[發(fā)明專利]一種中小河流洪水預(yù)報預(yù)警設(shè)施及其運行方法

有效

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• 申請日: 2019-01-21
• 公開（公告）號: CN109754573B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魏一鳴;呂艷軍;袁瀟晨;余碧瑩;唐葆君;金菊良;汪哲蓀;尹志杰
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G08B21/10
• 分類號: G08B21/10;G01C13/00;G01W1/02
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34112
• 代理人: 宋仔娟

1.中小河流洪水預(yù)報預(yù)警設(shè)施，其特征在于：在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)每條所述中小河流（1）都有各自的監(jiān)測河道段（4），該些監(jiān)測河道段（4）均順直、等斷面、等縱坡、等糙率，該些監(jiān)測河道段（4）中部的河岸上都設(shè)置有監(jiān)測點；在所述監(jiān)測點處監(jiān)測河道段（4）橫斷面的河床（2）和兩側(cè)岸坡（3）面上有一條標尺基礎(chǔ)（6），在該標尺基礎(chǔ)（6）上標有塊碼水位標尺（7），該塊碼水位標尺（7）在斜坡上的尺寸是鉛直設(shè)置塊碼水位標（7）尺寸的投影；在所述監(jiān)測點一側(cè)的河岸上安裝有支架（10），在該支架（10）上安裝有控制器（11）、照明燈(13)、攝像機(12)，該攝像機(12)鏡頭朝向河道水面(5)和所述塊碼水位標尺（7）；在該塊碼水位標尺（7）上游側(cè)的河岸上設(shè)置有臨時測速投光器a（14），在該塊碼水位標尺（7）下游側(cè)的河岸上設(shè)置有臨時測速投光器b（15），該些臨時測速投光器a（14）與臨時測速投光器b（15）之間為設(shè)定距離；在所述臨時測速投光器a（14）上游側(cè)的河岸上設(shè)置有臨時流速浮標投放器（16），在所述臨時測速投光器b（15）下游側(cè)的河岸上安置有臨時流速浮標收集器（17），所述臨時流速浮標投放器（16）、臨時流速浮標收集器（17）分別用于投放和回收流速浮標（18）；在所述監(jiān)測點上安置有氣象設(shè)備，所述氣象設(shè)備包括雨雪量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、地表水分蒸滲監(jiān)測設(shè)備；在所述監(jiān)測河道段（4）兩側(cè)河岸的低洼匯水處都安裝有地表徑流檢測裝置，雨雪、泉眼地表徑流水經(jīng)過該些地表徑流檢測裝置再流入所述監(jiān)測河道段（4）；在每個監(jiān)測點安置有光伏板，光伏板的電纜與控制器（11）聯(lián)接，控制器（11）的電纜與攝像機（12）、照明燈（13）、地表徑流檢測裝置、氣象設(shè)備聯(lián)接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中小河流洪水預(yù)報預(yù)警設(shè)施，其特征在于：所述的塊碼水位標尺（7）為帶尺狀，該塊碼水位標尺（7）由若干個讀數(shù)單元（8）連接而成，該些讀數(shù)單元（8）的讀數(shù)值依次按低小高大的順序編排；所述的塊碼水位標尺（7）鉛直設(shè)置時，每個所述讀數(shù)單元（8）為10厘米高，在每個所述讀數(shù)單元（8）的左部有上下連接的兩個“E”字，上部的“E”字為白底黑字，以及下部的“E”字為黑底白字，每個所述的“E”字的筆畫都為1厘米寬；在每個所述讀數(shù)單元（8）右部的上部是以米為單位的阿拉伯?dāng)?shù)字水位值，即XX.X；在每個所述讀數(shù)單元（8）右部的中下部是所述水位值的塊形碼（9），該些塊形碼（9）為二進制碼，該些塊形碼（9）的碼塊為方形，該些塊形碼（9）共有三行，每行有4個碼塊，第1行塊形碼（9）表示以米為單位的十位數(shù)水位，第2行塊形碼（9）表示以米為單位的個位數(shù)水位，第3行塊形碼（9）表示以分米為單位的水位，每行塊形碼（9）高度與其的間距相等，該些阿拉伯字和表示水位值的碼塊都為白底黑字，該些未表示水位值的碼塊都為白底白字，在所有所述讀數(shù)單元（8）兩側(cè)都為等寬的白色條帶。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中小河流洪水預(yù)報預(yù)警設(shè)施，其特征在于：在塊碼水位標尺（7）所有所述讀數(shù)單元（8）的黑字“E”的白底、白色的“E”字、塊形碼（9）的白色的碼塊上均涂有含碎玻璃末的涂料。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中小河流洪水預(yù)報預(yù)警設(shè)施，其特征在于：所述臨時測速投光器a（14）發(fā)射出按頻率a閃爍的激光a，該激光a朝向所述塊碼水位標尺（7）上游側(cè)河道橫斷面的水面（5）來回掃射；所述臨時測速投光器b（15）發(fā)射出按頻率b閃爍的激光b，該激光b朝向所述塊碼水位標尺（7）下游側(cè)河道橫斷面的水面（5）來回掃射。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中小河流洪水預(yù)報預(yù)警設(shè)施，其特征在于：所述流速浮標（18）外殼為圓球的形狀，在該外殼的頂部有發(fā)光變換指示器和天線，在該外殼內(nèi)有信號器、電池和配重，該外殼內(nèi)為與外界密閉的空間；所述的發(fā)光變換指示器發(fā)出閃爍的白光，當(dāng)發(fā)光變換指示器接受到所述臨時測速投光器a（14）發(fā)出激光a后，該發(fā)光變換指示器便發(fā)出紅光，并由天線發(fā)射出流速浮標（18）到達所述臨時測速投光器a（14）位置的信號；當(dāng)發(fā)光變換指示器接受到所述臨時測速投光器b（15）發(fā)出激光b后，該發(fā)光變換指示器便發(fā)出黃光，并由天線發(fā)射出流速浮標（18）到達所述臨時測速投光器b（15）位置的信號。

