山洪灾害预警设备的革命性进步
发布时间：2021-08-31 阅读量：9168
严建华
（北京国信华源科技有限公司，北京，100053)
摘要：本文针对我国山洪灾害防治各个环节出现的问题进行了初步总结，提出了新一代预警设备产品研发功能需求和系统架构，对山洪灾害预警设备进行了改进，开发的新一代山洪预警设备全面解决了山洪灾害防御的“最后一公里”问题：一是预警信息直接入户到人，为组织转移增加有效预警时间30分钟以上；二是以小流域为单元进行防御，不依赖于外部电力和通讯条件；三是入户报警设备与居民家用日常用品相结合，确保了群测群防设备留得住、存得下、关键时候用得上；四是设备具备系统自动报警、人工按键报警、接受县级平台信息并自动转发报警、人工喊话报警四种功能，大大提高了预警信息发布保障率。
关键词：山洪；预警设备；监测
前言
2010年以来，我国开展大规模的山洪灾害防治项目建设，目前初步建成“专群结合”的山洪灾害防治非工程措施体系。“专”即专业的监测预警系统，包括自动雨水情监测系统、县级山洪灾害监测预警平台和专业的预警发布系统；“群”即群测群防，包括建立健全责任制体系、编制县乡村级山洪灾害防御预案、简易监测预警、宣传、培训、演练等。无论是专业监测预警系统，还是群测群防，核心都是准确监测降雨和洪水、及时发布预警并传递预警、组织受威胁群众转移。从近年来山洪灾害防御实际来看，随着山洪灾害防治项目建设，监测信息来源的问题已经得到初步解决，问题主要出在预警发布、预警传递等环节，也就是常说的“最后一公里”。在对实际案例分析和需求调研的基础上，研制了新一代山洪灾害预警设备，全面解决了长期困扰山洪灾害防御的“最后一公里”问题。本文对山洪灾害防御中各个环节出现的问题进行了初步总结，针对存在的问题提出了新一代预警设备产品研发功能需求和系统架构，开发并总结了新一代山洪预警设备的特点和优势。
1 山洪灾害防御中的薄弱环节
2011年以来，我国年均出现有人员死亡的山洪灾害事件200余起，通过对实际案例的分析，可以查找出山洪灾害防御的薄弱环节，有针对性的改进或研制新型预警设备。近几年来，部分山洪灾害事件防御暴露出来的薄弱环节以下几个方面。
1.1 监测环节
暴雨山洪突发强、强度大，灾害发生时远远超过电力、通信设施的防洪标准。自动监测站点在超标准暴雨洪水发生时显得十分脆弱，往往电力和通讯中断，导致自动雨量、水位站无法及时报汛。
1.2 指挥决策环节
（1）县级平台运行管理人员操作不熟悉，县级平台操作规程不具体，导致紧急情况下县级平台无法有效发出预警；
（2）由于依赖于通讯和电力设施，在极端情况下县级监测预警平台无法有效监测降雨和发出预警。
1.3 预警发布和传递环节
（1）预警信息传递难度大。分析原因一是预警响应时间过短，山洪陡涨陡落，来势猛，猝不及防。二是预警信息传递条件困难，传递信息多在夜间，路线艰险，缺乏有效工具能迅速入户到人。三是防汛责任人压力大，依靠挨家挨户敲门等手段在短时间内通知群众转移，体力消耗和心理压力大。
（2）一些乡镇、村组的山洪防御责任落实有死角，防汛责任人不能及时传递预警信息，预警覆盖范围内漏人、漏户，预警信息不能及时传递到受威胁的每个人。
（3）前期配置的简易监测预警站点只能向邻近防御对象发布信息，不具备直接将信息传递至关联的上、下游防御对象的条件。
1.4设备自身环节
（1）前期配置的简易监测预警设备存在损毁现象，或者成为摆设。对于一个地区来说，山洪灾害为稀遇事件，很多简易设备不经常应用，再加上缺乏有效保管，易损毁或丢失。
（2）预警广播传播距离受限，有被外部信息侵入风险，而且管理难度大。
3 解决方案
3.1 需求分析
除加强山洪灾害防御专用设备的运行管理之外，为了弥补上述薄弱环节，新一代预警设备应具备以下条件：
（1）具备监测和预警发布、传递功能。形成监测和预警的封闭系统，最大限度减少中间环节，避免了因中间环节失效而不能及时发布预警的情况发生。
