防汛抗旱工作中信息技術的應用

孫金標

(遼寧省盤錦市大洼區水利服務中心，遼寧 盤錦 124200)

1 防汛抗旱指揮系統

科技的發展和時代的進步，使得信息技術被越來越多的應用于防汛抗旱工作中[1]，文章圍繞指揮系統業務拓展、軟件開發、云計算、信息采集和平臺建設等方面開展探索。

1.1 系統業務拓展

1)山洪災害。目前，由于洪災引起人員傷亡的災種仍以山洪地質災害為主，中國山洪地質災害防治區人口規模達到5.7億人，有防治任務的山區占全國的50.7%，達到487萬km2。因此，應在防汛抗旱指揮系統工程中統一納入現有的各類管理、預警信息、監測網站等，加強研究形成山洪地質災害的機理提高災害預警的可靠性。

2)臺風影響。近年來，雖然生成于西太平洋的臺風未呈現出增加趨勢，但超強臺風和強臺風登陸或影響我國沿海的數量明顯增多，由此帶來的降雨普遍偏多[2]。因此，臺風的影響應引起沿海防洪工作的重視，沿海的防洪減災也應該被防汛指揮系統高度重視。

需采取如下防洪對策：對沿海海堤防風暴防洪標準應實行全面的普查復核，科學編制海堤建設規劃全面提升海堤防洪標準；設立臺風預警預報系統及風暴潮模擬分析系統，及時預警和監視臺風降水強度、風力、影響范圍、移動路徑以及風暴潮增水過程；針對沿海海平面深入探究其風險管理與上升規律，結合實際情況提出行之有效的對策[3]。

3)沿海防洪。對于沿海的防洪形勢我國防汛指揮系統考慮仍然不足，防洪現狀日趨嚴峻。2017年3月正式發布的數據資料，2016年我國海平面比2015年高出38mm，比常年平均高82mm并超過1980年的歷史高位，海平面總體呈波動上升的變化特征。近5年海平面達到歷史高維，IPCC發布的氣候變化評估報告提出全球海平面在過去50a間以2.6mm/a的速率上升。1980-2016年我國海平面平均以3.2mm/a的速率上升，較全球同期平均水平明顯較高，依據2016年海平面公報上海的沿海平面存在較大波動，高出常年水平的102mm，上海的海平面未來30年預計上升65-150mm，上海抵御和防護風暴潮的能力顯著下降，其風暴潮標準1000年一遇明顯偏低。

4)城市洪澇。城市在經濟社會整體發展中的重要地位和作用日趨突出，也對其提出了更高的防洪要求，為保障城市居民正常生活、減少城市建設受洪災的不利影響，增強城市防洪排澇能力勢在必行。然而，在一期、二期防洪抗旱指揮系統建設中對城市內澇問題的考慮明顯不足。例如，北京2012年“7.21”特大暴雨造成了嚴重的經濟損失和人員傷亡，因暴雨引起的洪水災害產生很大的不利影響，但在一定程度上起到加強城市洪水工作以及加快水利基礎設施建設的作用，這也是我國進入洪澇防治新時期的里程碑性的事件；2016年長江流域發生嚴重的城市洪澇問題，太湖出現歷史第二洪水位及嚴重的城市局部內澇；2020年6月，珠江、太湖、黃河和長江上游先后發生1號洪水，太湖、潘陽湖、洞庭湖及長江干流監利以下河段水位超出預警，全國433條河流發生超警洪水，涉及安徽、浙江、湖北、江西、四川、廣東等27個省(市、區)；據統計，洪澇災害造成141人死亡失蹤，3389萬人受災，298.3萬hm2農作物受淹，房屋倒塌2.3萬間，，直接經濟損失695.9億元。

城市暴雨呈增強增多趨勢且大雨必澇逐漸成為城市的通病，在防汛抗旱指揮系統中應該納入城市防洪治澇，實現統一管理和決策調度；城市防洪工作涉及應急管理、防洪建設、信息監測、工程調度、洪澇預計等；將流域防洪與城市防洪相結合統籌考慮排水、除澇、防洪3個標準，并綜合考慮城市水環境、城市供水等要求。

1.2 信息采集技術

1)工情信息監測。①高密度點法具有圖像直觀、受外界信號干擾小和探測深度較大等優點，可現場快速確定大壩堤防內部缺陷部位和隱患性質，能夠發揮應急探測的作用，但具有較低的分辨率；②探地雷達法具有探測速度快、分辨率較高、適應不同探測目標等特點，可以快速、精準的探測堤防內部缺陷，但存在解讀要求高、圖像不直觀、外界電磁信號干擾非屏蔽天線信號強等缺陷。

2)旱情監測。①常用的點墑情監測方法是對土壤含水量利用土壤水分傳感器監測，但數據代表性差且監測范圍較小；②對大范圍土壤墑情利用衛星遙感技術監測時具有監測內容豐富、時效性快等優點，可用于作物缺水程度、蒸發、流域土壤含水量等監測，其覆蓋范圍日趨廣泛，但遇到云時傳統的遙感監測無法掌握下面的情況，所以遙感監測受時段限制。因此，基于水量與降雨量平衡的水文模型、衛星遙感墑情反演和適量的墑情監測站點，對流域墑情進行綜合分析極其重要。旱情分析系統要綜合降雨利用模型，結合氣象數據計算蒸散發，并考慮墑情站點數據全面分析大范圍旱情信息。

