山洪灾害多媒体监测预警系统技术研究报告.docx

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山洪灾害多媒体监测预警系统技术研究报告

山洪灾害多媒体监测预警系统

技术研究报告

1概述1

1.1山洪灾害预警系统研究的重要意义1

1.2山洪灾害预警系统研究方法2

1.3山洪灾害预警系统建设目标5

1.4山洪灾害预警系统设计依据5

1.5山洪灾害监测系统研究综述7

1.5.1山洪灾害监测技术7

1.5.2监测系统组成8

1.6山洪预警系统现状9

1.6.1山洪灾害防治规划9

1.6.2洪水预警信息发布方式10

2山洪灾害监测控制系统11

2.1监测终端可靠性研究11

2.1.1可靠性理论11

2.1.2提高元件可靠性12

2.1.3提高单元可靠性12

2.1.4监测终端可靠性设计14

2.1.5监测终端软件可靠性设计17

2.2信息采集控制17

2.2.1传感器的适应性18

2.2.2传感器的控制19

2.3传输通信控制20

2.3.1通信设备适应性20

2.3.2通信体制兼容性21

2.3.3信道侦听22

2.4终端全兼容策略23

2.4.1监测预警站作为中继站23

2.4.2监测站之间传递信息23

2.4.3远程通信设置24

2.5固态存储技术24

2.6电源管理24

2.6.1终端节能设计24

2.6.2太阳能充电控制25

2.6.3监测预警站电源监测25

2.7控制终端界面设计26

2.8设备防雷保护27

2.8.1限压防雷设计27

2.8.2等电位防雷设计28

2.8.3综合防雷措施28

3监测信息传输30

3.1信息传输途径30

3.1.1超短波传输30

3.1.2GSM短信传输30

3.1.3GPRS实时在线传输32

3.1.4提高无线电路质量33

3.2信息传输协议34

3.2.1WDTP无线通信数据格式35

3.2.2WDTP无线组网协议39

3.3信号碰撞概率分析44

3.3.1信号碰撞概率44

3.3.2降低碰撞概率措施45

3.4山洪灾害多媒体传输网络结构45

3.4.1ADSL宽带网络结构45

3.4.2GPRS传输网络结构46

3.4.3IP地址与动态域名解析48

4实时洪水预报系统50

4.1概念性洪水预报系统50

4.1.1流域洪水预报模型50

4.1.2模型选择51

4.1.3模型参数率定51

4.2河道汇流演算52

4.3系统结构与设计53

4.3.1子系统组成53

4.3.2系统流程54

4.3.3系统设计目标55

4.3.4关键技术研究56

4.4洪水预报软件系统58

4.4.1洪水预报模型结构设计58

4.4.2洪水预报模型参数修正59

4.4.3预报资料检查修正61

4.4.4洪水预报62

4.4.5洪水预报成果查询63

5远程语音预警系统65

5.1灾害预警系统通信方式65

5.2超短波山洪灾害预警系统66

5.2.1设备低温运行环境66

5.2.2设备省电技术研究67

5.2.3监测预警站拓扑结构图68

5.2.4预警系统流程69

5.2.5山洪灾害预警方式70

6系统综合评价73

6.1技术特征73

6.1.1集成化程度高73

6.1.2智能化程度高73

6.1.3预报预警相结合74

6.1.4直观的多媒体监测74

6.1.5多种警报方式74

6.1.6低功耗设计74

6.2总体性能指标75

6.2.1监测系统性能指标75

6.2.2预报系统性能指标76

6.2.3预警系统性能指标76

6.3技术成熟程度76

6.4推广应用的条件和前景77

6.4.1自然灾害频发，需要高科技监测预警系统77

6.4.2政府重视，行政管理部门积极落实77

6.4.3防御山洪灾害的成熟方法78

6.4.4推广应用前景78

6.5存在的问题79

6.5.1降低系统造价79

6.5.2智能化的“傻瓜型”设备研制79

6.5.3培养综合应用型人才79

1概述

1.1山洪灾害预警系统研究的重要意义

众所周知，我国是山洪灾害极其频繁严重的国家，每年汛期由降雨引发的山洪、泥石流、滑坡都造成了大量人员伤亡和财产损失，不仅严重威胁着广大人民群众的生命安全，而且严重制约着广大山丘区经济社会的发展和人民群众的脱贫致富，影响全面建设小康社会目标的实现。

