安徽省基層防汛預報預警系統的設計與應用

劉超 馬浩 楊玉喜

摘要：傳統的水旱災害防御手段存在預警針對性不強、預警提前量不足、預警覆蓋面不全以及各級水行政管理單位難以協同處理等問題，極大影響了政府防災減災服務能力。針對這些問題，結合智慧水利技術和基層防汛機制體制，從規范預警處理流程、延長預警預見期和無固定對象預警3方面出發，提出了一種具有監測數據集總接收、基礎信息同步共享、預警流程協同處理、決策會商一站式查詢、預警信息統一發布等功能的基層防汛預報預警系統。系統建成并投入使用后，在確保安徽省山洪災害防治、超標準洪水防御、水利工程安全運行等方面發揮了重要的作用，具有良好的應用和推廣價值。

關 鍵 詞：基層防汛;防汛預報預警系統;山洪災害;智慧水利

中圖法分類號：TP391

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0230-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.037

0 引 言

水旱災害特別是山洪災害破壞力大、突發性強、損失重，常造成人員傷亡，沖塌房屋，淹沒城鎮、基礎設施，改變河流形態和自然環境，是當前造成人員傷亡和經濟損失的主要災種，嚴重威脅廣大人民群眾的生命財產安全。構建監測預警體系，增強監測預警能力，是提升防災減災救災能力的重要組成部分，但水旱災害突發性強，預測預報難度大，若預警發布較早，則精度不佳，范圍過大;若預警發布較晚，則個人和組織的響應時間可能不足。而且發出預警信息后，只有快速、及時送達至受威脅人員并轉化為避險行為，預警才是有效的[1-3]。

近年來，為提高水旱災害防御預報預警的精準度，國內外已經開展了相關研究。如美國國家水文研究中心（HRC）針對山洪災害預報預警需求，聯合其他機構和單位，提出了基于山洪預警指標FFG（Flash Flood Guide）的預警系統建設思路，并在中美洲7個國家 50萬km2的山丘區應用，經檢驗該系統預報準確度為65%，誤報率為 35%，漏報率為3%[4]。我國水旱災害防御信息化建設工作起步相對較晚，2009年才開始山洪災害防治非工程措施試點工作，提出了基于調查評價、信息監測、預警發布、群測群防的山洪災害防御新思路。通過多年的建設，山洪災害防御工作效果顯著[5-7]。2015年水利部進一步部署湖南、安徽、河南3個省份試點開展省級災害預警系統建設。試點建設發現，目前各地基層防汛預報預警系統在精準預警、科學決策、及時發布和應急響應方面還有很大的差距，預警信息發布后在“最后一公里”過程中常存在不達、不明、不快、不全、不易、不理等問題，導致水旱災害防御未達到效果或失敗。本文以安徽省基層防汛預報預警系統為例，介紹了系統在處理預警針對性不強、預警提前量不足、預警覆蓋面不全以及各級水行政管理單位難以協同處理等方面問題時的一些創新解決方案，以期未來在全國范圍內推廣和應用。

1 系統架構和主要功能

根據水利部水利信息化頂層設計，安徽省基層防汛預報預警系統的總體框架采用松耦合的分層架構，由業務功能、應用支撐、數據資源、硬件資源、安全防護體系、標準規范體系等幾部分組成（見圖1）。系統結構每層功能相對集中和獨立，能夠為上一層提供很好的支撐服務，層與層之間具有明確的邊界劃分，松耦合的結構易于未來軟硬件及應用服務的調整與擴展。

