山洪灾害监测预警系统建设探讨.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（下）-111-生 态 与 环 境 工 程监测预警精度不高，是当前山洪灾害防御面临的主要瓶颈问题的情况，亟需深入研究山洪灾害成灾机理，开发准确率高的预警模型。在地质灾害点面双控试点进行大面积活动中，越来越多的地区参与到地质灾害由点及面的防控研究中，新的点面双控思路不断涌现。但是，我国地域广袤，山区地形各异，山洪灾害发生特点多样，山洪灾害监测预警指标设置难度较大，原有山洪灾害监测存在覆盖范围狭窄、预警不准确等问题。因此，从扩展山洪灾害监测范围、提高预警精准度着手，探究山洪灾害监测预警系统建设具有非常重要的意义。1 山洪灾害监测预警系统建设背景研究地区位于盆地西南边缘，属于盆地到山原过渡地点。区域地势西南部高、北东部低，最高点海拔为 3098.3m，最低位置海拔为 420m，相对高差为 2679m。按照地貌形态，可将区域地貌分为平原、丘陵、山区 3 种类型，不同类型地貌特点见表 1。表 1 区域地貌特点地貌海拔/m面积/k形态平原400500200椭圆形，中部为带低丘横亘，呈陇岗状排列丘陵407036多为圆形丘包，呈北东向延伸山区3098.84200地面切割破碎，山势陡峻该区域降雨充沛，山顶多年平均降雨量为 1922.8mm，近40 年最大年降雨量为 2415.2mm。区域降雨量在地区分布不均，由北西山区向周边延伸逐渐减少。同时区域降雨量时空分布不均，49 月降雨量超过其他月份（见表 2）。该区域频繁出现暴雨天气，受降雨影响，新增山洪灾害点 14 处。表 2 区域多年各月平均降雨量统计表（单位：mm）月份降雨量115.7222.0337.54128.65128.36185.57333.98381.49146.91078.41142.81215.62 山洪灾害监测预警系统功能2.1 山洪监测信息查询2.1.1 整合储存平台与智防 App 二维码在山洪灾害监测预警系统中，山洪监测信息查询子系统主要以生成链接的方式，将储存平台与智防 App 的二维码功能进行结合，满足山洪防控“一点一区一码”要求。技术实现涉及信息获取、表现形式确定、发布几个模块1。用数据源接口获取信息，采用数据库系统+XML 文件双通道连接储存平台与智防 App，自动更新智防 App 内山洪灾害信息，并与山洪灾害存储平台信息同步发送，包括预警类别、预警设计、开始结束时间、防御指南等。表现形式根据智防 App终端、客户端要求差异，显示内容也有所差异。在智防 App终端，显示内容为气象灾害预警信息，并自动匹配预警解释说明、防御情况。在智防 App 客户端，以预警信号图片+文字的形式（如图 1 所示），表现多种预警信息，满足不同用户的个性化阅读需求。图 1 山洪灾害监测预警系统 App 端信息查询界面隐患点详情公一键报灾电话上报现在0mm0mm0mm0mm1点2点3点撤离路线查看模型发布模块主要是利用信息 PUSH 自动推送与存储平台手动登录查询相结合的方式，收集移动用户二维码扫描信息，在智防 App 软件、存储平台建立连接，推送用户关注信息到发布端，并记录用户浏览时长，将信息反馈到推送端，为推送界面的持续优化提供依据。2.1.2 添加三维模型接口在智防 App 的地质灾害点、风险区二维码内，添加三维山洪灾害监测预警系统建设探讨徐鑫李洪（四川省第七地质大队，四川 眉山 614200）摘 要：为了更好地防御山洪灾害，利用文献资料法、案例分析法，以某地区山洪灾害监测预警为分析案例，简单介绍了山洪灾害监测预警系统建设需求，结合山洪灾害监测预警系统建设技术细节，探究了山洪灾害监测预警系统功能。