3)流量監測。①現階段，最主要的流量監測手段為自動式或半自動式傳統纜道測流，監測點數量、監測垂線與測量精度密切相關，但耗時較長；②雷達波流速儀、聲學流速流量(ADCP)測量儀等新型設備具有精度高、測量流速快等優點，可實現在線自動流量監測，但費用高大多為進口設備。

4)水位檢測。①水位監測的主要方式為浮子式自記水位計，具有干擾小、精度高的優點，但受地形條件限制且建設費用較高；②在一些中小河流中非接觸式超聲波水位計的應用較多，但大氣環境、濕度等條件對其監測精度影響較大；③雷達水位計、氣泡水位計和壓力式水位計可節省水位井建設成本，屬于一種改變水位測量方式的先進水位測量儀器。所以，在水位監測中不能一概而論，要綜合考慮因地制宜的選擇高精度監測方式。

5)降雨監測。當前，降雨監測的常見形式有3種：①大多數雨量站監測地面雨量的儀器和手段仍以翻斗式自記雨量計為主，受周圍環境和地形影響點雨量的代表性較差；②雷達監測降雨具有信息豐富、時效性強等特點，現已初步應用于防汛指揮系統，然而受地形雜波影響需要標定天氣雷達反演，若受到山體、建筑影響則無法保證地面監測信息準確度；③云的特性和類型對遙感監測降雨產生顯著影響，其研究基礎薄弱且需掌握云的內部結構，在此基礎上分析形成降雨的動力條件，精準度較低。因此，必須系統分析和監測多元數據，通過同化處理雷達站降雨量、衛星遙感以及地面雨量站數據，為提高預報精度綜合利用統計權重集成、變分校準、最優差值和卡爾曼濾波校準等方法，合理確定面平均雨量。

6)信息傳輸技術。從傳統的公用電話通信系統結合超短波、短波、微波專用通信系統，信息傳輸技術向衛星、GPRS系統等快速發展，重要站點要求互為備份的兩種通信信道模式提高了信息傳輸可靠性。

2 系統平臺與軟件開發

2.1 云計算

目前NIST提出的云計算定義被廣泛接受，總體上可概括為：它是一種提供按需的、便捷的、可用的網絡資源利用模式，資源共享池可以及時提供網絡服務、信息存儲、軟件計算、服務器模擬等功能，通過較少的管理工作或者很少的交互即可實現，并按照資源使用量用戶支付相應的費用。云計算強調利用網絡實現資源共享、所有資源的應用及其優化配置，它是網絡技術發展與熱備份冗余、高效用、分布式和并行式運算的高度融合。

防汛抗旱指揮系統一期工程設立有工情分中心和水情分中心，并且各分中心都有業務系統、數據庫管理系統及服務器，許多地區不會應用或者技術水平不達標。對此，應集中到水利云平臺盡快建成強大的水利云[5]。

2.2 軟件開發

我國防汛抗旱指揮系統一期工程實現了業務使用系統的業務協同、資源共享和標準統一，技術體系提出的“兩臺一庫”結構，在當時屬于系統的創新點以及先進的技術。研究認為在仍然有效的“兩臺一庫”架構上運用新的技術，不單單從概念上覆蓋“互聯網+”，還要在“兩臺一庫”總體框架下將系統結構加上新的軟件技術，圍繞數據的唯一性和數據的統一更新建設集中式數據庫。

對于災情評估、洪水調度決策、旱情變化預測以及洪水預報預警等，防汛抗旱指揮系統中旱情災情、歷史大洪水和水文氣象等長系列資料發揮著重要作用，有必要利用大數據分析技術開發與建設新的業務系統。對此，簡要闡述了大數據的定義、特征和應用：①現有的軟件工具無法處理、分析、共享、搜索、存儲和提取復雜的、海量的數據集合，即為大數據；②大數據存在處理速度快、價值密度低、數據種類繁多、數據體量巨大等特點，通過信息提純獲取有價值的信息極為重要；③數據應用包括所有相關信息、實時更新數據、實時監測信息、建設的海量數據源的推理歸納、綜合計算分析以及知識提取等。

水文預報應綜合考慮歷史洪水情況、低水情況、降雨分布特征和下游頂托作用等，不僅僅是計算機的簡單運算而屬于典型的大數據的應用。

3 結 論

1)我國防汛抗旱指揮系統工程涵蓋信息應用、管理、處理、傳輸、資源和服務的全過程，實質上屬于水利信息化的龍頭工程和信息系統工程，工程的實施為促進水利信息化的快速發展提供技術引領和重要基礎設施支撐。

2)防汛抗旱指揮系統一期工程具有先進實用的技術體系與方案，也是當時新型技術信息的主流，其設計原則總體上也是先進的。近年來，隨著信息技術的快速發展信息服務、軟件開發、網絡、信息傳輸等取得較大的發展，必須對其技術體系做出調整，盡可能將成熟的、最新的信息技術應用于未來系統的升級改造和建設，“兩臺一庫”的總體架構仍具有一定的適用性。

3)結合水旱災害新特點拓展指揮系統工程的內涵，并在我國防汛抗旱指揮系統中納入沿海地區防洪防風暴潮應對措施、山洪地質災害監測預警及城市洪澇防治等內容。