技术摘要：
本发明公开了一种小流域预测预报系统，包括感知探测层、信息传输层、防汛责任层、应用对象层和系统平台层；所述感知探测层用于实时采集现场监测数据；所述应用对象层包括入户报警器，用于接收预警信息，确保居民能够实时接收到报警信息，及时作出决策，避免人员财产损  全部
背景技术：
近几年，国内部分地区受山洪影响损失较大，难以形成有效的防汛抗洪，主要原因 是由于地区尚未建设区级山洪预警平台，无法及时掌握雨量监测预警情况，已有的监测预 警系统和群测群防体系平行运作，独立发挥作用，不利于防汛指挥，且数据单向流动，过程 中任一环节出现问题，易致预警信息最终不能及时传递到受威胁群众。 多年来，国家对生态环境监测网络的建设和发展缺乏统筹的布局和规划，并未要 求地方政府对生态环境监测工作进行规划，生态环境监测站点重复建设，自动环境监测仪 器数据质量不稳定，监测数据质量缺乏有效保障，监测质量控制管理体系不健全，不能有效 满足环境管理工作需求。 本发明按照“全面覆盖、突出重点、合理配置”的原则，在成都高新区实施山洪灾害 防汛预报预警体系建设，完善符合基层实际的雨水情监测系统、预报预警系统，建立群测群 防体系，使成都高新区东区防汛预报预警体系基本覆盖。建立群测群防体系(包括责任制体 系完善，县、乡镇、村各级洪涝灾害防御预案，基层防汛责任人业务培训、宣传和演练)，结合 本地实际，配置县乡应急救援工具和设备，提升防汛应对能力。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种小流域预测预报系统，旨在完善符合基层实际的雨水 情监测系统、预报预警系统，建立群测群防体系。 本发明对沿河重点城镇进行洪水动态预警分析，实时监测汛情，动态判别沿河村 落、流域出口是否达到预警指标，面向各部门及公众及时提供洪水预报预警预报。 本发明主要通过以下技术方案实现：一种小流域预测预报系统，包括感知探测层、 信息传输层、防汛责任层、应用对象层和系统平台层；所述感知探测层用于实时采集现场监 测数据并通过信息传输层发送到系统平台层、应用对象层；所述应用对象层包括用户安装 的入户报警器，用于接收预警信息，提升监测预警联动机制，确保当地居民能够实时接收到 报警信息，及时作出决策，避免人员财产损失；所述防汛责任层用于接收监测站点预警信 息、系统平台预警信息、各类终端用户报警信息，并将诸多预警信息传达至预警广播站、入 户报警器，及时将监测预警信息传达至户、人，保证预警信息的有效流通。 为了更好地实现本发明，进一步的，所述感知探测层通过在前端现地部署的雨量 监测站、水位监测站的自动化监测站点，实时采集现场监测数据，为整个系统提供第一手资 料，也为系统分析决策提供基础监测信息。 为了更好地实现本发明，进一步的，针对降雨频发、人口密度较大洪涝灾害易发 区，在人口密集的居民点、小流域上游、暴雨中心的重点防治区且自动监测站网稀疏的地 区，补充新建自动雨量监测站；针对洪涝易发区，在溪沟出口、水库、山塘坝前、人口居住区、 4 CN 111583587 A 说　明　书 2/12 页 工矿企业、学校的防护目标上游控制段补充新建自动水位站。 为了更好地实现本发明，进一步的，所述信息传输层通过公共网络运营商提供的 公网网络将监测传感器采集到实时监测数据传输回监测系统运行中心以保障系统基础数 据的稳定传输，通过无线中继信号放大器直接将监测传感器获取到的预警信息传达至用户 的入户报警器，或者通过报警终端传达至用户，两套报警传输路线，提供可靠的保障。 