濟(jì)寧城市防洪水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)探討

舒博寧 ，馬 闊 ，曾 光

（1.濟(jì)寧市水文局，山東 濟(jì)寧 272019；2.山東省水利工程局有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

濟(jì)寧市為省轄地級市，位于山東省西南部，地處黃淮海平原與魯中南山地交接帶，東鄰臨沂，西與菏澤接壤，南面是棗莊市和江蘇省徐州市，北面與泰安市交界。濟(jì)寧總?cè)丝?90萬，面積1.1萬km2，是魯西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)、文化和商品的流通中心、山東省工業(yè)中心城市、淮海經(jīng)濟(jì)核心區(qū)八大城市之一。濟(jì)寧地理位置優(yōu)越，是魯西南重要的商品物資集散地，交通十分便利，京杭運(yùn)河縱貫?zāi)媳?，新石鐵路、日東高速公路橫貫東西，京福高速公路、京滬鐵路近在咫尺，327、105國道在境內(nèi)十字交匯，形成四通八達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)。

濟(jì)寧市屬于淮河流域，境內(nèi)河流眾多，密布全境。該市屬暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候區(qū)，半濕潤季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，四季分明，暖濕交替。但是目前隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市格局發(fā)生了很大的變化，城市下墊面的不透水面積增加，徑流增加，內(nèi)澇頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響城市人們的正常生活和生命安全，因此急需在濟(jì)寧市建立城市防洪水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實時監(jiān)控城區(qū)低洼地帶的積水，并及時向公眾發(fā)布預(yù)警信息，以保證公眾的生命和財產(chǎn)安全。

1 濟(jì)寧城市防洪存在問題

城市防洪是城市建設(shè)的重中之重，其能有效抵御和減輕洪水對城市造成的災(zāi)害性損失，但受限于技術(shù)能力、資金匱乏等因素，濟(jì)寧城市水文工作剛剛起步。就城市水文工作與城市發(fā)展需求及最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”要求相比，城市水文工作、城市水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)還有待提高和完善。

1）完善水文站網(wǎng)建設(shè)。水文站網(wǎng)是進(jìn)行水文預(yù)報、水資源評價開發(fā)利用的基礎(chǔ)。而濟(jì)寧市僅有后營、黃莊兩個國家基本水文站，其主要用于流域防汛及區(qū)域水文特性研究；城市水文站有3個（東石佛站、坡石橋站、許莊站），但其剛剛建成，尚未運(yùn)行。濟(jì)寧城區(qū)內(nèi)老運(yùn)河、小洸河、小府河、蓼溝河等河流均未設(shè)立水文站，不能形成完善的城市水文站網(wǎng)，無法滿足城市防汛與城市水文特性研究的要求。

2）水文監(jiān)測現(xiàn)代化水平不高，應(yīng)急監(jiān)測能力薄弱。濟(jì)寧市對城市水文水資源管理的信息化手段還比較落后，缺乏現(xiàn)代化的技術(shù)手段。對數(shù)據(jù)資料的管理還停留在紙質(zhì)存檔階段，雖然有簡單的自動化辦公設(shè)備，但是還沒有建立水資源綜合數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用軟件系統(tǒng)。同時，在信息采集方面城市水文監(jiān)測站點(diǎn)少，自動化監(jiān)測設(shè)備缺乏、儀器儀表多是采用傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化采集，導(dǎo)致信息監(jiān)測的覆蓋程度低、數(shù)據(jù)獲取不夠及時、準(zhǔn)確和完整。

3）缺乏城市水文預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。濟(jì)寧市各大中型河道洪澇災(zāi)害監(jiān)測、信息傳遞和洪水預(yù)測預(yù)報等方面有比較完善的服務(wù)體系，而在城區(qū)河流水文預(yù)測預(yù)報、信息發(fā)布和水文特性分析研究等方面仍處于空白狀態(tài)。為此，有必要構(gòu)建城市防洪水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，為城市的防洪和水資源管理提供服務(wù)。

