許文濤 買買提·依明 李鵬 何敏 董林垚

摘 要：山洪災(zāi)害監(jiān)測體系是非工程措施建設(shè)的重要組成，是致災(zāi)機(jī)理研究、風(fēng)險評估和預(yù)警發(fā)布的基礎(chǔ)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)山洪多要素（降水、流速/水位、土壤含水量）微納感知傳感器和廣域覆蓋自組網(wǎng)技術(shù)，并以丹江口官山河流域為示范，構(gòu)建山洪災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)體系。研究旨在構(gòu)建適用于山區(qū)復(fù)雜環(huán)境的山洪監(jiān)測體系，提供實(shí)時穩(wěn)定的山洪災(zāi)害多要素監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高應(yīng)急搶險應(yīng)對處置時效性和防災(zāi)救災(zāi)能力。

關(guān)鍵詞：山洪災(zāi)害;監(jiān)測;微納感知;自助網(wǎng)技術(shù);官山河流域

中圖法分類號：TP29 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0315

中國位于東亞季風(fēng)氣候區(qū)，暴雨頻發(fā)，地形地貌環(huán)境復(fù)雜，加之人類活動劇烈，導(dǎo)致山洪災(zāi)害頻發(fā)。2016年，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)“防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)注重‘兩個堅持，三個轉(zhuǎn)變的新理念，其核心是提前預(yù)測預(yù)報”。開展山洪災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)研究，構(gòu)建適合山區(qū)復(fù)雜環(huán)境的山洪災(zāi)害監(jiān)測體系，提供實(shí)時穩(wěn)定的山洪災(zāi)害多要素監(jiān)測數(shù)據(jù)，對提高應(yīng)急搶險應(yīng)對處置時效性和防災(zāi)救災(zāi)能力具有重要意義。

1 ? ?山洪災(zāi)害監(jiān)測現(xiàn)狀

隨著全球氣候變化和人類活動影響，山區(qū)城市化進(jìn)程加快、下墊面條件改變、極端水文事件頻發(fā)造成山洪災(zāi)害日益嚴(yán)重，缺乏對山洪成災(zāi)機(jī)理、監(jiān)測預(yù)警技術(shù)和防御范式的系統(tǒng)研究，將導(dǎo)致全球環(huán)境對山區(qū)洪水災(zāi)害脆弱性加劇。據(jù)統(tǒng)計，自1949年以來，全國發(fā)生山洪災(zāi)害5萬余次，累計死亡約十九萬余人，占洪澇災(zāi)害死亡人數(shù)的70%以上，近些年該比例增長趨勢顯著[1]。山洪災(zāi)害問題引起國家高度重視，2006 年 10 月，國務(wù)院正式批復(fù)《全國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》，確立了“以人為本”山洪災(zāi)害防治的思路，構(gòu)建非工程措施為主與工程措施相結(jié)合的防災(zāi)減災(zāi)體系，逐步實(shí)現(xiàn)了全國 2 138縣（市、區(qū)）386萬km2范圍內(nèi)自動監(jiān)測站點(diǎn)的全覆蓋，其中自動雨量監(jiān)測站和水位監(jiān)測站的布設(shè)密度達(dá)到50km2/個和100km2/個[2，3]。山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)是按照物聯(lián)網(wǎng)方式進(jìn)行架構(gòu)，從水雨情監(jiān)測站點(diǎn)到縣級監(jiān)測預(yù)警平臺，再到各種預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)和設(shè)備，形成有機(jī)統(tǒng)一的整體。

