基于物聯網的山洪災害監測技術研發初探

許文濤 買買提·依明 李鵬 何敏 董林垚

摘 要：山洪災害監測體系是非工程措施建設的重要組成，是致災機理研究、風險評估和預警發布的基礎?；谖锫摼W技術，研發山洪多要素（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技術，并以丹江口官山河流域為示范，構建山洪災害監測技術體系。研究旨在構建適用于山區復雜環境的山洪監測體系，提供實時穩定的山洪災害多要素監測數據，提高應急搶險應對處置時效性和防災救災能力。

關鍵詞：山洪災害;監測;微納感知;自助網技術;官山河流域

中圖法分類號：TP29 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：B ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0315

中國位于東亞季風氣候區，暴雨頻發，地形地貌環境復雜，加之人類活動劇烈，導致山洪災害頻發。2016年，習近平總書記強調“防災減災應注重‘兩個堅持，三個轉變的新理念，其核心是提前預測預報”。開展山洪災害監測技術研究，構建適合山區復雜環境的山洪災害監測體系，提供實時穩定的山洪災害多要素監測數據，對提高應急搶險應對處置時效性和防災救災能力具有重要意義。

1 ? ?山洪災害監測現狀

隨著全球氣候變化和人類活動影響，山區城市化進程加快、下墊面條件改變、極端水文事件頻發造成山洪災害日益嚴重，缺乏對山洪成災機理、監測預警技術和防御范式的系統研究，將導致全球環境對山區洪水災害脆弱性加劇。據統計，自1949年以來，全國發生山洪災害5萬余次，累計死亡約十九萬余人，占洪澇災害死亡人數的70%以上，近些年該比例增長趨勢顯著[1]。山洪災害問題引起國家高度重視，2006 年 10 月，國務院正式批復《全國山洪災害防治規劃》，確立了“以人為本”山洪災害防治的思路，構建非工程措施為主與工程措施相結合的防災減災體系，逐步實現了全國 2 138縣（市、區）386萬km2范圍內自動監測站點的全覆蓋，其中自動雨量監測站和水位監測站的布設密度達到50km2/個和100km2/個[2，3]。山洪災害監測預警網絡是按照物聯網方式進行架構，從水雨情監測站點到縣級監測預警平臺，再到各種預警發布系統和設備，形成有機統一的整體。

以美國為主導的西方國家早在20世紀70年代就開始了山洪災害防治工作，在監測技術設備研發，預警系統集成，預報誤差分析等領域處于領先地位。美國國家氣象局（National Weather Service，NWS）研發的山洪監測預警系統（flash flood guidance system，FFGS）在境內山區小流域早期洪水預警預報發揮了重要作用，近年來通過融合新一代降雨雷達技術減小雨量預報誤差，利用概率山洪預報模型、流域水文模型計算徑流閾值，提高了山洪預報精度，該系統在世界氣象組織的推薦下，在中國、南非、黑海和中東等地區進行了應用[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）工程開始實施為期5年的研究計劃，旨在研究導致歷史山洪事件的水文氣象數據，制作山洪數據集，推進和協調構建歐洲范圍內的山洪監測創新管理體系，并開發出一套適應于早期山洪預警預報的系統，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科團隊，聯合開展流域山洪災害防御技術研究與示范[7]。日本采用X波段雷達實現小時尺度雨量觀測，結合機載激光雷達技術獲取地面高精度數據，利用分布式水文模型計算河道徑流值，實現中央直轄的河流擴展到地方所轄河流的所有關鍵河段洪水預報[8]。

國內關于山洪災害防治理論和技術的研究[9-17]伴隨國家山洪災害防治項目建設不斷拓展，為項目的建設、應用和推廣提供技術支撐。經過數十年建設，目前已初步建成了以自動水雨情監測站為主的山洪災害監測技術體系，但受復雜山區環境影響，目前布設的監測設施存在儀器使用期限短、維護更換成本高、信息傳輸易中斷等問題，導致水雨情信息錯報、漏報和中斷，影響山洪災害預警預報時效性。因此，迫切需要研發適宜山區環境的、實用、低成本的雨水情監測設施。本文基于山洪災害監測技術體系建設的實際需求，結合物聯網技術，研發山洪多要素（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技術，并以丹江口官山河流域為示范，以期為山洪災害防治體系升級改造提供科技支撐。

2 ?山洪災害監測技術研發

2.1 ?微納感知監測儀器

傳感器是能夠采集和傳出數據的設施，山洪災害監測要素主要包括降雨、徑流和土壤要素，分別對應山洪驅動因子、產匯流過程和下墊面特征。研究致力于研發低功耗、小型化、無線傳輸數據、具備“三防”功能（防塵、防水、防腐蝕）的監測裝置，該設備主要由降雨、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射/接收等部分組成，并最大限度的適應山區復雜環境條件。降雨監測采用壓電式MEMS（Micro Electro Mechanical System）傳感器數組方法實現雨量及過程監測。土壤水分監測通過測量土壤的介電常數隨水分含量變化計算土壤含水量，并利用頻域反射法實現土壤水分動態變化的測量與反演。

本研究于2019年4月在武漢市長江科學院水土保持所樓頂布設微納感知降雨監測儀，選取了5次典型降雨過程進行觀測，并與傳統雨量計監測結果進行對比。微納感知降雨監測儀和傳統雨量計監測的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，傳統雨量計實測數據與研發儀器測定數據擬合度較好。

