山洪災害預警設備的革命性進(jìn)步
發(fā)布時(shí)間：2021-08-31 閱讀量：5171
嚴建華
（北京國信華源科技有限公司，北京，100053)
摘要：本文針對我國山洪災害防治各個(gè)環(huán)節出現的問(wèn)題進(jìn)行了初步總結，提出了新一代預警設備產(chǎn)品研發(fā)功能需求和系統架構，對山洪災害預警設備進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)發(fā)的新一代山洪預警設備全面解決了山洪災害防御的“最后一公里”問(wèn)題：一是預警信息直接入戶(hù)到人，為組織轉移增加有效預警時(shí)間30分鐘以上；二是以小流域為單元進(jìn)行防御，不依賴(lài)于外部電力和通訊條件；三是入戶(hù)報警設備與居民家用日常用品相結合，確保了群測群防設備留得住、存得下、關(guān)鍵時(shí)候用得上；四是設備具備系統自動(dòng)報警、人工按鍵報警、接受縣級平臺信息并自動(dòng)轉發(fā)報警、人工喊話(huà)報警四種功能，大大提高了預警信息發(fā)布保障率。
關(guān)鍵詞：山洪；預警設備；監測
前言
2010年以來(lái)，我國開(kāi)展大規模的山洪災害防治項目建設，目前初步建成“專(zhuān)群結合”的山洪災害防治非工程措施體系?！皩?zhuān)”即專(zhuān)業(yè)的監測預警系統，包括自動(dòng)雨水情監測系統、縣級山洪災害監測預警平臺和專(zhuān)業(yè)的預警發(fā)布系統；“群”即群測群防，包括建立健全責任制體系、編制縣鄉村級山洪災害防御預案、簡(jiǎn)易監測預警、宣傳、培訓、演練等。無(wú)論是專(zhuān)業(yè)監測預警系統，還是群測群防，核心都是準確監測降雨和洪水、及時(shí)發(fā)布預警并傳遞預警、組織受威脅群眾轉移。從近年來(lái)山洪災害防御實(shí)際來(lái)看，隨著(zhù)山洪災害防治項目建設，監測信息來(lái)源的問(wèn)題已經(jīng)得到初步解決，問(wèn)題主要出在預警發(fā)布、預警傳遞等環(huán)節，也就是常說(shuō)的“最后一公里”。在對實(shí)際案例分析和需求調研的基礎上，研制了新一代山洪災害預警設備，全面解決了長(cháng)期困擾山洪災害防御的“最后一公里”問(wèn)題。本文對山洪災害防御中各個(gè)環(huán)節出現的問(wèn)題進(jìn)行了初步總結，針對存在的問(wèn)題提出了新一代預警設備產(chǎn)品研發(fā)功能需求和系統架構，開(kāi)發(fā)并總結了新一代山洪預警設備的特點(diǎn)和優(yōu)勢。
1 山洪災害防御中的薄弱環(huán)節
2011年以來(lái)，我國年均出現有人員死亡的山洪災害事件200余起，通過(guò)對實(shí)際案例的分析，可以查找出山洪災害防御的薄弱環(huán)節，有針對性的改進(jìn)或研制新型預警設備。近幾年來(lái)，部分山洪災害事件防御暴露出來(lái)的薄弱環(huán)節以下幾個(gè)方面。
1.1 監測環(huán)節
暴雨山洪突發(fā)強、強度大，災害發(fā)生時(shí)遠遠超過(guò)電力、通信設施的防洪標準。自動(dòng)監測站點(diǎn)在超標準暴雨洪水發(fā)生時(shí)顯得十分脆弱，往往電力和通訊中斷，導致自動(dòng)雨量、水位站無(wú)法及時(shí)報汛。
1.2 指揮決策環(huán)節
（1）縣級平臺運行管理人員操作不熟悉，縣級平臺操作規程不具體，導致緊急情況下縣級平臺無(wú)法有效發(fā)出預警；
（2）由于依賴(lài)于通訊和電力設施，在極端情況下縣級監測預警平臺無(wú)法有效監測降雨和發(fā)出預警。
1.3 預警發(fā)布和傳遞環(huán)節
（1）預警信息傳遞難度大。分析原因一是預警響應時(shí)間過(guò)短，山洪陡漲陡落，來(lái)勢猛，猝不及防。二是預警信息傳遞條件困難，傳遞信息多在夜間，路線(xiàn)艱險，缺乏有效工具能迅速入戶(hù)到人。三是防汛責任人壓力大，依靠挨家挨戶(hù)敲門(mén)等手段在短時(shí)間內通知群眾轉移，體力消耗和心理壓力大。