6.一種基于權(quán)利要求1所述中小河流洪水預(yù)報預(yù)警設(shè)施的運行方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）在中小河流（1）的枯水期，對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的每條中小河流（1），采用無人機遙感探測并配合人工踏勘的方式選擇出適宜的監(jiān)測河道段（4）；

（2）對每條監(jiān)測河道段（4）進行順直、等斷面、等縱坡、等糙率的整治，在該些監(jiān)測河道段（4）中部的河岸上設(shè)置監(jiān)測點；在監(jiān)測點安置雨雪量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、地表水分蒸滲氣象設(shè)備，該些氣象設(shè)備實時監(jiān)測中小河流（1）的氣象；在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)設(shè)置水文接收站，該水文接收站接受與處理監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各中小河流（1）監(jiān)測點傳輸來的氣象和洪水信息；

（3）在每個監(jiān)測點處河道橫斷面的河床（2）和兩側(cè)岸坡（3）面上，按地形修整出一條有數(shù)個斜坡段、水平段或鉛直段連接的條帶，在該條帶上用水泥混凝土澆筑出標尺基礎(chǔ)（6），在該標尺基礎(chǔ)（6）的面上用涂料標出塊碼水位標尺（7），該些在斜坡上標出的塊碼水位標尺（7）尺寸是鉛直設(shè)置塊碼水位標尺（7）尺寸的投影；

（4）在每個監(jiān)測點一側(cè)的河岸上安裝支架（10），在該支架（10）上安裝控制器（11）、照明燈（13）、攝像機（12），該攝像機（12）鏡頭朝向河道橫斷面的水面（5）和塊碼水位標尺（7）；在該塊碼水位標尺（7）上游側(cè)的河岸上設(shè)置臨時測速投光器a（14），在該塊碼水位標尺（7）下游側(cè)的河岸上設(shè)置臨時測速投光器b（15），該些臨時測速投光器a（14）與臨時測速投光器b（15）之間為設(shè)定的距離；在臨時測速投光器a（14）上游側(cè)的河岸上設(shè)置臨時流速浮標投放器（16），在臨時測速投光器b（15）下游側(cè)的河岸上安置有臨時流速浮標收集器（17）；

（5）在每條監(jiān)測河道段（4）兩側(cè)河岸的低洼匯水處都安裝地表徑流檢測裝置，雨雪、泉眼地表徑流水經(jīng)過該些地表徑流檢測裝置再流入監(jiān)測河道段（4）；在每個監(jiān)測點安裝雨雪量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、地表水分蒸滲氣象設(shè)備，該些氣象設(shè)備常年使用；在每個監(jiān)測點安置有光伏板，把光伏板的電纜與控制器（11）聯(lián)接，把控制器（11）的電纜與攝像機（12）、照明燈（13）、地表徑流檢測裝置、氣象設(shè)備聯(lián)接；

