基于物联网的山洪灾害监测技术研发初探

许文涛 买买提·依明 李鹏 何敏 董林垚

摘 要：山洪灾害监测体系是非工程措施建设的重要组成，是致灾机理研究、风险评估和预警发布的基础。基于物联网技术，研发山洪多要素（降水、流速/水位、土壤含水量）微纳感知传感器和广域覆盖自组网技术，并以丹江口官山河流域为示范，构建山洪灾害监测技术体系。研究旨在构建适用于山区复杂环境的山洪监测体系，提供实时稳定的山洪灾害多要素监测数据，提高应急抢险应对处置时效性和防灾救灾能力。

关键词：山洪灾害;监测;微纳感知;自助网技术;官山河流域

中图法分类号：TP29               文献标志码：B                 DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0315

中国位于东亚季风气候区，暴雨频发，地形地貌环境复杂，加之人类活动剧烈，导致山洪灾害频发。2016年，习近平总书记强调“防灾减灾应注重‘两个坚持，三个转变的新理念，其核心是提前预测预报”。开展山洪灾害监测技术研究，构建适合山区复杂环境的山洪灾害监测体系，提供实时稳定的山洪灾害多要素监测数据，对提高应急抢险应对处置时效性和防灾救灾能力具有重要意义。

1    山洪灾害监测现状

随着全球气候变化和人类活动影响，山区城市化进程加快、下垫面条件改变、极端水文事件频发造成山洪灾害日益严重，缺乏对山洪成灾机理、监测预警技术和防御范式的系统研究，将导致全球环境对山区洪水灾害脆弱性加剧。据统计，自1949年以來，全国发生山洪灾害5万余次，累计死亡约十九万余人，占洪涝灾害死亡人数的70%以上，近些年该比例增长趋势显著[1]。山洪灾害问题引起国家高度重视，2006 年 10 月，国务院正式批复《全国山洪灾害防治规划》，确立了“以人为本”山洪灾害防治的思路，构建非工程措施为主与工程措施相结合的防灾减灾体系，逐步实现了全国 2 138县（市、区）386万km2范围内自动监测站点的全覆盖，其中自动雨量监测站和水位监测站的布设密度达到50km2/个和100km2/个[2，3]。山洪灾害监测预警网络是按照物联网方式进行架构，从水雨情监测站点到县级监测预警平台，再到各种预警发布系统和设备，形成有机统一的整体。

以美国为主导的西方国家早在20世纪70年代就开始了山洪灾害防治工作，在监测技术设备研发，预警系统集成，预报误差分析等领域处于领先地位。美国国家气象局（National Weather Service，NWS）研发的山洪监测预警系统（flash flood guidance system，FFGS）在境内山区小流域早期洪水预警预报发挥了重要作用，近年来通过融合新一代降雨雷达技术减小雨量预报误差，利用概率山洪预报模型、流域水文模型计算径流阈值，提高了山洪预报精度，该系统在世界气象组织的推荐下，在中国、南非、黑海和中东等地区进行了应用[4-6]。2006年9月在欧盟框架计划下HYDRATE（Hydrometeorological Data Resources and Technology for Effective Flash Flood Forecasting）工程开始实施为期5年的研究计划，旨在研究导致历史山洪事件的水文气象数据，制作山洪数据集，推进和协调构建欧洲范围内的山洪监测创新管理体系，并开发出一套适应于早期山洪预警预报的系统，该项目汇集了10个欧盟成员国，以及中美、南非观察员国的17个合作组织组成的一个多学科团队，联合开展流域山洪灾害防御技术研究与示范[7]。日本采用X波段雷达实现小时尺度雨量观测，结合机载激光雷达技术获取地面高精度数据，利用分布式水文模型计算河道径流值，实现中央直辖的河流扩展到地方所辖河流的所有关键河段洪水预报[8]。

国内关于山洪灾害防治理论和技术的研究[9-17]伴随国家山洪灾害防治项目建设不断拓展，为项目的建设、应用和推广提供技术支撑。经过数十年建设，目前已初步建成了以自动水雨情监测站为主的山洪灾害监测技术体系，但受复杂山区环境影响，目前布设的监测设施存在仪器使用期限短、维护更换成本高、信息传输易中断等问题，导致水雨情信息错报、漏报和中断，影响山洪灾害预警预报时效性。因此，迫切需要研发适宜山区环境的、实用、低成本的雨水情监测设施。本文基于山洪灾害监测技术体系建设的实际需求，结合物联网技术，研发山洪多要素（降水、流速/水位、土壤含水量）微纳感知传感器和广域覆盖自组网技术，并以丹江口官山河流域为示范，以期为山洪灾害防治体系升级改造提供科技支撑。

