廣西水庫下游預警系統建設與研究

王 喆

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

0 引言

防災減災工作已經成為國家治理能力與治理體系現代化重要組成部分，各級政府、部門、社會、個人都是防災減災的責任主體，樹立多元共治理念。面對水庫泄洪這一盲區，須健全預警信息發布機制，開展水庫泄洪影響調查評價，建立預警信息發布系統，及時向水庫下游群眾發布信息。要充分利用各種傳播手段，確保群眾能夠在第一時間獲取信息，及時轉移避險，建立水庫與下游群眾聯動機制，全面提高水庫放水致災的綜合防范能力。

目前，提高水庫下游預警能力，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、淹沒范圍的對應關系，確定水庫泄洪的預警指標和預警范圍，建設覆蓋河道親水空間及沿河村落的預警系統。

1 建設內容

1.1 建設目標

建設水庫下游預警系統，當水庫泄洪、出險等下游群眾生命財產受威脅時，預警信息能及時發出并覆蓋受威脅區域，提高針對水庫下游的預警能力，最大限度減輕水庫泄洪對下游的影響。

1.2 主要內容

結合水庫已有的監測和預警設備，補充配備監測預警設備和統一的前端管理平臺，建設水庫下游預警系統，由管理平臺向山洪監測預警平臺推送信息，實現網內被動報警、平臺預警、人工預警信息。主要建設內容有：

（1）預警系統硬件建設。調查已建的監測和預警設備，補充水位感應站、無線預警廣播、水位報警站、中繼站、電子警示牌、預警信息屏等，組建水庫下游區域監測預警網絡。

（2）危險點現場核查。確定水庫下游影響區域各個防御對象和預警發布方式和范圍。

（3）預警指標確定。確定預警產生條件、預警閾值，實現被動報警。

（4）預警規則設置。在山洪監測預警平臺中，完善預警對象、預警閾值、預警規則，實現平臺預警。

（5）運維管理。將設備基本信息、狀態信息接入山洪災害監測預警管理系統平臺，通過平臺的運維模塊實現設備的狀態等運維管理。

2 水庫下游預警系統

2.1 系統組成

系統由監測預警設備和管理平臺兩部分組成。可選的監測預警設備主要包括水位感應站、無線預警廣播、水位報警站、中繼站、電子警示牌、預警信息屏等(見圖1)。管理平臺主要對設備進行參數設置、狀態信息監測、遠程控制、與山洪監測預警平臺交互等。

圖1 水庫下游預警系統設備布置示意圖

預警系統分為設備層、傳輸層、數據處理層、控制層4 個層次。設備層包括雨水情監測設備、主控單元（集成在水位感應站）、通信設備、預警設備；傳輸方式包括無線自組網和4G 公網；數據處理層由數據中心和數據處理服務組成，對進行數據收集和整理；控制層即為后端管理平臺，對設備進行狀態監測和遠程控制。系統架構圖見圖2。

圖2 系統架構圖

2.2 系統架構

通信組網方式由無線自組網和4G 公網兩部分組成，平臺與終端之間以4G公網為主，終端之間以無線自組網為主，實現系統內自主控制預警。

2.2.1 無線自組網

預警系統中的監測預警設施（中繼站和具有短波距離通訊的水位感應站、水位報警站、電子警示牌等）組成一個小型預警網絡。新建的預警系統須約定通信規范，監測數據上報須遵守《水文監測數據通信規約》（SL651-2014）；監測預警設備要保證可以在公網通信中斷的情況下正常監測和發布預警，并且能向下游傳遞預警信號，應具有短距離Lo-Ra自組網通信功能，為保證每個預警設備都能正常識別預警信號，須規范LoRa自組網通信格式。

系統監測產生或接收到預警平臺的信息后，在水位感應站、預警信息屏、水位報警站之間自動尋路、相互接力多跳傳輸。每個設備在無遮擋的情況下可傳輸1 km以上，多個設備接力傳輸時可完全覆蓋水庫泄洪影響區域。

2.2.2 移動公網

移動公網傳輸，利用電信運營商提供的2G、3G、4G、NB-IoT等通信設施。由于GPRS網絡，運營商以不再進行建設和維護，并有退網計劃，為保證系統的持續可用，主要終端設備要求能夠支持4G公網。

山洪監測預警平臺通過4G 網絡，發送預警信息到控制單元，然后由控制單元再進行轉發出去。同時通過4G公網進行無線預警廣播（整合已建）預警。為提高預警系統的可靠性，在監測預警設備具備無線自組網功能的情況下，主要的預警終端設備需同時具備4G公網傳輸功能。

3 預警發布

3.1 預警流程

通過系統測站、接受山洪監測預警平臺發布、人工判斷等產生預警信息后，通過主控單元，將預警信息傳輸到水位報警站、無線預警廣播、預警信息屏、電子警示牌等預警終端設備，再傳播出去。預警流程拓樸圖見圖3

