城市水文防汛預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

李 青(安慶水文水資源局，安徽 安慶 246003)

城市水文防汛預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

李 青
(安慶水文水資源局，安徽 安慶 246003)

根據(jù)城市水文防汛具體要求，提出了水文防汛監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念,認(rèn)為應(yīng)由監(jiān)測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、前臺監(jiān)測設(shè)備和測量系統(tǒng)四部分組成，發(fā)揮分類管理、數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警、查詢、存儲和通信等功能，并進(jìn)一步簡述了激光水位計(jì)在城市水文防汛系統(tǒng)中的適用性及監(jiān)測設(shè)備的安裝方法.通過系統(tǒng)上線運(yùn)行情況來看，系統(tǒng)功能比較完善、運(yùn)行平穩(wěn)，能夠?yàn)榉姥床块T提供一手降雨量信息與預(yù)警信號提示.

城市水文；預(yù)警系統(tǒng)；激光水位計(jì)

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市經(jīng)濟(jì)已成為國民經(jīng)濟(jì)重要組成部分.復(fù)雜多變的氣候環(huán)境對城市防汛排澇預(yù)警工作提出了更高的要求.進(jìn)入夏季以來，我國很多地區(qū)突發(fā)暴雨，個(gè)別城市甚至出現(xiàn)了城市內(nèi)澇的狀況.如何在多雨季節(jié)，對城市進(jìn)行防汛設(shè)施的提前布設(shè)，是非常重要的.城市暴雨內(nèi)澇主要成因有：(1)天氣氣象條件，短時(shí)間高強(qiáng)度降雨；(2)城市建設(shè)快速發(fā)展，建筑設(shè)施和道路硬化施工對地表匯流條件產(chǎn)生了重大影響；(3)城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)滯后于城市建設(shè)，特別是為了環(huán)節(jié)市政道路交通擁堵問題，建設(shè)了大量高架橋、地下通道和隧道，這類區(qū)域地勢較低，容易產(chǎn)生較深積水[1].例如，2016年6月30日開始，合肥市迎來入汛以來最強(qiáng)的一次降雨過程，市中南部區(qū)域遭受超強(qiáng)暴雨襲擊，至2017年7月6日，全市面平均降雨量200 mm，其中市區(qū)162 mm，全市14個(gè)站降雨量超500 mm，籠罩面積3 576 km2，占全市總面積13.4%；全市27個(gè)站降雨量超400 mm，籠罩面積696 km2，占全市總面積27.4%，其中廬江縣所有站點(diǎn)雨量均達(dá)400 mm以上；全市45個(gè)站降雨量超300 mm，籠罩面積5 400 km2，占全市總面積40.0%；全市141個(gè)站降雨量超100 mm，籠罩面積10 427 km2，占全市總面積77.2%.受強(qiáng)降雨影響，城市出現(xiàn)多處積水點(diǎn).不僅給廣大市民造成巨大出行不便，同時(shí)也嚴(yán)重影響了社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)順利開展.因此，城市必須要加強(qiáng)防汛預(yù)警監(jiān)測工作，采用現(xiàn)代化信息技術(shù)，在該市中心城區(qū)建立城市水文防汛預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測城區(qū)內(nèi)各主要積水點(diǎn)水文條件變化，為市民提供最新水文監(jiān)測信息，指導(dǎo)行人和車輛盡量繞開積水點(diǎn)出行，最大程度降低積水對社會交通的影響[2].本文將城市水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)情況進(jìn)行深入分析，以總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，同時(shí)為開展水文防汛預(yù)警提供參考意見.

