河北智能型警戒潮位監(jiān)測點建設探究及應用

李巖松 ，王久良* ，楊 超 ，劉德武 ，李 躍 ，王秋妍 ，王 輝

（1. 河北 省地質 礦 產(chǎn)勘查 開發(fā)局 第五 地質大隊, 河 北 唐 山 063000；2. 河北省 海洋地 質 環(huán)境調 查中心, 河 北 唐 山 063000；3. 唐山 市自然 資 源和規(guī) 劃局, 河北 唐山 063000；4. 唐山市 曹妃甸 區(qū)自然資 源和規(guī) 劃局, 河北 唐山 063200）

風暴潮是一種災害性的自然現(xiàn)象，是指由于劇烈的大氣擾動，如強風和氣壓驟變（通常指臺風和溫帶氣旋等災害性天氣系統(tǒng)）導致海水異常升降的現(xiàn)象[1]，當天文潮疊加風浪、涌浪達到一定程度引起海岸水位暴漲對沿岸生命財產(chǎn)造成損害，因此，風暴潮預警的一個重要方面在于獲得現(xiàn)場實時潮位資料，提供風暴潮發(fā)生的實際潮高，進而得出確定的災害災情風險，為災害救助、災情分析和災害鏈調查提供現(xiàn)場實時資料，為人民生命財產(chǎn)安全提供保障[2]。河北沿海除秦皇島存在小部分基巖海岸，絕大部分屬于平原海岸，海岸帶地形坡度小，缺乏抵御風暴潮等海洋災害的自然屏障，且河北省沿海經(jīng)濟較為發(fā)達，重要承災體眾多，防范海洋災害需求較為迫切。2010—2019年我省各類海洋災害損失共計37.19億元，其中2019年海洋災害共造成我省直接經(jīng)濟損失3.34億元，在過去10年處于平均水平，風暴潮是造成河北省直接經(jīng)濟損失的主要災害類型，主要受災對象為海岸工程，房屋、游樂設施、鹽田、農(nóng)田等[3-4]。

目前河北省已有的海洋災害監(jiān)測設施有岸基觀測站、海洋浮標、警戒潮位標志位物。目前連續(xù)穩(wěn)定運行的岸基海洋觀測站有8個、警戒潮位標志物有54個，具備了一定的海洋災害監(jiān)測預警能力，但相對于風暴潮侵入陸地過程中時間和空間的復雜性及河北省487 km的海岸線長度，近岸海域潮位觀測密度仍是嚴重不足。因此，擬通過在河北省沿海地區(qū)開展智能型風暴潮智能型監(jiān)測點建設，對潮位、氣象信息進行實時監(jiān)測，為政府風暴潮災害防治提供數(shù)據(jù)支撐，為災害預警、災情調查和研究等提供可靠的現(xiàn)場參數(shù)。本工作對進一步提高風暴潮災害應急處置能力、最大程度降低風暴潮對沿海地區(qū)造成的經(jīng)濟損失、全面提升河北省海洋防災減災能力具有重要的現(xiàn)實意義。

1 智能型監(jiān)測點設計及組成

該智能型監(jiān)測點整體設計由基礎支撐結構和各類傳感器布局設計兩部分組成?；A支撐結構主要包括消波井筒、操作平臺、防護欄和主塔桿，其中主塔桿結構布局包含前端傳感器設備、數(shù)據(jù)采集與傳輸控制單元、供電模塊、無線通信終端等（圖1），潮位傳感器通過操作平臺預留孔投入驗潮井內。為安裝方便，驗潮井、操作平臺、主塔桿及各類傳感器采用可拆分方式安裝；前端傳感器實時監(jiān)測的潮位及氣象數(shù)據(jù)，采用4G通信技術轉發(fā)至預警平臺，核定的警戒潮位數(shù)據(jù)達到一定限值時，即啟動相關程序自動報警，達到及時預警的目的。

圖1 智能型潮位監(jiān)測點結構Fig. 1 Construction of the intelligent tide level monitoring site

1.1 基礎支撐結構

1）底座設計及埋設方案

底座采用鋼筋水泥混凝土材質制作，長寬各1.5 m，高1 m，中間位置預留直徑為430 mm消波井筒插孔。底部基礎安裝需趕潮施工，施工時先用挖掘機在建設點位岸灘處挖長寬各2 m、深1 m的基坑，再用吊車將底部基礎埋設固定于海床，使基礎頂面與海床持平，最后使用碎石將基坑填滿鋪平。