2 水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)

2.1 建設(shè)目標(biāo)

濟(jì)寧城市防洪水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)以“理念領(lǐng)先、設(shè)施超前、技術(shù)先進(jìn)、服務(wù)優(yōu)質(zhì)”為核心，以實現(xiàn)水文現(xiàn)代化為目標(biāo)，構(gòu)建“超前、創(chuàng)新、安全、高效”的城市積水監(jiān)測系統(tǒng)，以支撐和保障城市經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

在綜合集成思想指導(dǎo)下，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為主導(dǎo)，以計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)和各采集控制終端為基礎(chǔ)，初步建成集高新技術(shù)應(yīng)用為一體的智能化城市積水監(jiān)測系統(tǒng)，基本實現(xiàn)信息數(shù)字化、控制自動化、決策智能化，使得感知內(nèi)容全覆蓋，采集信息全掌握，傳輸時間全天候，應(yīng)用貫穿全過程。

2.2 建設(shè)任務(wù)

在完善現(xiàn)有水文站網(wǎng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)監(jiān)測項目，增加城市的監(jiān)測能力，提升城市的防澇水平。結(jié)合《濟(jì)寧市城市水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)可行性研究報告》，對市區(qū)內(nèi)河道、低洼區(qū)、路段及內(nèi)澇易發(fā)區(qū)增設(shè)水位、雨量等監(jiān)測設(shè)施、設(shè)備。濟(jì)寧城市防洪水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要是建設(shè)專門針對城市內(nèi)澇的集水位、雨量監(jiān)測及信息發(fā)布、災(zāi)害預(yù)警、視頻監(jiān)控與一體的監(jiān)測設(shè)備和業(yè)務(wù)應(yīng)用。具體包括以下四個層次的內(nèi)容：

1）采集層。在前期水雨情信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)一體化發(fā)展進(jìn)程，完善前端漬水點(diǎn)和易澇點(diǎn)信息的采集。

2）傳輸層。在以“公網(wǎng)為主、公專結(jié)合”建設(shè)原則的指導(dǎo)下，進(jìn)一步完善骨干通信鏈路的建設(shè)，構(gòu)筑二級通信網(wǎng)。傳輸層主要包括通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲管理、設(shè)備管理、通訊協(xié)議管理等部分，可以采用LORA、GPRS/GSM、ZIGBEE等通信方式進(jìn)行通信。

3）平臺層。實現(xiàn)信息化與城市水文監(jiān)測業(yè)務(wù)的融合，建設(shè)信息監(jiān)測、查詢、災(zāi)情管理、預(yù)報預(yù)警等核心功能和支撐功能，并建設(shè)綜合數(shù)據(jù)庫。

4）公眾應(yīng)用層。從業(yè)務(wù)應(yīng)用向公共服務(wù)轉(zhuǎn)變，運(yùn)用信息化手段拓展水文公眾服務(wù)領(lǐng)域和功能，建設(shè)城市漬水監(jiān)測預(yù)警信息推送功能。

采集層是城市防洪的基礎(chǔ)，其主要是通過雨量傳感器、水位傳感器、視頻等設(shè)備將各類水文信息傳送至物聯(lián)網(wǎng)感知智慧單元，物聯(lián)網(wǎng)感知智慧單元能隨時接收這些數(shù)據(jù)，并將其存入數(shù)據(jù)庫；各積水點(diǎn)設(shè)置的LED屏幕和聲光電告警裝置共同構(gòu)成了預(yù)警信息發(fā)布終端，當(dāng)達(dá)到預(yù)警級別時物聯(lián)網(wǎng)感知智慧單元、中心及具有權(quán)限的移動終端均能下達(dá)指令，發(fā)布告警信息。積水點(diǎn)水位監(jiān)測站由智能水位站、智能漏電監(jiān)測儀組成的感知單元將現(xiàn)場的水深數(shù)據(jù)、漏電電壓數(shù)據(jù)通過Lora發(fā)送到智慧網(wǎng)關(guān)，智慧網(wǎng)關(guān)通過GPRS/3G/4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到中心。水文站和雨量站通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)直接發(fā)送到中心，中心同時接入氣象、城建、國土等相關(guān)信息，處理后的數(shù)據(jù)在滿足自身應(yīng)用的前提下，同時滿足其他部門應(yīng)用。中心通過相應(yīng)的軟件，接受并處理監(jiān)測站信息，根據(jù)需要向政府職能部門提供相應(yīng)的技術(shù)信息。系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)等發(fā)布相關(guān)的實時信息，市民可通過微信、手機(jī)、電腦等移動終端隨時隨地查勘漬水點(diǎn)水深等相關(guān)實時信息。路橋、涵洞等地勢低洼漬水點(diǎn)，通過實時顯示雨量、水深信息。無漬水期間，顯示屏可為市民提供水文、環(huán)境保護(hù)等科普知識，或者提供公益廣告宣傳。