（2）一些鄉鎮、村組的山洪防御責任落實(shí)有死角，防汛責任人不能及時(shí)傳遞預警信息，預警覆蓋范圍內漏人、漏戶(hù)，預警信息不能及時(shí)傳遞到受威脅的每個(gè)人。
（3）前期配置的簡(jiǎn)易監測預警站點(diǎn)只能向鄰近防御對象發(fā)布信息，不具備直接將信息傳遞至關(guān)聯(lián)的上、下游防御對象的條件。
1.4設備自身環(huán)節
（1）前期配置的簡(jiǎn)易監測預警設備存在損毀現象，或者成為擺設。對于一個(gè)地區來(lái)說(shuō)，山洪災害為稀遇事件，很多簡(jiǎn)易設備不經(jīng)常應用，再加上缺乏有效保管，易損毀或丟失。
（2）預警廣播傳播距離受限，有被外部信息侵入風(fēng)險，而且管理難度大。
3 解決方案
3.1 需求分析
除加強山洪災害防御專(zhuān)用設備的運行管理之外，為了彌補上述薄弱環(huán)節，新一代預警設備應具備以下條件：
（1）具備監測和預警發(fā)布、傳遞功能。形成監測和預警的封閉系統，最大限度減少中間環(huán)節，避免了因中間環(huán)節失效而不能及時(shí)發(fā)布預警的情況發(fā)生。
（2）預警信息直接入戶(hù)到人。山洪危險區內每戶(hù)布設室內報警設備，保障防洪現狀能力低的居民戶(hù)都能夠實(shí)時(shí)收到預警信息。
（3）監測與報警設備分離。按照流域的實(shí)際情況布設監測設備，使監測信息自動(dòng)傳送至關(guān)聯(lián)的上、下游防御對象。
（4）室內報警設備與常規日用品相結合，“平戰結合”，實(shí)現“日常家用，臨災報警”，讓專(zhuān)有設備能夠在群眾家中留的住，關(guān)鍵時(shí)刻用的上。
（5）具有組網(wǎng)通信能力，在臨災情況下，不依賴(lài)于外部電力和通訊條件。
（6）具備自動(dòng)報警和人工報警兩種功能，一般情況下，系統根據預設的閾值自動(dòng)報警。防汛責任人研判災情發(fā)生程度也可手動(dòng)發(fā)出預警。
3.2 新型山洪預警系統
3.2.1系統架構
新型山洪預警系統緊密結合山洪災害調查評價(jià)成果，以小流域為單元布設，包括入戶(hù)型簡(jiǎn)易雨量站、入戶(hù)型簡(jiǎn)易水位站、入戶(hù)報警器、防汛呼叫器、無(wú)線(xiàn)中繼站等。新型山洪預警系統拓撲圖見(jiàn)圖1。
圖1 新型山洪預警系統拓撲圖
（1）入戶(hù)型簡(jiǎn)易雨量站。入戶(hù)型簡(jiǎn)易雨量站可實(shí)時(shí)監測降雨，雨量監測值超預警閾值后，可自動(dòng)向入戶(hù)報警器傳送預警信息。
（2）入戶(hù)報警器。入戶(hù)報警器具有接收從入戶(hù)型簡(jiǎn)易雨量站傳來(lái)的實(shí)時(shí)雨量、其他預警信息顯示和播報功能，當雨量超過(guò)預設閾值時(shí)可以通過(guò)聲、光、數據顯示三重報警形式及時(shí)向屋內居民發(fā)出預警。入戶(hù)報警器采用家庭日用品與報警器結合的親民形態(tài)，入戶(hù)報警器配置直流備用電源，供交流停電時(shí)使用。入戶(hù)報警器還兼具“明白卡”的功能，以不干膠貼紙張貼轉移路線(xiàn)及臨時(shí)安置地點(diǎn)、轉移注意事項等，可確保以家庭為單位分散轉移時(shí)按指定路線(xiàn)轉移不慌陣腳，也在日常生活中潛移默化起到了山洪災害防御常識宣傳教育作用。
