济宁城市防洪水文监测预警系统建设探讨

舒博宁 ，马 阔 ，曾 光

（1.济宁市水文局，山东 济宁 272019；2.山东省水利工程局有限公司，山东 济南 250013）

济宁市为省辖地级市，位于山东省西南部，地处黄淮海平原与鲁中南山地交接带，东邻临沂，西与菏泽接壤，南面是枣庄市和江苏省徐州市，北面与泰安市交界。济宁总人口790万，面积1.1万km2，是鲁西南地区经济、文化和商品的流通中心、山东省工业中心城市、淮海经济核心区八大城市之一。济宁地理位置优越，是鲁西南重要的商品物资集散地，交通十分便利，京杭运河纵贯南北，新石铁路、日东高速公路横贯东西，京福高速公路、京沪铁路近在咫尺，327、105国道在境内十字交汇，形成四通八达的交通网络。

济宁市属于淮河流域，境内河流众多，密布全境。该市属暖温带季风型大陆性气候区，半湿润季风区大陆性气候，四季分明，暖湿交替。但是目前随着城市化进程的不断加快，社会经济的飞速发展，城市格局发生了很大的变化，城市下垫面的不透水面积增加，径流增加，内涝频繁发生，严重影响城市人们的正常生活和生命安全，因此急需在济宁市建立城市防洪水文监测预警系统，实时监控城区低洼地带的积水，并及时向公众发布预警信息，以保证公众的生命和财产安全。

1 济宁城市防洪存在问题

城市防洪是城市建设的重中之重，其能有效抵御和减轻洪水对城市造成的灾害性损失，但受限于技术能力、资金匮乏等因素，济宁城市水文工作刚刚起步。就城市水文工作与城市发展需求及最严格水资源管理制度“三条红线”要求相比，城市水文工作、城市水文监测系统建设还有待提高和完善。

1）完善水文站网建设。水文站网是进行水文预报、水资源评价开发利用的基础。而济宁市仅有后营、黄庄两个国家基本水文站，其主要用于流域防汛及区域水文特性研究；城市水文站有3个（东石佛站、坡石桥站、许庄站），但其刚刚建成，尚未运行。济宁城区内老运河、小洸河、小府河、蓼沟河等河流均未设立水文站，不能形成完善的城市水文站网，无法满足城市防汛与城市水文特性研究的要求。

2）水文监测现代化水平不高，应急监测能力薄弱。济宁市对城市水文水资源管理的信息化手段还比较落后，缺乏现代化的技术手段。对数据资料的管理还停留在纸质存档阶段，虽然有简单的自动化办公设备，但是还没有建立水资源综合数据库和应用软件系统。同时，在信息采集方面城市水文监测站点少，自动化监测设备缺乏、仪器仪表多是采用传统的机械式仪表，无法实现数据自动化采集，导致信息监测的覆盖程度低、数据获取不够及时、准确和完整。

3）缺乏城市水文预警预报系统。济宁市各大中型河道洪涝灾害监测、信息传递和洪水预测预报等方面有比较完善的服务体系，而在城区河流水文预测预报、信息发布和水文特性分析研究等方面仍处于空白状态。为此，有必要构建城市防洪水文监测预警系统，为城市的防洪和水资源管理提供服务。

2 水文监测预警系统建设

2.1 建设目标

济宁城市防洪水文监测预警系统建设应以“理念领先、设施超前、技术先进、服务优质”为核心，以实现水文现代化为目标，构建“超前、创新、安全、高效”的城市积水监测系统，以支撑和保障城市经济社会的可持续发展。

在综合集成思想指导下，以物联网技术为主导，以计算机通信网络和各采集控制终端为基础，初步建成集高新技术应用为一体的智能化城市积水监测系统，基本实现信息数字化、控制自动化、决策智能化，使得感知内容全覆盖，采集信息全掌握，传输时间全天候，应用贯穿全过程。

2.2 建设任务

在完善现有水文站网的基础上，结合相关监测项目，增加城市的监测能力，提升城市的防涝水平。结合《济宁市城市水文监测系统建设可行性研究报告》，对市区内河道、低洼区、路段及内涝易发区增设水位、雨量等监测设施、设备。济宁城市防洪水文监测预警系统主要是建设专门针对城市内涝的集水位、雨量监测及信息发布、灾害预警、视频监控与一体的监测设备和业务应用。具体包括以下四个层次的内容：

1）采集层。在前期水雨情信息采集系统的基础上，根据一体化发展进程，完善前端渍水点和易涝点信息的采集。

2）传输层。在以“公网为主、公专结合”建设原则的指导下，进一步完善骨干通信链路的建设，构筑二级通信网。传输层主要包括通信网络、数据存储管理、设备管理、通讯协议管理等部分，可以采用LORA、GPRS/GSM、ZIGBEE等通信方式进行通信。

3）平台层。实现信息化与城市水文监测业务的融合，建设信息监测、查询、灾情管理、预报预警等核心功能和支撑功能，并建设综合数据库。

4）公众应用层。从业务应用向公共服务转变，运用信息化手段拓展水文公众服务领域和功能，建设城市渍水监测预警信息推送功能。

采集层是城市防洪的基础，其主要是通过雨量传感器、水位传感器、视频等设备将各类水文信息传送至物联网感知智慧单元，物联网感知智慧单元能随时接收这些数据，并将其存入数据库；各积水点设置的LED屏幕和声光电告警装置共同构成了预警信息发布终端，当达到预警级别时物联网感知智慧单元、中心及具有权限的移动终端均能下达指令，发布告警信息。积水点水位监测站由智能水位站、智能漏电监测仪组成的感知单元将现场的水深数据、漏电电压数据通过Lora发送到智慧网关，智慧网关通过GPRS/3G/4G网络将数据转发到中心。水文站和雨量站通过GPRS网络将数据直接发送到中心，中心同时接入气象、城建、国土等相关信息，处理后的数据在满足自身应用的前提下，同时满足其他部门应用。中心通过相应的软件，接受并处理监测站信息，根据需要向政府职能部门提供相应的技术信息。系统通过互联网等发布相关的实时信息，市民可通过微信、手机、电脑等移动终端随时随地查勘渍水点水深等相关实时信息。路桥、涵洞等地势低洼渍水点，通过实时显示雨量、水深信息。无渍水期间，显示屏可为市民提供水文、环境保护等科普知识，或者提供公益广告宣传。