1.1 業務功能

安徽省基層防汛預報預警系統主要功能包括實時監測、預警處理、運行管理、基礎信息、輔助決策等。在數據源上構建了水文、氣象、國土等監測站點以及地方建設站點的匯聚平臺，實現全省涉水信息“一數一源”的共享目標;在應用上立足水旱災害防御的主業，實現了全省水旱災害防御預警流程的系統處理，并隨著強化信息產品在行業“監管”方面的主題，融合了水利工程管理、洪水風險圖等基礎支撐業務;在時間軸向上立足實時，前溯歷史（歷史信息對比），后抵未來（氣象數值預報產品融合預警）;在空間對象上，基于行政區劃、流域、水文分區、焦點地區，按要素動態鎖定匹配站群實現分類交互瀏覽;在管理上，“設施監視”實現自測監測站點運行狀態分管理單位、分承建單位自動預警，同步實現共性基礎信息分級維護、應用共享。

1.2 應用支撐

應用支撐層主要包括應用服務、基礎服務和系統資源服務等內容。應用服務提供工作流程、地理信息 （GIS）、告警預警、智能表單?；A服務提供目錄服務、消息服務、模型服務、數據庫管理等服務。系統資源服務提供數據訪問接口、數據轉換、計算與存儲、數據字典等服務。安徽省基層防汛預報預警系統完成了統一身份認證、通訊錄、水利“一張圖”、水雨情采集、視頻監控平臺、匯集平臺等應用支撐系統建設，并對現有短信網關實現國家山洪預警短信特服號應用，對接移動、電信、聯通進行三網融合。

1.3 數據資源

數據資源層主要為預報預警系統各項業務提供數據來源，包括自動采集數據、共享匯集數據、人工上報數據、整編數據四大類。按照“一數一源”的原則，預報預警系統疏理整編全省系統信息資源，建立水利信息資源目錄，明確數據來源責任;更新安徽省全域萬分之一的矢量空間數據和0.5 m分辨率航拍影像數據和5 m地形數據，基于二三維地圖疊加社會經濟、工程、預案、責任制等全要素信息;完成了5萬多個責任人和1萬多個預案在線填報，實現責任范圍底數清晰、動態更新;利用防洪工程數據庫建設成果，集中復核全省5 956座水庫基礎信息[8]。

1.4 硬件資源

基礎設施為預報預警系統提供基礎的硬件支撐環境。由通信網絡、機房環境、數據服務器、數據存儲和數據備份等基礎設施構成。預報預警系統硬件的集中實施，解決了基層信息化運維力量不足、網絡安全防護困難等問題，實現了平臺硬件建設集約化。

2 業務流程設計

根據安徽省水旱災害防御機制體制，水旱災害防御責任主體在基層地方政府，省、市級水行政主管部門負責對轄內水旱災害防御工作進行業務指導和技術支撐。結合工作實際，安徽省基層防汛預報預警系統將預報預警業務流程劃分為預警發起、內部預警、預警研判、外部預警4個階段（見圖2），內部預警自動向市縣級業務人員發布，外部預警向各級責任人和社會公眾發布。預警業務流程的4個階段主要工作在縣級執行，省、市兩級通過系統對轄內實時預警進行總覽、對預警處置的及時性進行督辦。

2.1 預警發起

系統預警的發起有兩種方式：① 實時監測信息，數據來源為水雨情自動監測站點，當水雨情自動監測站點回傳的雨量、水位信息超過設定的預警指標后自動發起預警，預警指標主要通過前期開展的洪澇災害調查評價確定[9-10];② 氣象預報信息，數據來源為氣象部門1 km×1 km網格高精度降雨預報數據，系統對應氣象預報信息將預警級別分為4級，即Ⅳ級（可能發生）、Ⅲ級（可能性較大）、Ⅱ級（可能性大）、Ⅰ級（可能性很大）。

2.2 內部預警

當有預警發起時，系統自動觸發啟動內部預警，自動調用短信網關平臺向該預警關聯的責任人發送手機短信，提醒責任人員登錄系統對預警進行處置。責任人主要為各級水行政主管部門相關負責人、值班人員等。如果是水庫，提醒對象還包括水庫的3個責任人。系統預置了全省各級水旱災害防御相關責任人員以及全省5 956座水庫的行政、技術、巡查責任人聯系電話等信息，并在每年汛前通過系統進行更新。如果在一定時限內責任人未對預警進行處置，上級主管部門可以通過系統給預警所在縣級單位發送督辦短信，并納入考核打分。

