城市水文防汛预警系统实现和应用

李 青(安庆水文水资源局，安徽 安庆 246003)

城市水文防汛预警系统实现和应用

李 青
(安庆水文水资源局，安徽 安庆 246003)

根据城市水文防汛具体要求，提出了水文防汛监测预警系统设计理念,认为应由监测系统、通信系统、前台监测设备和测量系统四部分组成，发挥分类管理、数据搜集、数据分析、预警、查询、存储和通信等功能，并进一步简述了激光水位计在城市水文防汛系统中的适用性及监测设备的安装方法.通过系统上线运行情况来看，系统功能比较完善、运行平稳，能够为防汛部门提供一手降雨量信息与预警信号提示.

城市水文；预警系统；激光水位计

近年来，随着我国社会经济不断发展，城市规模不断扩大，城市经济已成为国民经济重要组成部分.复杂多变的气候环境对城市防汛排涝预警工作提出了更高的要求.进入夏季以来，我国很多地区突发暴雨，个别城市甚至出现了城市内涝的状况.如何在多雨季节，对城市进行防汛设施的提前布设，是非常重要的.城市暴雨内涝主要成因有：(1)天气气象条件，短时间高强度降雨；(2)城市建设快速发展，建筑设施和道路硬化施工对地表汇流条件产生了重大影响；(3)城市排水系统设计滞后于城市建设，特别是为了环节市政道路交通拥堵问题，建设了大量高架桥、地下通道和隧道，这类区域地势较低，容易产生较深积水[1].例如，2016年6月30日开始，合肥市迎来入汛以来最强的一次降雨过程，市中南部区域遭受超强暴雨袭击，至2017年7月6日，全市面平均降雨量200 mm，其中市区162 mm，全市14个站降雨量超500 mm，笼罩面积3 576 km2，占全市总面积13.4%；全市27个站降雨量超400 mm，笼罩面积696 km2，占全市总面积27.4%，其中庐江县所有站点雨量均达400 mm以上；全市45个站降雨量超300 mm，笼罩面积5 400 km2，占全市总面积40.0%；全市141个站降雨量超100 mm，笼罩面积10 427 km2，占全市总面积77.2%.受强降雨影响，城市出现多处积水点.不仅给广大市民造成巨大出行不便，同时也严重影响了社会经济活动顺利开展.因此，城市必须要加强防汛预警监测工作，采用现代化信息技术，在该市中心城区建立城市水文防汛预警监测系统，实时监测城区内各主要积水点水文条件变化，为市民提供最新水文监测信息，指导行人和车辆尽量绕开积水点出行，最大程度降低积水对社会交通的影响[2].本文将城市水文监测预警系统建设情况进行深入分析，以总结相关经验和教训，同时为开展水文防汛预警提供参考意见.

1 城市水文防汛预警系统设计及功能

城市水文防汛监测预警系统主要由四个部分组成：分别是监测系统、通信系统、前台监测设备和测量系统.监测系统主要由通信线路、服务器、水文数据分析软件等组成，能够与宽带网络顺利连接[1]；通信系统主要是采用GPRS、短消息或北斗卫星等多种通讯方向监测中心传输数据；前台监测设备主要负责水文信息搜集、采集和传输，它同时还具有水文数据分析和存储功能，一般采用无线通信方式向后台检测中心发送数据；测量系统主要由水位监测仪、雨水传感器、监控视频等组成，测量系统具有连续或者间断测量功能，可根据实际需要灵活设置，一般在主汛期采取连续测量模式，每隔5 min发送一次数据[4].

城市水文防汛预警系统功能主要有：分类管理、数据搜集、数据分析、预警、查询、存储和通信等[5].中心站利用专业软件工具，接受和处理前台监控系统发回的监测信息，再将处理好的信息发送给决策部门.城市水文防汛预警系统也可以通过各种信息平台对公众发布水文信息，公众可以通过a手机、电脑、电视等信息渠道查看城区各主要防汛点水文信息.在一些比较重要的积水路段，例如桥洞、隧道、涵洞等周边增设电子显示屏幕，实时公布积水水位变化信息.在无渍水期间，电子显示屏还可以作为水文和防汛科普知识宣传平台，提高社会防汛意识和能力.监测中心能够与各种软件和信息系统兼容对接，可支持远程操控、程序设计、参数修改等功能，同时还具有上报水文信息、发出防汛预警信号等功能；它与监控视频直接联系，可以即时抓拍现场图片，为决策部门提供详细的参考信息[6].站点水深监测显示(见图1).

图1 监测点水深监测现场效果图

2 城市水文防汛预警系统主要设备介绍

城市水文防汛预警系统监测系统由于需要执行数据接收、存储操作，为保证其正常运行，应配置相关设备，其主要设备由前台监测设备和核心测量设备组成.下面对这两种设备进行具体介绍.

前台监测设备主要负责水文数据采集、存储和发送，需要消耗较多电能，应采用低功率设备.对于太阳光光照充分的监测地点，可以尽量采用太阳能电板作为能源供给，这可以有效提高系统经济性.系统通信可以采用GSM、GPRS以及卫星通信等多种通信技术，可以根据实际情况灵活选择；一般系统要具有多种通信技术兼容功能；系统可支持在线工作，也可以定时启动；要与工业照相机相连接，提供即时现场抓拍服务.

