李巖松 ，王久良* ，楊 超 ，劉德武 ，李 躍 ，王秋妍 ，王 輝

（1. 河北 省地質(zhì) 礦 產(chǎn)勘查 開發(fā)局 第五 地質(zhì)大隊(duì), 河 北 唐 山 063000；2. 河北省 海洋地 質(zhì) 環(huán)境調(diào) 查中心, 河 北 唐 山 063000；3. 唐山 市自然 資 源和規(guī) 劃局, 河北 唐山 063000；4. 唐山市 曹妃甸 區(qū)自然資 源和規(guī) 劃局, 河北 唐山 063200）

風(fēng)暴潮是一種災(zāi)害性的自然現(xiàn)象，是指由于劇烈的大氣擾動(dòng)，如強(qiáng)風(fēng)和氣壓驟變（通常指臺(tái)風(fēng)和溫帶氣旋等災(zāi)害性天氣系統(tǒng)）導(dǎo)致海水異常升降的現(xiàn)象[1]，當(dāng)天文潮疊加風(fēng)浪、涌浪達(dá)到一定程度引起海岸水位暴漲對(duì)沿岸生命財(cái)產(chǎn)造成損害，因此，風(fēng)暴潮預(yù)警的一個(gè)重要方面在于獲得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)潮位資料，提供風(fēng)暴潮發(fā)生的實(shí)際潮高，進(jìn)而得出確定的災(zāi)害災(zāi)情風(fēng)險(xiǎn)，為災(zāi)害救助、災(zāi)情分析和災(zāi)害鏈調(diào)查提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)資料，為人民生命財(cái)產(chǎn)安全提供保障[2]。河北沿海除秦皇島存在小部分基巖海岸，絕大部分屬于平原海岸，海岸帶地形坡度小，缺乏抵御風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害的自然屏障，且河北省沿海經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，重要承災(zāi)體眾多，防范海洋災(zāi)害需求較為迫切。2010—2019年我省各類海洋災(zāi)害損失共計(jì)37.19億元，其中2019年海洋災(zāi)害共造成我省直接經(jīng)濟(jì)損失3.34億元，在過去10年處于平均水平，風(fēng)暴潮是造成河北省直接經(jīng)濟(jì)損失的主要災(zāi)害類型，主要受災(zāi)對(duì)象為海岸工程，房屋、游樂設(shè)施、鹽田、農(nóng)田等[3-4]。

目前河北省已有的海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)施有岸基觀測(cè)站、海洋浮標(biāo)、警戒潮位標(biāo)志位物。目前連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的岸基海洋觀測(cè)站有8個(gè)、警戒潮位標(biāo)志物有54個(gè)，具備了一定的海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，但相對(duì)于風(fēng)暴潮侵入陸地過程中時(shí)間和空間的復(fù)雜性及河北省487 km的海岸線長(zhǎng)度，近岸海域潮位觀測(cè)密度仍是嚴(yán)重不足。因此，擬通過在河北省沿海地區(qū)開展智能型風(fēng)暴潮智能型監(jiān)測(cè)點(diǎn)建設(shè)，對(duì)潮位、氣象信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為政府風(fēng)暴潮災(zāi)害防治提供數(shù)據(jù)支撐，為災(zāi)害預(yù)警、災(zāi)情調(diào)查和研究等提供可靠的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)。本工作對(duì)進(jìn)一步提高風(fēng)暴潮災(zāi)害應(yīng)急處置能力、最大程度降低風(fēng)暴潮對(duì)沿海地區(qū)造成的經(jīng)濟(jì)損失、全面提升河北省海洋防災(zāi)減災(zāi)能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 智能型監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)及組成

該智能型監(jiān)測(cè)點(diǎn)整體設(shè)計(jì)由基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)和各類傳感器布局設(shè)計(jì)兩部分組成?；A(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)主要包括消波井筒、操作平臺(tái)、防護(hù)欄和主塔桿，其中主塔桿結(jié)構(gòu)布局包含前端傳感器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與傳輸控制單元、供電模塊、無線通信終端等（圖1），潮位傳感器通過操作平臺(tái)預(yù)留孔投入驗(yàn)潮井內(nèi)。為安裝方便，驗(yàn)潮井、操作平臺(tái)、主塔桿及各類傳感器采用可拆分方式安裝；前端傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的潮位及氣象數(shù)據(jù)，采用4G通信技術(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至預(yù)警平臺(tái)，核定的警戒潮位數(shù)據(jù)達(dá)到一定限值時(shí)，即啟動(dòng)相關(guān)程序自動(dòng)報(bào)警，達(dá)到及時(shí)預(yù)警的目的。

圖1 智能型潮位監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Construction of the intelligent tide level monitoring site

1.1 基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)

