海南省沿岸警戒潮位標(biāo)志物建設(shè)探究

陳 周符燁全王青顏熊嘉才石?，摾蠲现仓烊f里

(1.海南省海洋監(jiān)測預(yù)報中心,海南 海口570206;2.海南省海洋預(yù)報臺,海南 ?？?70206)

警戒潮位是指沿海防護(hù)區(qū)可能出現(xiàn)險情和潮災(zāi),需進(jìn)入戒備或救災(zāi)狀態(tài)的潮位既定值①原國家海洋局預(yù)報減災(zāi)司.警戒潮位現(xiàn)場標(biāo)志物設(shè)置規(guī)范,2018.,是海洋預(yù)報部門發(fā)布預(yù)警信息及指導(dǎo)政府部門進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)決策的重要參考[1-2]。風(fēng)暴潮主要是指由于強(qiáng)烈的大氣擾動,如強(qiáng)風(fēng)和氣壓驟變引起的海面異常升高現(xiàn)象。風(fēng)暴潮疊加在正常潮位上,同時疊加風(fēng)浪、涌浪,三者共同作用引起的沿岸海水暴漲而釀成的巨大災(zāi)害,稱之為風(fēng)暴潮災(zāi)害[3]。2017年,依據(jù)海南省風(fēng)暴潮災(zāi)害發(fā)生特點(diǎn)、規(guī)律,沿海海岸工程的防御能力及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面,海南省政府向社會公布了海南島沿岸14個岸段核定的藍(lán)色、黃色、橙色和紅色警戒潮位值,分別以藍(lán)、黃、橙和紅四色予以顯示[4]。

海南是海洋大省,海洋經(jīng)濟(jì)在全省生產(chǎn)總值(Gross Domestic Product,GDP)中的比重越來越高,同時,海南也是我國風(fēng)暴潮災(zāi)害發(fā)生最頻繁的地區(qū)之一,海洋產(chǎn)業(yè)大面積受災(zāi)會嚴(yán)重影響全省海洋經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)發(fā)展,給人民生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)峻威脅[5]。據(jù)近10 a《中國海洋災(zāi)害公報》(2010-2019年)統(tǒng)計[6-15],海南省海洋災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失72.54億元,其中,風(fēng)暴潮直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到60.43億元。隨著海南自由貿(mào)易港建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn),加強(qiáng)海洋災(zāi)害預(yù)警體系建設(shè),提升觀測預(yù)警能力迫在眉睫。建設(shè)警戒潮位標(biāo)志物,方便有關(guān)部門及群眾有針對性地采取措施預(yù)防風(fēng)暴潮災(zāi)害,對減少海洋災(zāi)害損失具有重要意義[7]。2018年,原國家海洋局印發(fā)《警戒潮位現(xiàn)場標(biāo)志物設(shè)置規(guī)范》①,要求對沿海重要岸段和人口密集區(qū)完成警戒潮位現(xiàn)場標(biāo)志物設(shè)置工作,目前,沿海各省份已經(jīng)陸續(xù)開展警戒潮位標(biāo)志物建設(shè)工作[7],海南省的這一工作也在有序推進(jìn)之中。

根據(jù)海南省海洋災(zāi)害預(yù)警形勢現(xiàn)狀,結(jié)合海洋災(zāi)害預(yù)警體系建設(shè)現(xiàn)有成果,本文探究在海南省北部到東北部一帶沿海建設(shè)利用K波段雷達(dá)進(jìn)行潮位實(shí)時監(jiān)測和風(fēng)光互補(bǔ)自供電等功能于一體的警戒潮位標(biāo)志物,以期進(jìn)一步完善海南海洋災(zāi)害預(yù)警體系和海洋觀測能力建設(shè),提升公眾海洋災(zāi)害防御意識,有效降低風(fēng)暴潮災(zāi)害損失。