圖3 預警流程拓撲圖

3.2 預警方式

預警發布方式主要有被動報警、平臺預警、人工預警3種。預警發布方式流程圖見圖4。

圖4 預警發布方式流程圖

（1）被動報警。出現降雨、泄洪時，超過系統的雨量、水位感應站的預警閾值，觸發預警，自動發送預警。該方式能實現即時預警，自動發布。

（2）平臺預警。主控單元接收到山洪監測預警平臺的預警信息后，通過系統無線自組網或公網GPRS 將預警信息發送到水位報警站、無線預警廣播、電子警示牌、預警信息屏等設備后傳播出去，并可向相關責任人發送短信通知。該方式主要用于后臺分析預測的預警發布和受強降雨影響的較大范圍內發布提醒信息。

（3）人工預警。水庫預警發布人員通過報警控制器發布預警，報警控制器具有一鍵報警功能，啟動后即刻向水位報警站、無線預警廣播、電子警示牌、預警信息屏等設備發送預警信息。該方式適用于水庫管理員發現險情等緊急發布預警。

3.3 預警級別

水庫水電站泄洪預警主要常規放水和緊急泄洪兩種情況。結合現有防汛預警機制及水庫放水（泄洪）特點制定一級預警和二級預警兩級預警指標。

3.3.1 一級預警（準備轉移）

（1）預警條件。水庫水電站放水前3 h，提示河道及下游可能影響的區域即將放水。對在河道內進行游泳、釣魚、運動、耕作以及要進入河流內的人群發出安全提示警告。

（2）信號說明。應采用功率適中、不擾民的預警方式告警，如電子警示牌、蜂鳴報警器、預警信息屏等，同時采用水位報警站發布準備轉移通知。

3.3.2 二級預警（立即轉移）

（1）預警條件。即將達到下游成災泄量（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的水位作為成災水位），洪水即將淹沒建筑，提醒危險區人員立即轉移。

（2）信號說明。應采用水位報警站、無線預警廣播發布緊急轉移通知，確保最大泄量對應的淹沒區都可聽到預警音頻信號、同時使用預警信息屏發布緊急預警信息。

3.4 預警范圍

水庫放水（泄洪）對下游河道水位升高影響的河段。預警起點為水庫溢洪道出口下游河段，預警終點為以不受泄洪影響或者影響很小的區域為終點。一般具備以下特征：①主干河流或支干河流的匯流點或分流點；②河流橫截面突然變寬的地點；③洪水進入無人區域。根據上述起止點結合水庫歷年大流量泄洪時的淹沒情況合理確定預警范圍。

3.5 預警發布

（1）有管理單位的水庫按照調度計劃泄洪。水庫按調度計劃進行泄洪時，水庫管理人員接到調度指令后，可通過以下方式發布預警：①報警控制器一鍵報警（現場人員）；②使用手機直接向預警終端設備發布。

（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，可通過以下方式發布預警：①報警控制器一鍵報警（現場人員）；②使用手機直接向預警終端設備發布。

（3）監測分析預測可能泄洪。各級山洪監測預警平臺分析預測水庫可能泄洪時，可通過以下方式發布預警：①使用山洪監測預警平臺發布；②通知水庫值守人員發布并確認。

4 系統建設

4.1 設備布設原則

4.1.1 監測設備布設原則

（1）壩首雨量水位監測。壩首至少布設一個雨量監測站，已經建設有的可直接采用，有條件的在庫區布設，以滿足水庫來水預報要求。

（2）壩后水位監測。至少布設一個水位感應站，下游有較大直流匯入口可考慮增設。

4.1.2 預警設備布設原則

每個無線預警廣播聲音直線傳輸有效距離約500 m，水位報警站用于感應到水位后直接發布警報。

（1）無線預警廣播須覆蓋所有受威脅的區域，再結合管理要求合理安排位置。

（2）靠近河邊村落、河流回合口進行布設水位報警站。

（3）每個親水空間至少布設一個電子警示牌。如碼頭、景點河灘、近水人口聚集區、低洼易淹區（停車場、漫水橋、涵洞等）等。

（4）每個受威脅的集鎮布設一個預警信息屏。

4.1.3 中繼站布設原則

主要用于受威脅的范圍為長條形區域。

（1）水位報警站、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）預警設備與控制單元距離超過3 km（直線傳輸）的中間需布設中繼站。

（3）中繼數量與受威脅的區域的最大長度有關，必要時可增設。

4.2 系統設備功能

（1）水位感應站。水位感應站由水位傳感器、控制單元、聲光報警裝置、報警控制器組成，具有水位自動探知功能，當水位達到預警閾值時，設備自動報警，并將預警信息發送給系統內所有預警設備，并能發送給水庫管理人員或遠程管理平臺。水位感應站與水位報警站、電子警示牌等設備通過無線Mesh網絡進行組網。水位感應站配置報警控制器，水庫管理人員可通過無線方式遠程控制水位感應站向下游發布預警。