1 城市水文防汛預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能

城市水文防汛監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成：分別是監(jiān)測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、前臺監(jiān)測設(shè)備和測量系統(tǒng).監(jiān)測系統(tǒng)主要由通信線路、服務(wù)器、水文數(shù)據(jù)分析軟件等組成，能夠與寬帶網(wǎng)絡(luò)順利連接[1]；通信系統(tǒng)主要是采用GPRS、短消息或北斗衛(wèi)星等多種通訊方向監(jiān)測中心傳輸數(shù)據(jù)；前臺監(jiān)測設(shè)備主要負(fù)責(zé)水文信息搜集、采集和傳輸，它同時(shí)還具有水文數(shù)據(jù)分析和存儲功能，一般采用無線通信方式向后臺檢測中心發(fā)送數(shù)據(jù)；測量系統(tǒng)主要由水位監(jiān)測儀、雨水傳感器、監(jiān)控視頻等組成，測量系統(tǒng)具有連續(xù)或者間斷測量功能，可根據(jù)實(shí)際需要靈活設(shè)置，一般在主汛期采取連續(xù)測量模式，每隔5 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)[4].

城市水文防汛預(yù)警系統(tǒng)功能主要有：分類管理、數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警、查詢、存儲和通信等[5].中心站利用專業(yè)軟件工具，接受和處理前臺監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)回的監(jiān)測信息，再將處理好的信息發(fā)送給決策部門.城市水文防汛預(yù)警系統(tǒng)也可以通過各種信息平臺對公眾發(fā)布水文信息，公眾可以通過a手機(jī)、電腦、電視等信息渠道查看城區(qū)各主要防汛點(diǎn)水文信息.在一些比較重要的積水路段，例如橋洞、隧道、涵洞等周邊增設(shè)電子顯示屏幕，實(shí)時(shí)公布積水水位變化信息.在無漬水期間，電子顯示屏還可以作為水文和防汛科普知識宣傳平臺，提高社會防汛意識和能力.監(jiān)測中心能夠與各種軟件和信息系統(tǒng)兼容對接，可支持遠(yuǎn)程操控、程序設(shè)計(jì)、參數(shù)修改等功能，同時(shí)還具有上報(bào)水文信息、發(fā)出防汛預(yù)警信號等功能；它與監(jiān)控視頻直接聯(lián)系，可以即時(shí)抓拍現(xiàn)場圖片，為決策部門提供詳細(xì)的參考信息[6].站點(diǎn)水深監(jiān)測顯示(見圖1).

圖1 監(jiān)測點(diǎn)水深監(jiān)測現(xiàn)場效果圖

2 城市水文防汛預(yù)警系統(tǒng)主要設(shè)備介紹

城市水文防汛預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)由于需要執(zhí)行數(shù)據(jù)接收、存儲操作，為保證其正常運(yùn)行，應(yīng)配置相關(guān)設(shè)備，其主要設(shè)備由前臺監(jiān)測設(shè)備和核心測量設(shè)備組成.下面對這兩種設(shè)備進(jìn)行具體介紹.

前臺監(jiān)測設(shè)備主要負(fù)責(zé)水文數(shù)據(jù)采集、存儲和發(fā)送，需要消耗較多電能，應(yīng)采用低功率設(shè)備.對于太陽光光照充分的監(jiān)測地點(diǎn)，可以盡量采用太陽能電板作為能源供給，這可以有效提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性.系統(tǒng)通信可以采用GSM、GPRS以及衛(wèi)星通信等多種通信技術(shù)，可以根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇；一般系統(tǒng)要具有多種通信技術(shù)兼容功能；系統(tǒng)可支持在線工作，也可以定時(shí)啟動(dòng)；要與工業(yè)照相機(jī)相連接，提供即時(shí)現(xiàn)場抓拍服務(wù).