1 建設(shè)區(qū)域概況

1.1 自然條件

海南島位于祖國南端,隔瓊州海峽與大陸相望,屬熱帶季風(fēng)島嶼型氣候,年平均氣溫22.5～25.6℃,水汽來源充足,年降水量1 500～2 500 mm,雨量豐富,但時空分布不均,干、濕季明顯,雨季一般出現(xiàn)在5-10月,雨量約占全年的80%。海南省海岸線資源豐富,總長1 822.8 km,周邊海域油氣、漁業(yè)、旅游、港灣、潟湖等海洋資源豐富,為海南省加快發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、創(chuàng)建海洋經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省提供了優(yōu)越的資源和環(huán)境條件,也是海南省經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[16]。

海南省北部到東北部包含?？谑泻臀牟?是海南經(jīng)濟(jì)開發(fā)重點(diǎn)區(qū)域,同時也是“海澄文一體化”核心區(qū)域,區(qū)域內(nèi)重大基礎(chǔ)設(shè)施集中,擁有多元產(chǎn)業(yè)集群,交通條件便利,擁有海口灣、鋪前灣和清瀾灣三個海灣及東寨港國家級自然保護(hù)區(qū)。但是,海南省北部到東北部8—11月間常受臺風(fēng)影響,年平均臺風(fēng)影響個數(shù)為2.6個,易發(fā)生風(fēng)暴潮、災(zāi)害性海浪、海嘯、海岸侵蝕、海水入侵及土壤鹽漬化等海洋災(zāi)害[17-20],嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1.2 風(fēng)暴潮災(zāi)害發(fā)生情況

海南省北部到東北部是臺風(fēng)登陸最頻繁的地區(qū),是海南這個“臺風(fēng)走廊”最偏愛的“入口”,據(jù)《臺風(fēng)年鑒》[18]和海南省風(fēng)暴潮災(zāi)害歷史資料統(tǒng)計,近50 a登陸海南省的臺風(fēng)最高概率登陸點(diǎn)在海南島北部到東北部一帶沿海,占登陸總數(shù)的33.3%,平均每年約有1次超警戒潮位的風(fēng)暴潮增水過程[7-9]。2014年,1409號超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”和1415號臺風(fēng)“海鷗”先后在海南文昌翁田登陸,海南島東北部沿海分別出現(xiàn)65～215 cm和30～209 cm的風(fēng)暴潮增水,造成直接經(jīng)濟(jì)損失36.58億元[6,21-23]。

2 建設(shè)目的

海南省北部到東北部常年受風(fēng)暴潮災(zāi)害影響,而此區(qū)域僅有原國家海洋局建設(shè)的秀英和清瀾兩個驗潮站,潮位觀測資料嚴(yán)重不足,給風(fēng)暴潮預(yù)報預(yù)警精度帶來極大挑戰(zhàn)。而在海南島北部到東北部一帶沿海建設(shè)具有潮位實(shí)時監(jiān)測功能的警戒潮位標(biāo)志物,可以為應(yīng)對海洋災(zāi)害提供及時、準(zhǔn)確的實(shí)時基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并不斷豐富該區(qū)域內(nèi)海洋基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù),優(yōu)化、調(diào)整海南省海洋觀測網(wǎng)布局,提升海洋觀測水平,提高海南省海洋環(huán)境觀測和實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的能力。此外,附屬設(shè)施的建設(shè),還有助于加強(qiáng)風(fēng)暴潮防災(zāi)減災(zāi)知識宣傳,提升公眾風(fēng)暴潮災(zāi)害防御意識,完善海洋災(zāi)害預(yù)警體系,最大程度降低風(fēng)暴潮災(zāi)害造成的損失,保障海南自由貿(mào)易港建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)。

3 警戒潮位標(biāo)志物整體設(shè)計

警戒潮位標(biāo)志物整體設(shè)計內(nèi)容包括基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)和警戒潮位標(biāo)志物結(jié)構(gòu)的設(shè)計?；A(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)主要包括底座、人行懸臂、防護(hù)欄和主塔桿(圖1和圖2)。警戒潮位標(biāo)志物結(jié)構(gòu)包含前端傳感器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集控制單元、供電控制單元、無線通訊終端及報警裝置等(圖3)。根據(jù)實(shí)際需求,設(shè)計時可將警戒潮位標(biāo)志物報警裝置進(jìn)行拆分安裝;拆分的報警裝置除了不具備前端傳感器設(shè)備外,其他設(shè)備與警戒潮位標(biāo)志物建設(shè)站點(diǎn)相同,具有獨(dú)立的供電控制單元、無線通訊終端及報警裝置,可通過無線通訊終端接收前端傳感器監(jiān)測的實(shí)時潮位數(shù)據(jù),根據(jù)核定的警戒潮位數(shù)據(jù),啟動相關(guān)程序,自動報警,切實(shí)將警戒潮位標(biāo)志物的功能發(fā)揮到最大化。