2.3 預警研判

收到內部預警短信后，相關責任人登錄系統查看相關信息并進行研判。根據研判結果有關閉預警、加強關注、啟動響應3種處置措施。當研判發現降雨已經停止或者預警是由于現場設備故障導致的假預警，可以對預警進行關閉并填寫關閉原因，預警流程結束;當研判發現降雨還在持續，但并未達到立即轉移指標時，可以通過系統向相關區域發送短信要求進行加強關注;當研判發現預警可能要發生災害，可以通過系統啟動外部預警。

2.4 外部預警

安徽省基層防汛預報預警系統將外部預警分為兩類：① 由氣象信息研判得到的氣象預警，面向社會公眾發布，為提示性預警，主要通過通信運營商以基站短信的方式面向社會公眾進行發布;② 根據實時降雨和洪水監測值發布的準備轉移和立即轉移，為指令性預警，發布對象主要為鄉鎮、村、組、網格等責任人，再由責任人向群眾轉達，轉達方式包括短信、電話、對講機、無線預警廣播、防汛信息展播等方式，村組還可以通過銅鑼、手搖報警器、高頻口哨、廣播等方式發布預警信息。按照網格化責任體系，系統預置了全省5萬多個包保責任人、防御行政責任人和網格責任人信息，并在每年汛前通過系統進行填報更新。

預警發布后還要每天上報行動情況，立即轉移后還應報轉移情況，當轉移人員還回，預警流程才結束[11]。一次預警可以根據情況變化研判，采取多次多個處置措施。系統支持用戶選擇推送區域、用戶等。并可向相關責任人發起巡查任務，巡查任務通知可通過手機APP消息提示通知到相關責任人。

3 關鍵技術研究

圍繞水旱災害預報預警這一難題，從規范預警處理流程、延長預警預見期和無固定對象預警3方面出發，采用實時監測、數值模擬和多部門協同等手段，對預警對象沒有針對性、預警時效性不強、無固定對象預警、基層應用便捷化等問題進行了深入研究，并給出了科學的解決方案。

3.1 預警對象沒有針對性及預警時效性不強

基于“安徽省水利一張圖”高精度數字高程信息，利用GIS技術提取全省小流域水系圖，將超閾值降水、超閾值水位與可能影響到的網格、人口、房屋、橋梁等信息建立上下游空間關聯關系，從而建立小流域預警模型。模型根據自動監測站點類型和所在的區域特點設置預警閾值，包括雨量臨界值和水位臨界值。實時計算超閾值降雨或者水位可能影響的范圍和高風險區域，并在電子地圖上疊加分析（見圖3），評估洪澇災害發生、發展及其造成的影響。預警產生后根據防汛指揮部門職責和級別建立省市縣三級預警以及內外部預警相結合的信息發布體系，內部預警根據預警模型分析結果自動調取危險區范圍內相關的責任人、預警設備、視頻圖像站、防汛物資、專家庫等數據資源[12]。根據需要向相關人員和預警設備發布預警信息，進一步縮短預警研判到預警發出的時間。外部預警通過短信群發、微信、無線廣播、高音喇叭、手搖警報器、銅鑼等方式將預警信息及時準確地傳送到可能危險區域?；谑謾CAPP險情采集模塊上傳現場圖片和視頻，第一時間了解受災現場的實時情況。預警信息發出后依據上文所述業務流程對預警全過程進行監督和追蹤，確保充分發揮防汛人員、設備、物資的作用，做到效益最大化[13]。

為解決時效性問題，預報預警系統整合水雨情遙測和天氣雷達數據，除了對原有降雨進行統計分析外，還提供當前正在降雨情況預測和未來12，6，3 h降雨預報，做到早期預警，為水旱災害防御進一步增加了提前量。