以美國為主導(dǎo)的西方國家早在20世紀(jì)70年代就開始了山洪災(zāi)害防治工作，在監(jiān)測技術(shù)設(shè)備研發(fā)，預(yù)警系統(tǒng)集成，預(yù)報誤差分析等領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國國家氣象局（National Weather Service，NWS）研發(fā)的山洪監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)（flash flood guidance system，F(xiàn)FGS）在境內(nèi)山區(qū)小流域早期洪水預(yù)警預(yù)報發(fā)揮了重要作用，近年來通過融合新一代降雨雷達(dá)技術(shù)減小雨量預(yù)報誤差，利用概率山洪預(yù)報模型、流域水文模型計算徑流閾值，提高了山洪預(yù)報精度，該系統(tǒng)在世界氣象組織的推薦下，在中國、南非、黑海和中東等地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用[4-6]。2006年9月在歐盟框架計劃下HYDRATE（Hydrometeorological Data Resources and Technology for Effective Flash Flood Forecasting）工程開始實(shí)施為期5年的研究計劃，旨在研究導(dǎo)致歷史山洪事件的水文氣象數(shù)據(jù)，制作山洪數(shù)據(jù)集，推進(jìn)和協(xié)調(diào)構(gòu)建歐洲范圍內(nèi)的山洪監(jiān)測創(chuàng)新管理體系，并開發(fā)出一套適應(yīng)于早期山洪預(yù)警預(yù)報的系統(tǒng)，該項目匯集了10個歐盟成員國，以及中美、南非觀察員國的17個合作組織組成的一個多學(xué)科團(tuán)隊，聯(lián)合開展流域山洪災(zāi)害防御技術(shù)研究與示范[7]。日本采用X波段雷達(dá)實(shí)現(xiàn)小時尺度雨量觀測，結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲取地面高精度數(shù)據(jù)，利用分布式水文模型計算河道徑流值，實(shí)現(xiàn)中央直轄的河流擴(kuò)展到地方所轄河流的所有關(guān)鍵河段洪水預(yù)報[8]。

國內(nèi)關(guān)于山洪災(zāi)害防治理論和技術(shù)的研究[9-17]伴隨國家山洪災(zāi)害防治項目建設(shè)不斷拓展，為項目的建設(shè)、應(yīng)用和推廣提供技術(shù)支撐。經(jīng)過數(shù)十年建設(shè)，目前已初步建成了以自動水雨情監(jiān)測站為主的山洪災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)體系，但受復(fù)雜山區(qū)環(huán)境影響，目前布設(shè)的監(jiān)測設(shè)施存在儀器使用期限短、維護(hù)更換成本高、信息傳輸易中斷等問題，導(dǎo)致水雨情信息錯報、漏報和中斷，影響山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)報時效性。因此，迫切需要研發(fā)適宜山區(qū)環(huán)境的、實(shí)用、低成本的雨水情監(jiān)測設(shè)施。本文基于山洪災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)體系建設(shè)的實(shí)際需求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)山洪多要素（降水、流速/水位、土壤含水量）微納感知傳感器和廣域覆蓋自組網(wǎng)技術(shù)，并以丹江口官山河流域為示范，以期為山洪災(zāi)害防治體系升級改造提供科技支撐。

2 ?山洪災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)研發(fā)

2.1 ?微納感知監(jiān)測儀器

傳感器是能夠采集和傳出數(shù)據(jù)的設(shè)施，山洪災(zāi)害監(jiān)測要素主要包括降雨、徑流和土壤要素，分別對應(yīng)山洪驅(qū)動因子、產(chǎn)匯流過程和下墊面特征。研究致力于研發(fā)低功耗、小型化、無線傳輸數(shù)據(jù)、具備“三防”功能（防塵、防水、防腐蝕）的監(jiān)測裝置，該設(shè)備主要由降雨、徑流流速、水位、含沙量、土壤水分測定組件以及處理平臺和發(fā)射/接收等部分組成，并最大限度的適應(yīng)山區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件。降雨監(jiān)測采用壓電式MEMS（Micro Electro Mechanical System）傳感器數(shù)組方法實(shí)現(xiàn)雨量及過程監(jiān)測。土壤水分監(jiān)測通過測量土壤的介電常數(shù)隨水分含量變化計算土壤含水量，并利用頻域反射法實(shí)現(xiàn)土壤水分動態(tài)變化的測量與反演。

本研究于2019年4月在武漢市長江科學(xué)院水土保持所樓頂布設(shè)微納感知降雨監(jiān)測儀，選取了5次典型降雨過程進(jìn)行觀測，并與傳統(tǒng)雨量計監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比。微納感知降雨監(jiān)測儀和傳統(tǒng)雨量計監(jiān)測的5次降雨累積量對比如圖1a，所示，5次降雨過程對比分別見圖1b～1f，傳統(tǒng)雨量計實(shí)測數(shù)據(jù)與研發(fā)儀器測定數(shù)據(jù)擬合度較好。

