水文自動測報技術(shù)在城市防汛中的應(yīng)用

耿彬彬，王健健，陳紅波，艾鈺蓉

（1.江蘇省南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2.江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇 常州 213001）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷繁榮，城市化建設(shè)也在突飛猛進地高速發(fā)展，城市圈已經(jīng)不斷擴大。近年來，由強降雨引起的城市低洼處存在大量積水的現(xiàn)象時有發(fā)生，且有愈演愈烈的趨勢。在我國南方多雨的城市，積水有時竟高達1m 以上，且不能及時排走，給人們的出行帶來了很大的不便，嚴(yán)重時引發(fā)行人死亡和失蹤事件，此現(xiàn)象已經(jīng)引起市政、防汛、路政等政府有關(guān)部門的高度關(guān)注[1]。城市化的發(fā)展影響到城市的防洪、水資源保障等方面。因此，從發(fā)展及應(yīng)用的角度，當(dāng)前城市防汛中應(yīng)該加強對雨水量的變化、洪水效應(yīng)、水質(zhì)影響、地下水的影響、流域的變化及水循環(huán)環(huán)境等城市水文要素的監(jiān)測。

現(xiàn)階段應(yīng)該重點對以下2點進行相應(yīng)的監(jiān)測和分析：

1）城市雨量及水量的監(jiān)測分析預(yù)報技術(shù)的研究，包括新的監(jiān)測手段和科學(xué)的規(guī)劃與預(yù)報分析。定量分析雨量及洪水，包括形成過程中氣候系統(tǒng)的自然規(guī)律、城市熱島效應(yīng)等各種影響的大小，為制定科學(xué)的城市防洪規(guī)劃及措施提供技術(shù)支持。為了提高城市抵御洪水的可靠性，要開展大范圍的水文監(jiān)測，監(jiān)測和分析城市中不同地域和地形地勢等條件下的雨量和洪水形成過程。

2）雨量和洪水量應(yīng)急處理及資源化應(yīng)用技術(shù)研究，即洪水的調(diào)度和泄洪及資源可利用化技術(shù)研究。通過對洪水資源利用與防洪安全、水資源調(diào)度和生態(tài)環(huán)境的作用機理分析，進行面向調(diào)度的洪水資源可利用化技術(shù)研究，為洪水資源的調(diào)度利用提供技術(shù)基礎(chǔ)；同時也需研究雨量和洪水量與地下水的轉(zhuǎn)化與交換機理，開發(fā)新型地下儲水空間雨量和洪水量回灌促滲技術(shù)，為地下儲水空間雨量和洪水量資源利用工程提供技術(shù)支撐等[2]。

1 城市防洪監(jiān)測新特點

1.1 城市水文的新特點

在城市化的過程中，以城市為中心的水災(zāi)害加劇問題已呈現(xiàn)全面加重的趨勢。新的城市水文監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)包括所在流域降雨、所在江河的水位流量、城市內(nèi)澇及排水等監(jiān)測。城市水文監(jiān)測系統(tǒng)通過信息采集（雨量、水位、流量等傳感器）和傳輸系統(tǒng)均可實現(xiàn)自動測報。因此，加強城市水文數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析預(yù)報工作，針對城市的具體情況開展有關(guān)的分析研究工作，以及進行必要的規(guī)劃設(shè)計和控制管理，提出我國城市防洪的發(fā)展新思路，對減少洪災(zāi)的發(fā)生，保護人民群眾生命財產(chǎn)的安全，保證我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展意義重大[3]。

1）城市化使得地面變?yōu)榻值馈⒐S和住宅等建筑，下墊面的滲透性、滯水性發(fā)生變化。在城市化的區(qū)域，由于不滲透面積大幅增加，導(dǎo)致該地區(qū)的雨水匯流特征改變，表現(xiàn)為洪水總量增多，洪峰流量加大，洪水匯流時間縮短，集水區(qū)內(nèi)天然調(diào)蓄能力減弱。城市雨洪徑流增加后，已有排水明溝、陰溝及橋涵過水能力不足，以致城市內(nèi)澇泛濫，造成交通中斷、地下通道淹沒、房屋和財產(chǎn)遭受破壞等。