2）消波井筒設計及安裝方案

為避免占海用地問題，且考慮施工簡單、建設方便，設計抗臺風能力12級，采用長度為9 m、樁徑為Φ426 mm、壁厚8 mm、屈服強度為Q235B的螺旋縫埋弧焊鋼管樁作為基礎，同時也作為消波井筒。安裝時將消波井筒穿過混凝土底座預留插孔，然后使用機械將鋼管壓入海床4 m深度，并通過中下部卡盤與底部基礎卡緊固定，管樁露出地表部分作為上部結構，一側留有爬梯以便后期設備檢修及維護。

鋼管樁外部根據(jù)當?shù)鼐涑蔽缓硕ńY果噴涂紅、橙、黃、藍四色警戒潮位值；警戒潮位標志寬17 cm，從下到上依次為藍色、黃色、橙色、紅色，2個警戒標志之間設置白色矩形標志，尺寸為10 cm×20 cm，矩形中間標注警戒潮位數(shù)值，字體為黑體，大小為8 cm×8 cm[5-6]。

3）操作平臺設計及安裝方案

操作平臺水準高度根據(jù)建設地點海拔高度確定，平臺安裝水準高度應高于建設點紅色警戒潮位值1.5 m以上，以保證風暴潮來臨時監(jiān)測儀器免被海水淹沒。操作平臺尺寸為1.5 m×1.5 m，下方預留進出通道、安裝鎖具防止破壞；平臺四周安裝高為1.2 m的不銹鋼防護欄，平臺通過法蘭與消波筒連接，中間預留國標型號為dn150[7]的法蘭盤用以固定氣象塔桿。

1.2 潮位傳感器安裝

潮位監(jiān)測采用測量精度為（±1） cm的投入式液位傳感器，將傳感器穿過安裝維護平臺預留孔后，用法蘭盤固定于消波井筒中，消波井筒通過下部預留進水孔與外部連通，此方式測量潮位可防止因海浪影響造成的測量結果誤差過大。消波井筒下部進水孔預留位置高于海床20 cm，進水孔開口方向為向陸一側，外接向下傾斜45°的進水管，以達到良好的隨潮性和消波性?？讖皆O計參照《海濱觀測規(guī)范 第2部分：海濱觀測》[8]推薦的進水孔大小公式：

式中:S1為消波筒進水孔截面積（cm2）；S2為消波筒截面積（cm2）；μ為流量系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）；Δh為井內外潮位差（cm）；(dh/dt)max為最大漲（落）潮率（cm/s）。

1.3 氣象塔桿結構布局及儀器安裝方案

氣象塔桿采用不銹鋼材質，高2.5 m、外徑168.3 mm，采用dn150法蘭盤與操作平臺連接，其上可布設多種傳感器設備（圖1）。

1）前端傳感器設備

氣象傳感器及接口包括溫度、濕度、氣壓傳感器以及風速風向儀，用于掌握潮汐變化與氣象信息之間的關系，今后根據(jù)需求還可作為基礎平臺搭載其他各類傳感器。

2）數(shù)據(jù)采集與傳輸設備

數(shù)據(jù)采集遠程監(jiān)測終端包括各類傳感器、供電系統(tǒng)、避雷針及相應配套的數(shù)據(jù)采集、轉發(fā)系統(tǒng)（Remote Terminal Unit，RTU）。現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)采集軟件處理加密后傳輸至預警平臺，數(shù)據(jù)報送周期為2 min，該智能型警戒潮位監(jiān)測裝置與管理中心采用4G技術進行數(shù)據(jù)傳遞和控制，負責站點與管理中心日常通信傳輸。數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過算法加密后把密文通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)街行臄?shù)據(jù)平臺。為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)安全性，數(shù)據(jù)傳輸采用每次傳輸數(shù)據(jù)前進行密鑰協(xié)商的方式，保證每次密文數(shù)據(jù)都是通過不同的對稱密鑰加密形成，以進一步防止數(shù)據(jù)被非法解密破譯，可以保障數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定傳輸。無線通信終端與數(shù)據(jù)采集控制單元集成在RTU遠程測控終端上，外接數(shù)據(jù)傳輸天線。

