基于位置的城市水文預警信息服務平臺研究

查治榮，徐保超，周慶鵬

（山東省青島市水文局黃島分局，266400，青島）

隨著我國城市化進程不斷加快，城市防汛已成為城市管理工作的一項重要內容并日益受到重視。但是，由于預案操作性不強、預警信息推送不及時、預警對象針對性不強、決策支持信息不直觀等問題，導致城市防災減災應急決策滯后。為滿足城市管理、防災減災對水文預警信息服務的需求，山東省青島市水文局黃島分局提出建設黃島區城市水文預警信息服務平臺，利用高精度城市積水預報模型和移動通信大數據平臺，構建了基于位置的城市水文預警信息發布系統。

一、城市水文常規預警流程及存在問題

1.城市水文常規預警流程

目前常規洪水災害預警信息主要發送至預設的預警對象，如防汛指揮機構、城市管理、交通等部門的負責人，以及受威脅的社區、單位的管理人員。預警信息傳達的主要流程是：①從實測、模擬或預報數據中篩選出災情信息；②結合風險圖找出受威脅的區域；③災害范圍較大時，在預設的電話列表中向對應的負責人等發送預警信息，由他們組織通知受威脅人員；④災害范圍較小時，常常通過大喇叭、入戶警報器等方式直接通知受威脅人員。

2.存在的問題

一是預警時效性不強，對于城市洪澇來說，強降雨后的10分鐘左右就會形成具有威脅性的積水點，而傳統預警信息送達的時效性不能滿足公眾需求；二是預警的針對性不強，常規的信息發布方式不能將預警信息直接推送至實際遭受威脅人員，大范圍不區分對象的信息發布方式冗余度過大。

二、基于位置的城市水文預警信息發布系統

1.實現原理

依托概念性城市暴雨積水預報模型，利用微地形構建高精度城市洪澇預警信息及區域管理模型，實時判別積水區域和淹沒范圍。融合中國移動、中國聯通兩大通信運營商的大數據服務平臺，根據積水區域及范圍，整理各積水區域對應的基站信息，形成積水區域、移動基站LAC+CEL列表，建立智能識別、實時關聯觸發規則。將服務平臺推送來的積水區域信息及短信模板信息推送到移動大數據預警短信平臺上，預警短信平臺根據積水區域條件觸發相應基站，通過MAS端口向積水區域用戶發送指定的預警短信。實現原理見圖1。

圖1 實現原理圖

2.概念性城市暴雨積水模型

（1）模型介紹

模型采用分布式逐單元匯流技術,通過產—匯流耦合技術考慮了匯流過程的非線性問題，內嵌高精度數值流域信息、分布式輸出水文全要素模擬數據，并能結合GIS進行多媒體展示。

每個時間段內的計算過程如下：

根據提取出的易澇點集水范圍，結合土地利用數據，按照集水范圍內的下墊面類型及各下墊面類型的占比，統計出易澇點的徑流系數，用于降雨產流計算；用集水范圍內的平均排澇模數做分水源計算，排入地下管網的水不參加后繼計算；對每個單元的地表自由水進行逐單元匯流計算，并計算易澇點底部，結合二者，計算局部積水；計算局部積水在水深壓力作用下增加的管網排澇量，這部分水排入地下管網；計算剩余積水的面積和平均水深。

（2）模擬結果及驗證

在近5年的實測數據中，挑選淹沒深度較大的8次洪水過程，根據這8次洪水過程數據通過人機交互方式進行模型參數的選擇與優化。隨機選擇2次道路積水點洪水過程的實測數據進行對比驗證，實測積水深與模擬積水深變化過程線見圖2和圖3。

計算出積水深最大值的相對誤差在4.91%~7.53%之間，積水深最大值的平均相對誤差為6.22%；積水深平均值的相對誤差在8.04%~10.34%之間，積水深平均值的平均相對誤差為9.19%。

圖2 次洪170804積水深過程線

圖3 次洪170817積水深過程線

2.基站天線覆蓋范圍確定

城市通信基站一般采用發射功率和天線增益較小的定向天線，天線水平半功率角接近60°，一般由三臺天線共同組成基站收發天線組，實現三葉草形蜂窩覆蓋范圍。考慮到建筑物的阻擋、信道冗余等因素，城市通信基站往往密集設置。

借用分布式計算的思路，將基站周邊劃分為無數個柵格，根據基站各天線的位置、掛高、方位角和下傾角，建立模型，逐個計算基站周邊每個柵格的信號強度，得到信號強度的空間分布。

每個柵格的信號強度可以用如下原理來估算：

式中：I是柵格的可能信號強度，單位是dBm；I0是天線主瓣最大信號強度，單位是dBm，在這可考慮天線的下傾角；kθ是角度衰減系數，無單位，其中角度可以利用柵格位置和天線的方位角來計算；kl是距離衰減系數，無單位，可以用柵格位置和天線位置來計算；kb是高大建筑物導致的信號衰減系數，無單位。

對于多個站點或一個站點的多個天線，逐個計算每個天線的覆蓋范圍，然后按照信號強度優先的原則來疊加，得到區間站網的信號覆蓋圖。

圖4 城市積水預警信息的發布流程圖

3.預警信息發布

以青島市黃島區1m分辨率的DEM（Digital Elevation Map，數字高程模型）劃分柵格，結合基站天線覆蓋圖，整理各積水區域對應的基站信息，形成積水區域、移動基站LAC+CEL列表，建立智能識別、實時關聯觸發規則。制定預警規則，實時驅動概念性城市暴雨積水模型，獲取積水區域和預警范圍，制定預警信息內容。預警信息推送接口以服務形式提供，數據進入中國移動、中國聯通兩大通信運營商大數據服務平臺，根據積水區域及范圍參數，疊加積水范圍和基站天線覆蓋圖，參考冗余度，分析篩選出積水范圍內的天線，對天線覆蓋范圍內的所有用戶發送預警信息。發布流程見圖4。建立預警區域人群監控分析模型，快速獲取災害區內和即將進入災害區人員信息，并返回每個積水區柵格內的用戶數量。

三、結 語

通過建設黃島區城市水文預警信息服務平臺，構建了基于位置的城市水文預警信息發布系統，實現了城市洪澇預警信息的靶向服務。系統投入運行后，有效解決了城市水文預警信息推送不及時和推送對象針對性不強的問題，進一步提升了城市水文預警信息情報的智能化和精細化水平，有效提高了城市居民應對和防御城市洪澇災害的能力。

基于位置的預警信息推送模式的推廣應用，能進一步滿足水文信息在防災減災應急決策支持和公眾服務等方面的需要，更好地解決水文信息服務“最后一公里”的問題，實現水文信息綜合服務能力的全面提升。