2）城市化的發(fā)展導(dǎo)致城市中的氣溫高于外圍郊區(qū)，即城市熱島效應(yīng)。城市氣溫高、粉塵大，空氣中的凝結(jié)核多，熱氣上升時會引發(fā)周邊郊區(qū)氣流向城市匯聚的運動。上升的熱氣流在高空遭遇強對流的冷氣團，形成暴雨，因此大城市往往更容易成為暴雨襲擊的中心，即城市雨島效應(yīng)。

3）城市化造成了水資源的缺乏，還有用水浪費、用水效率低、管道滲漏嚴(yán)重等問題也十分突出。城市工業(yè)廢水和生活污水向河流排放帶來的城市化環(huán)境效應(yīng)，導(dǎo)致城市水體污染嚴(yán)重[2]。

1.2 城市水文監(jiān)測的新特點

城市水文監(jiān)測系統(tǒng)主要對各監(jiān)測點監(jiān)測要素進行實時監(jiān)測，系統(tǒng)一般由信息接收處理中心站和監(jiān)測站組成，監(jiān)測站主要由流量站、水位站、降水量站、水面蒸發(fā)站、水質(zhì)站、地下水監(jiān)測站、水生態(tài)站等組成。監(jiān)測站將監(jiān)測的數(shù)據(jù)上傳至信息接收處理中心站。信息接收處理中心站通過服務(wù)器上數(shù)據(jù)處理和分析軟件，接收并處理由遙測站發(fā)來的數(shù)據(jù)，根據(jù)需要給決策者提供相應(yīng)的技術(shù)信息和指導(dǎo)。整個系統(tǒng)圍繞防汛信息的采集、處理、分析決策和決策信息發(fā)布，各個環(huán)節(jié)緊密相連。各級部門利用水文監(jiān)測系統(tǒng)及時、準(zhǔn)確地處理防洪信息[4]。系統(tǒng)基本流程圖如圖1所示。

2 監(jiān)測儀器的選用

2.1 降雨量觀測設(shè)備

城市降水量觀測可選用 JDZ-05型翻斗式雨量計，其工作原理：降水由環(huán)口控制面積，集水器回攏，通過進水漏斗進入翻斗，當(dāng)計量到一定水量時，引起翻斗翻轉(zhuǎn)，磁鐵吸合（或釋放）干簧管，產(chǎn)生1個通斷信號，供遙測或記錄儀器使用。

圖1 系統(tǒng)基本流程圖

2.2 蒸發(fā)觀測設(shè)備

蒸發(fā)觀測儀器可選用遙測蒸發(fā)器，其具有自動監(jiān)測蒸發(fā)量，并實時傳輸數(shù)據(jù)和接收指令功能。觀測場地要選擇能代表附近真實的地質(zhì)和城市覆蓋的狀態(tài)，四周空曠平坦，氣流暢通，建議在上風(fēng)向，應(yīng)避免地形突變位置；蒸發(fā)場距離較大水體等最高水位線的水平距離應(yīng)大于100m[5]。

FZZ-01型遙測蒸發(fā)器包括蒸發(fā)桶、補水器（含翻斗補水器、電磁閥、控制盒）、儲水桶和遙測端。蒸發(fā)桶內(nèi)某一規(guī)定時段內(nèi)的液位差，即為該時段內(nèi)的水面蒸發(fā)量。定位測針安裝在蒸發(fā)桶內(nèi)插座孔上，使測針接觸水面。針尖接觸水面時無信號，當(dāng)針尖離開水面，電磁閥產(chǎn)生脈沖信號，觸發(fā)翻斗進行補水。每次補充30mL，相當(dāng)于 0.1mm 的蒸發(fā)量，直至蒸發(fā)桶里水面接觸到測針。同時控制盒發(fā)出1個開關(guān)信號，遙測端接收并計算開關(guān)信號，從而實現(xiàn)蒸發(fā)量的自動計量。