測量設(shè)備是預(yù)警系統(tǒng)核心組成部分，分為水位測量設(shè)備和降水量測量設(shè)備.水位測量設(shè)備主要采用激光水位計(jì)，因?yàn)榧す馑挥?jì)采用激光儀監(jiān)測水位變化，具有精度高、抗干擾性的特點(diǎn)；同時(shí)采用聚氯乙烯管作為安裝材料，可以有效避免行人、車輛對水位計(jì)的干擾，使用壽命長，維護(hù)管理成本較低，比較適合城市水文監(jiān)測環(huán)境.降水量測量主要采用翻斗式雨量計(jì)，因?yàn)榉肥接炅坑?jì)可以將降雨量轉(zhuǎn)換為以開關(guān)量形式表示的數(shù)字信息量輸出，以滿足信息傳輸、處理、記錄和顯示的需要.雨水由最上端的承水口進(jìn)入承水器，落入接水漏斗，經(jīng)漏斗口流入翻斗，當(dāng)積水量達(dá)到一定高度(0.5 mm)時(shí)，翻斗失去平衡翻倒.每一次翻斗傾倒，使開關(guān)接通電路，向記錄器輸送一個(gè)脈沖信號，記錄器就可將雨量記錄下來[7].

監(jiān)測站點(diǎn)的主要設(shè)備配置及性能指標(biāo)(見表1).

3 城市水文防汛預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備安裝

(1)激光水位計(jì)安裝.激光水位計(jì)傳感器通常安裝在積水深處地面.首先將安裝點(diǎn)處水泥面清理干凈，然后在地面打入3～4個(gè)膨脹螺釘，以固定激光水位計(jì)保護(hù)罩，保護(hù)罩與地面呈垂直狀.激光探頭保護(hù)管采用不銹鋼材質(zhì)，外徑介于80～120 mm之間.在豎直混凝土平面上進(jìn)行安裝操作，在上面安裝可調(diào)節(jié)高低抱箍，將抱箍調(diào)節(jié)到同一個(gè)水平面上，好激光保護(hù)管固定(見圖2).

表1 監(jiān)測站點(diǎn)設(shè)備配置清單

圖2 激光水位計(jì)安裝簡圖

(2)雨量監(jiān)測儀安裝.雨量計(jì)主要有兩種安裝方式，一種是桿式，另一種是臺(基座)式.安裝過程中，要保證雨量計(jì)器口保持水平狀，安裝牢固，能夠有效抵抗大風(fēng)、大雨沖擊并不會發(fā)生移動(dòng)和傾斜，同時(shí)保持其周邊通透、開放.

(3)前臺監(jiān)測儀器安裝.控制柜內(nèi)主要包括傳感器、蓄電池、太陽能充電器以及測控終端等.控制柜要具有良好的防水性，根據(jù)現(xiàn)場布線要求，選擇在高架橋、橋洞上方安裝，采用膨脹螺栓固定.

(4)顯示屏安裝.由于監(jiān)測點(diǎn)地勢較低、濕度較大，顯示屏必須要安裝在較高的高度，才能夠保證信息有效公開和傳達(dá).先在鋼板上打孔，在將鋼板焊接到高架橋或者電線桿上，并在固定好的鋼板上安裝顯示頻，用螺絲固定.

(5)太陽能板安裝.太陽能板用螺絲固定在角鋼上，再將角鋼固定在朝陽處，板面要正對南方，以最大化吸收太陽能，同時(shí)保證周邊不得有遮擋物.

(6)工業(yè)相機(jī)安裝.工業(yè)相機(jī)一般安裝在橋上方，在保證拍攝視角有效的情況下，安裝高度要大于2.5 m.監(jiān)控?cái)z像頭及其配套設(shè)備例如雨搭、保護(hù)罩、鏡面、底座等，要固定，可以滿足多角度旋轉(zhuǎn)拍攝需要.在存在強(qiáng)電磁干擾的情況下，監(jiān)控?cái)z像頭要采用絕緣保護(hù)措施[8].