1）底座設(shè)計(jì)及埋設(shè)方案

底座采用鋼筋水泥混凝土材質(zhì)制作，長(zhǎng)寬各1.5 m，高1 m，中間位置預(yù)留直徑為430 mm消波井筒插孔。底部基礎(chǔ)安裝需趕潮施工，施工時(shí)先用挖掘機(jī)在建設(shè)點(diǎn)位岸灘處挖長(zhǎng)寬各2 m、深1 m的基坑，再用吊車將底部基礎(chǔ)埋設(shè)固定于海床，使基礎(chǔ)頂面與海床持平，最后使用碎石將基坑填滿鋪平。

2）消波井筒設(shè)計(jì)及安裝方案

為避免占海用地問題，且考慮施工簡(jiǎn)單、建設(shè)方便，設(shè)計(jì)抗臺(tái)風(fēng)能力12級(jí)，采用長(zhǎng)度為9 m、樁徑為Φ426 mm、壁厚8 mm、屈服強(qiáng)度為Q235B的螺旋縫埋弧焊鋼管樁作為基礎(chǔ)，同時(shí)也作為消波井筒。安裝時(shí)將消波井筒穿過混凝土底座預(yù)留插孔，然后使用機(jī)械將鋼管壓入海床4 m深度，并通過中下部卡盤與底部基礎(chǔ)卡緊固定，管樁露出地表部分作為上部結(jié)構(gòu)，一側(cè)留有爬梯以便后期設(shè)備檢修及維護(hù)。

鋼管樁外部根據(jù)當(dāng)?shù)鼐涑蔽缓硕ńY(jié)果噴涂紅、橙、黃、藍(lán)四色警戒潮位值；警戒潮位標(biāo)志寬17 cm，從下到上依次為藍(lán)色、黃色、橙色、紅色，2個(gè)警戒標(biāo)志之間設(shè)置白色矩形標(biāo)志，尺寸為10 cm×20 cm，矩形中間標(biāo)注警戒潮位數(shù)值，字體為黑體，大小為8 cm×8 cm[5-6]。

3）操作平臺(tái)設(shè)計(jì)及安裝方案

操作平臺(tái)水準(zhǔn)高度根據(jù)建設(shè)地點(diǎn)海拔高度確定，平臺(tái)安裝水準(zhǔn)高度應(yīng)高于建設(shè)點(diǎn)紅色警戒潮位值1.5 m以上，以保證風(fēng)暴潮來臨時(shí)監(jiān)測(cè)儀器免被海水淹沒。操作平臺(tái)尺寸為1.5 m×1.5 m，下方預(yù)留進(jìn)出通道、安裝鎖具防止破壞；平臺(tái)四周安裝高為1.2 m的不銹鋼防護(hù)欄，平臺(tái)通過法蘭與消波筒連接，中間預(yù)留國(guó)標(biāo)型號(hào)為dn150[7]的法蘭盤用以固定氣象塔桿。

1.2 潮位傳感器安裝

潮位監(jiān)測(cè)采用測(cè)量精度為（±1） cm的投入式液位傳感器，將傳感器穿過安裝維護(hù)平臺(tái)預(yù)留孔后，用法蘭盤固定于消波井筒中，消波井筒通過下部預(yù)留進(jìn)水孔與外部連通，此方式測(cè)量潮位可防止因海浪影響造成的測(cè)量結(jié)果誤差過大。消波井筒下部進(jìn)水孔預(yù)留位置高于海床20 cm，進(jìn)水孔開口方向?yàn)橄蜿懸粋?cè)，外接向下傾斜45°的進(jìn)水管，以達(dá)到良好的隨潮性和消波性?？讖皆O(shè)計(jì)參照《海濱觀測(cè)規(guī)范 第2部分：海濱觀測(cè)》[8]推薦的進(jìn)水孔大小公式：

式中:S1為消波筒進(jìn)水孔截面積（cm2）；S2為消波筒截面積（cm2）；μ為流量系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）；Δh為井內(nèi)外潮位差（cm）；(dh/dt)max為最大漲（落）潮率（cm/s）。

1.3 氣象塔桿結(jié)構(gòu)布局及儀器安裝方案

氣象塔桿采用不銹鋼材質(zhì)，高2.5 m、外徑168.3 mm，采用dn150法蘭盤與操作平臺(tái)連接，其上可布設(shè)多種傳感器設(shè)備（圖1）。

1）前端傳感器設(shè)備

氣象傳感器及接口包括溫度、濕度、氣壓傳感器以及風(fēng)速風(fēng)向儀，用于掌握潮汐變化與氣象信息之間的關(guān)系，今后根據(jù)需求還可作為基礎(chǔ)平臺(tái)搭載其他各類傳感器。