3）供電模塊

供電模塊主要包含太陽能板、蓄電池（電壓12 V， 容量38 Ah）和電源充電控制器。為防止因潮濕造成短路，電池及電源控制器設備均置于防潮箱體內，40 W太陽能板放置于塔桿頂部[8]，且發(fā)電設備設計時已采用防短路保護措施。該供電模塊能夠輸出多路12 V直流電，可為全部用電器供應電能。該套供電系統(tǒng)可滿足監(jiān)測點設備無充電情況下連續(xù)自動觀測72 h電量要求。

2 管理中心平臺設計

根據(jù)河北警戒潮位智能監(jiān)測系統(tǒng)需求，設計了一套基于B/S架構模式的信息系統(tǒng)：包括監(jiān)測點信息管理、測站管理、GIS、數(shù)據(jù)上報、數(shù)據(jù)查詢與管理、數(shù)據(jù)分析、預警等多個信息化基礎模塊。利用此系統(tǒng)可及時準確地將前端監(jiān)測站數(shù)據(jù)采集入庫并自動匯總、分析、展示及發(fā)出預警等，最大限度地預防和減少海洋災害造成的損失，提升海洋防災減災能力[9-10]。

3 系統(tǒng)預警方式設計

現(xiàn)場消波井筒外層噴涂藍、黃、橙和紅四色環(huán)狀標志作為現(xiàn)場警示標志，分別對應已核定岸段的4色警戒潮位值，四色標志均采用環(huán)氧漆噴涂，色調明亮、耐腐蝕，有效視距滿足實際需求。同時，當潮位值達到預警值時，后臺系統(tǒng)根據(jù)預警等級按不同頻率向沿海企業(yè)及主管部門以微信、短信方式推送預警信息，可大幅提升沿海地區(qū)防災減災和應急處置效率。

4 智能型監(jiān)測點應用示范

在前期進行大量實驗研究的基礎上，作為應用示范，在河北唐山曹妃甸區(qū)小黑溝大橋進行了河北省智能型警戒潮位監(jiān)測點的建設并進行了運行實驗。在小黑溝監(jiān)測點每2 min采集一次數(shù)據(jù)，選取2021年11月15日全天24 h實測潮位數(shù)據(jù)通過Execl處理后與天文潮曲線進行對比，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、隨潮性進行擬合分析（圖2和圖3）。與天文潮曲線的對比結果表明，監(jiān)測數(shù)據(jù)無跳動，基本消除了波浪對數(shù)據(jù)采集的影響。通過連續(xù)觀測數(shù)據(jù)生成的潮位曲線與天文潮曲線基本一致，達到了較好的隨潮性。

圖2 部分歷史采集數(shù)據(jù)Fig. 2 Part of historical data acquisition

圖3 實測 潮位 與天 文潮 曲線 對比Fig. 3 Comparison between the measured tide level curve and the astronomical tide curve

5 結 論

為了提升河北海洋災害預警監(jiān)測能力，開展了風暴潮智能監(jiān)測點基礎支撐結構及管理中心平臺的設計、實驗，并進行了建設安裝及長時間運行的實驗，主要得到以下結論：

1）該警戒潮位監(jiān)測系統(tǒng)主要由“傳感器+數(shù)據(jù)處理傳輸裝置+管理平臺”組成，建設內容包括前端氣象傳感器、壓力式潮位傳感器、太陽能發(fā)電裝置和管理中心平臺等。

2）河北省沿海警戒潮位能監(jiān)測裝置通過內置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進行分析處理及加密，有效減少了無效數(shù)據(jù)的傳輸及提高了數(shù)據(jù)安全性；同時，通過氣象與潮位數(shù)據(jù)的不斷累積，可為分析短期內氣象潮提供更加精細化數(shù)據(jù)。

河北省沿海警戒潮位監(jiān)測點相對于傳統(tǒng)驗潮站建設具有便捷、輕量化、投資少、建設快的特點，便于短時間內進行高密度建設，也能在短時間內解決該區(qū)域沿海洋觀測能力不足的問題，提升沿海防災能力，為政府應急決策提供數(shù)據(jù)支撐。