3 水文监测预警系统建设方案设计

3.1 设计原则

该系统建设方案的设计需要考虑经济实用、安全可靠、严格标准、技术先进、统筹兼顾的原则。建设方案的设计应首先充分考虑区域的实际状况，因地制宜，尽量采用实用、经济的设施、设备和方法，不能一味追求高精尖而忽略经济的实用性；其次，要采用技术成熟、实用可靠的仪器设备，能保证设备的稳定可靠，并能保证水情信息搜集的可靠性；此外，水文测站建设应按照测站级别、所处地理位置等进行设计，在经济实用、突出水文特点的基础上，严格按照国家相关标准执行，仪器设备的选取也应该符合国家和行业的标准规范；第四，在保证经济合理的前提下，应尽量选取先进的技术和成熟的设备，优先考虑自动遥测的测试方式，并辅以人工观测，减少误差；最后，项目建设过程中不仅要考虑不同设备数据传输接收系统的兼容问题，还要预留空间，为防汛和水资源管理等服务。

3.2 方案设计

水文监测预警系统建设方案设计主要包括水文监测站设计、城区低洼地水深监测站设计、雨量站设计、视频和传输层设计等方面内容。

1）水文监测站设计。水文基础设施设计主要包括测验河段基础设施、水位观测设施、流量测验设施、降水观测设施、图像接收设施及配套设施等。测验河段基础设施包括观测道路、护岸及平高控制设施：水准点、断面桩、基线桩、标志牌，界桩等，是水文站最基础的测验设施，确定了平高控制设施，才能确定水位、流量等测验设施的布局。水位观测设施有直立式水尺，浮子式水位计平台、气泡式水位计平台及雷达式水位计等。

水位监测设备应根据本站河道、岸坡、水流、水质、地质特性，选择适合本站情况、满足本站需要的水位计，并建设相应的水位平台（井）、钢支架等。根据济宁市实际，一般优先选用浮子式水位计，其次是雷达式水位计、气泡水位计。

流量监测设备应根据流量设施和河道实际情况以及河床、水流特征合理选定。根据济宁市的实际情况，结合过去的测流经验，本工程测流设备以流速仪、ADCP为主。

2）城区低洼地水深监测站设计。本次城区低洼地水深监测站共包括9处，其中李营站、高新开发区站、三里营站、火车站站、丹桂苑站、南辛庄站、济宁电厂站共7处为公铁立交涵洞水深监测站，青少年宫站、财政局站共2处为道路水深监测站。在城区低洼地积水点，通过LED大屏实时显示水位（水深）值，给行人和车辆提供明确的建议信息，进一步保证了行人和车辆的安全。

在综合考虑各种水位计后，在全市范围内立交地道中，根据现场勘查情况，设计雷达式水位计垂直壁式安装，并对其加套管，使用寿命长，免维护。由于泥沙过多会阻碍浮子运动，而道路水深站泥沙较少，故在道路水深站旁边设置激光水位计，以广告牌型式展示。

3）雨量站设计。考虑到本市降水观测方式特点，雨量观测采用一体化雨量计。承雨口采用国际标准口径Φ200 mm。计量组件是一个翻斗式机械双稳态秤重机构，其功能是将以mm计的降雨深度转换为开头信号输出。在雨量计安装后，需要进行三次人工模拟降水试验，每次人工降水试验时，要人工计数雨量计翻斗次数，对照数据中心电脑显示的雨量计数，二者必须完全相同，三次试验必须都达到要求，若发现有一次不合格，必须查明原因，再进行三次降水试验，以确保仪器的精准性。

4）视频与传输层设计。该建设方案设计在每个城市水文监测站及低洼地水深监测站安装视频监控装置。视频监控装置一般正对着反光水尺，用于查看积水区域环境、确认水位信息。为节约能源和降低产品消耗，避免错误数据干扰，在未下雨时，除雨量外，水位、漏电、LED系统平时处于待机状态；待机状态下，LED屏幕只能完成来自中心的通知发布。接到中心通知后，系统进入工作状态；水位、漏电传感器等启动，每2分钟采集1次水位信息。雨量传感器5分钟采集一次雨量信息。达到预警阀值时，智慧网关结合图像水尺的数据进行初步判断，再通过规则库进行判断，通过后进行预警显示，同时发送一张图片到中心备案，中心通知相关部门（消防、市政等）待命；达到报警阈值时，进行报警显示，同时通过相关渠道全面发送通知。

4 结论

城市作为区域的政治、经济、文化中心，在社会经济发展中起主导作用，洪涝灾害对其危害巨大。而城市水文工作的开展能为城市防洪提供有力的依据，以促进城市的可持续发展。本系统的建设是济宁城市防洪中重要的工程措施，其能通过相关设备实时获取城市的暴雨积水信息，并通过中心实时传输水文信息，及时通过各种媒介发布给公众，有效提高城市水文信息化的管理水平，确保公众的生命财产安全，降低城市的内涝损失。