王 喆
(廣西水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,南寧 530023)
防災(zāi)減災(zāi)工作已經(jīng)成為國家治理能力與治理體系現(xiàn)代化重要組成部分,各級政府、部門、社會、個(gè)人都是防災(zāi)減災(zāi)的責(zé)任主體,樹立多元共治理念。面對水庫泄洪這一盲區(qū),須健全預(yù)警信息發(fā)布機(jī)制,開展水庫泄洪影響調(diào)查評價(jià),建立預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng),及時(shí)向水庫下游群眾發(fā)布信息。要充分利用各種傳播手段,確保群眾能夠在第一時(shí)間獲取信息,及時(shí)轉(zhuǎn)移避險(xiǎn),建立水庫與下游群眾聯(lián)動(dòng)機(jī)制,全面提高水庫放水致災(zāi)的綜合防范能力。
目前,提高水庫下游預(yù)警能力,須全面查清水庫泄洪的影響范圍,建立水庫泄流量與下游河段水位、淹沒范圍的對應(yīng)關(guān)系,確定水庫泄洪的預(yù)警指標(biāo)和預(yù)警范圍,建設(shè)覆蓋河道親水空間及沿河村落的預(yù)警系統(tǒng)。
建設(shè)水庫下游預(yù)警系統(tǒng),當(dāng)水庫泄洪、出險(xiǎn)等下游群眾生命財(cái)產(chǎn)受威脅時(shí),預(yù)警信息能及時(shí)發(fā)出并覆蓋受威脅區(qū)域,提高針對水庫下游的預(yù)警能力,最大限度減輕水庫泄洪對下游的影響。
結(jié)合水庫已有的監(jiān)測和預(yù)警設(shè)備,補(bǔ)充配備監(jiān)測預(yù)警設(shè)備和統(tǒng)一的前端管理平臺,建設(shè)水庫下游預(yù)警系統(tǒng),由管理平臺向山洪監(jiān)測預(yù)警平臺推送信息,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)被動(dòng)報(bào)警、平臺預(yù)警、人工預(yù)警信息。主要建設(shè)內(nèi)容有:
(1)預(yù)警系統(tǒng)硬件建設(shè)。調(diào)查已建的監(jiān)測和預(yù)警設(shè)備,補(bǔ)充水位感應(yīng)站、無線預(yù)警廣播、水位報(bào)警站、中繼站、電子警示牌、預(yù)警信息屏等,組建水庫下游區(qū)域監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。
(2)危險(xiǎn)點(diǎn)現(xiàn)場核查。確定水庫下游影響區(qū)域各個(gè)防御對象和預(yù)警發(fā)布方式和范圍。
(3)預(yù)警指標(biāo)確定。確定預(yù)警產(chǎn)生條件、預(yù)警閾值,實(shí)現(xiàn)被動(dòng)報(bào)警。
(4)預(yù)警規(guī)則設(shè)置。在山洪監(jiān)測預(yù)警平臺中,完善預(yù)警對象、預(yù)警閾值、預(yù)警規(guī)則,實(shí)現(xiàn)平臺預(yù)警。
(5)運(yùn)維管理。將設(shè)備基本信息、狀態(tài)信息接入山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警管理系統(tǒng)平臺,通過平臺的運(yùn)維模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)等運(yùn)維管理。
系統(tǒng)由監(jiān)測預(yù)警設(shè)備和管理平臺兩部分組成??蛇x的監(jiān)測預(yù)警設(shè)備主要包括水位感應(yīng)站、無線預(yù)警廣播、水位報(bào)警站、中繼站、電子警示牌、預(yù)警信息屏等(見圖1)。管理平臺主要對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)信息監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、與山洪監(jiān)測預(yù)警平臺交互等。
