广西水库下游预警系统建设与研究

王 喆

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

0 引言

防灾减灾工作已经成为国家治理能力与治理体系现代化重要组成部分，各级政府、部门、社会、个人都是防灾减灾的责任主体，树立多元共治理念。面对水库泄洪这一盲区，须健全预警信息发布机制，开展水库泄洪影响调查评价，建立预警信息发布系统，及时向水库下游群众发布信息。要充分利用各种传播手段，确保群众能够在第一时间获取信息，及时转移避险，建立水库与下游群众联动机制，全面提高水库放水致灾的综合防范能力。

目前，提高水库下游预警能力，须全面查清水库泄洪的影响范围，建立水库泄流量与下游河段水位、淹没范围的对应关系，确定水库泄洪的预警指标和预警范围，建设覆盖河道亲水空间及沿河村落的预警系统。

1 建设内容

1.1 建设目标

建设水库下游预警系统，当水库泄洪、出险等下游群众生命财产受威胁时，预警信息能及时发出并覆盖受威胁区域，提高针对水库下游的预警能力，最大限度减轻水库泄洪对下游的影响。

1.2 主要内容

结合水库已有的监测和预警设备，补充配备监测预警设备和统一的前端管理平台，建设水库下游预警系统，由管理平台向山洪监测预警平台推送信息，实现网内被动报警、平台预警、人工预警信息。主要建设内容有：

（1）预警系统硬件建设。调查已建的监测和预警设备，补充水位感应站、无线预警广播、水位报警站、中继站、电子警示牌、预警信息屏等，组建水库下游区域监测预警网络。

（2）危险点现场核查。确定水库下游影响区域各个防御对象和预警发布方式和范围。

（3）预警指标确定。确定预警产生条件、预警阈值，实现被动报警。

（4）预警规则设置。在山洪监测预警平台中，完善预警对象、预警阈值、预警规则，实现平台预警。

（5）运维管理。将设备基本信息、状态信息接入山洪灾害监测预警管理系统平台，通过平台的运维模块实现设备的状态等运维管理。

2 水库下游预警系统

2.1 系统组成

系统由监测预警设备和管理平台两部分组成。可选的监测预警设备主要包括水位感应站、无线预警广播、水位报警站、中继站、电子警示牌、预警信息屏等(见图1)。管理平台主要对设备进行参数设置、状态信息监测、远程控制、与山洪监测预警平台交互等。

图1 水库下游预警系统设备布置示意图

预警系统分为设备层、传输层、数据处理层、控制层4 个层次。设备层包括雨水情监测设备、主控单元（集成在水位感应站）、通信设备、预警设备；传输方式包括无线自组网和4G 公网；数据处理层由数据中心和数据处理服务组成，对进行数据收集和整理；控制层即为后端管理平台，对设备进行状态监测和远程控制。系统架构图见图2。

图2 系统架构图

2.2 系统架构

通信组网方式由无线自组网和4G 公网两部分组成，平台与终端之间以4G公网为主，终端之间以无线自组网为主，实现系统内自主控制预警。

2.2.1 无线自组网

预警系统中的监测预警设施（中继站和具有短波距离通讯的水位感应站、水位报警站、电子警示牌等）组成一个小型预警网络。新建的预警系统须约定通信规范，监测数据上报须遵守《水文监测数据通信规约》（SL651-2014）；监测预警设备要保证可以在公网通信中断的情况下正常监测和发布预警，并且能向下游传递预警信号，应具有短距离Lo-Ra自组网通信功能，为保证每个预警设备都能正常识别预警信号，须规范LoRa自组网通信格式。

系统监测产生或接收到预警平台的信息后，在水位感应站、预警信息屏、水位报警站之间自动寻路、相互接力多跳传输。每个设备在无遮挡的情况下可传输1 km以上，多个设备接力传输时可完全覆盖水库泄洪影响区域。

2.2.2 移动公网

移动公网传输，利用电信运营商提供的2G、3G、4G、NB-IoT等通信设施。由于GPRS网络，运营商以不再进行建设和维护，并有退网计划，为保证系统的持续可用，主要终端设备要求能够支持4G公网。

山洪监测预警平台通过4G 网络，发送预警信息到控制单元，然后由控制单元再进行转发出去。同时通过4G公网进行无线预警广播（整合已建）预警。为提高预警系统的可靠性，在监测预警设备具备无线自组网功能的情况下，主要的预警终端设备需同时具备4G公网传输功能。

3 预警发布

3.1 预警流程

通过系统测站、接受山洪监测预警平台发布、人工判断等产生预警信息后，通过主控单元，将预警信息传输到水位报警站、无线预警广播、预警信息屏、电子警示牌等预警终端设备，再传播出去。预警流程拓朴图见图3