微納感知土壤含水量監(jiān)測儀則在長江科學(xué)院室內(nèi)實(shí)驗室進(jìn)行試驗，對12次不同土壤含水量進(jìn)行監(jiān)測，同時與傳統(tǒng)烘干法測得的土壤含水量結(jié)果進(jìn)行比較（圖2a）。同時開展微納感知流速監(jiān)測與傳統(tǒng)流速儀的對比試驗，該實(shí)驗在長江科學(xué)院高速水流模型槽進(jìn)行，結(jié)果對比如圖2b。

圖1和圖2的結(jié)果表明所研發(fā)的微納感知監(jiān)測儀，在降雨、土壤含水量和流速測量結(jié)果與傳統(tǒng)儀器測量結(jié)果擬合較好，且相較于傳統(tǒng)測量儀器，微納感知傳感器具有體積小、性能高、靈活機(jī)動的特點(diǎn)。同時，研發(fā)的監(jiān)測儀器具有能耗小、充電蓄能快的優(yōu)點(diǎn)，在達(dá)到一定的降雨量、土壤含水量和流速數(shù)值的時候被激發(fā)進(jìn)入工作模式，能夠適用于復(fù)雜山區(qū)環(huán)境山洪多要素監(jiān)測。本次研發(fā)的山洪災(zāi)害暴雨、徑流和土壤含水量要素監(jiān)測設(shè)施采樣頻率可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置，通常在非汛期設(shè)置為1h，在汛期設(shè)置為10min，以實(shí)現(xiàn)對山洪過程要素的全面、實(shí)時監(jiān)測。

2.2 ?自組網(wǎng)傳輸技術(shù)

研究針對山區(qū)山洪要素信息傳輸主要依靠公網(wǎng)的缺陷，研發(fā)的目標(biāo)是以自組網(wǎng)為主，合理利用公網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸，確保信息傳輸暢通。針對山丘區(qū)地形復(fù)雜、信息傳輸阻擋限制因素多的特點(diǎn)，研發(fā)以“節(jié)點(diǎn)”為主體的“網(wǎng)絡(luò)化”自組網(wǎng)技術(shù)體系。

自組網(wǎng)技術(shù)需具備低功耗、高性能、快速組網(wǎng)、復(fù)雜環(huán)境下實(shí)時高效穩(wěn)定傳輸?shù)葍?yōu)勢。自組網(wǎng)技術(shù)核心為無線MESH網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用強(qiáng)傳輸繞射能力的UHF頻段和COFDM、DSSS等多種傳輸體制，并同時能夠?qū)崿F(xiàn)多種傳輸模式智能切換，以便于在有條件地區(qū)與公網(wǎng)連接和切換。研究構(gòu)建的山洪災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸模式面向降雨、徑流、土壤水分監(jiān)測技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，運(yùn)用陣列復(fù)合傳感器設(shè)計、多源異構(gòu)信息融合處理、自組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合微納感知傳感器（雨量、土壤含水量、水位、流速、泥沙）監(jiān)測手段，通過自組網(wǎng)、公網(wǎng)（智慧切換）傳輸技術(shù)，構(gòu)建全新的山區(qū)小流域山洪災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)體系，解決無衛(wèi)星信號塔、無公網(wǎng)或公網(wǎng)中斷條件下監(jiān)測信息無法實(shí)時穩(wěn)定傳輸?shù)碾y題。

3 ?山洪災(zāi)害監(jiān)測體系構(gòu)建示范

3.1 ?示范流域概況

受復(fù)雜山區(qū)環(huán)境、極端暴雨事件頻發(fā)、下墊面條件改變等因素的影響，區(qū)域山洪災(zāi)害防御體系對監(jiān)測模式提出了更高要求。本研究結(jié)合研發(fā)的微納感知傳感器和自組網(wǎng)技術(shù)，選擇湖北省丹江口市官山河流域為示范區(qū)，進(jìn)行山洪災(zāi)害立體多要素監(jiān)測模式構(gòu)建。

官山河流域基礎(chǔ)信息如圖3所示。流域位于秦巴山脈東段南坡，鄂西北丹江口市西南，地處東經(jīng)110°48′～111°34′59″，北緯32°13′16″～32°58′20″，屬中高山地貌，流域總體西高東低，南高北低，最高海拔1 606m，最低海拔240m，高差1 366m。面積319.6km2，南北最寬15.4km，東西最長23.8km。河網(wǎng)總長268.5km，密度約0.84km/km2。流域出口站為孤山站（站臺號：61907500;經(jīng)度110°55′37″，緯度32°27′），于1973年設(shè)站。流域范圍內(nèi)土壤以黃棕壤為主。