圖1 警戒潮位標(biāo)志物結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.1 The structural design drawing of the warning tide level marker

圖2 警戒潮位標(biāo)志物建設(shè)圖Fig.2 The construction map of the warning tide level marker

3.1 基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)

參考近50 a登陸海南省的最大臺風(fēng)的等級,基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)強(qiáng)度等級設(shè)計為17級,可確保在惡劣天氣情況下屹立不倒。

底座采用鋼筋水泥混凝土材質(zhì)制作,分為上下兩部分,底部基礎(chǔ)長寬各1.5 m,固定于海床,高度根據(jù)建設(shè)地點(diǎn)海拔高度確定,上部為一個平臺,方便設(shè)備安裝和維護(hù)。在平臺上用混凝土澆筑一個長、寬、高為0.6 m×0.6 m×1 m的凸起,即底座的上部分,用于固定標(biāo)志物主塔桿,混凝土材質(zhì)堅固、耐腐蝕。

人行懸臂、防護(hù)欄和主塔桿選用鏤空鍍鋅鋼架,可減少惡劣天氣下風(fēng)浪阻力、具耐腐蝕性,主塔桿長、寬各約0.4 m,高7.6 m,其上可布設(shè)多種傳感器設(shè)備。參考海南省歷史最高風(fēng)暴潮增水資料,在主塔桿2.5 m處設(shè)置人行懸臂,伸出部分用于搭載消波管和潮位觀測K波段雷達(dá)水位計。

3.2 警戒潮位標(biāo)位物結(jié)構(gòu)

3.2.1 前端傳感器設(shè)備

前端傳感器設(shè)備主要包括K波段雷達(dá)水位計、光學(xué)設(shè)備(高清攝像機(jī))及擴(kuò)展傳感器等。K波段雷達(dá)水位計用來進(jìn)行潮位測量,所選的雷達(dá)探測距離可達(dá)15 m,測量精度(±2)mm。將K波段雷達(dá)安裝在管徑為10 cm的消波管中并深入水下,可防止因海浪波動過大對測量結(jié)果造成影響。光學(xué)設(shè)備(攝像頭)用來采集視頻資料,并利用無線通訊終端將視頻資料傳輸至后臺服務(wù)器進(jìn)行存儲,緊急情況下管理中心可通過網(wǎng)絡(luò)接口訪問、控制光學(xué)設(shè)備?？蓴U(kuò)展傳感器及接口包括溫濕度儀、風(fēng)向儀、風(fēng)速儀、雨量器等傳感器,根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)需求的不斷增加可進(jìn)行傳感器的擴(kuò)展。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集控制單元

數(shù)據(jù)采集控制單元主要包括數(shù)據(jù)采集器和報警控制器。數(shù)據(jù)采集器采用成熟的工業(yè)級高性能ARM處理器,具有多種常用外部數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備,主要作用是對前端傳感器設(shè)備測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計算、存儲和通信傳輸?shù)?。另?通過定制開發(fā)的嵌入式應(yīng)用軟件,還可控制站點(diǎn)觀測設(shè)備進(jìn)行自診斷、日志管理和存儲數(shù)據(jù)導(dǎo)出等。

報警控制器可根據(jù)K波段雷達(dá)水位計實(shí)測潮位數(shù)據(jù),結(jié)合已存儲的4色警戒潮位值控制報警裝置進(jìn)行分層級報警。此外,報警控制器還能通過無線通訊終端接收管理中心指令,遠(yuǎn)程控制報警裝置等。

