水文自动测报技术在城市防汛中的应用

耿彬彬，王健健，陈红波，艾钰蓉

（1.江苏省南水科技有限公司，江苏 南京 210012；2.江苏省水文水资源勘测局常州分局，江苏 常州 213001）

0 引言

随着我国经济的不断繁荣，城市化建设也在突飞猛进地高速发展，城市圈已经不断扩大。近年来，由强降雨引起的城市低洼处存在大量积水的现象时有发生，且有愈演愈烈的趋势。在我国南方多雨的城市，积水有时竟高达1m 以上，且不能及时排走，给人们的出行带来了很大的不便，严重时引发行人死亡和失踪事件，此现象已经引起市政、防汛、路政等政府有关部门的高度关注[1]。城市化的发展影响到城市的防洪、水资源保障等方面。因此，从发展及应用的角度，当前城市防汛中应该加强对雨水量的变化、洪水效应、水质影响、地下水的影响、流域的变化及水循环环境等城市水文要素的监测。

现阶段应该重点对以下2点进行相应的监测和分析：

1）城市雨量及水量的监测分析预报技术的研究，包括新的监测手段和科学的规划与预报分析。定量分析雨量及洪水，包括形成过程中气候系统的自然规律、城市热岛效应等各种影响的大小，为制定科学的城市防洪规划及措施提供技术支持。为了提高城市抵御洪水的可靠性，要开展大范围的水文监测，监测和分析城市中不同地域和地形地势等条件下的雨量和洪水形成过程。

2）雨量和洪水量应急处理及资源化应用技术研究，即洪水的调度和泄洪及资源可利用化技术研究。通过对洪水资源利用与防洪安全、水资源调度和生态环境的作用机理分析，进行面向调度的洪水资源可利用化技术研究，为洪水资源的调度利用提供技术基础；同时也需研究雨量和洪水量与地下水的转化与交换机理，开发新型地下储水空间雨量和洪水量回灌促渗技术，为地下储水空间雨量和洪水量资源利用工程提供技术支撑等[2]。

1 城市防洪监测新特点

1.1 城市水文的新特点

在城市化的过程中，以城市为中心的水灾害加剧问题已呈现全面加重的趋势。新的城市水文监测系统应包括所在流域降雨、所在江河的水位流量、城市内涝及排水等监测。城市水文监测系统通过信息采集（雨量、水位、流量等传感器）和传输系统均可实现自动测报。因此，加强城市水文数据的监测和分析预报工作，针对城市的具体情况开展有关的分析研究工作，以及进行必要的规划设计和控制管理，提出我国城市防洪的发展新思路，对减少洪灾的发生，保护人民群众生命财产的安全，保证我国经济的可持续发展意义重大[3]。

1）城市化使得地面变为街道、工厂和住宅等建筑，下垫面的渗透性、滞水性发生变化。在城市化的区域，由于不渗透面积大幅增加，导致该地区的雨水汇流特征改变，表现为洪水总量增多，洪峰流量加大，洪水汇流时间缩短，集水区内天然调蓄能力减弱。城市雨洪径流增加后，已有排水明沟、阴沟及桥涵过水能力不足，以致城市内涝泛滥，造成交通中断、地下通道淹没、房屋和财产遭受破坏等。

2）城市化的发展导致城市中的气温高于外围郊区，即城市热岛效应。城市气温高、粉尘大，空气中的凝结核多，热气上升时会引发周边郊区气流向城市汇聚的运动。上升的热气流在高空遭遇强对流的冷气团，形成暴雨，因此大城市往往更容易成为暴雨袭击的中心，即城市雨岛效应。

3）城市化造成了水资源的缺乏，还有用水浪费、用水效率低、管道渗漏严重等问题也十分突出。城市工业废水和生活污水向河流排放带来的城市化环境效应，导致城市水体污染严重[2]。

1.2 城市水文监测的新特点

城市水文监测系统主要对各监测点监测要素进行实时监测，系统一般由信息接收处理中心站和监测站组成，监测站主要由流量站、水位站、降水量站、水面蒸发站、水质站、地下水监测站、水生态站等组成。监测站将监测的数据上传至信息接收处理中心站。信息接收处理中心站通过服务器上数据处理和分析软件，接收并处理由遥测站发来的数据，根据需要给决策者提供相应的技术信息和指导。整个系统围绕防汛信息的采集、处理、分析决策和决策信息发布，各个环节紧密相连。各级部门利用水文监测系统及时、准确地处理防洪信息[4]。系统基本流程图如图1所示。

2 监测仪器的选用

2.1 降雨量观测设备

城市降水量观测可选用 JDZ-05型翻斗式雨量计，其工作原理：降水由环口控制面积，集水器回拢，通过进水漏斗进入翻斗，当计量到一定水量时，引起翻斗翻转，磁铁吸合（或释放）干簧管，产生1个通断信号，供遥测或记录仪器使用。