圖1 水庫下游預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備布置示意圖
預(yù)警系統(tǒng)分為設(shè)備層、傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、控制層4 個(gè)層次。設(shè)備層包括雨水情監(jiān)測設(shè)備、主控單元(集成在水位感應(yīng)站)、通信設(shè)備、預(yù)警設(shè)備;傳輸方式包括無線自組網(wǎng)和4G 公網(wǎng);數(shù)據(jù)處理層由數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)處理服務(wù)組成,對進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和整理;控制層即為后端管理平臺,對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖2。
圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖
通信組網(wǎng)方式由無線自組網(wǎng)和4G 公網(wǎng)兩部分組成,平臺與終端之間以4G公網(wǎng)為主,終端之間以無線自組網(wǎng)為主,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)自主控制預(yù)警。
2.2.1 無線自組網(wǎng)
預(yù)警系統(tǒng)中的監(jiān)測預(yù)警設(shè)施(中繼站和具有短波距離通訊的水位感應(yīng)站、水位報(bào)警站、電子警示牌等)組成一個(gè)小型預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。新建的預(yù)警系統(tǒng)須約定通信規(guī)范,監(jiān)測數(shù)據(jù)上報(bào)須遵守《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》(SL651-2014);監(jiān)測預(yù)警設(shè)備要保證可以在公網(wǎng)通信中斷的情況下正常監(jiān)測和發(fā)布預(yù)警,并且能向下游傳遞預(yù)警信號,應(yīng)具有短距離Lo-Ra自組網(wǎng)通信功能,為保證每個(gè)預(yù)警設(shè)備都能正常識別預(yù)警信號,須規(guī)范LoRa自組網(wǎng)通信格式。
系統(tǒng)監(jiān)測產(chǎn)生或接收到預(yù)警平臺的信息后,在水位感應(yīng)站、預(yù)警信息屏、水位報(bào)警站之間自動(dòng)尋路、相互接力多跳傳輸。每個(gè)設(shè)備在無遮擋的情況下可傳輸1 km以上,多個(gè)設(shè)備接力傳輸時(shí)可完全覆蓋水庫泄洪影響區(qū)域。
2.2.2 移動(dòng)公網(wǎng)
移動(dòng)公網(wǎng)傳輸,利用電信運(yùn)營商提供的2G、3G、4G、NB-IoT等通信設(shè)施。由于GPRS網(wǎng)絡(luò),運(yùn)營商以不再進(jìn)行建設(shè)和維護(hù),并有退網(wǎng)計(jì)劃,為保證系統(tǒng)的持續(xù)可用,主要終端設(shè)備要求能夠支持4G公網(wǎng)。
山洪監(jiān)測預(yù)警平臺通過4G 網(wǎng)絡(luò),發(fā)送預(yù)警信息到控制單元,然后由控制單元再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)出去。同時(shí)通過4G公網(wǎng)進(jìn)行無線預(yù)警廣播(整合已建)預(yù)警。為提高預(yù)警系統(tǒng)的可靠性,在監(jiān)測預(yù)警設(shè)備具備無線自組網(wǎng)功能的情況下,主要的預(yù)警終端設(shè)備需同時(shí)具備4G公網(wǎng)傳輸功能。