研究发现，山洪灾害监测预警系统可以实时监测山洪灾害，提高山洪灾害预防控制效率，具有一定应用价值和推广意义。关键词：山洪；灾害监测预警系统；激光雷达中图分类号：TV87文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.4（下）-112-生 态 与 环 境 工 程模型接口2。三维模型接口设计主要使用PDMS（Plant Design Management System）软件，以单个模型元素调整为重点，根据 PDMS 特有数据格式，建立三维模型接口。接口导出端构建 CAD 坐标系、PDMS 坐标系对应关系，使 CAD 内同一平面的一个点组在 PDMS 内对应一个 EXTRL SLON，且第一个点组为 EXTRL SLON 的原点。2.1.3 获得三维模型在三维模型接口支持下，可上传区域部分灾害点的三维模型数据（包括断面信息、流域信息）3。此时，用户可采用扫描灾害点的二维码的方式，直接获得灾害点的三维模型。三维模型是根据已知场地竖向数据对每3个临近点联结为三角形，区域任意灾害点均落到三角面顶点、线或三角形内，根据落到三角形 3 个顶点、线与内部的灾害点差值，可以输出灾害点高程，并显示地形三角网，准确反映灾害点地势地形4。在地形三角网内，点击模型局部，了解流域设计暴雨、断面避灾转移路线、淹没范围等信息，并根据需要查询灾害点的形态和范围。2.2 山洪信息实时预报2.2.1 野外调查山洪灾害监测预警系统拟选择基于临界雨量预报模式，临界雨量是根据实际降雨量、临界雨量对比，预测区域山洪灾害是否发生及其紧急程度、危害程度。在运行山洪实时预报功能前，应提取山洪灾害监测预警系统内存储的野外调查数据。利用大疆精灵 4RTK 无人机进行野外调查，规划航线（包括飞正射影像、飞倾斜影像），面对山洪灾害高风险区的斜坡拍摄无人机 1 10000 比例尺正射影像图、倾斜摄影图或贴近（仿地）摄影图。同时利用大疆智图软件解析空中三角测量，自动匹配、正射纠正制作正射影像图5。2.2.2 重建三维格网在获得正射影像图后，利用系统端三维格网重建功能，自动纹理映射制作获取三维模型。第一步，根据无人机拍摄某物体的序列图像，采用三维重建算法（PMVS 运动信息结构化算法），重建三维模型（3行 4 列的矩阵）和相机参数（与序列图像中成像一一对应）。第二步，基于遮挡原理，检测快速片元可见性，确定片元的法向量、顶点法向量。即设定片元数为 N，一个网格内块数为 M，一个块内线程数为 T，利用一个块测试一个片元是否被其他片元遮挡。在相机矩阵内，三维模型上的点和投影到图像上的点间关系如公式（1）所示。Vij=PiVj （1）式中：Vij为投影到图像上的点；Pi为相机矩阵；Vj为三维模型上的点。确定三维模型上的点和投影到图像上的点间关系后，利用块内线程，将片元数扩大至网格块数的整数倍，计算 2 个三角形是否重叠（公共部分面积是否为 0）。第三步，根据顶点法向量与顶点到相机中心的向量的夹角，推测无人机摄像中对应像素颜色相对顶点颜色的权值（顶点法向量与顶点到相机中心向量的夹角的余弦），完成自动纹理映射。2.2.3 校对流域信息以三维模型为底图，同时提取系统端数据库内历史山洪灾害数据、涉水工程补充调查数据、沿河村落详细勘察数据，现场校对小流域基础信息。小流域基础信息校对可以利用形状约束条件下的流域分散入流非线性回流模型，利用基于压力传感器的河流高度测量估计流量，辅以周期性流量测量，关联河流高度与流量，如公式（2）所示。