图1 系统基本流程图

2.2 蒸发观测设备

蒸发观测仪器可选用遥测蒸发器，其具有自动监测蒸发量，并实时传输数据和接收指令功能。观测场地要选择能代表附近真实的地质和城市覆盖的状态，四周空旷平坦，气流畅通，建议在上风向，应避免地形突变位置；蒸发场距离较大水体等最高水位线的水平距离应大于100m[5]。

FZZ-01型遥测蒸发器包括蒸发桶、补水器（含翻斗补水器、电磁阀、控制盒）、储水桶和遥测端。蒸发桶内某一规定时段内的液位差，即为该时段内的水面蒸发量。定位测针安装在蒸发桶内插座孔上，使测针接触水面。针尖接触水面时无信号，当针尖离开水面，电磁阀产生脉冲信号，触发翻斗进行补水。每次补充30mL，相当于 0.1mm 的蒸发量，直至蒸发桶里水面接触到测针。同时控制盒发出1个开关信号，遥测端接收并计算开关信号，从而实现蒸发量的自动计量。

2.3 城市水位观测设备

城市水位观测采用自动监测设备，水位自动监测仪器可选用雷达、电子水尺、浮子式水位计、压力式水位计等。根据现场情况和数据采集要求，城市河流，渠道，湖泊，水库的水位宜采用浮子式、压力式、超声波式、雷达式水位计等。易积水路段和洼地积水深度宜采用雷达式、超声波式水位计及电子水尺[5]。

系统在城市易积水路段、洼地等位置采用以下 2种水位观测设备：

1）OTTRLS 是一款用于地表水液位测量的非接触式雷达液位计，采用节能脉冲雷达技术测量液位，有发射和接收2个平滑天线，每次测量时发射天线发射雷达脉冲信号到水面，脉冲信号经水面反射后被接收天线检测到，从发射到接收信号的时间取决于 OTTRLS 跟水面的距离，OTTRLS 就是利用延迟时间跟到水面距离之间的线性关系实现液位（距离值）的测量。这种节能、非接触式的测量技术使得 OTTRLS 在测量时不受温度梯度、水中污染物及沉淀物的影响，可以获取精确的测量结果。OTTRLS 是通过发射到水面的雷达脉冲信号来进行测量的，可以垂直安装在水面之上，比如桥或其他辅助建筑上。它坚固、轻质及防水外壳使其安装非常简便，通用连接万向悬挂架使得探头可以很简便地对齐，甚至在不平整的地方也很方便地安装[6]。

2）TC401感应式数字水位传感器（又称“电子水尺”），具有测量精度高，不受环境因素如温度、湿度、泥沙、波浪、降雨等的影响，安装时不需要建测井，可以垂直、倾斜贴壁、沿河道面自下而上阶梯安装。可广泛应用于江河、湖泊、水库、水电站、灌区及输水等水利水电工程中的水位监测，也可用于自来水、城市污水、道路积水等市政工程中的水位监测，特别适合于水文、城市内涝、城市道路积水、灌区渠道等水位变幅不是很大的场合使用，尤其适用于测量精度要求高，水位变幅不大的场合[7]。无线遥测终端机与传感器一体连接，通讯方式使用移动或联通的网络。感应式数字水位传感器利用水的导电性，通过水位变化与相应的电极导通采集水位信号。传感器的电极密布于1根棒式的外壳上，组成1条水位信号检测线，传感器本身由超音频信号发生器和发射头向水中发射检测信号，取样电路通过电极与水接通，接受检测信号[8]。

2.4 流量测验设备

流量测验采用自动监测设备，河流、渠道、湖泊水库出入口等流量测验可采用电磁流速仪和声学管道流量计等设备。根据水道和断面情况可选用相应方法，具有稳定水力关系的可采用推算流量的方法。

建议采用 AEM-RS 流速传感器，该传感器可以测出流速、流向和水温，采用 compact 格式，RS-232通讯，波特率为9600。此传感器基于法拉第电磁感应定律，外球上有6个以上的观测点，观测点附近有人造磁场，传感器悬吊水中时测得6个流速分量，再合成相对仪器本身坐标的流速矢量。仪器内有自动罗盘和倾斜仪，根据自动测得的方向和倾斜，将基于仪器的流速矢量转换成地球坐标的流速矢量。该仪表具有体积小，灵敏度高，测量方便快捷等特点。

2.5 水质和地下水测验设备

应在城市设立水质自动监测站，监测相关水质数据。自动监测水质的仪器可选用电极法水质仪和现场水质分析仪等自动分析仪，具有自动采集，分析预警等功能，如水质五参数测量仪 MIQ/S184（温度、pH、溶解氧、电导率、浊度），在线 TOC 测量仪 PROTOC200等设备测量水质数据。

地下水水位监测可采用悬垂式地下和压力式水位计仪器。地下水开采量的监测可采用管道流量测验或电功率方法。地下水为管道、渠道输送时，可采用管道流量计或明渠流量测验方法[5]。地下水水位监测仪器主要有水位/水温/电导率潜水仪（CTDDiver）等设备。

