山洪災害監測預警云平臺系統設計與應用

嚴劍兵

(江西省安瀾工程咨詢有限公司，南昌 330000)

1 概述

山洪災害是指在山丘區由強降雨引發的具有突發性強、破壞力大等特征的洪水災害[1]，為水利部水旱災害防御“三大風險”防范應對的重點工作之一。近些年極端天氣頻次增多再加上山丘區群眾活動的加劇導致山洪災害頻發，損失極大，已嚴重影響了各地經濟社會發展。各地學者在山洪災害監測預警預報系統、洪水管理[2]等方面均開展了一定的研究，如美國學者于20世紀70年代就研發了山洪預警指導系統(FFGS)，已廣泛應用于中美洲、南非等地，基本實現了山洪災害的實時監測預警；日本21世紀期初開發了以社區為基礎的山洪早期警報系統；歐洲部分國家建立了基于洪水預報的山洪災害預報預警系統[3]。我國山洪災害防治起步較晚，經過最近10多a的山洪災害防治項目建設，基本建成了適合國情的山洪災害防御體系，但在監測預警體系建設方面，仍存在著系統雜而多、內部數據難以關聯、調查評價成果應用不夠等突出問題，為此，以“監測、預報、預警、轉移、反饋”五位一體的業務為核心，建設了山洪災害監測預警云平臺系統，實現了監測技術現代化、預報預警自動化、信息資源共享化、管理決策智能化，支撐了山洪災害監測預警管理。系統對于提升山洪災害監測預警標準、高效發揮山洪災害防治非工程措施作用、提升山洪災害防御能力、為中小河流防洪減災提供決策依據等方面具有重要的作用。

2 山洪災害監測預警云平臺系統建設內容

通過軟硬件設施設備的結合，采用縱向業務集成、橫向數據集成、云服務、統一標準、擴展開放等建設思想，實現“監測、預報、預警、轉移、反饋” 的業務應用展示，形成集中管控、分級負責、鄉村組三級聯動的綜合指揮體系[4]。其建設內容包括基礎云平臺建設、數據產品加工與服務設計、平臺系統建設、調查評價成果應用和軟硬件設施設備綜合應用。

2.1 基礎云平臺建設

以“云服務”為基礎，在省一級建設數據中心內容，實現監測數據省中心統一接收、統一 存儲[5]。系統采用“省級部署、省市縣鄉村五級使用”的服務模式?！霸品铡痹O計基礎平臺實現資源共享、按需分配服務器和數據資源，無須各區縣分別建設、維護自身的山洪災害監測預警系統，減少山洪災害監測預警系統建設、運行和維護的總體成本，減少市縣級用戶單位對系統維護的難度和費用；同時通過服務器、計算資源的集中使用可以實現山洪災害防治相關模型分析和數據分析對大規模計算資源的需求；另外一級部署也方便對數據中心數據資源的共享，可以利用省一級的資源優勢實現數據產品的加工與制作服務，并提供給各區縣用戶使用[6]。山洪災害監測預警云平臺系統結構配置如圖1所示。

圖1 省級部署、多級應用的山洪災害監測預警云平臺系統結構配置示意

2.2 數據產品加工與服務

數據產品加工服務有水情預警計算服務、雷達回波圖加工服務、降雨數值預報數據產品加工服務、智能化預案模型算法服務、數據產品推送服務。① 預警計算服務自動根據實時、預報的降水、河道水情數據進行預警計算，將預警計算結果作為數據產品提供給應用系統使用[7]；② 雷達回波圖數據產品加工服務用于下載、處理和存儲各區縣范圍內的雷達匯報數據，并按照區縣、市、省不同級別的用戶對雷達回波數據的需求進行推送雷達回波數據產品；③ 降雨數值預報數據產品加工服務用于獲取、處理、存儲降雨數值預報產品數據；④ 智能化預案模型算法服務是依據智能預案數據結構化模型與工具發布為可自動化運行的服務，根據每次事件的實際情況，快速制定具體、可執行的行動方案，形成決策需要的預案數據[8]。智能預案數據結構化模型與工具服務同時可以和其他服務直接交互，快速獲取云GIS服務提供的數據服務、空間分析服務，并通過云GIS服務獲取現場周邊環境、基礎設施狀況和資源配置情況，動態掌握事件的發展演變過程[9]；⑤ 數據產品推送服務支持對數據的個性化推送，即不同部門，不同角色的用戶應用端可以收到不同的推送數據。同時，用戶可以設置數據推送的時間、內容，以及是否接收數據推送服務。

