下层自由水比例定义为天然雪坡真实LWC，也不能把采样桶水当量直接等同于地面积雪总SWE。

对于真正的湿雪雪崩和塌雪监测，应进一步采用“融水速度 + 天然雪层LWC + 雪温 + 地面SWE + 雪深 + 雪层压力/位移”；对于融雪诱发塌方，则重点升级为“融水速度 + 雪底出水 + 多层土壤水分 + 孔隙水压力 + GNSS/倾角/裂缝”；对于破冰或冰雪结构坍塌，应采用“融水速度 + 冰厚 + 冰温 + 裂纹/振动”进行综合判断。