测量设备是预警系统核心组成部分，分为水位测量设备和降水量测量设备.水位测量设备主要采用激光水位计，因为激光水位计采用激光仪监测水位变化，具有精度高、抗干扰性的特点；同时采用聚氯乙烯管作为安装材料，可以有效避免行人、车辆对水位计的干扰，使用寿命长，维护管理成本较低，比较适合城市水文监测环境.降水量测量主要采用翻斗式雨量计，因为翻斗式雨量计可以将降雨量转换为以开关量形式表示的数字信息量输出，以满足信息传输、处理、记录和显示的需要.雨水由最上端的承水口进入承水器，落入接水漏斗，经漏斗口流入翻斗，当积水量达到一定高度(0.5 mm)时，翻斗失去平衡翻倒.每一次翻斗倾倒，使开关接通电路，向记录器输送一个脉冲信号，记录器就可将雨量记录下来[7].

监测站点的主要设备配置及性能指标(见表1).

3 城市水文防汛预警系统设备安装

(1)激光水位计安装.激光水位计传感器通常安装在积水深处地面.首先将安装点处水泥面清理干净，然后在地面打入3～4个膨胀螺钉，以固定激光水位计保护罩，保护罩与地面呈垂直状.激光探头保护管采用不锈钢材质，外径介于80～120 mm之间.在竖直混凝土平面上进行安装操作，在上面安装可调节高低抱箍，将抱箍调节到同一个水平面上，好激光保护管固定(见图2).

表1 监测站点设备配置清单

图2 激光水位计安装简图

(2)雨量监测仪安装.雨量计主要有两种安装方式，一种是杆式，另一种是台(基座)式.安装过程中，要保证雨量计器口保持水平状，安装牢固，能够有效抵抗大风、大雨冲击并不会发生移动和倾斜，同时保持其周边通透、开放.

(3)前台监测仪器安装.控制柜内主要包括传感器、蓄电池、太阳能充电器以及测控终端等.控制柜要具有良好的防水性，根据现场布线要求，选择在高架桥、桥洞上方安装，采用膨胀螺栓固定.

(4)显示屏安装.由于监测点地势较低、湿度较大，显示屏必须要安装在较高的高度，才能够保证信息有效公开和传达.先在钢板上打孔，在将钢板焊接到高架桥或者电线杆上，并在固定好的钢板上安装显示频，用螺丝固定.

(5)太阳能板安装.太阳能板用螺丝固定在角钢上，再将角钢固定在朝阳处，板面要正对南方，以最大化吸收太阳能，同时保证周边不得有遮挡物.

(6)工业相机安装.工业相机一般安装在桥上方，在保证拍摄视角有效的情况下，安装高度要大于2.5 m.监控摄像头及其配套设备例如雨搭、保护罩、镜面、底座等，要固定，可以满足多角度旋转拍摄需要.在存在强电磁干扰的情况下，监控摄像头要采用绝缘保护措施[8].

4 系统应用效果

本系统采用了互联网和无线信号通信技术作为数据采集和传输工具安装完成后，进行了多次真实环境模拟检验，同时对2016年合肥市市区降雨量进行了降雨量监测(见表3).根据表3，全年平均误差为+2.6%，除个别月份误差受仪器维护影响(仪器清洗、设备配件调试更换)外，大部分月份误差均不超过规范标准误差(±4%).例如，2016年全市汛期(5～9月)系统监测累计值为789.5 mm，人工观测值累计为805.6 mm，平均误差为+0.2%；主汛期(6～9月)系统监测累计值为659.5 mm，人工观测值累计为663.4 mm，平均误差为+0.6%.通过系统目前试运行情况来看，该系统功能比较完善、运行平稳，能够为防汛部门提供一手降雨量信息与预警信号提示，为合肥市防汛部门提供可靠的决策信息.

表3 2016年合肥市市区逐月降雨量

5 结 语

城市水文防汛预警系统通过采用互联网和无线信息通信技术作为数据采集和传输工具、使用当前最先进的远程视频监控技术和GIS技术来检测城市空间雨情变化请，能够提高应急处置效率，有效预防城市内涝带来的不利影响，保证城市功能的正常运转.一方面，公众可以通过手机、电脑等信息渠道查看城区各主要防汛点水文信息，尽量减少出行避开积水路段，防范和遏制重特大事故发生，从而保障生命与财产安全；另一方面，城市防汛部门可以通过该系统记录的历史数据和现有的数据分析未来的走势，密切关注雨情变化，对未来强降雨天气提早部署，及时排除积水.

[1] 吴乃康.浙江城市防洪问题研究[J].浙江水利水电专科学校学报，2008,20(4):51-54.

[2] 刘延凯.城市防洪与排水[M].北京:中国科学技术出版社，1994.

[3] 林祚顶.水文现代化与水文新技术[M].北京:中国水利水电出版社，2008.

[4] 刘文光.水文分析与计算[M].北京：水利电力出版社，1989.

[5] 中华人民共和国水利部.GB/T22482—2008水文情报预报规范[S].北京:中国标准出版社，2009.

[6] 中华人民共和国水利部.SL61—2003水文自动测报系统技术规范[S].北京:中国水利水电出版社，2003.

[7] 国家环境保护总局.HJ/T174—2005降雨自动采样器技术要求及检测方法[S].北京:中国环境出版社，2005.

[8] 屠慧林，冯 磊.平湖市城市防洪工程的建设与运行[J].浙江水利水电学院学报，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，安徽安庆人，助理工程师，从事水文测报与水文资料整编工作.

TV124

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