2.3 城市水位觀測設(shè)備

城市水位觀測采用自動監(jiān)測設(shè)備，水位自動監(jiān)測儀器可選用雷達、電子水尺、浮子式水位計、壓力式水位計等。根據(jù)現(xiàn)場情況和數(shù)據(jù)采集要求，城市河流，渠道，湖泊，水庫的水位宜采用浮子式、壓力式、超聲波式、雷達式水位計等。易積水路段和洼地積水深度宜采用雷達式、超聲波式水位計及電子水尺[5]。

系統(tǒng)在城市易積水路段、洼地等位置采用以下 2種水位觀測設(shè)備：

1）OTTRLS 是一款用于地表水液位測量的非接觸式雷達液位計，采用節(jié)能脈沖雷達技術(shù)測量液位，有發(fā)射和接收2個平滑天線，每次測量時發(fā)射天線發(fā)射雷達脈沖信號到水面，脈沖信號經(jīng)水面反射后被接收天線檢測到，從發(fā)射到接收信號的時間取決于 OTTRLS 跟水面的距離，OTTRLS 就是利用延遲時間跟到水面距離之間的線性關(guān)系實現(xiàn)液位（距離值）的測量。這種節(jié)能、非接觸式的測量技術(shù)使得 OTTRLS 在測量時不受溫度梯度、水中污染物及沉淀物的影響，可以獲取精確的測量結(jié)果。OTTRLS 是通過發(fā)射到水面的雷達脈沖信號來進行測量的，可以垂直安裝在水面之上，比如橋或其他輔助建筑上。它堅固、輕質(zhì)及防水外殼使其安裝非常簡便，通用連接萬向懸掛架使得探頭可以很簡便地對齊，甚至在不平整的地方也很方便地安裝[6]。

2）TC401感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器（又稱“電子水尺”），具有測量精度高，不受環(huán)境因素如溫度、濕度、泥沙、波浪、降雨等的影響，安裝時不需要建測井，可以垂直、傾斜貼壁、沿河道面自下而上階梯安裝?？蓮V泛應(yīng)用于江河、湖泊、水庫、水電站、灌區(qū)及輸水等水利水電工程中的水位監(jiān)測，也可用于自來水、城市污水、道路積水等市政工程中的水位監(jiān)測，特別適合于水文、城市內(nèi)澇、城市道路積水、灌區(qū)渠道等水位變幅不是很大的場合使用，尤其適用于測量精度要求高，水位變幅不大的場合[7]。無線遙測終端機與傳感器一體連接，通訊方式使用移動或聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)。感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器利用水的導(dǎo)電性，通過水位變化與相應(yīng)的電極導(dǎo)通采集水位信號。傳感器的電極密布于1根棒式的外殼上，組成1條水位信號檢測線，傳感器本身由超音頻信號發(fā)生器和發(fā)射頭向水中發(fā)射檢測信號，取樣電路通過電極與水接通，接受檢測信號[8]。

2.4 流量測驗設(shè)備

流量測驗采用自動監(jiān)測設(shè)備，河流、渠道、湖泊水庫出入口等流量測驗可采用電磁流速儀和聲學(xué)管道流量計等設(shè)備。根據(jù)水道和斷面情況可選用相應(yīng)方法，具有穩(wěn)定水力關(guān)系的可采用推算流量的方法。

建議采用 AEM-RS 流速傳感器，該傳感器可以測出流速、流向和水溫，采用 compact 格式，RS-232通訊，波特率為9600。此傳感器基于法拉第電磁感應(yīng)定律，外球上有6個以上的觀測點，觀測點附近有人造磁場，傳感器懸吊水中時測得6個流速分量，再合成相對儀器本身坐標(biāo)的流速矢量。儀器內(nèi)有自動羅盤和傾斜儀，根據(jù)自動測得的方向和傾斜，將基于儀器的流速矢量轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)的流速矢量。該儀表具有體積小，靈敏度高，測量方便快捷等特點。