Q=K（H-H0）z （2）式中：Q 表示稳态排放；K 表示评级曲线常数；H 表示流高，m；H0表示零排放；z 表示评级曲线常数。在壤中流、地下径流对洪水过程贡献相对较小情况下，借助全流域整体模拟，完成小流域基础信息校对。2.2.4 输出多元数据根据校对结果，依托主流 GIS 服务软件（GeoServer 或ArcGIS）的 REST 服务能力，系统端集成地图切片、DOM 数据、DEM 高程数据、空间矢量数据，输出遥测数据、前期土壤含水量数据以及本次降水形成洪峰洪量数据，为山洪预警响应奠定基础。以 ArcGIS Server 10 java 版本的 REST 服务部署为例，利用 ArcGIS Manager 创建服务，开启 ArcGIS Services Directory，从 Mangaer 中导出 est 服务对应.war 包，将.war 包放入 Tomcat 虚拟目录，重启 ArcGIS Server 服务，确定 REST 服务接口发布成功。2.3 山洪监测信息更新2.3.1 搭建三维实景模型山洪灾害监测预警系统内储存海量数据信息，数据维护是系统正常运行的前提。系统储存数据格式、数据类型具有一定差异，因此可以三维实景模型为载体，对流域信息、雨图 2 某地区山洪灾害崩塌体三维监测模型中国新技术新产品2024 NO.4（下）-113-生 态 与 环 境 工 程量信息以及断面信息进行维护更新。以区域在册的山洪灾害点和选定的 1 处极高风险区建立三维实景模型，如图 2 所示。根据图 2，以三维实景系统为载体，对山洪监测预警系统内存储时段雨量、日雨量、暴雨时程分配、小流域属性、断面设计洪水等信息进行更新维护。2.3.2 复杂流域虚拟化针对部分下垫面条件复杂、土壤含水量分布不均的流域，单一三维实景系统无法获取足够的净雨量信息以及临时预警信息，埋下预警不准隐患6。此时，可立足不同土壤含水量情形，将小流域虚拟为一个水库模型，将流域降雨产流过程模拟为水库蓄水、放水过程。系统端输入山洪灾害前调查房屋高程、流域产汇流量，以此为水库基底高程、虚拟水库来水量，利用系统端霍顿下渗表达式（公式 3）计算混合蓄满超渗净雨，获得精准的洪水数据（含虚拟水库洪水淹没范围）。f=fc+（f0-fc）e-kt （3）式中：f 为流域平均下渗能力，mm/h；fc为稳定下渗率，mm/h；f0为初始下渗能力，mm/h；k 为土壤透水系数；t 为渗水时刻。获取洪水数据后，应将其及时添加到后台数据库，为安全预警奠定基础。以添加 MySQL 数据库为例，可以从普通 insert查询着手，使用 select 执行另外的 insert，对已有记录再次执行相同查询，重复 8 次/16 次/32 次，运行 1 次复制查询，完成虚拟洪水数据向现有数据库的填充，局部代码如下。Insert into table t1 values（value1，value2.）；Insert into table t1 select*from t1；.2.4 山洪灾害分级响应2.4.1 确定小流域坡面糙率值在将正射遥感影像成果上传到山洪监测预警系统数据层后，提取系统端第三次国土调查成果矢量数据库、湖划界相关成果图（包括河道 1 2000 地形图以及河道断面图）、植被类型图、土地利用图、土壤类型图等，分析土地利用类型与小流域坡面糙率的对应关系，初步确定小流域坡面糙率值7。当估算坡面糙率值时，首先，以现有 green-ampt 模型为支撑，联系土壤入渗率、降雨强度、土壤初始含水量、入渗时间、降雨开始到开始产流经历时间等参数。green-ampt模型局部实现代码如下。