（2）预警信息直接入户到人。山洪危险区内每户布设室内报警设备，保障防洪现状能力低的居民户都能够实时收到预警信息。
（3）监测与报警设备分离。按照流域的实际情况布设监测设备，使监测信息自动传送至关联的上、下游防御对象。
（4）室内报警设备与常规日用品相结合，“平战结合”，实现“日常家用，临灾报警”，让专有设备能够在群众家中留的住，关键时刻用的上。
（5）具有组网通信能力，在临灾情况下，不依赖于外部电力和通讯条件。
（6）具备自动报警和人工报警两种功能，一般情况下，系统根据预设的阈值自动报警。防汛责任人研判灾情发生程度也可手动发出预警。
3.2 新型山洪预警系统
3.2.1系统架构
新型山洪预警系统紧密结合山洪灾害调查评价成果，以小流域为单元布设，包括入户型简易雨量站、入户型简易水位站、入户报警器、防汛呼叫器、无线中继站等。新型山洪预警系统拓扑图见图1。
图1 新型山洪预警系统拓扑图
（1）入户型简易雨量站。入户型简易雨量站可实时监测降雨，雨量监测值超预警阈值后，可自动向入户报警器传送预警信息。
（2）入户报警器。入户报警器具有接收从入户型简易雨量站传来的实时雨量、其他预警信息显示和播报功能，当雨量超过预设阈值时可以通过声、光、数据显示三重报警形式及时向屋内居民发出预警。入户报警器采用家庭日用品与报警器结合的亲民形态，入户报警器配置直流备用电源，供交流停电时使用。入户报警器还兼具“明白卡”的功能，以不干胶贴纸张贴转移路线及临时安置地点、转移注意事项等，可确保以家庭为单位分散转移时按指定路线转移不慌阵脚，也在日常生活中潜移默化起到了山洪灾害防御常识宣传教育作用。
（3）防汛呼叫器。一般情况下，入户型简易雨量站和入户报警器直接组网，系统自动传送雨量监测信息和预警信息入户到人。同时，系统还考虑了人工干预的环节，开发了专用的防汛呼叫器，用以应对系统自设预警指标过高而人工观测灾情已经出现的情况。防汛呼叫器一键发射预警信息、接收县级平台预警信息并转发入户、向入户报警器单向喊话三种报警方式。一键发射方式充分利用了防汛责任人的经验，可解决预警指标不准而误发预警的情况，单向喊话的方式增加了群众的踏实感，也可成为通知开会的好工具。通过防汛呼叫器的三种报警方式再加上系统内置预警指标自动报警的方式，形成了预警信息发送的“四保险”，解决了以往的预警信息发送保障率低的问题。
（4）预警信息屏。可接收短信、入户型简易雨量站、入户型简易水位站数据，当雨量/水位监测站发送预警信息时，预警信息屏中断常规文字播放内容转而播放预警文字信息。户外预警信息屏宜安装在居民集中处和学校、厂矿等单位。
（5）无线中继站。主要适用于入户型简易雨量站与流域内关联居民区距离较远的应用环境。
3.2.2 系统布设原则
新型山洪预警系统以流域为单元布设，直接将位于流域中心的降雨监测值和预警信息传送至位于山洪灾害危险区的居民户内。结合山洪灾害调查评价成果，提出的系统各设备布设原则如下（布设示例见图2）。
（1）入户型简易雨量站及对应的入户报警器原则上按照小流域布设，原则上流域面积10-30km2建设一套。
（2）入户型简易雨量站应尽量安装在流域中心或者暴雨中心等代表性地段，同时考虑地形抬升等因素影响。
（3）入户报警器依据山洪灾害调查评价成果，原则上防洪现状低于百年一遇以下的居民户全部安装。针对一般村民采用入户报警器（家庭版），机关、企业、厂矿可采用入户报警器（专业版）。
（4）在集中居民点防汛责任人值班地点安装入户报警控制器。
（5）无线中继站应安装在雨量站与入户报警器集中安装区域的中间地点（选点应地势较高且相对空旷），发射天线应朝向入户报警器集中区。
图2 新型山洪预警系统布设示意图
3.2.3系统特点
（1）同时具有监测和预警功能，监测预警信息直接进入入户报警器，省去信息传递的中间环节；
（2）预警终端入户，与日常用品相结合，使用者有积极性；
（3）系统具有预设的预警指标判定自动预警和人工发出预警两种方式。
（4）自组网，不依赖通讯公网传递预警信号，无通讯费用，不依赖外部电力；