图3 预警流程拓扑图

3.2 预警方式

预警发布方式主要有被动报警、平台预警、人工预警3种。预警发布方式流程图见图4。

图4 预警发布方式流程图

（1）被动报警。出现降雨、泄洪时，超过系统的雨量、水位感应站的预警阈值，触发预警，自动发送预警。该方式能实现即时预警，自动发布。

（2）平台预警。主控单元接收到山洪监测预警平台的预警信息后，通过系统无线自组网或公网GPRS 将预警信息发送到水位报警站、无线预警广播、电子警示牌、预警信息屏等设备后传播出去，并可向相关责任人发送短信通知。该方式主要用于后台分析预测的预警发布和受强降雨影响的较大范围内发布提醒信息。

（3）人工预警。水库预警发布人员通过报警控制器发布预警，报警控制器具有一键报警功能，启动后即刻向水位报警站、无线预警广播、电子警示牌、预警信息屏等设备发送预警信息。该方式适用于水库管理员发现险情等紧急发布预警。

3.3 预警级别

水库水电站泄洪预警主要常规放水和紧急泄洪两种情况。结合现有防汛预警机制及水库放水（泄洪）特点制定一级预警和二级预警两级预警指标。

3.3.1 一级预警（准备转移）

（1）预警条件。水库水电站放水前3 h，提示河道及下游可能影响的区域即将放水。对在河道内进行游泳、钓鱼、运动、耕作以及要进入河流内的人群发出安全提示警告。

（2）信号说明。应采用功率适中、不扰民的预警方式告警，如电子警示牌、蜂鸣报警器、预警信息屏等，同时采用水位报警站发布准备转移通知。

3.3.2 二级预警（立即转移）

（1）预警条件。即将达到下游成灾泄量（以下游村落河堤高度或村落地势最低的住宅地脚线所对应的水位作为成灾水位），洪水即将淹没建筑，提醒危险区人员立即转移。

（2）信号说明。应采用水位报警站、无线预警广播发布紧急转移通知，确保最大泄量对应的淹没区都可听到预警音频信号、同时使用预警信息屏发布紧急预警信息。

3.4 预警范围

水库放水（泄洪）对下游河道水位升高影响的河段。预警起点为水库溢洪道出口下游河段，预警终点为以不受泄洪影响或者影响很小的区域为终点。一般具备以下特征：①主干河流或支干河流的汇流点或分流点；②河流横截面突然变宽的地点；③洪水进入无人区域。根据上述起止点结合水库历年大流量泄洪时的淹没情况合理确定预警范围。

3.5 预警发布

（1）有管理单位的水库按照调度计划泄洪。水库按调度计划进行泄洪时，水库管理人员接到调度指令后，可通过以下方式发布预警：①报警控制器一键报警（现场人员）；②使用手机直接向预警终端设备发布。

（2）无管理单位的水库放水泄洪。无管理单位的水库需要放水泄洪时，可通过以下方式发布预警：①报警控制器一键报警（现场人员）；②使用手机直接向预警终端设备发布。

（3）监测分析预测可能泄洪。各级山洪监测预警平台分析预测水库可能泄洪时，可通过以下方式发布预警：①使用山洪监测预警平台发布；②通知水库值守人员发布并确认。

4 系统建设

4.1 设备布设原则

4.1.1 监测设备布设原则

（1）坝首雨量水位监测。坝首至少布设一个雨量监测站，已经建设有的可直接采用，有条件的在库区布设，以满足水库来水预报要求。

（2）坝后水位监测。至少布设一个水位感应站，下游有较大直流汇入口可考虑增设。

4.1.2 预警设备布设原则

每个无线预警广播声音直线传输有效距离约500 m，水位报警站用于感应到水位后直接发布警报。

（1）无线预警广播须覆盖所有受威胁的区域，再结合管理要求合理安排位置。

（2）靠近河边村落、河流回合口进行布设水位报警站。

（3）每个亲水空间至少布设一个电子警示牌。如码头、景点河滩、近水人口聚集区、低洼易淹区（停车场、漫水桥、涵洞等）等。

（4）每个受威胁的集镇布设一个预警信息屏。

4.1.3 中继站布设原则

主要用于受威胁的范围为长条形区域。

（1）水位报警站、电子警示牌具备相互传输信号功能，可相互接力传递信号，有效距离1 km。

（2）预警设备与控制单元距离超过3 km（直线传输）的中间需布设中继站。

（3）中继数量与受威胁的区域的最大长度有关，必要时可增设。

4.2 系统设备功能

（1）水位感应站。水位感应站由水位传感器、控制单元、声光报警装置、报警控制器组成，具有水位自动探知功能，当水位达到预警阈值时，设备自动报警，并将预警信息发送给系统内所有预警设备，并能发送给水库管理人员或远程管理平台。水位感应站与水位报警站、电子警示牌等设备通过无线Mesh网络进行组网。水位感应站配置报警控制器，水库管理人员可通过无线方式远程控制水位感应站向下游发布预警。