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

本系統(tǒng)采用了互聯(lián)網(wǎng)和無線信號通信技術(shù)作為數(shù)據(jù)采集和傳輸工具安裝完成后，進(jìn)行了多次真實(shí)環(huán)境模擬檢驗(yàn)，同時(shí)對2016年合肥市市區(qū)降雨量進(jìn)行了降雨量監(jiān)測(見表3).根據(jù)表3，全年平均誤差為+2.6%，除個(gè)別月份誤差受儀器維護(hù)影響(儀器清洗、設(shè)備配件調(diào)試更換)外，大部分月份誤差均不超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)誤差(±4%).例如，2016年全市汛期(5～9月)系統(tǒng)監(jiān)測累計(jì)值為789.5 mm，人工觀測值累計(jì)為805.6 mm，平均誤差為+0.2%；主汛期(6～9月)系統(tǒng)監(jiān)測累計(jì)值為659.5 mm，人工觀測值累計(jì)為663.4 mm，平均誤差為+0.6%.通過系統(tǒng)目前試運(yùn)行情況來看，該系統(tǒng)功能比較完善、運(yùn)行平穩(wěn)，能夠?yàn)榉姥床块T提供一手降雨量信息與預(yù)警信號提示，為合肥市防汛部門提供可靠的決策信息.

表3 2016年合肥市市區(qū)逐月降雨量

5 結(jié) 語

城市水文防汛預(yù)警系統(tǒng)通過采用互聯(lián)網(wǎng)和無線信息通信技術(shù)作為數(shù)據(jù)采集和傳輸工具、使用當(dāng)前最先進(jìn)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控技術(shù)和GIS技術(shù)來檢測城市空間雨情變化請，能夠提高應(yīng)急處置效率，有效預(yù)防城市內(nèi)澇帶來的不利影響，保證城市功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn).一方面，公眾可以通過手機(jī)、電腦等信息渠道查看城區(qū)各主要防汛點(diǎn)水文信息，盡量減少出行避開積水路段，防范和遏制重特大事故發(fā)生，從而保障生命與財(cái)產(chǎn)安全；另一方面，城市防汛部門可以通過該系統(tǒng)記錄的歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析未來的走勢，密切關(guān)注雨情變化，對未來強(qiáng)降雨天氣提早部署，及時(shí)排除積水.

[1] 吳乃康.浙江城市防洪問題研究[J].浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2008,20(4):51-54.

[2] 劉延凱.城市防洪與排水[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

[3] 林祚頂.水文現(xiàn)代化與水文新技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社，2008.

[4] 劉文光.水文分析與計(jì)算[M].北京：水利電力出版社，1989.

[5] 中華人民共和國水利部.GB/T22482—2008水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[6] 中華人民共和國水利部.SL61—2003水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社，2003.

[7] 國家環(huán)境保護(hù)總局.HJ/T174—2005降雨自動(dòng)采樣器技術(shù)要求及檢測方法[S].北京:中國環(huán)境出版社，2005.

[8] 屠慧林，馮 磊.平湖市城市防洪工程的建設(shè)與運(yùn)行[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2014,20(3):64-66.

Implementation and Application of Urban Hydrological Flood Warning System

LI Qing
(Hydrology and Water Resources Bureau of Anqing, Anqing 246003, China)

Due to the changing climate environment and frequent extreme weather, urban water logging caused by heavy rain becomes a serious threat, affecting the normal production and life of the urban residents. Therefore, how to strengthen urban hydrological flood monitoring and early warning forecast is increasingly imminent. According to the detailed requirements of urban hydrological flood control, the design idea as to the hydrological flood monitoring and warning system is proposed, composed with monitoring system, communication system, front monitoring device and measuring system in charge of systematic management, data compilation, early warming, information inquiring, storage and communication. The applicability of laser water level gauge in urban hydrological flood control and the installment method of measuring device are introduced briefly. The trials are perfect and smooth, providing first-hand information of rainfall and early warning signal for flood prevention department.

urban hydrology; early warning system; laser water level gauge

2016-09-05

李 青(1986-)，女，安徽安慶人，助理工程師，從事水文測報(bào)與水文資料整編工作.

TV124

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1008-536X(2017)02-0068-04