2.6 遥测终端设计

水文信息采集和远程通信技术实现了城市水文要素实时自动测量、传输与分析；水文自动测报系统的遥测设备采用轻型材料和模块化结构设计，实现了长期稳定的运行。中心站数据处理及调度决策软件功能实现实用化，及时处理实时数据。YDH-1型遥测终端机，通过了水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心的检测，取得国家实用新型专利1项，专利名称：水情遥测装置，专利号：ZL200920283905.9。

遥测终端技术性能达到国际先进水平，运行稳定可靠，实现了智能化、多通道化、参数变率识别等功能。平时采用按报汛要求设置报汛时段工作方式，遇到降水量强度和水位等参数超限定值时，终端机可自动发送数据。传感器接口能力增强，可方便连接不同门类的传感器，遥测终端多个串行通信口，满足数据传输时对通信路由的选择，满足城市水文监测和报汛设备的有关技术要求，实现多信息源的水文数据采集和多信道的水文数据传输[9]。

3 系统的实践应用

目前水文自动测报设备及系统在很多地区已有相应的应用。目前在广西省玉林市水文监测系统中应用站点数超过100个，在贵州省都匀市水文监测系统中应用站点数超过150个，在云南省各个市州的水文监测系统中应用站点数超过300个，其中包含降雨量观测站、蒸发数据观测站、水位观测设备、流量测验设备等。根据现场系统的运行情况监测，系统能实时或定时自动报送水文信息；水文信息采集与传输的时效性和可靠性好，在 5～8min 内能够全部收集到系统所有站点的雨情和水情信息。系统数据采集准确性大于98%，系统数据传输畅通率大于95%，遥测终端设备 MTBF 大于25000h。降雨量测验误差优于 4%（降雨量大于 12.5mm，雨强小于4mm/min时）；水位变化测验精度优于0.3%FS。

水文自动测报技术将城市防洪涉及的监测要素和数据进行整合统一，有效实现了水雨情预报资源的无缝对接，并且在水文预报的过程中发挥信息接收处理、计算机信息检索和查询、预报服务等功能。它在洪水信息监测、传输、分析和洪灾施救中的应用，提高了城市的防洪应急能力。水文自动测报系统中城市水文站网及监测要素的布设需要根据不同城市规模和具体环境情况并结合不同防洪标准规范。城市水文监测的自然条件不同于一般河道，由于城市环境的复杂性，监测的时效性要求高。因此，在系统建设中要因地制宜，采用水文自动测报技术与方法，配置自动监测仪器设备，提高自动和应急监测能力。水文自动测报技术在配合报警系统、会商系统、预警信息发布平台、防洪预警决策支持系统及气象信息数据的基础上，集自动测报技术、数学模型、防汛抢险技术、网络通信、计算机技术和地理信息技术于一体形成城市防洪综合预警指挥系统工程。城市防洪预警系统工程以统一的平台整合计算机网络等传播系统，建立大型、全面的综合指挥调度系统，能快速、及时地收集、处理、存储和发布各类防汛抢险信息，快速地进行数据挖掘，并以图、文、声、像等方式为防汛抢险工作提供全面的信息服务，整个系统围绕水文自动测报系统提供的信息，进行处理、分析、决策和发布，各个环节紧密相连，提高了城市防洪的能力。水文自动测报系统覆盖了整个地区水雨情监测面，城市水文监测系统在城市的防洪减灾工作取得了明显的效益。整个系统运行的实践表明系统达到了设计所要求的功能和性能指标。水文自动化监测系统在城市水文监测与城市防洪安全中发挥了极其重要作用，取得了非常宝贵的监测资料，为城市防洪的科学调度提供了科学依据，及时、有效地传递水雨情信息、规划了相应的决策，确保了人民的人身财产安全。

4 结语

随着我国城市化进程加快和区域经济发展，河流水文性质也在发生变化，因此建设城市水文自动化测报系统是必要的。利用自动监测设备和通讯网络、地理信息和水资源调度等，建成水雨情和流量等信息综合的防汛平台，并结合发布和视频会商系统，GIS 地图信息发布平台等，及时、有效地传递防洪决策信息、发布洪水警报的问题，确保了紧急情况下居民的人身财产安全。城市河流洪水预报内容包括积水位置、深度、时间及范围等，根据城市产汇流特点，在分析城市洪涝规律的基础上，建立城市洪水预报模型。根据实际工作需要，建立城市洪水、排涝预警方案和实时监测信息发布平台[10]。

开展城市防洪水文技术研究，应在现有水文站网基础上，适当补充站网；充分收集、整理、分析城市水文调查资料与成果，进行综合分析评价，提出合理化建议及解决措施，形成新型城市水文测报预测技术。在防洪预警决策支持系统中，建立了基于信息交互、工作流、资源管理、策略维护等平台的支撑系统，较好地解决防汛信息处理和决策方案制定、协同会商的问题，使整个防洪预警系统的建设能够有效地整合防洪信息资源，使决策更具有科学性与可实施性，最大限度地降低城市遭遇洪水而造成的灾害损失，保障人民财产安全[11-12]。

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