2.5 水質(zhì)和地下水測驗設(shè)備

應(yīng)在城市設(shè)立水質(zhì)自動監(jiān)測站，監(jiān)測相關(guān)水質(zhì)數(shù)據(jù)。自動監(jiān)測水質(zhì)的儀器可選用電極法水質(zhì)儀和現(xiàn)場水質(zhì)分析儀等自動分析儀，具有自動采集，分析預(yù)警等功能，如水質(zhì)五參數(shù)測量儀 MIQ/S184（溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度），在線 TOC 測量儀 PROTOC200等設(shè)備測量水質(zhì)數(shù)據(jù)。

地下水水位監(jiān)測可采用懸垂式地下和壓力式水位計儀器。地下水開采量的監(jiān)測可采用管道流量測驗或電功率方法。地下水為管道、渠道輸送時，可采用管道流量計或明渠流量測驗方法[5]。地下水水位監(jiān)測儀器主要有水位/水溫/電導(dǎo)率潛水儀（CTDDiver）等設(shè)備。

2.6 遙測終端設(shè)計

水文信息采集和遠程通信技術(shù)實現(xiàn)了城市水文要素實時自動測量、傳輸與分析；水文自動測報系統(tǒng)的遙測設(shè)備采用輕型材料和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了長期穩(wěn)定的運行。中心站數(shù)據(jù)處理及調(diào)度決策軟件功能實現(xiàn)實用化，及時處理實時數(shù)據(jù)。YDH-1型遙測終端機，通過了水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心的檢測，取得國家實用新型專利1項，專利名稱：水情遙測裝置，專利號：ZL200920283905.9。

遙測終端技術(shù)性能達到國際先進水平，運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了智能化、多通道化、參數(shù)變率識別等功能。平時采用按報汛要求設(shè)置報汛時段工作方式，遇到降水量強度和水位等參數(shù)超限定值時，終端機可自動發(fā)送數(shù)據(jù)。傳感器接口能力增強，可方便連接不同門類的傳感器，遙測終端多個串行通信口，滿足數(shù)據(jù)傳輸時對通信路由的選擇，滿足城市水文監(jiān)測和報汛設(shè)備的有關(guān)技術(shù)要求，實現(xiàn)多信息源的水文數(shù)據(jù)采集和多信道的水文數(shù)據(jù)傳輸[9]。

3 系統(tǒng)的實踐應(yīng)用

目前水文自動測報設(shè)備及系統(tǒng)在很多地區(qū)已有相應(yīng)的應(yīng)用。目前在廣西省玉林市水文監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用站點數(shù)超過100個，在貴州省都勻市水文監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用站點數(shù)超過150個，在云南省各個市州的水文監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用站點數(shù)超過300個，其中包含降雨量觀測站、蒸發(fā)數(shù)據(jù)觀測站、水位觀測設(shè)備、流量測驗設(shè)備等。根據(jù)現(xiàn)場系統(tǒng)的運行情況監(jiān)測，系統(tǒng)能實時或定時自動報送水文信息；水文信息采集與傳輸?shù)臅r效性和可靠性好，在 5～8min 內(nèi)能夠全部收集到系統(tǒng)所有站點的雨情和水情信息。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性大于98%，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸暢通率大于95%，遙測終端設(shè)備 MTBF 大于25000h。降雨量測驗誤差優(yōu)于 4%（降雨量大于 12.5mm，雨強小于4mm/min時）；水位變化測驗精度優(yōu)于0.3%FS。