3.2.3 供電控制單元

供電控制單元主要包含風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備、蓄電池組和電源充電控制器,負(fù)責(zé)為海南省警戒潮位標(biāo)志物設(shè)備統(tǒng)一供電。

充分考慮海南自然資源優(yōu)勢和海洋災(zāi)害影響期間的天氣情況,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備采用1套12 V,60 W的太陽能組件和1套200 W的風(fēng)力發(fā)電機(jī)混合為蓄電池組提供電能。風(fēng)力和太陽能發(fā)電設(shè)備安裝于主塔桿上部,為防止設(shè)備被海潮或海浪淹沒時造成的短路危害內(nèi)部控制電路,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備設(shè)計時已采用防短路保護(hù)措施。

蓄電池組采用高性能膠體蓄電池,電壓12 V,容量200 Ah,安裝于密閉的電源箱內(nèi)部,具備充放電保護(hù)與溫度補(bǔ)償功能,能夠輸出多路12 V直流電,為全部用電器供應(yīng)電能。

電源充電控制器采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)設(shè)計,轉(zhuǎn)換效率大于95%,能夠自動識別白天和黑夜,調(diào)整充放電參數(shù),保證正常電池使用壽命,并可通過接口可以與控制終端進(jìn)行通信,方便查看控制器的運(yùn)行參數(shù)。此外,電源充電器控制器兼具光伏陣列短路保護(hù)、光伏陣列過壓保護(hù)、光伏陣列過流保護(hù)、光伏組件極性反接保護(hù)、蓄電池過放保護(hù)、蓄電池過充保護(hù)、蓄電池極性反接保護(hù)、負(fù)載過載保護(hù)、負(fù)載短路保護(hù)等功能。

3.2.4 無線通訊終端

警戒潮位標(biāo)志物建設(shè)站點(diǎn)與管理中心采用4G和北斗通訊終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和控制。4G通訊終端日

常處于工作狀態(tài),負(fù)責(zé)站點(diǎn)與管理中心日常通信傳輸;北斗通訊終端由于通信速率和單次容量方面的限制,日常處于關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)檢測到4G通訊終端出現(xiàn)故障時主動喚醒,負(fù)責(zé)緊急情況下的信息傳輸。

3.2.5 報警裝置

采用藍(lán)、黃、橙和紅四色環(huán)狀LED光源燈作為報警裝置,分別對應(yīng)已核定岸段的4色警戒潮位值,環(huán)狀LED燈環(huán)安裝于主塔桿上方,外部采用玻璃鋼材質(zhì)包裹,耐腐蝕、抗強(qiáng)風(fēng),光源明亮,可在夜間發(fā)揮風(fēng)暴潮潮位警示作用,有效視距滿足實(shí)際需求。

根據(jù)實(shí)際需求,可在主塔桿頂部安裝擴(kuò)音喇叭,在緊急情況下,管理中心通過無線通訊終端控制擴(kuò)音喇叭進(jìn)行提前預(yù)警,提醒附近居民緊急轉(zhuǎn)移安置,有效提升廣大群眾的防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)急處置能力。

4 附屬標(biāo)志牌

為加強(qiáng)風(fēng)暴潮防災(zāi)減災(zāi)知識宣傳教育,增強(qiáng)公眾對警戒潮位值的感性認(rèn)識和風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險防范意識,按照《警戒潮位現(xiàn)場標(biāo)志物設(shè)置規(guī)范》要求,在警戒潮位標(biāo)志物附近設(shè)置附屬標(biāo)識牌。依據(jù)當(dāng)?shù)刈匀?、人文景觀特點(diǎn),附屬標(biāo)識牌材料采用不銹鋼或防腐實(shí)木制作,規(guī)格為1.30 m×0.85 m,安裝高度距離地面1.2 m;為防止惡劣天氣對標(biāo)識牌造成破壞,標(biāo)識牌安裝地址選擇在警戒潮位標(biāo)志物附近避風(fēng)處。標(biāo)識牌底色為綠色,字體顏色為白色,主要內(nèi)容包括警戒潮位標(biāo)志物簡介、工作原理、歷史臺風(fēng)和風(fēng)暴潮災(zāi)害知識簡介、4色警戒潮位值、警示含義、災(zāi)害應(yīng)對措施、疏散路徑圖和主管部門名稱等。此外,為應(yīng)對沿海高溫高濕環(huán)境對標(biāo)識牌內(nèi)容造成破壞,標(biāo)識牌表面均粘貼一層密封PVC膜。

