CN106971510A - 一种双模式山洪预警控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双模式山洪预警控制系统及方法，属于灾害预警技术领域，尤其与一种基于临界雨量和土壤含水量饱和度的山洪预警控制系统建立方法有关，具体地说是一种耦合了临界雨量和土壤含水量饱和度的对山洪灾害进行综合研判和预警的控制系统。该系统在山洪易发地区或地质脆弱地区建立工作站（工作站附近无山洪发生隐患），在监测区域布置土壤水分测定仪、数据传输器、自记雨量计、自动气象站、GPS基站等设施。该系统耦合了临界雨量和土壤含水量饱和度，利用这两种方法分别判定山洪发生的可能性和大小。从单一标准转变为双重保证，提高了监测的灵敏度和准确率。本发明可广泛应用于山丘区，实现对山洪灾害进行更为准确、及时、高效地监测预警。

Description

一种双模式山洪预警控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种双模式山洪预警控制系统及方法，特别涉及一种基于临界雨量和土壤含水量饱和度的山洪预警控制系统，属于灾害预警技术领域。

背景技术

山洪是山区溪沟中发生的暴涨暴落的洪水，由于山区地面和河床坡降都较陡，降雨后产流和汇流都较快，会形成急剧涨落的洪峰，所以山洪具有突发性、水量集中、破坏力强等特点。在全球气候变化的深刻背景下，我国山丘区发生山洪灾害的次数和强度也越来越频繁和剧烈。每年因山洪暴发而得不到及时预警造成的人员和财产损失更是数不甚数。如何做到及时、准确地预警山洪，是许多灾害学方面的学者和专家的研究重点。

目前，对于山洪的预警主要通过两方面来实现：第一，建立卫星遥感远距离监测系统，通过分析遥感数据和水文气象数据，对山洪可能发生的区域做出初步判断；第二，通过记录降雨量数据，建立降雨量与山洪发生的关系，利用大数据并结合人工经验，制定山洪的预警方案和措施。以上两种方法均存在不足和缺陷，如：利用卫星遥感虽然可以获得山洪暴发的大致位置，但是准确度并不高。此外，山洪发生的破坏程度和发展速度也无从所知；再如：利用建立降雨量和山洪之间的关系，这种方法需要对降雨的临界值（阈值）进行判别，对预警临界值的判定是实现可靠性预警的关键核心问题。

目前，对于后者确定预警临界值，国内外的方法大致可分为以下两种：一种是基于统计学原理研究分析山洪与降雨量的数学关系，根据气象资料利用线性回归等数学方法建立山洪发生率与降雨量（或降雨强度）的数学关系，并利用这些数学关系对灾害进行预测预报；另一种是从降雨诱发山洪的机理出发，结合稳态水文概念，建立和地质结构、水文、气象相关的模型来估计临界雨量。

水文和地质工作者也在实践中总结出一些新的监测方法和实物创新。中国实用新型专利CN 204706146 U介绍了一种野外山洪预警系统，当山洪来临，系统中的水位警报器被触发，灾害信息通过无线传输技术向外界传送，提高了山洪预警的即时性；中国专利CN105225427 A介绍了一种基于超渗产流原理的山洪预警简便装置，以超渗产流理论为基础，将超渗产流过程模型化、可视化，普适性强，提高了山洪预警精度；中国专利CN 105608840A介绍了一种基于融合定量降雨预报算法的山洪预警平台及预警方法，通过建立灾害区背景模块、实时信息模块等，将现有气象降雨预报技术纳入山洪预警应用方案中，并考虑不同预见期降雨预报的不确定性；中国专利CN 104318103 A介绍了一种滑坡灾害监测预警降雨阈值判定方法，它通过将模型试验和降雨触发滑坡破坏变形相关性进行耦合，在地震灾害区建立破坏地质模型，从而获得降雨滑坡预警临界参考值。

因此，开发一种基于临界雨量和土壤含水量饱和度的山洪预警控制系统，从土壤含水量饱和度作为新的切入口，将临界雨量和土壤含水量饱和度进行耦合，综合研判山洪灾害等级，及时、准确、全面地做出灾害预警。该系统对于应对全球气候变化背景下，因降雨变化而导致的山洪灾害，实现双重标准下，提高对灾害提前评估的准确性，满足未来山洪预警系统发展更加全面化、智能化、精准化的要求具有理论意义和应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于临界雨量和土壤含水量饱和度的山洪预警控制系统，属于灾害预警技术领域，尤其与一种基于临界雨量和土壤含水量饱和度的山洪预警控制系统建立方法有关，具体地说是一种耦合了临界雨量和土壤含水量饱和度的对山洪灾害进行综合研判和预警的控制系统。该系统在山洪易发地区或地质脆弱地区建立工作站（工作站附近无山洪发生隐患），在监测区域布置土壤水分测定仪、数据传输器、自记雨量计、自动气象站、GPS基站等设施。该系统耦合了临界雨量和土壤含水量饱和度，利用这两种方法分别判定山洪发生的可能性和大小。从单一标准转变为双重保证，提高了监测的灵敏度和准确率。