通過系統(tǒng)測站、接受山洪監(jiān)測預(yù)警平臺發(fā)布、人工判斷等產(chǎn)生預(yù)警信息后,通過主控單元,將預(yù)警信息傳輸?shù)剿粓?bào)警站、無線預(yù)警廣播、預(yù)警信息屏、電子警示牌等預(yù)警終端設(shè)備,再傳播出去。預(yù)警流程拓樸圖見圖3
圖3 預(yù)警流程拓?fù)鋱D
預(yù)警發(fā)布方式主要有被動(dòng)報(bào)警、平臺預(yù)警、人工預(yù)警3種。預(yù)警發(fā)布方式流程圖見圖4。
圖4 預(yù)警發(fā)布方式流程圖
(1)被動(dòng)報(bào)警。出現(xiàn)降雨、泄洪時(shí),超過系統(tǒng)的雨量、水位感應(yīng)站的預(yù)警閾值,觸發(fā)預(yù)警,自動(dòng)發(fā)送預(yù)警。該方式能實(shí)現(xiàn)即時(shí)預(yù)警,自動(dòng)發(fā)布。
(2)平臺預(yù)警。主控單元接收到山洪監(jiān)測預(yù)警平臺的預(yù)警信息后,通過系統(tǒng)無線自組網(wǎng)或公網(wǎng)GPRS 將預(yù)警信息發(fā)送到水位報(bào)警站、無線預(yù)警廣播、電子警示牌、預(yù)警信息屏等設(shè)備后傳播出去,并可向相關(guān)責(zé)任人發(fā)送短信通知。該方式主要用于后臺分析預(yù)測的預(yù)警發(fā)布和受強(qiáng)降雨影響的較大范圍內(nèi)發(fā)布提醒信息。
(3)人工預(yù)警。水庫預(yù)警發(fā)布人員通過報(bào)警控制器發(fā)布預(yù)警,報(bào)警控制器具有一鍵報(bào)警功能,啟動(dòng)后即刻向水位報(bào)警站、無線預(yù)警廣播、電子警示牌、預(yù)警信息屏等設(shè)備發(fā)送預(yù)警信息。該方式適用于水庫管理員發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情等緊急發(fā)布預(yù)警。
水庫水電站泄洪預(yù)警主要常規(guī)放水和緊急泄洪兩種情況。結(jié)合現(xiàn)有防汛預(yù)警機(jī)制及水庫放水(泄洪)特點(diǎn)制定一級預(yù)警和二級預(yù)警兩級預(yù)警指標(biāo)。
3.3.1 一級預(yù)警(準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移)
(1)預(yù)警條件。水庫水電站放水前3 h,提示河道及下游可能影響的區(qū)域即將放水。對在河道內(nèi)進(jìn)行游泳、釣魚、運(yùn)動(dòng)、耕作以及要進(jìn)入河流內(nèi)的人群發(fā)出安全提示警告。
(2)信號說明。應(yīng)采用功率適中、不擾民的預(yù)警方式告警,如電子警示牌、蜂鳴報(bào)警器、預(yù)警信息屏等,同時(shí)采用水位報(bào)警站發(fā)布準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移通知。
3.3.2 二級預(yù)警(立即轉(zhuǎn)移)
(1)預(yù)警條件。即將達(dá)到下游成災(zāi)泄量(以下游村落河堤高度或村落地勢最低的住宅地腳線所對應(yīng)的水位作為成災(zāi)水位),洪水即將淹沒建筑,提醒危險(xiǎn)區(qū)人員立即轉(zhuǎn)移。
(2)信號說明。應(yīng)采用水位報(bào)警站、無線預(yù)警廣播發(fā)布緊急轉(zhuǎn)移通知,確保最大泄量對應(yīng)的淹沒區(qū)都可聽到預(yù)警音頻信號、同時(shí)使用預(yù)警信息屏發(fā)布緊急預(yù)警信息。
水庫放水(泄洪)對下游河道水位升高影響的河段。預(yù)警起點(diǎn)為水庫溢洪道出口下游河段,預(yù)警終點(diǎn)為以不受泄洪影響或者影響很小的區(qū)域?yàn)榻K點(diǎn)。一般具備以下特征:①主干河流或支干河流的匯流點(diǎn)或分流點(diǎn);②河流橫截面突然變寬的地點(diǎn);③洪水進(jìn)入無人區(qū)域。根據(jù)上述起止點(diǎn)結(jié)合水庫歷年大流量泄洪時(shí)的淹沒情況合理確定預(yù)警范圍。