据1950～1990年统计资料，我国洪涝灾害死亡人数共计22.5万人，其中山丘区死亡人数15.2万人，占总死亡人数的67.4%，年均死亡人数3707人。

1992～1998年全国每年因山洪灾害死亡人数约为1900～3700人，约占全国洪涝灾害死亡人数的62%～69%；1999～2002年山洪灾害死亡人数下降为1100～1400人，但占全国洪涝灾害死亡人数的比例提高到65%～75%；2003、2004年山洪灾害分别造成767人和815人死亡，占全国洪涝灾害死亡人数的49%和的76%。

由此可见，山洪灾害造成的死亡人数占全国洪灾死亡人数的比例呈逐年递增趋势，山洪灾害造成的危害愈来愈大，损失愈来愈重，已经成为当前防洪减灾工作中亟待解决的突出问题。

山洪灾害点多面广，具有明显的多发性、无序的突发性和强烈的破坏性，防御难度很大。

而中国的暴雨区、山洪灾害易发区和人口居住区相互重叠，更使山洪造成的损失层层加码。

　　统计表明，中国2100多个县级行政区中，有1500多个分布在山丘区，受到山洪、泥石流、滑坡灾害威胁的人口达7400万人。

　　2004年9月4日，温家宝批示：

“山洪灾害频发，造成损失巨大，已成为防灾减灾工作中的一个突出问题。

必须把防治山洪灾害摆在重要位置，认真总结经验教训，研究山洪发生的特点和规律，采取综合防治对策，最大限度地减少灾害损失。

”

　　2004年，由水利部牵头，会同国土资源部、中国气象局等有关部门，成立了全国山洪灾害防治规划领导小组，开始编制《全国山洪灾害防治规划》。

2006年10月，《全国山洪灾害防治规划报告》通过审查，旨在研究和探讨山洪灾害发生的特点和规律，科学、合理地谋划防治对策和防治方案，逐步建立和完善防灾减灾体系，为中国日趋危殆的山洪灾害现状确定了防治规范。

