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山洪災害預警設備的革命性進步

發布時間：2021-08-31 閱讀量：4401
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環節出現的問題進行了初步總結，提出了新一代預警設備產品研發功能需求和系統架構，對山洪災害預警設備進行了改進，開發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”問題：一是預警信息直接入戶到人，為組織轉移增加有效預警時間30分鐘以上；二是以小流域為單元進行防御，不依賴于外部電力和通訊條件；三是入戶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、關鍵時候用得上；四是設備具備系統自動報警、人工按鍵報警、接受縣級平臺信息并自動轉發報警、人工喊話報警四種功能，大大提高了預警信息發布保障率。

關鍵詞：山洪；預警設備；監測
前言
2010年以來，我國開展大規模的山洪災害防治項目建設，目前初步建成“專群結合”的山洪災害防治非工程措施體系?！皩！奔磳I的監測預警系統，包括自動雨水情監測系統、縣級山洪災害監測預警平臺和專業的預警發布系統；“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、簡易監測預警、宣傳、培訓、演練等。無論是專業監測預警系統，還是群測群防，核心都是準確監測降雨和洪水、及時發布預警并傳遞預警、組織受威脅群眾轉移。從近年來山洪災害防御實際來看，隨著山洪災害防治項目建設，監測信息來源的問題已經得到初步解決，問題主要出在預警發布、預警傳遞等環節，也就是常說的“最后一公里”。在對實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，全面解決了長期困擾山洪災害防御的“最后一公里”問題。本文對山洪災害防御中各個環節出現的問題進行了初步總結，針對存在的問題提出了新一代預警設備產品研發功能需求和系統架構，開發并總結了新一代山洪預警設備的特點和優勢。
1 山洪災害防御中的薄弱環節
2011年以來，我國年均出現有人員死亡的山洪災害事件200余起，通過對實際案例的分析，可以查找出山洪災害防御的薄弱環節，有針對性的改進或研制新型預警設備。近幾年來，部分山洪災害事件防御暴露出來的薄弱環節以下幾個方面。
1.1 監測環節
暴雨山洪突發強、強度大，災害發生時遠遠超過電力、通信設施的防洪標準。自動監測站點在超標準暴雨洪水發生時顯得十分脆弱，往往電力和通訊中斷，導致自動雨量、水位站無法及時報汛。
1.2 指揮決策環節
（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法有效發出預警；
（2）由于依賴于通訊和電力設施，在極端情況下縣級監測預警平臺無法有效監測降雨和發出預警。
1.3 預警發布和傳遞環節
（1）預警信息傳遞難度大。分析原因一是預警響應時間過短，山洪陡漲陡落，來勢猛，猝不及防。二是預警信息傳遞條件困難，傳遞信息多在夜間，路線艱險，缺乏有效工具能迅速入戶到人。三是防汛責任人壓力大，依靠挨家挨戶敲門等手段在短時間內通知群眾轉移，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有死角，防汛責任人不能及時傳遞預警信息，預警覆蓋范圍內漏人、漏戶，預警信息不能及時傳遞到受威脅的每個人。
（3）前期配置的簡易監測預警站點只能向鄰近防御對象發布信息，不具備直接將信息傳遞至關聯的上、下游防御對象的條件。
1.4設備自身環節
（1）前期配置的簡易監測預警設備存在損毀現象，或者成為擺設。對于一個地區來說，山洪災害為稀遇事件，很多簡易設備不經常應用，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用設備的運行管理之外，為了彌補上述薄弱環節，新一代預警設備應具備以下條件：
（1）具備監測和預警發布、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節，避免了因中間環節失效而不能及時發布預警的情況發生。
（2）預警信息直接入戶到人。山洪危險區內每戶布設室內報警設備，保障防洪現狀能力低的居民戶都能夠實時收到預警信息。
（3）監測與報警設備分離。按照流域的實際情況布設監測設備，使監測信息自動傳送至關聯的上、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”，實現“日常家用，臨災報警”，讓專有設備能夠在群眾家中留的住，關鍵時刻用的上。
（5）具有組網通信能力，在臨災情況下，不依賴于外部電力和通訊條件。
（6）具備自動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報警。防汛責任人研判災情發生程度也可手動發出預警。
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成果，以小流域為單元布設，包括入戶型簡易雨量站、入戶型簡易水位站、入戶報警器、防汛呼叫器、無線中繼站等。新型山洪預警系統拓撲圖見圖1。
 