2.3 平臺系統建設

山洪災害監測預警云平臺系統是整個系統的核心業務系統，通過“省級部署、四級使用”的云服務平臺機制，實現監測預警、應急響應、三維展示、監測設備和系統管理等功能。

2.4 調查評價成果應用

充分利用山洪災害調查評價成果[10]，將山洪災害調查的基礎數據、統計表、專題圖層等植入山洪災害監測預警云平臺系統，通過集成工作底圖展示防治區、危險區、沿河村落與城集鎮、居民戶、小流域、涉水工程等數據。根據調查評價成果，結合當地實際情況，在系統中對各自動監測站點與各重點沿河村落相關聯，對各站點設置好不同沿河村落的預警指標，讓水情信息與具體受災地點、各個調查對象的照片、社會經濟情況等相結合，進一步拓展平臺的防災預警能力，使得預警信息更加準確，操作性更強，增強系統的會商決策支持能力。

2.5 軟硬件設施設備綜合應用

建立“三個五合一”硬件設施設備的臺帳登記、日常檢查、管理及運行情況統計分析等功能，為管理與運維單位提供必要的工具，協助運維單位提前了解系統故障及時進行維護。“三個五合一”與軟硬件設備綜合應用關系如圖2所示。

圖2 “三個五合一”與軟硬件設備綜合應用關系示意

3 山洪災害監測預警云平臺系統功能

山洪災害監測預警云平臺系統功能主要包括監測預警、應急響應、三維展示、設備監測和系統管理等功能(如圖3所示)。

圖3 系統功能模塊示意

3.1 監測預警

監測預警以GIS為信息組織中心，將實測或預報的雨情、水情，以及實時工情(視頻監控)有機地結合起來，直觀展示未來洪水規模、特點、發展趨勢[11]，有助于山洪災害防治人員實時掌握防洪形勢，明確當前山洪防治的主要問題和決策目標。通過智能化預警機制，根據預警規則實時計算，當達到預警條件時及時向工作人員發出預警信息，并將預警信息通過閃爍、聲音的方式通知用戶，便于及時做出相應的響應措施[12]。

3.2 應急響應

當出現危險區預警時，需要對當前防汛形勢進行研判，以及確定是否采取相應的應急響應措施，若采取應急響應措施則需對響應措施進行組織安排、反饋跟蹤以保障防洪搶險工作有效執行。應急響應模塊包括應急會商、響應措施制定以及查看歷史預警、歷史響應、歷史災情信息、預警發布信息、歷史任務信息。應急會商主要用于分析、研判發生預警時的防洪形式，了解預警區域相關信息，提取和呈現各類綜合信息，便于決策是否啟動應急響應，以及啟動對應級別的應急響應；響應措施制定是根據智能化預案，在啟動應急響應時系統根據智能化預案和危險區的關聯信息，得出針對危險區的應急響應處理措施，然后根據應急響應措施分配任務，以及進行任務執行情況反饋；歷史預警查詢功能根據條件查詢歷史上出現過的預警信息[13]；歷史響應查詢功能查詢歷史上啟動過的應急響應信息；歷史災情統計查詢功能查詢歷史上的上報的災情統計信息；預警發布信息查詢功能查詢歷史上發布過的預警信息；歷史任務查詢功能查詢歷史上啟動過的任務信息。通過“監測——預警——會商——應急響應”一體化業務流程，形成支持監測預警、防汛會商、 應急響應和響應反饋的一體化防洪減災業務系統[14](如圖4所示)。