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

圖1和圖2的結果表明所研發的微納感知監測儀，在降雨、土壤含水量和流速測量結果與傳統儀器測量結果擬合較好，且相較于傳統測量儀器，微納感知傳感器具有體積小、性能高、靈活機動的特點。同時，研發的監測儀器具有能耗小、充電蓄能快的優點，在達到一定的降雨量、土壤含水量和流速數值的時候被激發進入工作模式，能夠適用于復雜山區環境山洪多要素監測。本次研發的山洪災害暴雨、徑流和土壤含水量要素監測設施采樣頻率可根據實際情況進行遠程設置，通常在非汛期設置為1h，在汛期設置為10min，以實現對山洪過程要素的全面、實時監測。

2.2 ?自組網傳輸技術

研究針對山區山洪要素信息傳輸主要依靠公網的缺陷，研發的目標是以自組網為主，合理利用公網進行信息傳輸，確保信息傳輸暢通。針對山丘區地形復雜、信息傳輸阻擋限制因素多的特點，研發以“節點”為主體的“網絡化”自組網技術體系。

自組網技術需具備低功耗、高性能、快速組網、復雜環境下實時高效穩定傳輸等優勢。自組網技術核心為無線MESH網絡技術，采用強傳輸繞射能力的UHF頻段和COFDM、DSSS等多種傳輸體制，并同時能夠實現多種傳輸模式智能切換，以便于在有條件地區與公網連接和切換。研究構建的山洪災害監測數據傳輸模式面向降雨、徑流、土壤水分監測技術和數據傳輸的需求，運用陣列復合傳感器設計、多源異構信息融合處理、自組網等關鍵技術，結合微納感知傳感器（雨量、土壤含水量、水位、流速、泥沙）監測手段，通過自組網、公網（智慧切換）傳輸技術，構建全新的山區小流域山洪災害監測技術體系，解決無衛星信號塔、無公網或公網中斷條件下監測信息無法實時穩定傳輸的難題。

3 ?山洪災害監測體系構建示范

3.1 ?示范流域概況

受復雜山區環境、極端暴雨事件頻發、下墊面條件改變等因素的影響，區域山洪災害防御體系對監測模式提出了更高要求。本研究結合研發的微納感知傳感器和自組網技術，選擇湖北省丹江口市官山河流域為示范區，進行山洪災害立體多要素監測模式構建。

官山河流域基礎信息如圖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。河網總長268.5km，密度約0.84km/km2。流域出口站為孤山站（站臺號：61907500;經度110°55′37″，緯度32°27′），于1973年設站。流域范圍內土壤以黃棕壤為主。

該流域位于東部季風區，5—9月以東、東南風為主，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。流域潛在受災人口2 023戶、8 106人，受災體還包括流域內公路、水庫、橋梁、農田等基礎設施。2012年8月5日，遭遇超百年一遇的特大洪水，流域多處受災，民房被毀，田地被沖，水利設施幾乎全部損毀，造成經濟損失約2.3億元。

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

3.2 ?監測模式構建

結合官山河流域特征，地面雨量站布設主要考慮山區降雨云團、流域山體走向、海拔高度、汛期主風向以及主要風口位置。土壤水分傳感器布設主要考慮流域11種不同土地利用類型，以便于產流入滲計算。水位、流速、泥沙傳感器布設在流域內8處沿河、溝岸典型承災體附近河道，為水位預警提供有效數據支撐。X波段測雨雷達需要選擇無遮擋高處，雷達輻射面積應覆蓋全流域，為微納感知測雨數據反演面雨量提供驗證。

按照以上思路，增設微納感知雨量計27臺，雨量監測站達到40個;針對11種土地利用類型的分布，布設微納感知傳感器22臺;選取8處沿河、溝岸典型承災體（村落），布設微納感知水位、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X波段測雨雷達（輻射半徑30km，布設處距離流域最遠邊界約18km），用以檢驗、校準地面雨量站的適配程度。自組網體系將監測資料傳輸至公網條件好的官山鎮，并通過山洪災害防御平臺在鄉鎮的延伸建設最終將數據傳至丹江口市。

4 ?結語

X波段雷達降雨監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有地面降雨監測站點布局密度條件下的監測數據與雷達降雨監測數據間的關系，基于微納感知傳感器提出合理的適用于山區環境特點的地面降雨監測點布局密度和格局，以克服測雨雷達花費高、安裝復雜等缺點。

目前山洪災害監測技術的數據傳輸多基于公網，監測數據傳輸存在中斷和不及時等系列問題。隨著物聯網技術的發展，通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，將山洪影響要素與互聯網相接，與用戶進行信息交換和通訊，實現山洪災害的智能化識別、定位、追蹤、監控和管理是當前研發趨勢。

下一步工作將在官山河示范區進行監測體系建設，根據實際監測效果驗證模式的適用性和可行性，同時結合國家重點研發計劃“山洪災害監測預警關鍵技術與集成示范”將山洪災害數據采集、監測站點布局優化、數據實時傳輸、多源異構數據融合、監測體系構建等技術在黃土高原超滲產流區、西南震區、巖溶區、東南沿海臺風影響區典型山區小流域進行推廣和示范。

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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