(1)有管理單位的水庫按照調(diào)度計(jì)劃泄洪。水庫按調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行泄洪時(shí),水庫管理人員接到調(diào)度指令后,可通過以下方式發(fā)布預(yù)警:①報(bào)警控制器一鍵報(bào)警(現(xiàn)場人員);②使用手機(jī)直接向預(yù)警終端設(shè)備發(fā)布。
(2)無管理單位的水庫放水泄洪。無管理單位的水庫需要放水泄洪時(shí),可通過以下方式發(fā)布預(yù)警:①報(bào)警控制器一鍵報(bào)警(現(xiàn)場人員);②使用手機(jī)直接向預(yù)警終端設(shè)備發(fā)布。
(3)監(jiān)測分析預(yù)測可能泄洪。各級山洪監(jiān)測預(yù)警平臺分析預(yù)測水庫可能泄洪時(shí),可通過以下方式發(fā)布預(yù)警:①使用山洪監(jiān)測預(yù)警平臺發(fā)布;②通知水庫值守人員發(fā)布并確認(rèn)。
4.1.1 監(jiān)測設(shè)備布設(shè)原則
(1)壩首雨量水位監(jiān)測。壩首至少布設(shè)一個(gè)雨量監(jiān)測站,已經(jīng)建設(shè)有的可直接采用,有條件的在庫區(qū)布設(shè),以滿足水庫來水預(yù)報(bào)要求。
(2)壩后水位監(jiān)測。至少布設(shè)一個(gè)水位感應(yīng)站,下游有較大直流匯入口可考慮增設(shè)。
4.1.2 預(yù)警設(shè)備布設(shè)原則
每個(gè)無線預(yù)警廣播聲音直線傳輸有效距離約500 m,水位報(bào)警站用于感應(yīng)到水位后直接發(fā)布警報(bào)。
(1)無線預(yù)警廣播須覆蓋所有受威脅的區(qū)域,再結(jié)合管理要求合理安排位置。
(2)靠近河邊村落、河流回合口進(jìn)行布設(shè)水位報(bào)警站。
(3)每個(gè)親水空間至少布設(shè)一個(gè)電子警示牌。如碼頭、景點(diǎn)河灘、近水人口聚集區(qū)、低洼易淹區(qū)(停車場、漫水橋、涵洞等)等。
(4)每個(gè)受威脅的集鎮(zhèn)布設(shè)一個(gè)預(yù)警信息屏。
4.1.3 中繼站布設(shè)原則
主要用于受威脅的范圍為長條形區(qū)域。
(1)水位報(bào)警站、電子警示牌具備相互傳輸信號功能,可相互接力傳遞信號,有效距離1 km。
(2)預(yù)警設(shè)備與控制單元距離超過3 km(直線傳輸)的中間需布設(shè)中繼站。
(3)中繼數(shù)量與受威脅的區(qū)域的最大長度有關(guān),必要時(shí)可增設(shè)。
(1)水位感應(yīng)站。水位感應(yīng)站由水位傳感器、控制單元、聲光報(bào)警裝置、報(bào)警控制器組成,具有水位自動(dòng)探知功能,當(dāng)水位達(dá)到預(yù)警閾值時(shí),設(shè)備自動(dòng)報(bào)警,并將預(yù)警信息發(fā)送給系統(tǒng)內(nèi)所有預(yù)警設(shè)備,并能發(fā)送給水庫管理人員或遠(yuǎn)程管理平臺。水位感應(yīng)站與水位報(bào)警站、電子警示牌等設(shè)備通過無線Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)。水位感應(yīng)站配置報(bào)警控制器,水庫管理人員可通過無線方式遠(yuǎn)程控制水位感應(yīng)站向下游發(fā)布預(yù)警。
(2)無線預(yù)警廣播。無線預(yù)警廣播是一個(gè)可接收本地一鍵報(bào)警、話筒喊話、FM、MP3、短信、電話、縣級管理平臺遠(yuǎn)程播報(bào)等信號源,具有控制、播出和音頻功率放大功能的預(yù)警終端設(shè)備。增加自組網(wǎng)模塊,在水庫下游影響范圍內(nèi),使用無線預(yù)警廣播設(shè)備擴(kuò)大預(yù)警范圍,最大程度的覆蓋全部預(yù)警對象。