圖1  新型山洪預警系統拓撲圖
（1）入戶型簡易雨量站。入戶型簡易雨量站可實時監測降雨，雨量監測值超預警閾值后，可自動向入戶報警器傳送預警信息。
（2）入戶報警器。入戶報警器具有接收從入戶型簡易雨量站傳來的實時雨量、其他預警信息顯示和播報功能，當雨量超過預設閾值時可以通過聲、光、數據顯示三重報警形式及時向屋內居民發出預警。入戶報警器采用家庭日用品與報警器結合的親民形態，入戶報警器配置直流備用電源，供交流停電時使用。入戶報警器還兼具“明白卡”的功能，以不干膠貼紙張貼轉移路線及臨時安置地點、轉移注意事項等，可確保以家庭為單位分散轉移時按指定路線轉移不慌陣腳，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，入戶型簡易雨量站和入戶報警器直接組網，系統自動傳送雨量監測信息和預警信息入戶到人。同時，系統還考慮了人工干預的環節，開發了專用的防汛呼叫器，用以應對系統自設預警指標過高而人工觀測災情已經出現的情況。防汛呼叫器一鍵發射預警信息、接收縣級平臺預警信息并轉發入戶、向入戶報警器單向喊話三種報警方式。一鍵發射方式充分利用了防汛責任人的經驗，可解決預警指標不準而誤發預警的情況，單向喊話的方式增加了群眾的踏實感，也可成為通知開會的好工具。通過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報警的方式，形成了預警信息發送的“四保險”，解決了以往的預警信息發送保障率低的問題。
（4）預警信息屏?？山邮斩绦?、入戶型簡易雨量站、入戶型簡易水位站數據，當雨量/水位監測站發送預警信息時，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。戶外預警信息屏宜安裝在居民集中處和學校、廠礦等單位。
（5）無線中繼站。主要適用于入戶型簡易雨量站與流域內關聯居民區距離較遠的應用環境。
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內。結合山洪災害調查評價成果，提出的系統各設備布設原則如下（布設示例見圖2）。
（1）入戶型簡易雨量站及對應的入戶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）入戶型簡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，同時考慮地形抬升等因素影響。
（3）入戶報警器依據山洪災害調查評價成果，原則上防洪現狀低于百年一遇以下的居民戶全部安裝。針對一般村民采用入戶報警器（家庭版），機關、企業、廠礦可采用入戶報警器（專業版）。
（4）在集中居民點防汛責任人值班地點安裝入戶報警控制器。
（5）無線中繼站應安裝在雨量站與入戶報警器集中安裝區域的中間地點（選點應地勢較高且相對空曠），發射天線應朝向入戶報警器集中區。
 
圖2 新型山洪預警系統布設示意圖
3.2.3系統特點
（1）同時具有監測和預警功能，監測預警信息直接進入入戶報警器，省去信息傳遞的中間環節；
（2）預警終端入戶，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預警和人工發出預警兩種方式。
（4）自組網，不依賴通訊公網傳遞預警信號，無通訊費用，不依賴外部電力；
（5）結合山洪災害調查評價成果，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，在典型流域進行了實地布設。該流域82.47km2，涉及3個鄉鎮，9個行政村，21個沿河村落，有企事業單位6個，小學1座。
根據以上系統布設原則，將該流域再劃分為5個小流域，以小流域為單元布設入戶型簡易雨量站，流域中心點建設入戶型簡易雨量站5個；流域有2個小型水庫，采用開敞式溢洪道泄洪，在水庫溢洪道下游設置2個入戶型簡易水位站，在2條河道匯合口也設置1個水位站；流域內受威脅居民戶572個和受威脅企業6個建設入戶型報警器家庭版578個?？紤]到防汛責任人要到行政村一級，故涉及的9個行政村村長家將安裝防汛呼叫器9套，根據通信范圍和距離加裝無線中繼站6套，具體設備布設情況見圖3。
 
圖3 入戶預警系統站網布置圖
該流域入戶報警系統應用有以下幾個特點：一是突破原有的信息傳遞體制，從圖2可見，流域橫跨3個鄉鎮，新型的監測預警系統沒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成果，按照流域中心布設監測站點，入戶預警設備將防洪現狀在百年一遇以下的居民戶全部覆蓋，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內，將河道洪峰演進時間轉化為預警時間，增加了群眾響應和轉移應對時間。

4 山洪災害預警設備革命性進步

山洪來勢猛、流速快、破壞力大，最為關鍵的就是利用有限時間傳遞預警信息至每一個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監測預警系統和簡易監測預警體系，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題。


表1 自動和簡易監測預警系統存在的問題及新型預警設備應對解決方案


項目存在問題新型預警設備應對問題是否解決
自動系統和簡易系統共有響應時間過短預警信息直接入戶到人，省去了挨家挨戶通知傳遞的預警信息環節一般情況下增加有效預警時間30分鐘以上
防汛責任人壓力過大具備無人值守時自動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到人，省去了挨家挨戶通知傳遞預警信息的環節解決
預警信息發布“漏人”“漏戶“結合調查評價成果，原則上防洪現狀在百年一遇以下的居民戶全部安裝入戶報警器解決
預警信息不能完成保障發出設備具有預警信息發布“四保險”機制解決
自動系統極端條件下通訊、電力中斷，系統失效自組網，不依賴外部電力和通訊解決
監測、預警發布、傳遞環節多，整體系統較為脆弱形成自封閉系統，無中間環節解決
存在一定的通訊和運行費用自組網，無通訊費用解決
簡易系統不具備直接將信息傳遞至關聯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測災情，通過一鍵發射預警信息或人工喊話通知解決
設備內置預警指標無人調整“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
綜上所述，新型山洪預警設備在預警信息傳遞速度、發布保障率、發送范圍精準化、設備保管體制、預警指標修改反饋機制上都有質的飛躍，而且有效解決了“?！焙汀叭骸眱煞N體系的固有不足。另外，人工干預報警和系統自動報警兩種方式互補、預警終端入戶到人并與日常用品相結合等思路在滑坡、泥石流等地質災害防御中也有較大的應用價值。

參考文獻
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