N_tries=0；CONVERGED=（Ip！=0.0）；While（n_tries =N_MAX）&（!CONVERGED）Infil=-KO*fs*（C+Ip）/（1.0-exp（fs*Ip）；其次，根据降雨条件下的小流域坡面水流流动过程，构建运动波方程，近似解析运动波。局部解析过程实现代码为：Ip_hi=IP；Ip=（Ip+Ip_lo）/2.0；最后，根据水量平衡关系，获得坡面糙率动态变化过程。2.4.2 确定小流域下渗特性参数根据土壤质地数据，明确土壤质地类型与小流域坡面下渗特性关系，初步确定小流域下渗特性参数。即在已知坡面糙率动态变化规律的情况下，在 philip 入渗模型内集成土壤入渗率、累积入渗率，根据水量平衡关系获得坡面水深与坡面糙率的关系。进而以坡面泥沙运输为重点，结合实测数据、坡面水深，输出泥沙侵蚀率。根据降雨实测数据与泥沙侵蚀率，可以获得小流域下渗特性。在 MATLAB内，philip 入渗模型可以借助蒙特卡罗方法仿真模拟并输出可视化物理渗透结果。蒙特卡罗方法须重复操作，操作过程如图 3 所示。动态连通成功后，调用 MATLAB 内基于路径压缩的加权 Union-Path 算法，以新站点开启为依据，对上、下、左、右进行开站点 union 操作。增加 top 虚拟站点，询问是否渗透，若是，则记录连通瞬间空缺率，并输出关于空缺率的渗透频数图像，归一化空缺率对频数，由频数分布平均值获得渗透性参数。2.4.3 设计山洪监测预警阈值收集雨量站、流量站、智能雷达在线测流系统、雨量墒情站、视频水位流量站等监测数据，判定雨量与山洪流量关系，为山洪监测预警阈值设计提供依据。初步设计山洪监测预警阈值后，根据降雨历时过程、入渗量、蒸发蒸腾量、地形、地表径流量、地貌、坡体、河道结构等干扰因素，进一步细化调整阈值。在特定阈值内，一键展示系统端计算的单体山洪灾害危险源与承灾体的边界、范围信息（如图 4 所示），并输出安全岛和避险路线，同时在后台自动预报危险源、承载体、安全岛和避险路线等信息，为山洪灾害转移、防御决策提供支持。2.4.4 灾害分级响应预警根据分等级山洪灾害响应要求，采用降雨强度 90%作为山洪红色预警（警报级）阈值，降雨强度 65%作为橙色预警（警戒级）阈值，降雨强度 20%作为黄色预警（提醒级）阈值（见表 3）。一个降雨事件在某降雨历时条件下可能引发灾害的平均降雨强度计算过程如公式（4）所示。IDIDID9033 95266527 53722012 85760 45340 45340%.%.%.?.4534?（4）式中：I 为平均降雨强度，mm/h；D 是降雨历时，h。图 3 蒙特卡罗方法初始化判断顶层与底层是否连通连通，记录站点空缺率随机增加开站点中国新技术新产品2024 NO.4（下）-114-生 态 与 环 境 工 程3 结语综上所述，新建山洪灾害监测预警系统是高风险区三维实景系统，主要以一个高风险区的三维实景地图为底图，勾划山洪危险源危险范围、影响范围，同时以精确到户的标准，对影响范围内受威胁对象信息、避险路线信息、安全岛信息进行标注。系统以区域智慧防灾 App 为载体，经过添加高风险区三维实景系统的链接操作，生成风险区二维码。相关用户可通过扫描二维码直接获知山洪风险区的各项信息，并在短时间内找到避险路线及安全岛，精准高效地预防山洪灾害。参考文献1 唐文坚，范仲杰，董林垚，等.暴雨型山洪灾害链监测预警研究与展望 J.长江科学院院报，2023，40（7）：73-79.2 陈沫宇，张占贵，张良，等.面向山洪预警的干旱半干旱区雨量站网优化方法以河北省张家口市为例 J.