（3）防汛呼叫器。一般情況下，入戶(hù)型簡(jiǎn)易雨量站和入戶(hù)報警器直接組網(wǎng)，系統自動(dòng)傳送雨量監測信息和預警信息入戶(hù)到人。同時(shí)，系統還考慮了人工干預的環(huán)節，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的防汛呼叫器，用以應對系統自設預警指標過(guò)高而人工觀(guān)測災情已經(jīng)出現的情況。防汛呼叫器一鍵發(fā)射預警信息、接收縣級平臺預警信息并轉發(fā)入戶(hù)、向入戶(hù)報警器單向喊話(huà)三種報警方式。一鍵發(fā)射方式充分利用了防汛責任人的經(jīng)驗，可解決預警指標不準而誤發(fā)預警的情況，單向喊話(huà)的方式增加了群眾的踏實(shí)感，也可成為通知開(kāi)會(huì )的好工具。通過(guò)防汛呼叫器的三種報警方式再加上系統內置預警指標自動(dòng)報警的方式，形成了預警信息發(fā)送的“四保險”，解決了以往的預警信息發(fā)送保障率低的問(wèn)題。
（4）預警信息屏?？山邮斩绦?、入戶(hù)型簡(jiǎn)易雨量站、入戶(hù)型簡(jiǎn)易水位站數據，當雨量/水位監測站發(fā)送預警信息時(shí)，預警信息屏中斷常規文字播放內容轉而播放預警文字信息。戶(hù)外預警信息屏宜安裝在居民集中處和學(xué)校、廠(chǎng)礦等單位。
（5）無(wú)線(xiàn)中繼站。主要適用于入戶(hù)型簡(jiǎn)易雨量站與流域內關(guān)聯(lián)居民區距離較遠的應用環(huán)境。
3.2.2 系統布設原則
新型山洪預警系統以流域為單元布設，直接將位于流域中心的降雨監測值和預警信息傳送至位于山洪災害危險區的居民戶(hù)內。結合山洪災害調查評價(jià)成果，提出的系統各設備布設原則如下（布設示例見(jiàn)圖2）。
（1）入戶(hù)型簡(jiǎn)易雨量站及對應的入戶(hù)報警器原則上按照小流域布設，原則上流域面積10-30km2建設一套。
（2）入戶(hù)型簡(jiǎn)易雨量站應盡量安裝在流域中心或者暴雨中心等代表性地段，同時(shí)考慮地形抬升等因素影響。
（3）入戶(hù)報警器依據山洪災害調查評價(jià)成果，原則上防洪現狀低于百年一遇以下的居民戶(hù)全部安裝。針對一般村民采用入戶(hù)報警器（家庭版），機關(guān)、企業(yè)、廠(chǎng)礦可采用入戶(hù)報警器（專(zhuān)業(yè)版）。
（4）在集中居民點(diǎn)防汛責任人值班地點(diǎn)安裝入戶(hù)報警控制器。
（5）無(wú)線(xiàn)中繼站應安裝在雨量站與入戶(hù)報警器集中安裝區域的中間地點(diǎn)（選點(diǎn)應地勢較高且相對空曠），發(fā)射天線(xiàn)應朝向入戶(hù)報警器集中區。
圖2 新型山洪預警系統布設示意圖
3.2.3系統特點(diǎn)
（1）同時(shí)具有監測和預警功能，監測預警信息直接進(jìn)入入戶(hù)報警器，省去信息傳遞的中間環(huán)節；
（2）預警終端入戶(hù)，與日常用品相結合，使用者有積極性；
（3）系統具有預設的預警指標判定自動(dòng)預警和人工發(fā)出預警兩種方式。
（4）自組網(wǎng)，不依賴(lài)通訊公網(wǎng)傳遞預警信號，無(wú)通訊費用，不依賴(lài)外部電力；
（5）結合山洪災害調查評價(jià)成果，提出了設備布設原則，形成了完整的應用方案。
3.3 應用實(shí)例
為驗證新型山洪預警設備使用效果，結合山洪災害防治非工程措施示范區建設，在典型流域進(jìn)行了實(shí)地布設。該流域82.47km2，涉及3個(gè)鄉鎮，9個(gè)行政村，21個(gè)沿河村落，有企事業(yè)單位6個(gè)，小學(xué)1座。
根據以上系統布設原則，將該流域再劃分為5個(gè)小流域，以小流域為單元布設入戶(hù)型簡(jiǎn)易雨量站，流域中心點(diǎn)建設入戶(hù)型簡(jiǎn)易雨量站5個(gè)；流域有2個(gè)小型水庫，采用開(kāi)敞式溢洪道泄洪，在水庫溢洪道下游設置2個(gè)入戶(hù)型簡(jiǎn)易水位站，在2條河道匯合口也設置1個(gè)水位站；流域內受威脅居民戶(hù)572個(gè)和受威脅企業(yè)6個(gè)建設入戶(hù)型報警器家庭版578個(gè)?？紤]到防汛責任人要到行政村一級，故涉及的9個(gè)行政村村長(cháng)家將安裝防汛呼叫器9套，根據通信范圍和距離加裝無(wú)線(xiàn)中繼站6套，具體設備布設情況見(jiàn)圖3。