按照规划目标，到2010年，中国将在山洪灾害重点防治区初步建成“以监测、通信、预报、预警等非工程措施为主，非工程措施与工程措施相结合”的减灾体系。

1.2山洪灾害预警系统研究方法

1.2.1山洪灾害主要特点

1、突发性强

山洪灾害多由暴雨所致，由于暴雨强度大，加上特定的地质、地貌等下垫面条件，导致山洪来势凶猛。

河南省山丘区以变质岩、严重风化的石灰岩和花岗岩等组成的山体居多，易冲蚀，有利于滑坡、崩塌和泥石流的形成；山丘区坡陡谷深、高程起伏大，产汇流快。

由于河南省境内河流众多，比降大，因此，汇流迅速，洪水涨势猛，极易产生山洪灾害。

从降雨到山洪形成一般只几个小时，甚至在一个小时以内，较难进行准确的预报和防治。

2、来势凶猛、破坏性强

由于山区河流底坡陡，流程短，流速快，冲击力强，破坏性大，对工矿、交通及居民生命财产的危害都十分严重。

其破坏性强的突出表现是造成人员伤亡和基础设施损坏严重，恢复难度很大，有的甚至具有毁灭性。

2003年7月上旬淮河南部山区普降暴雨，商城县长竹圆乡北战村，在7月10日突发泥石流，流速12.3m/s，冲毁房屋一间，一家三口全部死亡。

3、季节性强、频率高

降水是诱发山洪、滑坡、泥石流的主要原因，在降雨较多的年份地质灾害发生的频次也明显偏高。

汛期4～9月，特别是主汛期6～8月，是山洪灾害多发期。

在同一流域，甚至同一年内有可能发生多次山洪灾害。

据湖南省统计，湖南全省汛期发生的山洪灾害约占全年山洪灾害的95%，其中6~8月份发生的山洪灾害约占全年山洪灾害的80%以上。

4、区域性明显，易发性强

山洪主要发生于山区、丘陵区及岗地，特别是位于暴雨中心的上述地区，暴雨时极易形成具有冲击力的地表径流，导致山洪暴发，形成山洪灾害。

1.2.2山洪灾害成因

山溪洪水灾害的发生主要与气象、地形地貌和人为因素等有关。

突发性的暴雨洪水是造成山洪灾害的主要因素，暴雨形成原因也就是洪水灾害形成的主要原因，再加之人为因素、地形地貌的影响，更促成了山洪灾害的形成。

1、降水是引发山洪灾害的最直接原因

降雨年内分配不均、年际变化大等特点，由于产生降雨的条件不同，汛期具有强度大、极易造成山洪灾害。

从山洪灾害的分类统计看，长历时高强度降雨及暴雨会使山洪暴涨、山坡土层含水量饱和，土体软化、强度减弱，加之雨水沿断裂或岩石裂隙渗入地下，导致溜塌、蠕动、浅层滑坡及泥石流大量发生，强大的水动力条件和河谷中不良地质发育，成为山洪灾害产生的环境条件。

2、地形是导致山洪灾害的基础因素

陡峭的地形地貌为洪水、泥石流、滑坡提供了强大的势能，使降雨产生的径流顺坡而下，向沟谷汇集，快速形成强大的洪峰流量，进而诱发泥石流和滑坡的发生。

3、人类活动是加剧山洪灾害发生的重要因素

良好的地面植被可以起到固土保水的作用，对于山洪灾害的防治具有重要的意义。

植被能够防止流水对地面的冲蚀、能够减缓地表径流的汇流速度，减少山洪的发生与危害。

人类生产、生活、工程建设等活动对环境的破坏，使自然植被损毁，加剧了水土流失和环境的持续恶化，为降暴雨转换成山洪灾害提供了有利条件，成为山洪灾害形成与发生不可忽视的重要因素

1.2.3山洪灾害的防治对策

对山洪灾害的防治可采用工程措施和非工程措施进行防治。

工程措施包括：

山洪沟、泥石流、滑坡治理；水利工程除险加固，山洪灾害威胁区水土保持治理等。

非工程措施包括：

气象、水文监测系统，预警预报系统和决策支持系统建设等。

本项目主要研究山洪灾害的非工程防治措施。

1、建立气象、水文监测系统

根据山洪突发性、区域性的特点，在小流域上，在泥石流和滑坡重点地区，增加降雨和水文观测站点，重点地区布设雨量自动监测预警站，实时监测降雨过程，分散的居民区则可安装人工观测的简易雨量桶，收集降雨资料，分析降雨强度对山体滑坡、泥石流的影响程度。

2、建立图片、视频多媒体监测系统

因为图片和视频多媒体的直观可视性，给人身临其境的效果，在泥石流和滑坡重点地区，增加图片、视频多媒体监测项目，平时按一定的间隔时间传输静态图片，在发生灾情时启动摄像功能，实时动态传输现场灾情的发生变化过程，为防汛抢险和灾情评估收集第一手资料。

3、建立预警预报系统

建立准确的采集、传输系统和预警预报系统，实时收集流域内的降水、水位和流量等信息，建立多模型的水文、地质预报系统。

其主要构成包括：

数据分析、处理系统；水雨情查询、监控系统；山洪灾害强降雨预警系统；洪水预报及泥石流、滑坡灾害预警预报系统等。

4、建立山洪灾害决策支持系统

建立山洪及地质灾害数据库，编制山洪灾害的预防预案，组建山洪灾害的通讯系统，山洪灾害的防治指挥系统以及灾害评估系统等。

5、建立山洪灾害防治的法规政策体系

通过法律和政策的手段强制性进行山洪灾害风险区控制和管理，规范、约束人类各种无序活动造成灾害加剧的行为，从根本上防止已遭破坏的生态环境继续恶化。

健全和完善有关法律法规，特别要使山洪灾害重点防治区内退耕还林和移民搬迁、生态环境保护等方面的政策、法律、法规得到严格执行。

6、提高公众的防御山洪灾害意识

在山洪易发区活动，人们思想上时刻绷紧防御山洪这根弦。

在平时应做好宣传训练，使群众了解熟悉报警信号和转移路线；一旦险情来临或山洪初发，监测责任人或第一个发现的村民，就要采取急骤鸣锣、放铳