3.2 無固定對象預警

針對山區旅游人員、流動人員以及外來務工人員等無固定對象人群，創新采用區域定向發送模式，有效解決了預警信息發布“最后一公里”問題。與移動、電信、聯通三大運營商聯系，建立預警區域與通信基站的對應關系，預警區域由平臺按照相應預警算法進行劃定，主要成果為小流域和鄉鎮、行政村邊界信息。相應運營商基站范圍內的所有在線手機用戶為預警信息發布的對象。當預警發起時，安徽省水利廳推送預警數據、小流域編號、短信模板編號給通信運營商，通信運營商根據已建立的空間關系調用對應的基站，采用統一短號碼對基站范圍內手機用戶發送預警短信。詳細技術路線如下（見圖4）。

（1）對全省行政區、小流域邊界數據進行整編分析，通過空間疊加算法計算出能夠完整覆蓋整個預警區域的運營商通信基站名錄，以達到預警范圍的全覆蓋。

（2）通過氣象部門2 h降雨預報數據，對暴雨格點區域進行分析，提取行政區和小流域范圍，并將范圍推送給運營商。

（3）當預警發起時，通過對通信基站周邊過去2 h和未來2 h內注冊的手機號碼進行短信預警，并對已預警手機號碼進行篩選，不做重復預警。

（4）對短信發送結果進行反饋，短信發送結果通過開放統一接口，基于專網網絡與運營商進行對接，反饋的數據結果包括已經發送短信數量、發送成功的短信數量、等待報告的短信數量、發送失敗短信數量等內容。

3.3 基層人員信息獲取難

針對基層鄉鎮政府和山洪威脅區的中小學校，創新采用“基層防汛信息展播”的預警發布新模式?；鶎臃姥葱畔⒄共ナ且訰CU（遠程控制終端）主控單元為核心，根據安裝環境的不同配置相應顯示設備（室內液晶顯示屏或者室外LED顯示屏）、遙控器等，預警系統預先定制“當前預警、雨水情、視頻/圖像、水利宣傳”等頻道，并將頻道發布到各個鄉鎮RCU主控單元，基層水利管理人員便可通過遙控器以類似切換電視頻道的方式簡單獲取轄內相應實時預警、雨水情、視頻/圖像、水利宣傳等信息，也可以通過手機APP或短信實現本單位日常通知的發布。

基層防汛信息展播設備通過安徽省基層防汛預報預警系統實現各類信息的展示（見圖5）。展播設備根據安裝位置的不同，可以在預警系統匹配相應的雨量、水位、圖像、視頻站點;通過與省級視頻監控平臺對接，實現視頻站點視頻流數據的轉發，完成展播設備的視頻監控數據在線瀏覽;通過與省級統一短信平臺對接，實現基層管理人員短信通知內容在管理范圍內展播終端的實時展示。

3.4 系統對大數據的展示

① 進行邏輯避讓。以站點級別、站類以及區域站網空間密度，實現“歸類優先、兼顧疏密”的人性化視覺瀏覽效果。② 站群檢索。涉水信息從統計意義上多數與面對象有關，涉及“行政區劃”、“流域”、“水文分區”、“焦點區域”等，這些區域類別之間存在交集，在區域統計時對邊界內的匹配站點檢索存在重復配置。“站群檢索”專用工具將具體的面對象抽象出來，實現“面層→工具→站群”的動檢索，徹底規避動態變化、無窮盡的站點配置。

4 應用情況及效果

安徽省基層防汛預報預警系統于2019年5月在安徽省正式上線運行。用戶覆蓋全省各級水行政管理單位，系統功能已由單一預警實現向綜合平臺的過度，整合的監測站點從原來不足1 000個發展到約6 000個，監測盲區大大減少，預警的及時性、有效性顯著增加。尤其是2019年汛期，安徽省利用省級平臺上的監測預警數據，結合前期開展的山洪災害調查評價成果，準確捕捉到“利奇馬”臺風可能造成的嚴重影響，第一時間向宣城市、寧國市發出預警，要求按超歷史洪水防御方案堅決果斷轉移危險區人員。寧國市提前約1 h將影響區域人員轉移完畢，有效避免了人員傷亡。災后調查，洪水淹沒范圍與系統判斷的預報預警范圍幾乎一致。