本发明耦合了临界雨量和土壤含水量饱和度，并将其综合运用在该控制系统中。利用土壤水分测定仪对预警区域土体的含水量进行测定，EDI将其转换成相应的土壤含水量饱和度，并提出五种不同级别的山洪灾害预警等级；利用自记雨量计对监测区域的降雨量进行采集和记录，建立山洪灾害与临界雨量的关系，提出三种不同级别的山洪灾害预警等级；配合使用无人机实时高空监测，综合PIV粒子图像测试仪和高清晰野外照相机将山洪暴发的状况、发展趋势以及蔓延态势等信息实时传回监测中心。本发明是一种双模式、多用途、高精度、覆盖广的山洪灾害预警系统。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种双模式山洪预警控制系统，包括用于提供能源的能源子系统以及数据采集子系统、数据转换及传输子系统、灾害判定子系统、预警子系统，其中：

数据采集子系统包括：土壤水分测定仪，用于实时采集监测区域内的土壤含水量；自记雨量计，用于实时采集监测区域内的24h降雨量；

数据转换及传输子系统包括：电子数据交换器，用于将土壤水分测定仪采集到的土壤含水量转换为相应的土壤含水量饱和度；EDI数据传输器，用于将土壤含水量饱和度、24h降雨量传输至灾害判定子系统；

灾害判定子系统，用于根据接收到的土壤含水量饱和度、24h降雨量，对山洪灾害的程度进行判定，并将判定结果通过EDI数据传输器传输至预警子系统；

预警子系统，用于根据灾害判定子系统对山洪灾害程度的判定结果，向周边地区推送预警信号。

作为本发明的进一步优化方案，所述数据采集子系统还包括：自动气象站，用于实时采集监测区域内的风速和气温数据；PIV粒子图像测试仪，用于实时采集监测区域内的土体的内部颗粒变化；无人机、高清晰野外照相机，用于实时采集监测区域内的土体的外部动态变化；自动气象站、PIV粒子图像测试仪、无人机、高清晰野外照相机分别与EDI数据传输器连接。

作为本发明的进一步优化方案，所述预警子系统包括GPS基站和移动通信基站。

作为本发明的进一步优化方案，所述能源子系统包括太阳能光伏电板、风能发电设备以及蓄电池。

另一方面，本发明还提供一种双模式山洪预警控制方法，包括如下具体步骤：

1）利用土壤水分测定仪、自记雨量计分别对监测区域内的土壤含水量、24h降雨量进行实时采集；

2）将采集到的土壤含水量转换为相应的土壤含水量饱和度：土壤含水量饱和度=土壤含水量/张力水容差；

3）根据24h降雨量与临界雨量的倍比关系，将山洪灾害程度划分为三个等级：若24h降雨量约等于临界雨量，则系统判定为三级，即山洪黄色预警；若24h降雨量在1倍临界雨量和两倍临界雨量之间，则系统判定为二级，即山洪橙色色预警；若24h降雨量大于2倍临界雨量，则系统判定为一级，即为山洪红色预警；

4）根据历时暴雨强度以及24h降雨量，确定土壤含水量饱和度的阈值，在此阈值区间内，将山洪灾害程度划分为五个等级：若实测降雨量未超过1h点暴雨量，则系统判定为五级，即山洪安全预警；若实测降雨量介于1h和3h点暴雨量之间，则系统判定为四级，即山洪低危预警；若实测降雨量介于3h和6h点暴雨量之间，则系统判定为三级，山洪中危预警；若实测降雨量介于6h和12h点暴雨量之间，则系统判定为二级，即山洪高危预警；若实测降雨量大于12h点暴雨量，则系统判定为一级，山洪极高危预警；