为了更好地实现本发明，进一步的，所述平台系统层是整个山洪监测预警系统的 控制大脑中枢，是整个系统运行的指挥决策终端；所述平台系统层通过接受现地监测传感 器信息、气象信息的资料，通过山洪模型对山洪灾害发生时提前预警，通过模型演算出本次 山洪暴发的降雨量对山区小流域范围内河流涨水情况，并采用现地实际观测的方式进行校 核，对模型演算的准确性进行不断验证，最终形成决策指挥信息，传达预警终端、用户、APP、 微博用户手中，实现整个山洪预警监测的联动运行，全面提升当地政府、居民共同应对山洪 灾害的能力。 山洪模型理论基础： 山洪数学模型是建立城市、山区防汛信息系统、模拟出预报和监测的暴雨洪水过 程的重要手段。该模型涉及气象学、水文学、水力学、河流动力学以及给排水工程等多学科 的知识，是一套具有系统工程特征的数学模型。模型反映降雨量分布、产汇流原理、地面流、 河道明渠流、跌水等过程，以及地面向河流内输汇水过程，是一个复杂的宏观流域模型。模 型采用不规则网格离散方法，考虑山区地形条件、汇流情况等多种因素，提供了多种工程情 况的模化处理方法。模型参数的调试采用了实际测验和历史数据相结合验证的动态校正技 术，可应用于验证和预报计算。 山洪模型架构： 山洪模型以山区降雨量加密监测网络为基础，以GPRS通信技术为保障，充分利用 GIS地理信息系统、山区基础地理信息、水文信息、植被覆盖情况、山区土壤类型等多种要 素，综合自动雨量监测数据、数值天气预报、雷达气象信息，对山区洪水的积雨面积、汇水面 积、洪水威胁范围、分布情况作出仿真模拟，全面动态监测山区洪水发展情况，实现对山区 洪水的综合预警预报。 山洪模型求解的基本思路是以实测暴雨推求洪水，以暴雨形成洪水的过程为理论 基础，按照暴雨-净雨-洪水过程进行计算，由暴雨推求洪水过程分为暴雨计算、产流计算和 汇流计算三个部分。 地理信息处理： 山洪模型是集暴雨监测、预报及灾害损失评估为一体的中和信息系统，所需基础 空间信息包括山区地形、河道地形、工程设计、气象监测、防汛调度等。 山洪模型需要的地理信息数据包括：山区地形高程、下垫面属性(山地、湖泊坑塘、 河流、乡镇村等)，行政区、地名等，比例尺1:5000； 山区河流河道地形信息：河道宽度、河底高程等； 工程设施信息：公路、建筑物、大坝、水库、桥梁、居民楼等； 乡村镇信息：居民聚集区、交通网络、企事业单位、学校、医院以及固定资产信息 等； 气象信息：降水监测信息、雨量估算信息、降水预报信息等； 5 CN 111583587 A 说　明　书 3/12 页 防汛调度信息：调度预案、运行规则等。 山区地形复杂，河流、湖泊、水库、乡镇村等下面的类型和面积不同，暴雨产生的径 流受地形影响较大。根据山区地形地貌特点，采用有限元体积法的思想，结合不规则网格作 为模型计算单元。 网格设计为三边形、四边形、五边形等，每一个网格都是一个计算单元，每个节点 都有经纬度坐标，通过节点可以得知网格所在位置，网格、节点构成模型的基本属性数据 库。网格设计充分考虑地形地貌特征，并按积水区的大小和形状建立网格。 自然降水是山区洪水产生的根本原因，没有暴雨就不会形成山洪灾害。降雨信息 的获取主要来源于分布山区的自动雨量监测站的实况降雨资料和气象局的气象预报降雨 量。 模型暴雨计算： 根据水科院水文研究所观测分析实测暴雨资料，总结出暴雨计算公式 H ＝St(1-n)t 式中：Ht为历时t的最大降雨量，S为最大时雨量；n为暴雨递减指数。模型暴雨计算 将参照上述公式，并结合现场实际情况进行优化计算处理，得到比较符合现场情况的暴雨 计算方法。 山区暴雨发生后，需要满足降雨强度超过地面平均入渗能力的前提下，才能在流 域内产流。若降雨强度不及地面入渗能力，流域内将不会产流或基本不产流。 模型产流计算： 流域内经过降雨形成流域出口断面的径流过程，大体上分为两个阶段，第一阶段 是降雨经过截留、填洼、下渗、蒸发等损失过程，扣除这些损失后，剩余部分称为净雨，其在 数量上等于它所形成的径流深。