2  山洪灾害监测技术研发

2.1  微纳感知监测仪器

传感器是能够采集和传出数据的设施，山洪灾害监测要素主要包括降雨、径流和土壤要素，分别对应山洪驱动因子、产汇流过程和下垫面特征。研究致力于研发低功耗、小型化、无线传输数据、具备“三防”功能（防尘、防水、防腐蚀）的监测装置，该设备主要由降雨、径流流速、水位、含沙量、土壤水分测定组件以及处理平台和发射/接收等部分组成，并最大限度的适应山区复杂环境条件。降雨监测采用压电式MEMS（Micro Electro Mechanical System）传感器数组方法实现雨量及过程监测。土壤水分监测通过测量土壤的介电常数随水分含量变化计算土壤含水量，并利用频域反射法实现土壤水分动态变化的测量与反演。

本研究于2019年4月在武汉市长江科学院水土保持所楼顶布设微纳感知降雨监测仪，选取了5次典型降雨过程进行观测，并与传统雨量计监测结果进行对比。微纳感知降雨监测仪和传统雨量计监测的5次降雨累积量对比如图1a，所示，5次降雨过程对比分别见图1b～1f，传统雨量计实测数据与研发仪器测定数据拟合度较好。

微纳感知土壤含水量监测仪则在长江科学院室内实验室进行试验，对12次不同土壤含水量进行监测，同时与传统烘干法测得的土壤含水量结果进行比较（图2a）。同时开展微纳感知流速监测与传统流速仪的对比试验，该实验在长江科学院高速水流模型槽进行，结果对比如图2b。

图1和图2的结果表明所研发的微纳感知监测仪，在降雨、土壤含水量和流速测量结果与传统仪器测量结果拟合较好，且相较于传统测量仪器，微纳感知传感器具有体积小、性能高、灵活机动的特点。同时，研发的监测仪器具有能耗小、充电蓄能快的优点，在达到一定的降雨量、土壤含水量和流速数值的时候被激发进入工作模式，能够适用于复杂山区环境山洪多要素监测。本次研发的山洪灾害暴雨、径流和土壤含水量要素监测设施采样频率可根据实际情况进行远程设置，通常在非汛期设置为1h，在汛期设置为10min，以实现对山洪过程要素的全面、实时监测。

2.2  自组网传输技术

研究针对山区山洪要素信息传输主要依靠公网的缺陷，研发的目标是以自组网为主，合理利用公网进行信息传输，确保信息传输畅通。针对山丘区地形复杂、信息传输阻挡限制因素多的特点，研发以“节点”为主体的“网络化”自组网技术体系。

自组网技术需具备低功耗、高性能、快速组网、复杂环境下实时高效稳定传输等优势。自组网技术核心为无线MESH网络技术，采用强传输绕射能力的UHF频段和COFDM、DSSS等多种传输体制，并同时能够实现多种传输模式智能切换，以便于在有条件地区与公网连接和切换。研究构建的山洪灾害监测数据传输模式面向降雨、径流、土壤水分监测技术和数据传输的需求，运用阵列复合传感器设计、多源异构信息融合处理、自组网等关键技术，结合微纳感知传感器（雨量、土壤含水量、水位、流速、泥沙）监测手段，通过自组网、公网（智慧切换）传输技术，构建全新的山区小流域山洪灾害监测技术体系，解决无卫星信号塔、无公网或公网中断条件下监测信息无法实时稳定传输的难题。

3  山洪灾害监测体系构建示范

3.1  示范流域概况

受复杂山区环境、极端暴雨事件频发、下垫面条件改变等因素的影响，区域山洪灾害防御体系对监测模式提出了更高要求。本研究结合研发的微纳感知传感器和自组网技术，选择湖北省丹江口市官山河流域为示范区，进行山洪灾害立体多要素监测模式构建。

官山河流域基础信息如图3所示。流域位于秦巴山脉东段南坡，鄂西北丹江口市西南，地处东经110°48′～111°34′59″，北纬32°13′16″～32°58′20″，属中高山地貌，流域总体西高东低，南高北低，最高海拔1 606m，最低海拔240m，高差1 366m。面积319.6km2，南北最宽15.4km，东西最长23.8km。河網总长268.5km，密度约0.84km/km2。流域出口站为孤山站（站台号：61907500;经度110°55′37″，纬度32°27′），于1973年设站。流域范围内土壤以黄棕壤为主。

该流域位于东部季风区，5—9月以东、东南风为主，受地形影响，是丹江口市的暴雨中心，年降雨量1 000mm以上，汛期降水量占全年降水量的65%以上。人口总量为14 619人，户数为3 854户。土地利用类型主要有林地、草地、园地、水田、旱地、梯田、水域、裸地、裸岩等11种土地利用类型。流域潜在受灾人口2 023户、8 106人，受灾体还包括流域内公路、水库、桥梁、农田等基础设施。2012年8月5日，遭遇超百年一遇的特大洪水，流域多处受灾，民房被毁，田地被冲，水利设施几乎全部损毁，造成经济损失约2.3亿元。