5）将步骤3和4得到的判定结果作为预警信息，以山洪灾害发生处为中心，分别向周边地区进行推送。

作为本发明的进一步优化方案，步骤3中临界雨量的阈值上下限分别为各个历时降雨量的最小值与平均值。

作为本发明的进一步优化方案，步骤5中以山洪灾害发生处为中心，分别向周边地区进行推送预警信心，具体推送半径为：若判定结果为五级，则推送半径为5公里；若判定结果为四级，则推送半径为10公里；若判定结果为三级，则推送半径为20公里；若判定结果为二级，则推送半径为50公里；若判定结果为一级，则推送半径为100公里。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明一种基于临界雨量和土壤含水量饱和度的山洪预警控制系统将土壤含水量饱和度的概念和理论引入到对山洪灾害的预警系统中来。利用自记雨量计连续不断地测量记录24h内的逐时雨量，测定临界雨量的阈值，建立24h降雨量与临界雨量的关系；利用土壤水分测定仪测定土体的含水量，通过EDI将含水量与含水量饱和度进行转换，建立1h、3h、6h、12h分别与实际降雨量的关系；通过无人机、PIV粒子图像测试仪和高清晰野外照相机等图像采集和传输手段，将山洪灾害发生的实时画面进行外部传输；最后，通过GPS和移动信号基站等通讯手段，将预警信息以山洪灾害发生处为中心，依据灾害发生的严重程度大小，向外界推送。实现了将临界雨量和土壤含水量饱和度进行了耦合，通过对山洪灾害预警监测的双重保障，满足精度高、覆盖广、预警及时的要求。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提出一种耦合临界雨量和土壤含水量饱和度的双模式山洪预警控制系统及方法，提出将临界雨量和土壤含水量饱和度进行耦合，实现在两种预警模式下对山洪的发生进行更为科学、及时、准确、全面的研判与预报。其主要特点在于：第一，该系统布置在山洪易发区域，便于实现对山洪灾害的无人远程自动预警；第二，通过对监测区域临界雨量阈值的测算，建立基于临界雨量的预警体系；第三，将土壤水分测定仪布置在监测土体中，测定出土体的含水量，利用电子数据交换器将土壤含水量和土壤含水量饱和度进行转换。将土壤含水量饱和度引入到对山洪的灾害评判中来，较常规单一的利用临界雨量判定山洪的方法，建立了更为完善和准确的预警标准；最后，通过GPS和移动信号基站，将预警信息以山洪灾害发生处为中心，依据灾害发生的严重程度大小，设定不同大小的信息推送半径，做到灾害发生区域信息全覆盖，灾害发生区域周边信息及时、准确送达的目的。

当前，国土和气象部门主要是通过高分辨率卫星和气象资料对可能发生的山洪灾害进行遥感监测。所述控制系统及方法在可能发生山洪灾害的区域附近建立一个类似于小型气象场的工作站（工作站无山洪滑坡地质灾害危险）。通过数据采集系统中的土壤水分测定仪、自记雨量计和自动气象站分别对监测区域内的土体的含水量、24h降雨量、风速和气温数据进行实时采集；利用数据采集系统中的PIV粒子图像测试仪、无人机、高清晰野外照相机分别对监测区域内的土体的内部颗粒变化和外部动态变化进行实时采集。配合利用数据转换及传输子系统中的电子数据交换器（EDI）将采集到的土壤含水量转换为相应的土壤含水量饱和度；此外，利用数据传输器将土壤含水量饱和度数据、24h降雨量数据、土体内部颗粒变化图像和土体外部表层动态图像传输给灾害判定子系统。为有关部门制定更为准确、及时、合理的防治预案和转移措施提供依据和保障。

当前，判断一个地区可能发生山洪灾害的手段主要是通过分析该地区的气象变化状况，特别是降雨量的变化状况，配合人为多年观测经验来制定初步的灾害评估报告。这种方法面临许多困难和缺陷，如：在有雨量站网或雨量资料的地区，可以配合气象、雨量资料分析该区域的降雨量，从而对山洪发生的概率进行评估；而在资料缺乏或无资料区域，则只能对周边的降雨量资料进行插补分析，这样造成工作量不仅繁琐而且预报精度也不高。所述双模式山洪预警控制系统及方法，利用数据采集系统中的自记雨量计对降雨量进行24小时连续采集，并利用灾害判定系统中的中央处理器对采集到的雨量进行测算，得到临界雨量阈值并建立山洪灾害与临界雨量的关系，提出基于临界雨量的三个不同级别的山洪灾害预警等级。

本发明的控制系统及方法，将土壤含水量饱和度引入到对山洪灾害的预警中来。常规的对于降雨造成山体滑坡产生山洪的机理主要停留在降雨对于土体的冲刷作用。然而，土体自身的含水量饱和度的变化才是影响山洪发生乃至灾害大小的重要因素。当降雨产生的时候，随着雨水的大量下渗，逐渐导致土体的土石层饱和，增加了滑体的重量，降低土石层的抗剪强度。当土体的某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度，将导致滑坡产生，继而引起山洪暴发。所以，对预警区域土体的含水量进行实时动态的监测，对于预防山洪至关重要。所述山洪预警控制系统及方法，设定了可能引起山洪暴发的土壤含水量饱和度阈值。在该阈值区间内，将实际降雨量和区域历时暴雨强度（1h、3h、6h、12h）进行比较，提出基于土壤含水量饱和度的五个不同级别的山洪灾害预警等级。