5 建設(shè)流程

依據(jù)海南省風(fēng)暴潮災(zāi)害歷史資料分析并結(jié)合實(shí)地調(diào)研,確定警戒潮位標(biāo)志物建設(shè)站點(diǎn)。采用《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》[23]中規(guī)定的二等水準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)對警戒潮位標(biāo)志物設(shè)置站點(diǎn)進(jìn)行高程測量,切實(shí)保證潮位觀測值的準(zhǔn)確度,為風(fēng)暴潮災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)報、警報工作提供數(shù)據(jù)支撐。詳細(xì)建設(shè)流程見圖4。

圖4 建設(shè)流程Fig.4 The construction process

6 管理中心平臺

為保證警戒潮位標(biāo)志物的正常運(yùn)行,根據(jù)實(shí)際工作需要,本文開發(fā)了一套基于C/S架構(gòu)模式設(shè)計的管理中心平臺,用于監(jiān)控警戒潮位標(biāo)志物對潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控、分析和存儲等。此外,管理中心平臺還支持實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)視、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)查詢等業(yè)務(wù)應(yīng)用。緊急情況下,管理中心平臺可通過無線終端傳輸方式遠(yuǎn)程觸發(fā)警戒潮位標(biāo)志物報警裝置啟動,及時發(fā)布戒備或撤離通告,最大限度地預(yù)防和減少海洋災(zāi)害造成的損失,提升海洋防災(zāi)減災(zāi)能力。

7 結(jié) 論

依據(jù)《警戒潮位現(xiàn)場標(biāo)志物設(shè)置規(guī)范》,本文對海南省沿岸警戒潮位標(biāo)志物建設(shè)進(jìn)行了探究,得到主要結(jié)論如下:

1)海南省沿海警戒潮位標(biāo)志物由“智能硬件+綜合平臺”體系構(gòu)成,建設(shè)內(nèi)容包括前端傳感器、K波段雷達(dá)潮位儀、風(fēng)光互補(bǔ)自供電和自動報警裝置、附屬標(biāo)識牌和管理中心平臺等。

2)警戒潮位標(biāo)志物通過內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可實(shí)時在線獲取建設(shè)站點(diǎn)地區(qū)潮位數(shù)據(jù)和現(xiàn)場監(jiān)控資料,提升了潮位監(jiān)測的智能化、數(shù)據(jù)分析的標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)警發(fā)布的自動化等水平,有利于提高海洋災(zāi)害預(yù)警體系建設(shè)能力。

3)建設(shè)附屬標(biāo)識牌,可增加社會公眾對警戒潮位值的感性認(rèn)識,提升海洋災(zāi)害防御知識的普及。

海南省警戒潮位標(biāo)志物具有耐腐蝕性強(qiáng)、硬度大、重量輕、抗風(fēng)能力強(qiáng)、功耗和建設(shè)成本低的特點(diǎn),此外,還能作為一個基礎(chǔ)共用平臺,搭載氣象、水質(zhì)監(jiān)測等擴(kuò)展傳感器,并利用已建設(shè)的通訊鏈路,提供更加豐富的海洋觀測及監(jiān)測數(shù)據(jù)。

準(zhǔn)確可靠的觀測數(shù)據(jù),是海洋預(yù)報部門發(fā)布風(fēng)暴預(yù)警報的重要參考,也是各級政府防潮減災(zāi)指揮決策的依據(jù)。在海南島北部到東北部一帶沿海建設(shè)警戒潮位標(biāo)志物,有效解決了該區(qū)域海洋觀測能力不足的問題,強(qiáng)化了海洋觀測體系建設(shè),有助于最大限度地預(yù)防和減少海洋災(zāi)害造成的損失,提升防災(zāi)減災(zāi)能力。