水文自動測報技術(shù)將城市防洪涉及的監(jiān)測要素和數(shù)據(jù)進行整合統(tǒng)一，有效實現(xiàn)了水雨情預(yù)報資源的無縫對接，并且在水文預(yù)報的過程中發(fā)揮信息接收處理、計算機信息檢索和查詢、預(yù)報服務(wù)等功能。它在洪水信息監(jiān)測、傳輸、分析和洪災(zāi)施救中的應(yīng)用，提高了城市的防洪應(yīng)急能力。水文自動測報系統(tǒng)中城市水文站網(wǎng)及監(jiān)測要素的布設(shè)需要根據(jù)不同城市規(guī)模和具體環(huán)境情況并結(jié)合不同防洪標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。城市水文監(jiān)測的自然條件不同于一般河道，由于城市環(huán)境的復(fù)雜性，監(jiān)測的時效性要求高。因此，在系統(tǒng)建設(shè)中要因地制宜，采用水文自動測報技術(shù)與方法，配置自動監(jiān)測儀器設(shè)備，提高自動和應(yīng)急監(jiān)測能力。水文自動測報技術(shù)在配合報警系統(tǒng)、會商系統(tǒng)、預(yù)警信息發(fā)布平臺、防洪預(yù)警決策支持系統(tǒng)及氣象信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，集自動測報技術(shù)、數(shù)學(xué)模型、防汛搶險技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、計算機技術(shù)和地理信息技術(shù)于一體形成城市防洪綜合預(yù)警指揮系統(tǒng)工程。城市防洪預(yù)警系統(tǒng)工程以統(tǒng)一的平臺整合計算機網(wǎng)絡(luò)等傳播系統(tǒng)，建立大型、全面的綜合指揮調(diào)度系統(tǒng)，能快速、及時地收集、處理、存儲和發(fā)布各類防汛搶險信息，快速地進行數(shù)據(jù)挖掘，并以圖、文、聲、像等方式為防汛搶險工作提供全面的信息服務(wù)，整個系統(tǒng)圍繞水文自動測報系統(tǒng)提供的信息，進行處理、分析、決策和發(fā)布，各個環(huán)節(jié)緊密相連，提高了城市防洪的能力。水文自動測報系統(tǒng)覆蓋了整個地區(qū)水雨情監(jiān)測面，城市水文監(jiān)測系統(tǒng)在城市的防洪減災(zāi)工作取得了明顯的效益。整個系統(tǒng)運行的實踐表明系統(tǒng)達到了設(shè)計所要求的功能和性能指標(biāo)。水文自動化監(jiān)測系統(tǒng)在城市水文監(jiān)測與城市防洪安全中發(fā)揮了極其重要作用，取得了非常寶貴的監(jiān)測資料，為城市防洪的科學(xué)調(diào)度提供了科學(xué)依據(jù)，及時、有效地傳遞水雨情信息、規(guī)劃了相應(yīng)的決策，確保了人民的人身財產(chǎn)安全。

4 結(jié)語

隨著我國城市化進程加快和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，河流水文性質(zhì)也在發(fā)生變化，因此建設(shè)城市水文自動化測報系統(tǒng)是必要的。利用自動監(jiān)測設(shè)備和通訊網(wǎng)絡(luò)、地理信息和水資源調(diào)度等，建成水雨情和流量等信息綜合的防汛平臺，并結(jié)合發(fā)布和視頻會商系統(tǒng)，GIS 地圖信息發(fā)布平臺等，及時、有效地傳遞防洪決策信息、發(fā)布洪水警報的問題，確保了緊急情況下居民的人身財產(chǎn)安全。城市河流洪水預(yù)報內(nèi)容包括積水位置、深度、時間及范圍等，根據(jù)城市產(chǎn)匯流特點，在分析城市洪澇規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立城市洪水預(yù)報模型。根據(jù)實際工作需要，建立城市洪水、排澇預(yù)警方案和實時監(jiān)測信息發(fā)布平臺[10]。

開展城市防洪水文技術(shù)研究，應(yīng)在現(xiàn)有水文站網(wǎng)基礎(chǔ)上，適當(dāng)補充站網(wǎng)；充分收集、整理、分析城市水文調(diào)查資料與成果，進行綜合分析評價，提出合理化建議及解決措施，形成新型城市水文測報預(yù)測技術(shù)。在防洪預(yù)警決策支持系統(tǒng)中，建立了基于信息交互、工作流、資源管理、策略維護等平臺的支撐系統(tǒng)，較好地解決防汛信息處理和決策方案制定、協(xié)同會商的問題，使整個防洪預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)能夠有效地整合防洪信息資源，使決策更具有科學(xué)性與可實施性，最大限度地降低城市遭遇洪水而造成的災(zāi)害損失，保障人民財產(chǎn)安全[11-12]。

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