在发生山洪灾害的丘陵山区，其最基本的地形地貌特征就是山体众多，山势陡峻，土壤结构疏松，易积水，沟谷河流遍布于山体之中。此外，人烟稀少，不便于人员长期驻守或往来。本发明的山洪预警控制系统及方法，利用无人机和高清晰野外照相机对监测区域内的土体的内部颗粒变化和外部动态变化实时监测，可以及时将山洪暴发时灾情的状况和蔓延的趋势实时传回工作站。此外，由于山区缺少必要的生活补给，整套系统的电力支撑来源于系统安装的太阳能光伏电板和小型风能发电设备，配合使用蓄电池。当天气晴朗时，太阳能电板和风能设备分别将太阳能、风能转换为工作所需电能并将部分电能储存在蓄电池中。

具体实施例

将山洪预警系统布置在山洪多发易发地区，建立一个类似于小型气象场的系统工作站。系统工作站利用自记雨量计和土壤水分测定仪连续不断地收集该区域内的24h降雨量、土壤含水量数据。系统工作站利用数据采集系统中的无人机、PIV粒子图像测试仪、高清晰野外照相机分别对监测区域内的土体的内部颗粒流态和外部表层动态变化进行实时图像采集。

利用数据转换及传输系统中的电子数据交换器（EDI）将采集到的土壤含水量转换为相应的土壤含水量饱和度（土壤含水量饱和度=土壤含水量/（张力水容差））。

预警系统中实时采集、转换的数据和监测图像主要通过数据转换及传输系统中的数据传感器与系统工作站连接。

系统工作站中的中央处理器将会根据24h降雨量对临界雨量的阈值（上下限分别为各个历时降雨量的最小值与平均值）进行测算。此外，系统工作站中的中央处理器将会根据采集的1h、3h、6h、12h、24h和过程雨量测定土壤含水量饱和度的阈值。

系统工作站中的中央处理器将依据临界雨量的阈值建立降雨量和临界雨量的关系（判别24h的降雨量与临界雨量的倍比关系），依据2003年全国山洪灾害防治规划领导小组办公室编制的《全国山洪灾害防治规划山洪灾害临界雨量分析计算细则》，提出三种山洪预警等级：若24h降雨量约等于临界雨量，则系统判定为山洪黄色预警（三级）；若24h降雨量介于1倍临界雨量和两倍临界雨量之间，则系统判定为山洪橙色色预警（二级）；若24h降雨量大于2倍临界雨量，则系统判定为山洪红色预警（一级）。

当降雨产生时候，随着雨水的大量下渗，逐渐导致土体的土石层饱和，增加了滑体的重量，降低土石层的抗剪强度。当土体的某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度，将导致滑坡产生，继而引起山洪暴发。因此，土壤含水量饱和度与实际降雨量以及历时暴雨强度有着联系，影响着对山洪发生的判定。

系统工作站中的中央处理器将依据监测区域的历时暴雨强度（1h、3h、6h、12h），将发生山洪灾害的土壤含水量饱和度阈值定为25%-75%，当土壤含水量饱和度小于或大于该阈值时，发生山洪灾害的可能性分别为不发生和一定发生。在此阈值区间，提出五种山洪预警等级：若实测降雨量未超过1h点暴雨量，则系统判定为山洪安全预警（五级）；若实测降雨量介于1h和3h点暴雨量之间，则系统判定为山洪低危预警（四级）；若实测降雨量介于3h和6h点暴雨量之间，则系统判定为山洪中危预警（三级）；若实测降雨量介于6h和12h点暴雨量之间，则系统判定为山洪高危预警（二级）；若实测降雨量大于12h点暴雨量，则系统判定为山洪极高危预警（一级）。

当分别通过判定临界雨量和土壤含水量饱和度得到的山洪预警控制系统存在不同预警等级的时候，取两者判定的更为严重的等级。

系统判定得到的灾害危险程度会通过数据转换及传输子系统中的数据传感器传递给预警系统。

预警系统中的GPS信号基站和移动信号基站将预警信息以山洪灾害发生处为中心，依据灾害发生的严重程度大小，设定不同大小的信息推送半径：当出现五级山洪安全预警时，信号推送半径5公里；当出现四级山洪安全预警时，信号推送半径10公里；当出现三级山洪安全预警时，信号推送半径20公里；当出现二级山洪安全预警时，信号推送半径50公里；当出现一级山洪安全预警时，信号推送半径100公里。做到灾害发生区域信息全覆盖，灾害发生区域周边信息及时、准确送达的目的。

