水文应急监测系统设计与应用分析

水文应急监测系统设计与应用分析

李根峰 张明哲

黄河水利委员会水文局  河南 郑州 450004

摘要：近年来，与水有关的自然灾害和突发事件成倍增加，给国家、社会和人民的生命和财产安全造成巨大后果和损失。在这些灾害不可预测预报、随时可能发生的情况下，必须发挥应急水文监测的作用，对应急水文监测提出了新的要求。为了成功地解决水文应急监测情况，必须加强监测水文应急情况的能力。在水文应急监测中，应特别注意工作安全要求和结果质量控制，以持续满足国家救援和救援行动的需要。本文分析了水文应急监测系统设计与应用。希望对今后的水文监测事业提供理论和依据。

关键词：水文；应急预案；监测系统；设计与应用

1应急监测的特点
        水文应急监测是水文试验的重要组成部分，但与常规水文试验有很大不同。认识和理解这些差异不仅有助于监测水文应急情况，而且有助于各国政府和领导人作出更科学和理性的决定。水文应急情况监测通常是在水紧急情况下进行的，包括对水体进行临时和紧急监测等，以便及时获得基本信息。与日常水文监测工作相比，水文应急监测具有以下特点：
        1.工作条件不好。常规水文测验一般采用完整可靠的基础设施，如水文电缆、水尺、断面桩、断面标点、水文船等，采用常规、简单、可靠的平面高程系统；另一方面，水文应急监测工作条件不具备上述设施，由于没有基础设施，需要对平面高程系统进行建设确定。
        2.试验的控制条件不是很好。日常水文测验水文站基本齐全条件控制站和河段，很容易收集到水文要素之间的关系，而水位和流量的关系通常是最稳定、稳定的试验或试验断面的变化。由于著名的空间站，测量站和河段的监测条件很差。试验剖面的变化是未知的，即使在某些困难的条件下使用水文仪器也很难收集到必要的信息。
        3.测验的时间很难把握。常规水文测验的发展受外界因素影响较小可在白天或夜间的任何时间进行；虽然水上紧急情况的监测只能在白天进行，而且水上紧急情况的监测可能会受到交通状况的影响，但测试的及时性有许多不同的因素。
        4.工作条件很差。监测常规水文研究的安全性。在常规水文试验中，只要作业人员严格遵守作业规则，就能保证作业安全。然而，由于恶劣的工作条件，操作人员的安全将受到严重威胁。
        5.没有技术标准和规范。一般来说，每天进行水文调查都要严格执行有关的国家和工业技术标准和标准，但是没有统一的标准和技术规范来监测水文紧急情况。约束条件和工作环境或工作环境水文应急监测工作，同时考虑到风险和国家安全相关技术规范和标准的参考，有时该部门对于一些水文应急监测、水文要素我们必须用经验公式或简化估测、估算，。
        6.测试的准确性应该放宽。水文应急监测是在特殊环境、特殊条件、特殊时间进行的水文计量报告工作。由于时效性和场地要求，缺乏水文应急监测所需的一些基础水文设施，导致水文要素的测量精度低于日常水文测量精度。但水文监测要素的大小和变化对水文工作仍有重要影响，也能满足应急处置施工单位对水文信息精度的要求。

2无人机水文应急监测系统设计与应用分析

2.1三维建模及分析决策

数字三维模型应用，要依照报汛规范的要求，在无人机监测范围内通过对采集的平面坐标及其高程等的空间数据、数据内插而形成的实时立体模型，反映监测区域包括如坡度、坡向、水面等地貌因子的空间分布形态，为水文数据如降水量、水位、流量、蓄洪量计算、淹没分析等提供动态汛情信息，以提高量化分析、洪水预报、科学决策能力。1)静态三维模型的建立汛前利用卫星遥感数据、驻站水文资料，搭建江河湖库区及流域、易发灾害的山丘地带山谷三维模型，为汛期监测提供可对比基础底图模型。2)动态三维模型的建立在突发汛情时，利用无人机勘测的地形、地表信息，水面、高程变化数据，利用三维模型软件按时段或每一个航次快速生成一组模型，进而形成变化的动态模型的演变图表。3)数值分析与计算，利用三维模型的变化和处理软件可动态观察水情演变，并提供分时段连续的降雨量、水量、流量、水情范围、水情路径等数值计算，快速、较为准确的预测汛情级别、毁伤范围和对下游的影响。