（2）無線預警廣播。無線預警廣播是一個可接收本地一鍵報警、話筒喊話、FM、MP3、短信、電話、縣級管理平臺遠程播報等信號源，具有控制、播出和音頻功率放大功能的預警終端設備。增加自組網模塊，在水庫下游影響范圍內，使用無線預警廣播設備擴大預警范圍，最大程度的覆蓋全部預警對象。

（3）電子警示牌。電子警示牌布設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接收水位感應站發出的一鍵報警信號和水位報警信號，各級報警采用不同具有轉移避險提示性的警笛和語音信號發出聲光報警。電子警示牌在自組網中獲取報警信息并能起到接力傳輸作用，具備人體接近紅外感應功能，警戒狀態下人員靠近發出語音告警。

（4）水位報警站。水位報警站通過自組網接收水位感應站發出的一鍵報警信號和水位報警信號，各級報警采用不同具有轉移避險提示性的警笛和語音信號發出聲光報警。水位報警站亦能感應附近河道的水位變化，漲速過快或水位過高時會自動發出聲光報警。水位報警站在自組網中獲取報警信息并能起到接力傳輸作用，水位報警站將所有報警狀態均上傳給管理平臺。

（5）中繼站。針對水庫下游環境比較復雜的，直接通過自組網傳輸受到限制的地方，可以在水位感應站和水位報警站之間增加中繼站進行增加傳輸距離，用于無線通信接力，適用于水位感應站和水位報警站之間距離較遠的應用環境，應在水位感應站與水位報警站中間區域選點（選點應地勢較高且相對空曠），與水位感應站和水位報警站之間可靠距離均應小于1.5 km。

（6）預警信息屏。預警信息屏接收以太網、平臺、短信、雨水數據，通過LED 顯示文字預警信息，同時可根據用戶意愿，自定義顯示內容。當預警信息屏接收到報警信息時，預警信息屏顯示預警信息，并給權限號碼發送報警短信，警示居民做好防汛（轉移）準備，從而保障居民人身財產安全。預警信息屏基于無線移動通信網絡進行數據和語音通信的，能夠實現將4G 數據、文字、短信息轉換為LED 實時顯示，系統接收實時監測各項數據，并且具備自動報警功能，將超范圍數據發送到管理者手機上，管理人員可以隨時掌控環境變化情況，采取相應措施，實現聯動。

4.3 系統接入山洪平臺

（1）威脅點現場核查。確定水庫下游影響區域各個防御對象，安裝實施之前，需要到每個水庫確定，水庫下游受影響區域，根據各個防御對象，制作成清單，為后面針對性的預警做準備。水庫每個受威脅點的相關內容可以上GIS圖，與預警設備對應。

（2）預警指標確定。確定預警產生條件、預警閾值，實現被動報警。被動預警實現主要依據泄洪入河口安裝的水位感應站的超閾值報警。安裝前需要根據水庫泄洪預案和調查歷年泄洪量和入河口水位上升的關系，合理確定閾值指標，實現被動即時報警。

（3）預警規則設定。在山洪監測預警平臺中，完善預警對象、預警閾值、預警規則，實現平臺預警。根據安裝之前統計的水庫受威脅點，作為預警對象；監測預警設備（水位感應站、水位報警站）的水位閾值的修訂，作為下游的預警閾值；制定一個對應水位值和預警對象、預警終端設備之間的關系，通過平臺監測的水雨情數據，進行平臺預警。

（4）運維管理。將設備基本信息、狀態接入系統平臺，通過平臺的運維模塊實現設備的狀態等運維管理（見圖5）。

圖5 系統設備管理界面

各水庫的監測和預警設備在安裝完成后應錄入水庫基本信息，通過管理平臺實時接收各監測站的工況信息，將工況異常的設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。當工況異常時可以去根據站點安裝地址進行設行檢修。

5 系統預警效果

（1）水庫下游預警系統可兼容水庫現有大部分的監測設備，可最大化的利用原有資源，實現數據聯動采集。

（2）在水庫下游各敏感點、災害易發點部署無線預警廣播，覆蓋泄洪區域涉及的沿河村落，可有效保障人民群眾生命安全。

（3）通過水庫下游預警系統，水庫管理人員可通過手機、固定電話、短信、現場話筒、對講機等方式實現警報信息實時發布。

（4）系統實時監測水庫水情數據，當監測數據超過閾值時，系統可實現自動報警功能。

6 結語

水庫下游預警系統要在延長預報預警預見期、提高預報可靠性和精準度上有很大提升，提高專業支撐水平。其次能推動現有監測站點的運行維護工作，加快更新已損毀老化或已達到正常使用年限監測預警設施設備組件。利用物聯網、大數據、降雨監測等技術，減少對基層技術能力的依賴，不斷提升預警預報時效性，結合各地的預警發布機制，擴大預警覆蓋面。

同時，水庫下游預警系統結合水旱災害風險調查和重點隱患區排查工作，能進一步辨識、排查山洪災害風險隱患，突出暴雨高值高頻區、重要城鎮、沿河村落、流域出口、束窄河道、穿河路橋、主支流匯合等區域。