通过上述部分的有机结合，实现该山洪预警控制系统在无人员值守、无能源供应等一些列不利条件下，利用降雨量和临界雨量的关系、土壤含水量和土壤含水量饱和度的关系、无线信号的采集与传输、太阳能光伏电板与小型风能发电设备相结合的形式，实现耦合临界雨量与土壤含水量饱和度，通过双模式的评判体系，实现对山洪预警监测的高精度、广范围、动态监测等一些列目的，满足未来山洪监测发展的多样化需求。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种双模式山洪预警控制系统，其特征在于，包括用于提供能源的能源子系统以及数据采集子系统、数据转换及传输子系统、灾害判定子系统、预警子系统，其中：

数据采集子系统包括：土壤水分测定仪，用于实时采集监测区域内的土壤含水量；自记雨量计，用于实时采集监测区域内的24h降雨量；

数据转换及传输子系统包括：电子数据交换器，用于将土壤水分测定仪采集到的土壤含水量转换为相应的土壤含水量饱和度；EDI数据传输器，用于将土壤含水量饱和度、24h降雨量传输至灾害判定子系统；

灾害判定子系统，用于根据接收到的土壤含水量饱和度、24h降雨量，对山洪灾害的程度进行判定，并将判定结果通过EDI数据传输器传输至预警子系统；

预警子系统，用于根据灾害判定子系统对山洪灾害程度的判定结果，向周边地区推送预警信号。

2.根据权利要求1所述的一种双模式山洪预警控制系统，其特征在于，所述数据采集子系统还包括：自动气象站，用于实时采集监测区域内的风速和气温数据；PIV粒子图像测试仪，用于实时采集监测区域内的土体的内部颗粒变化；无人机、高清晰野外照相机，用于实时采集监测区域内的土体的外部动态变化；自动气象站、PIV粒子图像测试仪、无人机、高清晰野外照相机分别与EDI数据传输器连接。

3.根据权利要求1所述的一种双模式山洪预警控制系统，其特征在于，所述预警子系统包括GPS基站和移动通信基站。

4.根据权利要求1所述的一种双模式山洪预警控制系统，其特征在于，所述能源子系统包括太阳能光伏电板、风能发电设备以及蓄电池。

5.一种双模式山洪预警控制方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

1）利用土壤水分测定仪、自记雨量计分别对监测区域内的土壤含水量、24h降雨量进行实时采集；

2）将采集到的土壤含水量转换为相应的土壤含水量饱和度：土壤含水量饱和度=土壤含水量/张力水容差；

3）根据24h降雨量与临界雨量的倍比关系，将山洪灾害程度划分为三个等级：若24h降雨量约等于临界雨量，则系统判定为三级，即山洪黄色预警；若24h降雨量在1倍临界雨量和两倍临界雨量之间，则系统判定为二级，即山洪橙色色预警；若24h降雨量大于2倍临界雨量，则系统判定为一级，即为山洪红色预警；

4）根据历时暴雨强度以及24h降雨量，确定土壤含水量饱和度的阈值，在此阈值区间内，将山洪灾害程度划分为五个等级：若实测降雨量未超过1h点暴雨量，则系统判定为五级，即山洪安全预警；若实测降雨量介于1h和3h点暴雨量之间，则系统判定为四级，即山洪低危预警；若实测降雨量介于3h和6h点暴雨量之间，则系统判定为三级，山洪中危预警；若实测降雨量介于6h和12h点暴雨量之间，则系统判定为二级，即山洪高危预警；若实测降雨量大于12h点暴雨量，则系统判定为一级，山洪极高危预警；

5）将步骤3和4得到的判定结果作为预警信息，以山洪灾害发生处为中心，分别向周边地区进行推送。

6.根据权利要求1所述的一种双模式山洪预警控制方法，其特征在于，步骤3中临界雨量的阈值上下限分别为各个历时降雨量的最小值与平均值。

7.根据权利要求1所述的一种双模式山洪预警控制方法，其特征在于，步骤5中以山洪灾害发生处为中心，分别向周边地区进行推送预警信心，具体推送半径为：若判定结果为五级，则推送半径为5公里；若判定结果为四级，则推送半径为10公里；若判定结果为三级，则推送半径为20公里；若判定结果为二级，则推送半径为50公里；若判定结果为一级，则推送半径为100公里。