（6）每個攝像機（12）拍攝河道橫斷面和塊碼水位標尺（7）的圖像，測量監(jiān)測河道斷面河床形狀，建立水位與水面寬度的關(guān)系，把這些地面實測的信息和數(shù)據(jù)傳輸給水文接收站；

（7）由無人機、衛(wèi)星對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)每條中小河流（1）地形、地貌、高程，以及河道、監(jiān)測河道段（4）的形狀、寬度、縱坡進行遙感探測，并把探測數(shù)據(jù)和遙感圖像傳輸給水文接收站；水文接收站把地面實測河道、監(jiān)測河道段（4）的數(shù)據(jù)及圖像，與無人機、衛(wèi)星的探測數(shù)據(jù)和遙感圖像進行標定；

（8）中小河流1進入汛期，每個監(jiān)測點打開控制器（11）、攝像機（12）、照明燈（13）、地表徑流檢測裝置的開關(guān)，由攝像機（12）對塊碼水位標尺（7）進行拍攝，把河床橫斷面的水位、水面寬度的數(shù)據(jù)經(jīng)控制器（11）傳輸給水文接收站；

（9）打開臨時測速投光器a（14）的電源，讓按頻率a閃爍的激光a掃射監(jiān)測河道段（4）的水面（5）；打開臨時測速投光器b（15）的電源，讓按頻率b閃爍的激光b掃射監(jiān)測河道段（4）的水面（5）；由臨時流速浮標投放器（16）向監(jiān)測河道段（4）主流水面（5）投放流速浮標（18），流速浮標（18）頂部的發(fā)光變換指示器發(fā)出閃爍白光漂向下游；向下游漂流的流速浮標（18）被按頻率a閃爍的激光a照射到后，流速浮標（18）發(fā)出到達臨時測速投光器a（14）位置的無線信號給控制器（11），并其的發(fā)光變換指示器的白光變?yōu)榧t光；繼續(xù)向下游漂流的流速浮標被（18）按頻率b閃爍的激光b照射到后，流速浮標（18）發(fā)出到達臨時測速投光器b（15）位置的無線信號給控制器（11），并其的發(fā)光變換指示器的紅光變?yōu)辄S光；接著向下游漂流的流速浮標（18）被臨時流速浮標收集器（17）回收；控制器（11）根據(jù)流速浮標（18）從臨時測速投光器a（14）位置漂流至臨時測速投光器b（15）位置所用的時間，以及臨時測速投光器a（14）與臨時測速投光器b（15）之間的設(shè)定距離，得出流速浮標（18）漂流的速度，即監(jiān)測河道段（4）水面的流速；把該監(jiān)測河道段（4）水面流速來驗正設(shè)置河道糙率后采用曼寧公式計算出監(jiān)測河道段（4）的流量；

（10）無人機、衛(wèi)星對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)每條中小河流（1）的地形、地貌、氣象、雨雪面積、地面徑流、河流水面高度、寬度和面積進行遙感探測，并把探測數(shù)據(jù)和遙感圖像傳輸給水文接收站；水文接收站把地面實測監(jiān)測河道段（4）水位、水面寬度、流速數(shù)據(jù)和圖像與無人機、衛(wèi)星的探測數(shù)據(jù)和遙感圖像再次進行標定、修正，以便無人機、衛(wèi)星進行中小河流（1）洪水的監(jiān)測；

（11）水文接收站依據(jù)地面監(jiān)測點、無人機、衛(wèi)星的探測數(shù)據(jù)、遙感圖像及氣象信息，經(jīng)計算機對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、處理與計算，提前得出中小河流（1）將發(fā)生洪水的最高洪峰水位或流量、洪峰出現(xiàn)時間、洪水漲落過程、洪水總量數(shù)據(jù)，按國家劃分的洪水量級預(yù)報洪水；并與歷次洪水的水文數(shù)據(jù)相比較，若接近或超過歷次洪水的歷時、洪峰流量、超警戒水位時，立即提出洪水的預(yù)警報告。