经过2010—2017年山洪灾害防治项目建设，官山河流域内目前建设有自动雨量站2个，简易雨量站11个，自动水位站1个，简易水位站4个，无线预警广播站30台（图3d）。已建的山洪灾害监测预警设施在历年山洪灾害监测预警工作中起到了重要的作用。

3.2  监测模式构建

结合官山河流域特征，地面雨量站布设主要考虑山区降雨云团、流域山体走向、海拔高度、汛期主风向以及主要风口位置。土壤水分传感器布设主要考虑流域11种不同土地利用类型，以便于产流入渗计算。水位、流速、泥沙传感器布设在流域内8处沿河、沟岸典型承灾体附近河道，为水位预警提供有效数据支撑。X波段测雨雷达需要选择无遮挡高处，雷达辐射面积应覆盖全流域，为微纳感知测雨数据反演面雨量提供验证。

按照以上思路，增设微纳感知雨量计27台，雨量监测站达到40个;针对11种土地利用类型的分布，布设微纳感知传感器22台;选取8处沿河、沟岸典型承灾体（村落），布设微纳感知水位、流速、泥沙传感器8台;在流域中心位置选取无遮挡条件的高地1处，布设X波段测雨雷达（辐射半径30km，布设处距离流域最远边界约18km），用以检验、校准地面雨量站的适配程度。自组网体系将监测资料传输至公网条件好的官山镇，并通过山洪灾害防御平台在乡镇的延伸建设最终将数据传至丹江口市。

4  结语

X波段雷达降雨监测及定量降雨估算可以很好地解决流域降雨的空间变异问题，下一步工作中需要分析现有地面降雨监测站点布局密度条件下的监测数据与雷达降雨监测数据间的关系，基于微纳感知传感器提出合理的适用于山区环境特点的地面降雨监测点布局密度和格局，以克服测雨雷达花费高、安装复杂等缺点。

目前山洪灾害监测技术的数据传输多基于公网，监测数据传输存在中断和不及时等系列问题。随着物联网技术的发展，通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，将山洪影响要素与互联网相接，与用户进行信息交换和通讯，实现山洪灾害的智能化识别、定位、追踪、监控和管理是当前研发趋势。

下一步工作将在官山河示范区进行监测体系建设，根据实际监测效果验证模式的适用性和可行性，同时结合国家重点研发计划“山洪灾害监测预警关键技术与集成示范”将山洪灾害数据采集、监测站点布局优化、数据实时传输、多源异构数据融合、监测体系构建等技术在黄土高原超渗产流区、西南震区、岩溶区、东南沿海台风影响区典型山区小流域进行推广和示范。

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System Development and Mode Construction of Mountain Torrents Disaster Monitoring Technology Based on Internet of Things technology

Xu Wentao1，2    Maimaiti Yimin3     Li Peng4     He Min5     Dong Linyao1，2

（1. Changjiang River Scientific Research Institute， Changjiang Water Resources Commission，Wuhan，430014，China;2. Research Center on Mountain Torrents and Geologic Disaster Prevention，Ministry of Water Resources，Wuhan，430014，China;3. Service Center of Xinjiang Flood Control and Drought Relief，Urumqi 830000; 4.Water Conservancy and Lake Bureau of Danjiangkou，Danjiangkou 442000. 5. Hubei Provincial Department of Water Resources，Wuhan，430071，China）

Abstract：Mountain torrents disaster monitoring system is an important component of non-structure measuring in mountain torrents disaster prevention， and is also the basis for disaster occur mechanism， risk assessment and pre-warning information release. The current monitoring method mainly depends on automatic stations， and the data transfer mean mainly depends on public network. The problems such as monitoring devices is expensive to be updated， and the data transfer system is easily to be interrupt makes misstatement and missing report of monitoring data， which leads to improving timeliness of disaster pre-warning. The study develops multiple mountain torrents disaster factors （precipitation， velocity/water level， soil moisture content） monitoring sensor and widely area overlay Ad Hoc Network technology based on micro nano sensing and Internet of things. And the developed technical system is also applied in a demonstrative basin of Danjiangkou City. The aims of this study are to provide mountain torrents disaster monitoring system which can be applied in complex mountain environment， and to provide real-time and stable monitoring data to improve the disaster handle prescription and disaster prevention and relief capability.

Keywords：mountain torrents disaster， monitoring， micro nano sensing， Ad Hoc Network， Guanshan River basin