5 結 論

本文針對水旱災害預報預警這一難題，在水文、氣象、災害、通信、軟件等方面開展了全面的研究，形成了完整、體系化的水旱災害防御信息化支撐系統，并在水旱災害防御過程中得到成功應用。

（1）建立了規范化、流程化的水旱災害防御體系，提出的四階段預警處理業務流程，實現了省、市、縣各級水行政主管部門的協同運轉。解決了基層業務流程不規范、處置監管能力不平衡等問題，實現業務處置看得見、管得到。

（2）研究開發了區域定向預警信息發布系統，實現了對無固定對象人員的預警通知，并通過大數據分析，實時掌握區域內人員年齡分布和空間分布情況，為人員轉移方案的制定提供了有效支撐。

（3）基于基層防汛預報預警系統，研究開發了信息展播設備，實現鄉鎮基層防汛業務人員、學校師生等基層群體以類似“電視頻道”的方式方便快捷的獲取水旱災害監測、預警信息。

（4）結合視頻監控應用支撐平臺，創新研發了視頻無插件訪問技術，實現了BS模式下視頻站點在多種瀏覽器中的實時訪問和控制。

安徽省基層防汛預報預警系統是國家防汛抗旱指揮系統向基層的延伸，平臺使用了全新的開發技術，以最簡單、最全面、最清晰的方式給防汛工作者和決策者予以查詢和顯示，以便隨時掌握防汛信息。該系統對安徽省水利各專題數據進行了充分發掘，使業務數據更加準確、基礎數據更加全面、數據訪問更加流暢、數據展現更加科學簡潔?；鶎臃姥搭A報預警平臺已經實現的共享模式、預警處置的技術路線、取得優異成效等方面對公共安全具有共性，推廣應用前景廣闊。

參考文獻：

[1] 何秉順.淺談自然災害預警 [J].中國減災，2019，12（6）：44-47.

[2] 趙剛，龐博，徐宗學，等.中國山洪災害危險性評價[J].水利學報，2016，47（9）：1133-1152.

[3] 李紅霞，覃光華，王欣，等.山洪預報預警技術研究進展[J].水文，2014（5）：12-16.

[4] 孫東亞，張紅萍.歐美山洪災害防治研究進展及實踐[J].中國水利，2012（23）：16-17

[5] 馬建華，胡維忠.我國山洪災害防災形勢及防治對策[J].人民長江，2005，36（6）：3-5.

[6] 馬建明，劉昌東，程先云，等.山洪災害監測預警系統標準化綜述[J].中國防汛抗旱，2014，24（6）：9-11.

[7] 胡維忠.構建科學的山洪災害監測預警系統 [J].中國水利，2007，7（14）：34-37.

[8] 何洋，寧芊，趙成萍.縣級山洪預警平臺專題數據庫設計與應用[J].人民長江，2014，45（2）：45-45.

[9] 陳桂亞，袁雅鳴.山洪災害臨界雨量分析計算方法研究[J].人民長江，2005，36（12）：40-43.

[10] 江錦紅，邵利萍.基于降雨觀測資料的山洪預警標準[J].水利學報，2010，41（4）：458-462.

[11] 郭良，唐學哲，孔凡哲.基于分布式水文模型的山洪災害預警預報系統研究及應用[J].中國水利，2007，7（14）：38-41.

[12] 李昌志，孫東亞.山洪災害預警指標確定方法[J].中國水利，2012（9）：54-56.

[13] 張志彤.山洪災害防治措施與成效[J].水利水電技術，2016，47（1）：1-5.

（編輯：鄭 毅）