（2）无线预警广播。无线预警广播是一个可接收本地一键报警、话筒喊话、FM、MP3、短信、电话、县级管理平台远程播报等信号源，具有控制、播出和音频功率放大功能的预警终端设备。增加自组网模块，在水库下游影响范围内，使用无线预警广播设备扩大预警范围，最大程度的覆盖全部预警对象。

（3）电子警示牌。电子警示牌布设于受水库泄洪影响的河道亲水空间。电子警示牌通过自组网接收水位感应站发出的一键报警信号和水位报警信号，各级报警采用不同具有转移避险提示性的警笛和语音信号发出声光报警。电子警示牌在自组网中获取报警信息并能起到接力传输作用，具备人体接近红外感应功能，警戒状态下人员靠近发出语音告警。

（4）水位报警站。水位报警站通过自组网接收水位感应站发出的一键报警信号和水位报警信号，各级报警采用不同具有转移避险提示性的警笛和语音信号发出声光报警。水位报警站亦能感应附近河道的水位变化，涨速过快或水位过高时会自动发出声光报警。水位报警站在自组网中获取报警信息并能起到接力传输作用，水位报警站将所有报警状态均上传给管理平台。

（5）中继站。针对水库下游环境比较复杂的，直接通过自组网传输受到限制的地方，可以在水位感应站和水位报警站之间增加中继站进行增加传输距离，用于无线通信接力，适用于水位感应站和水位报警站之间距离较远的应用环境，应在水位感应站与水位报警站中间区域选点（选点应地势较高且相对空旷），与水位感应站和水位报警站之间可靠距离均应小于1.5 km。

（6）预警信息屏。预警信息屏接收以太网、平台、短信、雨水数据，通过LED 显示文字预警信息，同时可根据用户意愿，自定义显示内容。当预警信息屏接收到报警信息时，预警信息屏显示预警信息，并给权限号码发送报警短信，警示居民做好防汛（转移）准备，从而保障居民人身财产安全。预警信息屏基于无线移动通信网络进行数据和语音通信的，能够实现将4G 数据、文字、短信息转换为LED 实时显示，系统接收实时监测各项数据，并且具备自动报警功能，将超范围数据发送到管理者手机上，管理人员可以随时掌控环境变化情况，采取相应措施，实现联动。

4.3 系统接入山洪平台

（1）威胁点现场核查。确定水库下游影响区域各个防御对象，安装实施之前，需要到每个水库确定，水库下游受影响区域，根据各个防御对象，制作成清单，为后面针对性的预警做准备。水库每个受威胁点的相关内容可以上GIS图，与预警设备对应。

（2）预警指标确定。确定预警产生条件、预警阈值，实现被动报警。被动预警实现主要依据泄洪入河口安装的水位感应站的超阈值报警。安装前需要根据水库泄洪预案和调查历年泄洪量和入河口水位上升的关系，合理确定阈值指标，实现被动即时报警。

（3）预警规则设定。在山洪监测预警平台中，完善预警对象、预警阈值、预警规则，实现平台预警。根据安装之前统计的水库受威胁点，作为预警对象；监测预警设备（水位感应站、水位报警站）的水位阈值的修订，作为下游的预警阈值；制定一个对应水位值和预警对象、预警终端设备之间的关系，通过平台监测的水雨情数据，进行平台预警。

（4）运维管理。将设备基本信息、状态接入系统平台，通过平台的运维模块实现设备的状态等运维管理（见图5）。

图5 系统设备管理界面

各水库的监测和预警设备在安装完成后应录入水库基本信息，通过管理平台实时接收各监测站的工况信息，将工况异常的设备展示在地图上或采用列表形式展示，使用户可以正常使用本系统。当工况异常时可以去根据站点安装地址进行设行检修。

5 系统预警效果

（1）水库下游预警系统可兼容水库现有大部分的监测设备，可最大化的利用原有资源，实现数据联动采集。

（2）在水库下游各敏感点、灾害易发点部署无线预警广播，覆盖泄洪区域涉及的沿河村落，可有效保障人民群众生命安全。

（3）通过水库下游预警系统，水库管理人员可通过手机、固定电话、短信、现场话筒、对讲机等方式实现警报信息实时发布。

（4）系统实时监测水库水情数据，当监测数据超过阈值时，系统可实现自动报警功能。

6 结语

水库下游预警系统要在延长预报预警预见期、提高预报可靠性和精准度上有很大提升，提高专业支撑水平。其次能推动现有监测站点的运行维护工作，加快更新已损毁老化或已达到正常使用年限监测预警设施设备组件。利用物联网、大数据、降雨监测等技术，减少对基层技术能力的依赖，不断提升预警预报时效性，结合各地的预警发布机制，扩大预警覆盖面。

同时，水库下游预警系统结合水旱灾害风险调查和重点隐患区排查工作，能进一步辨识、排查山洪灾害风险隐患，突出暴雨高值高频区、重要城镇、沿河村落、流域出口、束窄河道、穿河路桥、主支流汇合等区域。