圖4 系統一體化業務流程示意

3.3 三維展示

三維展示平臺是基于三維技術實現的山洪災害防治區域空間數據展示平臺，用于展示防治區的地形、地貌和相關水利工程信息。具體功能包括三維平臺基本功能、工程展示、三維飛行、測量計算、工程模型展示等功能。三維展示平臺的基本功能有三維數據的展示，三維數據瀏覽的基本控制，地圖場景切換等功能；工程展示是將主要水利工程要素疊加到地圖上展示，用戶可以查詢定位水利工程，并通過關聯檢索查看水利工程相關信息；三維飛行功能是為了便于查看流域三維場景及水利工程分布，可沿設定的路線以適合的角度和高度飛行，并具備適時調整俯視角和飛行高度等功能，從山洪溝的飛行查看山洪周邊的村莊及水利工程的分布情況；測量計算功能是為了便于實現對三維地形、地貌的分析，平臺系統測量計算功能形成針對三維地形的測量工具，包括距離測量、面積測量和高程測量等；工程模型展示功能是在重點防洪工程區域構建三維工程模型，三維工程模型能展現逼真的三維工程和其他設施、工程、建筑等模型，包括真實的地貌(山地、丘陵、河谷、平原、水體)類型分布、植被類型分布的展現。

3.4 設備監測

設備監測功能主要以反映預警、監測設施設備的詳細狀態為主要目的。其中主要包括有監測設備(設備實時情況監測)、設備臺賬、日常維護、設備維修計劃管理及設備報警記錄等功能。監測設備功能展示了設備詳情，如設備名稱、設備類別、在線狀態、電壓值、電壓狀態、報警時間；設備臺賬功能記錄各基礎設備設施的使用情況、數量以及其基本信息管理；日常維護功能記錄用戶所在政區所有監測設備的日常維護記錄；設備維修計劃管理功能是為各監測設備對應的維修計劃的增刪改查進行管理；設備報警記錄功能是記錄用戶所在政區監測設備運行不正常導致的報警情況。

3.5 系統管理

系統管理可以實現用戶管理、權限管理、單位管理、功能模塊管理、預警指標管理、水文站點管理、應急預案管理、日志管理等功能。

4 應用實例

山洪災害監測預警云平臺系統為江西省山洪災害防治示范縣建設的一項重要內容，目前該系統已在江西省浮梁縣、修水縣、黎川縣、青原區等山洪災害頻發縣應用。

以浮梁縣為例，根據浮梁縣山洪災害調查評價成果，浮梁共有273個山洪災害危險區[15]，危險區內人口為10 611人，區域內山洪災害頻發，浮梁縣自動監測站點、山洪災害危險區分布如圖5所示。以“2020.7.9”場次洪水為例，2020年7月7日至9日，浮梁縣內普降暴雨，過程降雨量最大為竹嶺站519 mm；最大1 h降水為深渡站64 mm，最大24 h為竹嶺站372 mm，深渡水文站“20200709”暴雨洪水水位過程如圖6所示。該縣防汛工作人員利用該系統自動化預報計算服務進行降雨洪水預報，提前10余h預測到深渡水文站洪峰水位為51.06 m、洪峰流量為 1 987 m3/s，實際場次洪水洪峰水位為50.94 m、洪峰流量為1 930 m3/s。當預報水位超過關聯危險區的預警指標時，系統即閃爍報警、啟動智能化預案并發短信至預案中的危險區責任人，本次降雨過程中共對全縣164個山洪災害危險區發布了預警，實現了危險區的精準識別預警[16]，預警的及時性、有效性明顯增加；雖然24 h全縣平均降雨量達169.4 mm，境內河流全流域水位暴漲，洪水泛濫，但通過該平臺及時預報、預警，累計發送山洪災害預警信息2萬多條，提前通知危險區群眾并轉移3 000多人，有效避免了人員傷亡，在浮梁縣的防災減災工作中發揮了尤為重要的作用。

圖5 浮梁縣自動監測站點、山洪災害危險區分布示意

圖6 浮梁縣深渡水文站“20200709”暴雨洪水水位過程示意

5 結語

山洪災害監測預警工作事關人民生命財產安全，對時效性和準確性要求高，信息化系統的建設直接影響著預警工作的成效。山洪災害監測預警云平臺系統以“監測、預報、預警、轉移、反饋”五位一體的業務為核心，采用縱向業務集成、橫向數據集成、云服務平臺思想、統一標準、擴展開放等思想，在系統結構、預警模型、功能搭建、數據庫建設等方面形成了完整的體系，實現了監測預警、應急響應、三維展示、監測設備和系統管理等功能，在浮梁縣的示范應用證實了該系統預警的及時性和有效性，系統對于提升山洪災害監測預警能力、為中小河流防洪減災提供決策依據等方面具有重要的作用。