該流域位于東部季風(fēng)區(qū)，5—9月以東、東南風(fēng)為主，受地形影響，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。人口總量為14 619人，戶數(shù)為3 854戶。土地利用類型主要有林地、草地、園地、水田、旱地、梯田、水域、裸地、裸巖等11種土地利用類型。流域潛在受災(zāi)人口2 023戶、8 106人，受災(zāi)體還包括流域內(nèi)公路、水庫、橋梁、農(nóng)田等基礎(chǔ)設(shè)施。2012年8月5日，遭遇超百年一遇的特大洪水，流域多處受災(zāi)，民房被毀，田地被沖，水利設(shè)施幾乎全部損毀，造成經(jīng)濟(jì)損失約2.3億元。

經(jīng)過2010—2017年山洪災(zāi)害防治項目建設(shè)，官山河流域內(nèi)目前建設(shè)有自動雨量站2個，簡易雨量站11個，自動水位站1個，簡易水位站4個，無線預(yù)警廣播站30臺（圖3d）。已建的山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警設(shè)施在歷年山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作中起到了重要的作用。

3.2 ?監(jiān)測模式構(gòu)建

結(jié)合官山河流域特征，地面雨量站布設(shè)主要考慮山區(qū)降雨云團(tuán)、流域山體走向、海拔高度、汛期主風(fēng)向以及主要風(fēng)口位置。土壤水分傳感器布設(shè)主要考慮流域11種不同土地利用類型，以便于產(chǎn)流入滲計算。水位、流速、泥沙傳感器布設(shè)在流域內(nèi)8處沿河、溝岸典型承災(zāi)體附近河道，為水位預(yù)警提供有效數(shù)據(jù)支撐。X波段測雨雷達(dá)需要選擇無遮擋高處，雷達(dá)輻射面積應(yīng)覆蓋全流域，為微納感知測雨數(shù)據(jù)反演面雨量提供驗證。

按照以上思路，增設(shè)微納感知雨量計27臺，雨量監(jiān)測站達(dá)到40個;針對11種土地利用類型的分布，布設(shè)微納感知傳感器22臺;選取8處沿河、溝岸典型承災(zāi)體（村落），布設(shè)微納感知水位、流速、泥沙傳感器8臺;在流域中心位置選取無遮擋條件的高地1處，布設(shè)X波段測雨雷達(dá)（輻射半徑30km，布設(shè)處距離流域最遠(yuǎn)邊界約18km），用以檢驗、校準(zhǔn)地面雨量站的適配程度。自組網(wǎng)體系將監(jiān)測資料傳輸至公網(wǎng)條件好的官山鎮(zhèn)，并通過山洪災(zāi)害防御平臺在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的延伸建設(shè)最終將數(shù)據(jù)傳至丹江口市。

4 ?結(jié)語

X波段雷達(dá)降雨監(jiān)測及定量降雨估算可以很好地解決流域降雨的空間變異問題，下一步工作中需要分析現(xiàn)有地面降雨監(jiān)測站點(diǎn)布局密度條件下的監(jiān)測數(shù)據(jù)與雷達(dá)降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)間的關(guān)系，基于微納感知傳感器提出合理的適用于山區(qū)環(huán)境特點(diǎn)的地面降雨監(jiān)測點(diǎn)布局密度和格局，以克服測雨雷達(dá)花費(fèi)高、安裝復(fù)雜等缺點(diǎn)。

目前山洪災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸多基于公網(wǎng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸存在中斷和不及時等系列問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，將山洪影響要素與互聯(lián)網(wǎng)相接，與用戶進(jìn)行信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害的智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理是當(dāng)前研發(fā)趨勢。

下一步工作將在官山河示范區(qū)進(jìn)行監(jiān)測體系建設(shè)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測效果驗證模式的適用性和可行性，同時結(jié)合國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)與集成示范”將山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測站點(diǎn)布局優(yōu)化、數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、監(jiān)測體系構(gòu)建等技術(shù)在黃土高原超滲產(chǎn)流區(qū)、西南震區(qū)、巖溶區(qū)、東南沿海臺風(fēng)影響區(qū)典型山區(qū)小流域進(jìn)行推廣和示范。

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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