通常将净雨量称为产流量，而降雨转化为净雨的过程称为 产流过程，模型将对产流过程进行计算，预估出暴雨之后流域内能够形成多少径流。 模型汇流计算： 流域内降雨形成流域出口断面径流过程的第二个阶段是：净雨沿着地面和地下汇 入河网，然后经河网汇流形成流域出口的径流过程，此过程称为流域汇流过程，模型将对此 部分进行汇流计算，模拟出流域范围内汇入河流的水量，进而为洪水断面流量作出推算。 流域内的汇水量最终形成的最大流量计算参考公式为： 式中：ψ-洪峰径流系数，即汇流时段内最大雨量与其产生相应径流深的比值； Hτ-汇流时段内最大降雨量； τ-水质点由流域最远点流达出口断面的平均时间，即流域汇流时间； F-流域面积。 模型参数确定： 山洪模型中需要确定7个未知参数，分为三类：一是流域特征参数F、L、J；二是暴雨 参数S、n；三是损失经验性参数μ和汇流经验性参数m。 一、流域特征参数确定 (1)F代表出口断面以上的流域面积，单位为km2。可使用GIS软件直接计算得到； 6 CN 111583587 A 说　明　书 4/12 页 (2)L采用自出口断面起沿主沟至分水岭的最长距离，单位为km。L包括主河道以上 沟行不明显部分坡面沿流程的长度，可使用GIS直接量取； (3)J为沿L的坡面和河道的平均比降，一般可采用落差与沟长L的比值来代替。 二、暴雨参数确定 暴雨参数S、n是反映流域区域内暴雨历时长算历时关系的参数，S通过观测获得，n 可以采用当地水文手册查得。 三、损失经验性参数确定 经验性参数μ和m的量值可以通过本地区观测得到的暴雨洪水资料，进行综合分析 求得。 现地监测校核： 为了能够更好的使山洪模型贴近当地实时情况，本次将在丹景乡乡镇府附近河道 内和丹景乡保安水库两地选取顺直段建立水位流量关系监测断面，以丹景乡乡镇府断面验 证山洪模型洪水流量，以丹景乡保安水库断面监测水库在雨季出库流量。 本次对河流的流量监测将采用非接触式的测流方式进行，确保设备在洪水暴发时 期能够正常运行，保障设备安全。 测速原理：非接触时测流系统是采用雷达波多普勒效应原理测流体表面流速。当 雷达波流速仪与水体以相对速度V发生对运动时，雷达波流速仪所收到的电磁波频率与雷 达自身所发出的电磁波频率有所不同，此频率差称为多普勒频移。通过计算多普勒频移与V 的关系，得到流体表面流速。 流量计算：非接触式测流主要设备为雷达流量计，其包含两个探头，一个测表面流 速，另一个测水位。 如图9所示，根据雷达流量计内置的水力模型，通过预先设定的断面参数，将测得 表面流速转化为断面平均流速。同时，按照实测水位，雷达流量计结合断面几何参数，自动 算出断面面积，根据流速面积法公式，求得流量。 为了更好地实现本发明，进一步的，所述应用对象层包括村级预警中心，所述村级 预警中心包括入户型简易雨量站、入户型简易水位站、入户报警器、无线预警广播站、声光 报警器；所述入户型简易水位站选址场镇入口处的河流，入户型简易雨量站选址平安村村 委的办公楼楼顶；所述入户型简易雨量站、入户型简易水位站的监测数据传输至分布在学 校、医院和农户家入户报警器和县级山洪平台。 为了更好地实现本发明，进一步的，入户型简易雨量站和/或入户型简易水位站实 时监测预警，通过ISM频段通讯实现水雨情信息传输、室内入户报警的预警功能，同时也通 过GPRS通道将雨量、水位实时监测数据和设备工况传输至县级山洪服务平台；村落责任人 通过入户报警器及时向危险区群众进行短频通告或小喇叭通知预警信息，危险区域内各农 户群众通过入户报警器接收预警信息和预警通知；村落管理人通过入户报警器及时向危险 区群众喊话，通过无线预警广播站向危险区群众发布有线广播预警通告、鸣笛、报警、现场 喊话；配备的防汛应急物资可以在发生预警信息需要转移危险群众时为防汛应急提供安全 保障。 