(3)電子警示牌。電子警示牌布設(shè)于受水庫泄洪影響的河道親水空間。電子警示牌通過自組網(wǎng)接收水位感應(yīng)站發(fā)出的一鍵報(bào)警信號和水位報(bào)警信號,各級報(bào)警采用不同具有轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)提示性的警笛和語音信號發(fā)出聲光報(bào)警。電子警示牌在自組網(wǎng)中獲取報(bào)警信息并能起到接力傳輸作用,具備人體接近紅外感應(yīng)功能,警戒狀態(tài)下人員靠近發(fā)出語音告警。
(4)水位報(bào)警站。水位報(bào)警站通過自組網(wǎng)接收水位感應(yīng)站發(fā)出的一鍵報(bào)警信號和水位報(bào)警信號,各級報(bào)警采用不同具有轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)提示性的警笛和語音信號發(fā)出聲光報(bào)警。水位報(bào)警站亦能感應(yīng)附近河道的水位變化,漲速過快或水位過高時(shí)會自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警。水位報(bào)警站在自組網(wǎng)中獲取報(bào)警信息并能起到接力傳輸作用,水位報(bào)警站將所有報(bào)警狀態(tài)均上傳給管理平臺。
(5)中繼站。針對水庫下游環(huán)境比較復(fù)雜的,直接通過自組網(wǎng)傳輸受到限制的地方,可以在水位感應(yīng)站和水位報(bào)警站之間增加中繼站進(jìn)行增加傳輸距離,用于無線通信接力,適用于水位感應(yīng)站和水位報(bào)警站之間距離較遠(yuǎn)的應(yīng)用環(huán)境,應(yīng)在水位感應(yīng)站與水位報(bào)警站中間區(qū)域選點(diǎn)(選點(diǎn)應(yīng)地勢較高且相對空曠),與水位感應(yīng)站和水位報(bào)警站之間可靠距離均應(yīng)小于1.5 km。
(6)預(yù)警信息屏。預(yù)警信息屏接收以太網(wǎng)、平臺、短信、雨水?dāng)?shù)據(jù),通過LED 顯示文字預(yù)警信息,同時(shí)可根據(jù)用戶意愿,自定義顯示內(nèi)容。當(dāng)預(yù)警信息屏接收到報(bào)警信息時(shí),預(yù)警信息屏顯示預(yù)警信息,并給權(quán)限號碼發(fā)送報(bào)警短信,警示居民做好防汛(轉(zhuǎn)移)準(zhǔn)備,從而保障居民人身財(cái)產(chǎn)安全。預(yù)警信息屏基于無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)和語音通信的,能夠?qū)崿F(xiàn)將4G 數(shù)據(jù)、文字、短信息轉(zhuǎn)換為LED 實(shí)時(shí)顯示,系統(tǒng)接收實(shí)時(shí)監(jiān)測各項(xiàng)數(shù)據(jù),并且具備自動(dòng)報(bào)警功能,將超范圍數(shù)據(jù)發(fā)送到管理者手機(jī)上,管理人員可以隨時(shí)掌控環(huán)境變化情況,采取相應(yīng)措施,實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。
(1)威脅點(diǎn)現(xiàn)場核查。確定水庫下游影響區(qū)域各個(gè)防御對象,安裝實(shí)施之前,需要到每個(gè)水庫確定,水庫下游受影響區(qū)域,根據(jù)各個(gè)防御對象,制作成清單,為后面針對性的預(yù)警做準(zhǔn)備。水庫每個(gè)受威脅點(diǎn)的相關(guān)內(nèi)容可以上GIS圖,與預(yù)警設(shè)備對應(yīng)。
(2)預(yù)警指標(biāo)確定。確定預(yù)警產(chǎn)生條件、預(yù)警閾值,實(shí)現(xiàn)被動(dòng)報(bào)警。被動(dòng)預(yù)警實(shí)現(xiàn)主要依據(jù)泄洪入河口安裝的水位感應(yīng)站的超閾值報(bào)警。安裝前需要根據(jù)水庫泄洪預(yù)案和調(diào)查歷年泄洪量和入河口水位上升的關(guān)系,合理確定閾值指標(biāo),實(shí)現(xiàn)被動(dòng)即時(shí)報(bào)警。