2）數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備

數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端包括各類傳感器、供電系統(tǒng)、避雷針及相應(yīng)配套的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)（Remote Terminal Unit，RTU）?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)采集軟件處理加密后傳輸至預(yù)警平臺(tái)，數(shù)據(jù)報(bào)送周期為2 min，該智能型警戒潮位監(jiān)測(cè)裝置與管理中心采用4G技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和控制，負(fù)責(zé)站點(diǎn)與管理中心日常通信傳輸。數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過算法加密后把密文通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行臄?shù)據(jù)平臺(tái)。為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)安全性，數(shù)據(jù)傳輸采用每次傳輸數(shù)據(jù)前進(jìn)行密鑰協(xié)商的方式，保證每次密文數(shù)據(jù)都是通過不同的對(duì)稱密鑰加密形成，以進(jìn)一步防止數(shù)據(jù)被非法解密破譯，可以保障數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定傳輸。無線通信終端與數(shù)據(jù)采集控制單元集成在RTU遠(yuǎn)程測(cè)控終端上，外接數(shù)據(jù)傳輸天線。

3）供電模塊

供電模塊主要包含太陽能板、蓄電池（電壓12 V， 容量38 Ah）和電源充電控制器。為防止因潮濕造成短路，電池及電源控制器設(shè)備均置于防潮箱體內(nèi)，40 W太陽能板放置于塔桿頂部[8]，且發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)已采用防短路保護(hù)措施。該供電模塊能夠輸出多路12 V直流電，可為全部用電器供應(yīng)電能。該套供電系統(tǒng)可滿足監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備無充電情況下連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)72 h電量要求。

2 管理中心平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)河北警戒潮位智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)了一套基于B/S架構(gòu)模式的信息系統(tǒng)：包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息管理、測(cè)站管理、GIS、數(shù)據(jù)上報(bào)、數(shù)據(jù)查詢與管理、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警等多個(gè)信息化基礎(chǔ)模塊。利用此系統(tǒng)可及時(shí)準(zhǔn)確地將前端監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)采集入庫并自動(dòng)匯總、分析、展示及發(fā)出預(yù)警等，最大限度地預(yù)防和減少海洋災(zāi)害造成的損失，提升海洋防災(zāi)減災(zāi)能力[9-10]。

3 系統(tǒng)預(yù)警方式設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)消波井筒外層噴涂藍(lán)、黃、橙和紅四色環(huán)狀標(biāo)志作為現(xiàn)場(chǎng)警示標(biāo)志，分別對(duì)應(yīng)已核定岸段的4色警戒潮位值，四色標(biāo)志均采用環(huán)氧漆噴涂，色調(diào)明亮、耐腐蝕，有效視距滿足實(shí)際需求。同時(shí)，當(dāng)潮位值達(dá)到預(yù)警值時(shí)，后臺(tái)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)警等級(jí)按不同頻率向沿海企業(yè)及主管部門以微信、短信方式推送預(yù)警信息，可大幅提升沿海地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)急處置效率。

4 智能型監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)用示范

在前期進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，作為應(yīng)用示范，在河北唐山曹妃甸區(qū)小黑溝大橋進(jìn)行了河北省智能型警戒潮位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建設(shè)并進(jìn)行了運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。在小黑溝監(jiān)測(cè)點(diǎn)每2 min采集一次數(shù)據(jù)，選取2021年11月15日全天24 h實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)通過Execl處理后與天文潮曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、隨潮性進(jìn)行擬合分析（圖2和圖3）。與天文潮曲線的對(duì)比結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無跳動(dòng)，基本消除了波浪對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響。通過連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)生成的潮位曲線與天文潮曲線基本一致，達(dá)到了較好的隨潮性。

圖2 部分歷史采集數(shù)據(jù)Fig. 2 Part of historical data acquisition

圖3 實(shí)測(cè) 潮位 與天 文潮 曲線 對(duì)比Fig. 3 Comparison between the measured tide level curve and the astronomical tide curve

5 結(jié) 論

為了提升河北海洋災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)能力，開展了風(fēng)暴潮智能監(jiān)測(cè)點(diǎn)基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)及管理中心平臺(tái)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了建設(shè)安裝及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

1）該警戒潮位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由“傳感器+數(shù)據(jù)處理傳輸裝置+管理平臺(tái)”組成，建設(shè)內(nèi)容包括前端氣象傳感器、壓力式潮位傳感器、太陽能發(fā)電裝置和管理中心平臺(tái)等。

2）河北省沿海警戒潮位能監(jiān)測(cè)裝置通過內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及加密，有效減少了無效數(shù)據(jù)的傳輸及提高了數(shù)據(jù)安全性；同時(shí)，通過氣象與潮位數(shù)據(jù)的不斷累積，可為分析短期內(nèi)氣象潮提供更加精細(xì)化數(shù)據(jù)。

河北省沿海警戒潮位監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于傳統(tǒng)驗(yàn)潮站建設(shè)具有便捷、輕量化、投資少、建設(shè)快的特點(diǎn)，便于短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高密度建設(shè)，也能在短時(shí)間內(nèi)解決該區(qū)域沿海洋觀測(cè)能力不足的問題，提升沿海防災(zāi)能力，為政府應(yīng)急決策提供數(shù)據(jù)支撐。