3 水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)方案設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

該系統(tǒng)建設(shè)方案的設(shè)計需要考慮經(jīng)濟(jì)實用、安全可靠、嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)先進(jìn)、統(tǒng)籌兼顧的原則。建設(shè)方案的設(shè)計應(yīng)首先充分考慮區(qū)域的實際狀況，因地制宜，盡量采用實用、經(jīng)濟(jì)的設(shè)施、設(shè)備和方法，不能一味追求高精尖而忽略經(jīng)濟(jì)的實用性；其次，要采用技術(shù)成熟、實用可靠的儀器設(shè)備，能保證設(shè)備的穩(wěn)定可靠，并能保證水情信息搜集的可靠性；此外，水文測站建設(shè)應(yīng)按照測站級別、所處地理位置等進(jìn)行設(shè)計，在經(jīng)濟(jì)實用、突出水文特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，儀器設(shè)備的選取也應(yīng)該符合國家和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；第四，在保證經(jīng)濟(jì)合理的前提下，應(yīng)盡量選取先進(jìn)的技術(shù)和成熟的設(shè)備，優(yōu)先考慮自動遙測的測試方式，并輔以人工觀測，減少誤差；最后，項目建設(shè)過程中不僅要考慮不同設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸接收系統(tǒng)的兼容問題，還要預(yù)留空間，為防汛和水資源管理等服務(wù)。

3.2 方案設(shè)計

水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)方案設(shè)計主要包括水文監(jiān)測站設(shè)計、城區(qū)低洼地水深監(jiān)測站設(shè)計、雨量站設(shè)計、視頻和傳輸層設(shè)計等方面內(nèi)容。

1）水文監(jiān)測站設(shè)計。水文基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計主要包括測驗河段基礎(chǔ)設(shè)施、水位觀測設(shè)施、流量測驗設(shè)施、降水觀測設(shè)施、圖像接收設(shè)施及配套設(shè)施等。測驗河段基礎(chǔ)設(shè)施包括觀測道路、護(hù)岸及平高控制設(shè)施：水準(zhǔn)點(diǎn)、斷面樁、基線樁、標(biāo)志牌，界樁等，是水文站最基礎(chǔ)的測驗設(shè)施，確定了平高控制設(shè)施，才能確定水位、流量等測驗設(shè)施的布局。水位觀測設(shè)施有直立式水尺，浮子式水位計平臺、氣泡式水位計平臺及雷達(dá)式水位計等。

水位監(jiān)測設(shè)備應(yīng)根據(jù)本站河道、岸坡、水流、水質(zhì)、地質(zhì)特性，選擇適合本站情況、滿足本站需要的水位計，并建設(shè)相應(yīng)的水位平臺（井）、鋼支架等。根據(jù)濟(jì)寧市實際，一般優(yōu)先選用浮子式水位計，其次是雷達(dá)式水位計、氣泡水位計。

流量監(jiān)測設(shè)備應(yīng)根據(jù)流量設(shè)施和河道實際情況以及河床、水流特征合理選定。根據(jù)濟(jì)寧市的實際情況，結(jié)合過去的測流經(jīng)驗，本工程測流設(shè)備以流速儀、ADCP為主。