地理与地理信息科学，2021，37（3）：16-20.3 马细霞，王慧丽，程旭，等.基于降雨时空不确定性的山洪灾害三级预警模式 J.南水北调与水利科技（中英文），2022，20（2）：297-307.4 张珂健，黄诚，张晓祥，等.利用改进的 SCS 水文预警模型提升山洪灾害风险应急制图的时效性以长江经济带为例J.地球信息科学学报，2023，25（3）：546-559.5 雷声，王小笑.山洪灾害风险防控研究与实践 J.水电能源科学，2021，39（3）：32-35.6 王政荣，韩俊太，杨雨亭.耦合不确定性的山洪灾害风险预警方法及应用 J.水力发电学报，2023，42（6）：30-39.7 王协康，杨坡，孙桐，等.山区小流域暴雨山洪灾害分区预警研究 J.工程科学与技术，2021，53（1）：29-38.通信作者：李洪（1982-），男，汉族，大学本科，就职于四川省第七地质大队勘察院，水工环地质、岩土工程勘察与治理高级工程师，主要从事地质灾害防治技术工作。电子邮箱：。图 4 山洪灾害点监测示意图垃圾处理已成为全球水生环境中的一个严重问题。微垃圾，尤其是其子类型-微塑料，受到了很大关注1。垃圾包括初级颗粒和次级颗粒。初级颗粒是有意制造的微观颗粒，例如去角质乳液和纺织纤维中的微珠，而次级颗粒是由较大颗粒破碎而成的2-3。海洋环境中的垃圾有水生来源和和陆基来源。陆地污染源包括公众乱扔垃圾、管理不善的垃圾填埋场、河流运输、雨水和未经处理的城市污水等4。由于全球范围内不断有大量废水排放到水生环境中，因此污水处理厂作为微垃圾进入水生环境的途径，有重要作用。污水处理厂可以提供微垃圾输入环境的解决方案，但废水处理过程中，很少有人关注微垃圾的实际去除情况。本文通过调查一个大型高级污水处理厂在不同处理步骤中去除微垃圾的详细数据，评价处理过程中微垃圾的去除和分布情况，研究了不同处理步骤中微垃圾粒径和形状对其去除率的影响。提出易于使用的污水处理厂监测方案。1 材料与方法1.1 所选污水处理厂概述某污水处理厂，处理规模为 55 万 m/d，总用地面积为38.92hm2，总服务面积为 273km2，服务人口 300 万人。污水处理厂的处理过程以活性污泥法为基础，包括预处理、化学处理和生物处理等多个处理步骤。该污水处理厂在处理过程中有机物（BOD7）去除率为 95%，悬浮物（SS）去除率为 98%，总磷的去除率为 95%，总氮的去除率为 90%。预处理包括粗筛（10mm）、除砂、化学处理和初级沉淀。为了去除磷，在除砂过程中添加硫酸亚铁。在生物处理中，利用活性污泥法去除废水中的可生物降解物质和氮。活性污三级污水处理厂逐步去除微垃圾的研究王凯迪（东北农业大学，黑龙江 哈尔滨 150006）摘 要：污水处理厂可以减少环境中的微垃圾和微塑料的点源输入。为了评价污水处理厂的微垃圾去除情况，本文对机械处理、化学处理、生物处理和生物活性过滤器处理技术的垃圾去除情况进行分析。结果表明：大部分微垃圾在预处理过程中已被去除，活性污泥处理进一步降低了微垃圾浓度。污水经二次处理后，总截留率达到99%以上。关键词：污水处理厂；微垃圾；微塑料；废水；污泥中图分类号：X52文献标志码：A表 3 区域山洪灾害监测预警等级设计 易发分区1h降雨量（mm）3h降雨量（mm）6h降雨量（mm）24h降雨量（mm）黄色 橙色 红色 黄色 橙色 红色 黄色 橙色 红色 黄色 橙色 红色低易发区163441286074418810888187232中易发区13283423506234739073156193高易发区12253121455631668166140174