为了更好地实现本发明，进一步的，所述村级预警中心内部采用Lora数字射频通 信、VHF无线语音对讲两种独立网络通信，同时内嵌支持终身免费的SIM芯片卡，采用GPRS网 7 CN 111583587 A 说　明　书 5/12 页 络与县级山洪平台进行通信；或者将村级预警中心内部数据发给防汛责任人或者预警平 台。 为了更好地实现本发明，进一步的，所述应用对象层包括乡级预警中心，所述乡级 预警中心包括远程会商系统以及预警平台，用于接收水务局通知以及显示本乡镇及相邻乡 镇水雨情信息、县级山洪平台和村级预警中心的实时信息，实现乡水雨情信息、县级山洪平 台和村级预警中心的相关信息实时显示，实现汛期应急指挥调度功能，提升防汛指挥能力。 本发明在使用过程中，建设内容主要有洪涝灾害调查评价，自动监测系统，监测预 警平台，防汛视频会商系统，配置监测预警设备(包括简易水位报警器、预警广播、简易雨量 报警器、手摇报警器、铜锣等)，建立群测群防体系(包括责任制体系完善，县、乡镇、村各级 洪涝灾害防御预案，基层防汛责任人业务培训、宣传和演练)，结合本地实际，配置县乡应急 救援工具和设备，提升防汛应对能力。 (1)洪涝灾害调查评价 以行政村(自然村、居民区)为单元，全面查清洪涝灾害分布范围、社会经济、水文 气象、历史洪涝灾害情况，调查受洪涝灾害威胁村庄的人口、户数、房屋座数，调查中小河流 现状防洪能力及防洪工程设计防洪标准，掌握洪涝灾害区内的涉水工程以及平原区洪涝灾 害防治现状等基础信息。分析平原区暴雨和洪涝特征，确定低洼易涝村落、受中小河流(平 原河网)洪水威胁沿河村落等防灾对象的现状防洪能力，划分危险区，因地制宜确定雨量预 警指标和水位(流量)预警指标。建立平原区洪涝灾害调查评价成果数据库，并与全国山洪 灾害调查评价成果数据库共享、共用。 (2)自动监测系统 在洪涝灾害调查评价的基础上，论证现有水文、气象站网布局，补充建设自动雨量 站、自动水位站和视频(图像)监测站，完善现有自动监测系统。 (3)监测预警平台 基于现有水利信息化技术平台，完善县级监测预警平台建设，开发平原区洪涝灾 害监测预警软件系统，开发建立山洪灾害模型，采用模型和实际观测相结合的方式实现山 洪灾害提前预警功能。鼓励省区统一组织开发，分县使用。 (4)防汛视频会商系统 建立县级到乡镇的计算机网络、视频会商系统，将县级平台延伸至乡镇，进行会商 环境建设。 (5)预警设施设备 在低洼易涝村落配备简易雨量报警器和手摇报警器等预警设备。在外洪威胁的沿 河村落配备简易水位报警器和手摇报警器等预警设备。 本发明的有益效果： (1)本发明对沿河重点城镇进行洪水动态预警分析，实时监测汛情，动态判别沿河 村落、流域出口是否达到预警指标，面向各部门及公众及时提供洪水预报预警预报，建立了 群测群防的体系。 (2)本发明通过应用对象层中村级预警中心、乡级预警中心的设置，实现了有效分 析平原区暴雨和洪涝特征，确定低洼易涝村落、受中小河流(平原河网)洪水威胁沿河村落 等防灾对象的现状防洪能力，划分危险区，因地制宜确定雨量预警指标和水位(流量)预警 8 CN 111583587 A 说　明　书 6/12 页 指标。建立平原区洪涝灾害调查评价成果数据库，并与全国山洪灾害调查评价成果数据库 共享、共用，实现了群测群防的技术效果。 附图说明 图1为本发明的系统网络拓扑结构图； 图2为实施例2中监测站的分布地图； 图3为水雨情传输系统网络拓扑图； 图4为村级预警中心站点建设分布图； 图5为村级预警中心系统组网示意图； 图6为本发明的预测预警界面图； 图7为本发明村落预测预警预测界面图； 图8为山洪模型架构原理图； 图9为为非接触式测流示意图。