圖3 入戶(hù)預警系統站網(wǎng)布置圖
該流域入戶(hù)報警系統應用有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是突破原有的信息傳遞體制，從圖2可見(jiàn)，流域橫跨3個(gè)鄉鎮，新型的監測預警系統沒(méi)有按照鄉鎮行政區分布，而是按照流域布設監測和預警設備，更加符合物理邏輯。二是結合山洪災害調查評價(jià)成果，按照流域中心布設監測站點(diǎn)，入戶(hù)預警設備將防洪現狀在百年一遇以下的居民戶(hù)全部覆蓋，確保了雨量監測和預警信息傳送范圍準確。三是在水庫溢洪道和河流交匯口布設水位監測設備，預警終端位于河道下游居民戶(hù)內，將河道洪峰演進(jìn)時(shí)間轉化為預警時(shí)間，增加了群眾響應和轉移應對時(shí)間。
4 山洪災害預警設備革命性進(jìn)步
山洪來(lái)勢猛、流速快、破壞力大，最為關(guān)鍵的就是利用有限時(shí)間傳遞預警信息至每一個(gè)受威脅的人員并組織轉移，也就是“最后一公里”，相對于傳統的山洪災害自動(dòng)監測預警系統和簡(jiǎn)易監測預警體系，研制的新型山洪災害預警設備成功的解決了困擾已久的最后一公里問(wèn)題。
表1 自動(dòng)和簡(jiǎn)易監測預警系統存在的問(wèn)題及新型預警設備應對解決方案
| 項目 | 存在問(wèn)題 | 新型預警設備應對 | 問(wèn)題是否解決 |
| 自動(dòng)系統和簡(jiǎn)易系統共有 | 響應時(shí)間過(guò)短 | 預警信息直接入戶(hù)到人，省去了挨家挨戶(hù)通知傳遞的預警信息環(huán)節 | 一般情況下增加有效預警時(shí)間30分鐘以上 |
| 防汛責任人壓力過(guò)大 | 具備無(wú)人值守時(shí)自動(dòng)監測預警并傳遞信息的功能 | 解決 | |
| 防汛責任人傳遞預警信息工作強度大 | 直接入戶(hù)到人，省去了挨家挨戶(hù)通知傳遞預警信息的環(huán)節 | 解決 | |
| 預警信息發(fā)布“漏人”“漏戶(hù)“ | 結合調查評價(jià)成果，原則上防洪現狀在百年一遇以下的居民戶(hù)全部安裝入戶(hù)報警器 | 解決 | |
| 預警信息不能完成保障發(fā)出 | 設備具有預警信息發(fā)布“四保險”機制 | 解決 | |
| 自動(dòng)系統 | 極端條件下通訊、電力中斷，系統失效 | 自組網(wǎng)，不依賴(lài)外部電力和通訊 | 解決 |
| 監測、預警發(fā)布、傳遞環(huán)節多，整體系統較為脆弱 | 形成自封閉系統，無(wú)中間環(huán)節 | 解決 | |
| 存在一定的通訊和運行費用 | 自組網(wǎng)，無(wú)通訊費用 | 解決 | |
| 簡(jiǎn)易系統 | 不具備直接將信息傳遞至關(guān)聯(lián)的下游防御對象的條件 | 以小流域為單元布設 | 解決 |
| 設備保管看護難度大 | 和群眾日常用品結合，群眾歡迎 | 解決 | |
| 內置預警指標不準 | 人工觀(guān)測災情，通過(guò)一鍵發(fā)射預警信息或人工喊話(huà)通知 | 解決 | |
| 設備內置預警指標無(wú)人調整 | “物防”和“人防”互相反饋，初步建立預警指標修正調整機制 | 部分解決 |
5 結語(yǔ)
綜上所述，新型山洪預警設備在預警信息傳遞速度、發(fā)布保障率、發(fā)送范圍精準化、設備保管體制、預警指標修改反饋機制上都有質(zhì)的飛躍，而且有效解決了“專(zhuān)”和“群”兩種體系的固有不足。另外，人工干預報警和系統自動(dòng)報警兩種方式互補、預警終端入戶(hù)到人并與日常用品相結合等思路在滑坡、泥石流等地質(zhì)災害防御中也有較大的應用價(jià)值。
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