(3)預(yù)警規(guī)則設(shè)定。在山洪監(jiān)測預(yù)警平臺中,完善預(yù)警對象、預(yù)警閾值、預(yù)警規(guī)則,實(shí)現(xiàn)平臺預(yù)警。根據(jù)安裝之前統(tǒng)計(jì)的水庫受威脅點(diǎn),作為預(yù)警對象;監(jiān)測預(yù)警設(shè)備(水位感應(yīng)站、水位報(bào)警站)的水位閾值的修訂,作為下游的預(yù)警閾值;制定一個(gè)對應(yīng)水位值和預(yù)警對象、預(yù)警終端設(shè)備之間的關(guān)系,通過平臺監(jiān)測的水雨情數(shù)據(jù),進(jìn)行平臺預(yù)警。
(4)運(yùn)維管理。將設(shè)備基本信息、狀態(tài)接入系統(tǒng)平臺,通過平臺的運(yùn)維模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)等運(yùn)維管理(見圖5)。
圖5 系統(tǒng)設(shè)備管理界面
各水庫的監(jiān)測和預(yù)警設(shè)備在安裝完成后應(yīng)錄入水庫基本信息,通過管理平臺實(shí)時(shí)接收各監(jiān)測站的工況信息,將工況異常的設(shè)備展示在地圖上或采用列表形式展示,使用戶可以正常使用本系統(tǒng)。當(dāng)工況異常時(shí)可以去根據(jù)站點(diǎn)安裝地址進(jìn)行設(shè)行檢修。
(1)水庫下游預(yù)警系統(tǒng)可兼容水庫現(xiàn)有大部分的監(jiān)測設(shè)備,可最大化的利用原有資源,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)采集。
(2)在水庫下游各敏感點(diǎn)、災(zāi)害易發(fā)點(diǎn)部署無線預(yù)警廣播,覆蓋泄洪區(qū)域涉及的沿河村落,可有效保障人民群眾生命安全。
(3)通過水庫下游預(yù)警系統(tǒng),水庫管理人員可通過手機(jī)、固定電話、短信、現(xiàn)場話筒、對講機(jī)等方式實(shí)現(xiàn)警報(bào)信息實(shí)時(shí)發(fā)布。
(4)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測水庫水情數(shù)據(jù),當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時(shí),系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能。
水庫下游預(yù)警系統(tǒng)要在延長預(yù)報(bào)預(yù)警預(yù)見期、提高預(yù)報(bào)可靠性和精準(zhǔn)度上有很大提升,提高專業(yè)支撐水平。其次能推動(dòng)現(xiàn)有監(jiān)測站點(diǎn)的運(yùn)行維護(hù)工作,加快更新已損毀老化或已達(dá)到正常使用年限監(jiān)測預(yù)警設(shè)施設(shè)備組件。利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、降雨監(jiān)測等技術(shù),減少對基層技術(shù)能力的依賴,不斷提升預(yù)警預(yù)報(bào)時(shí)效性,結(jié)合各地的預(yù)警發(fā)布機(jī)制,擴(kuò)大預(yù)警覆蓋面。
同時(shí),水庫下游預(yù)警系統(tǒng)結(jié)合水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查和重點(diǎn)隱患區(qū)排查工作,能進(jìn)一步辨識、排查山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)隱患,突出暴雨高值高頻區(qū)、重要城鎮(zhèn)、沿河村落、流域出口、束窄河道、穿河路橋、主支流匯合等區(qū)域。