（5）结合山洪灾害调查评价成果，提出了设备布设原则，形成了完整的应用方案。
3.3 应用实例
为验证新型山洪预警设备使用效果，结合山洪灾害防治非工程措施示范区建设，在典型流域进行了实地布设。该流域82.47km2，涉及3个乡镇，9个行政村，21个沿河村落，有企事业单位6个，小学1座。
根据以上系统布设原则，将该流域再划分为5个小流域，以小流域为单元布设入户型简易雨量站，流域中心点建设入户型简易雨量站5个；流域有2个小型水库，采用开敞式溢洪道泄洪，在水库溢洪道下游设置2个入户型简易水位站，在2条河道汇合口也设置1个水位站；流域内受威胁居民户572个和受威胁企业6个建设入户型报警器家庭版578个。考虑到防汛责任人要到行政村一级，故涉及的9个行政村村长家将安装防汛呼叫器9套，根据通信范围和距离加装无线中继站6套，具体设备布设情况见图3。
图3 入户预警系统站网布置图
该流域入户报警系统应用有以下几个特点：一是突破原有的信息传递体制，从图2可见，流域横跨3个乡镇，新型的监测预警系统没有按照乡镇行政区分布，而是按照流域布设监测和预警设备，更加符合物理逻辑。二是结合山洪灾害调查评价成果，按照流域中心布设监测站点，入户预警设备将防洪现状在百年一遇以下的居民户全部覆盖，确保了雨量监测和预警信息传送范围准确。三是在水库溢洪道和河流交汇口布设水位监测设备，预警终端位于河道下游居民户内，将河道洪峰演进时间转化为预警时间，增加了群众响应和转移应对时间。
4 山洪灾害预警设备革命性进步
山洪来势猛、流速快、破坏力大，最为关键的就是利用有限时间传递预警信息至每一个受威胁的人员并组织转移，也就是“最后一公里”，相对于传统的山洪灾害自动监测预警系统和简易监测预警体系，研制的新型山洪灾害预警设备成功的解决了困扰已久的最后一公里问题。
表1 自动和简易监测预警系统存在的问题及新型预警设备应对解决方案
| 项目 | 存在问题 | 新型预警设备应对 | 问题是否解决 |
| 自动系统和简易系统共有 | 响应时间过短 | 预警信息直接入户到人，省去了挨家挨户通知传递的预警信息环节 | 一般情况下增加有效预警时间30分钟以上 |
| 防汛责任人压力过大 | 具备无人值守时自动监测预警并传递信息的功能 | 解决 | |
| 防汛责任人传递预警信息工作强度大 | 直接入户到人，省去了挨家挨户通知传递预警信息的环节 | 解决 | |
| 预警信息发布“漏人”“漏户“ | 结合调查评价成果，原则上防洪现状在百年一遇以下的居民户全部安装入户报警器 | 解决 | |
| 预警信息不能完成保障发出 | 设备具有预警信息发布“四保险”机制 | 解决 | |
| 自动系统 | 极端条件下通讯、电力中断，系统失效 | 自组网，不依赖外部电力和通讯 | 解决 |
| 监测、预警发布、传递环节多，整体系统较为脆弱 | 形成自封闭系统，无中间环节 | 解决 | |
| 存在一定的通讯和运行费用 | 自组网，无通讯费用 | 解决 | |
| 简易系统 | 不具备直接将信息传递至关联的下游防御对象的条件 | 以小流域为单元布设 | 解决 |
| 设备保管看护难度大 | 和群众日常用品结合，群众欢迎 | 解决 | |
| 内置预警指标不准 | 人工观测灾情，通过一键发射预警信息或人工喊话通知 | 解决 | |
| 设备内置预警指标无人调整 | “物防”和“人防”互相反馈，初步建立预警指标修正调整机制 | 部分解决 |
5 结语
综上所述，新型山洪预警设备在预警信息传递速度、发布保障率、发送范围精准化、设备保管体制、预警指标修改反馈机制上都有质的飞跃，而且有效解决了“专”和“群”两种体系的固有不足。另外，人工干预报警和系统自动报警两种方式互补、预警终端入户到人并与日常用品相结合等思路在滑坡、泥石流等地质灾害防御中也有较大的应用价值。
参考文献
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