2.2洪水灾害应急监测

以往在灾害发生后，因技术条件限制只能人工查勘受灾区域情况，收集信息的局限性大、信息面小，很难满足决策需求。即便在紧急情况下，一般也只用人工乘车、船到现场或者使用大型直升机悬空方式监控洪涝区域，但这些方式相对成本高、人员危险系数大、应急响应不及时。但如果采用固定翼和多旋翼无人机相互结合使用，便能够解决此类问题，无人机可多角度的从空中拍摄洪涝区域情况，实时把受灾情况和水文信息传输到现场，地面工作人员可通过计算机对大量的实时遥感信息进行快速分析，并计算水文信息变化情况，为应急救灾等工作提供及时、准确的信息支持。

2.3断面地形测量

对于在既有断面的水文应急监测，采用借用断面数据；对于无断面数据的水文应急监测，采用探地雷达和激光三维扫描仪对测验断面地形进行非接触测量。水上断面地形数据测量采用激光三维扫描系统，通过机载三维激光扫描水面以上空间坐标及区域颜色进行扫描测量，三维激光扫描技术可以快速、准确获取被测表面三维坐标信息的点云数据，生成精确的断面高程模型。三维激光扫描测量技术的运用，克服了传统测量的局限性，它不再是利用测距仪、全站仪等工具进行地表特征信息和坐标的获取，而是能对复杂的环境进行无接触全方位的测量。传统的水下地形测量（水深测量）方式主要有测深杆法、回声测深仪法、测量锤法等方法，在应急环境下，由于受水流、天气、测量船体等因素的影响，水深测量往往不能正常开展。因此,传统的断面外业测量、记录、内业计算和绘图方法已经远远满足不了水文应急监测需要。通过无人机挂载探地雷达（GPR）记录反射的电磁波传播时间来确定反射界面深度，可以快速，有效测量断面水深，进而得到水下断面地形数据，绘制出河床的断面形状。

2.4三维建模和分析决策

将无人机自动控制技术应用于长江水文应急监测时，可有效完成数字三维模型构建。根据报讯规范中的相关标准，能够在无人机监测范围之内采集相关空间数据信息，生成实时立体模型，反映监测区域地貌因素的空间分布形态。水位、降水量、淹没情况、流量计算等数据信息分析会得到准确的数据支撑，洪水预报、量化分析以及决策水平都会有较大幅度的提升。具体而言，主要包含静态三维模型、动态三维模型以及数值分析计算。其中静态三维模型主要是在长江流域发生汛情之前，根据驻站水文资料以及卫星遥感数据构，建流域自身、山丘山谷地带的三维模型，为长江流域汛期监测提供可对比分析的基础底图模型。动态三维模型主要在汛情突发之后，通过无人机来对地表、地形信息，高程、水面变化数据进行勘测，并在此基础上分航次与时段生成相应的三维模型，最终再将所有模型组合起来形成动态模型。数值分析计算主要通过相关软件来对长江流域实际水情变化情况进行动态观察，计算出不同时段的水量、降雨量、水情路径、流量、水情范围，最大化地降低突发汛情所带来的不利影响。

结语：基于提升河流水文应急监测的效率与方法，我们对水文监测系统的应用和无人机应急测流方案的设计进行了分析，并详细探讨了无人机监测系统应用于河流水文监测的具体作业流程。在进一步完善水文站网功能的基础上，切实加强水文应急监测能力建设，不断提高水文应急技术水平，加快实现“行业水文”向“社会水文”的转变，最大限度的减少灾害损失、保障经济社会发展和人民群众的生命财产安全，维护水生态建康有序发展。

参考文献：

[1]陈娜日苏.基于水下地形的突发性地下水污染事件应急监测方法研究[J].环境科学与管理.2021,(05):93-98.

[2]宋小刚.浅析如何加强水文应急监测体系建设[J].科教导刊.2019,(07):294.