2）城區(qū)低洼地水深監(jiān)測站設(shè)計。本次城區(qū)低洼地水深監(jiān)測站共包括9處，其中李營站、高新開發(fā)區(qū)站、三里營站、火車站站、丹桂苑站、南辛莊站、濟(jì)寧電廠站共7處為公鐵立交涵洞水深監(jiān)測站，青少年宮站、財政局站共2處為道路水深監(jiān)測站。在城區(qū)低洼地積水點(diǎn)，通過LED大屏實時顯示水位（水深）值，給行人和車輛提供明確的建議信息，進(jìn)一步保證了行人和車輛的安全。

在綜合考慮各種水位計后，在全市范圍內(nèi)立交地道中，根據(jù)現(xiàn)場勘查情況，設(shè)計雷達(dá)式水位計垂直壁式安裝，并對其加套管，使用壽命長，免維護(hù)。由于泥沙過多會阻礙浮子運(yùn)動，而道路水深站泥沙較少，故在道路水深站旁邊設(shè)置激光水位計，以廣告牌型式展示。

3）雨量站設(shè)計?？紤]到本市降水觀測方式特點(diǎn)，雨量觀測采用一體化雨量計。承雨口采用國際標(biāo)準(zhǔn)口徑Φ200 mm。計量組件是一個翻斗式機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)秤重機(jī)構(gòu)，其功能是將以mm計的降雨深度轉(zhuǎn)換為開頭信號輸出。在雨量計安裝后，需要進(jìn)行三次人工模擬降水試驗，每次人工降水試驗時，要人工計數(shù)雨量計翻斗次數(shù)，對照數(shù)據(jù)中心電腦顯示的雨量計數(shù)，二者必須完全相同，三次試驗必須都達(dá)到要求，若發(fā)現(xiàn)有一次不合格，必須查明原因，再進(jìn)行三次降水試驗，以確保儀器的精準(zhǔn)性。

4）視頻與傳輸層設(shè)計。該建設(shè)方案設(shè)計在每個城市水文監(jiān)測站及低洼地水深監(jiān)測站安裝視頻監(jiān)控裝置。視頻監(jiān)控裝置一般正對著反光水尺，用于查看積水區(qū)域環(huán)境、確認(rèn)水位信息。為節(jié)約能源和降低產(chǎn)品消耗，避免錯誤數(shù)據(jù)干擾，在未下雨時，除雨量外，水位、漏電、LED系統(tǒng)平時處于待機(jī)狀態(tài)；待機(jī)狀態(tài)下，LED屏幕只能完成來自中心的通知發(fā)布。接到中心通知后，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)；水位、漏電傳感器等啟動，每2分鐘采集1次水位信息。雨量傳感器5分鐘采集一次雨量信息。達(dá)到預(yù)警閥值時，智慧網(wǎng)關(guān)結(jié)合圖像水尺的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步判斷，再通過規(guī)則庫進(jìn)行判斷，通過后進(jìn)行預(yù)警顯示，同時發(fā)送一張圖片到中心備案，中心通知相關(guān)部門（消防、市政等）待命；達(dá)到報警閾值時，進(jìn)行報警顯示，同時通過相關(guān)渠道全面發(fā)送通知。

4 結(jié)論

城市作為區(qū)域的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起主導(dǎo)作用，洪澇災(zāi)害對其危害巨大。而城市水文工作的開展能為城市防洪提供有力的依據(jù)，以促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。本系統(tǒng)的建設(shè)是濟(jì)寧城市防洪中重要的工程措施，其能通過相關(guān)設(shè)備實時獲取城市的暴雨積水信息，并通過中心實時傳輸水文信息，及時通過各種媒介發(fā)布給公眾，有效提高城市水文信息化的管理水平，確保公眾的生命財產(chǎn)安全，降低城市的內(nèi)澇損失。