基于位置的城市水文预警信息服务平台研究

查治荣，徐保超，周庆鹏

（山东省青岛市水文局黄岛分局，266400，青岛）

随着我国城市化进程不断加快，城市防汛已成为城市管理工作的一项重要内容并日益受到重视。但是，由于预案操作性不强、预警信息推送不及时、预警对象针对性不强、决策支持信息不直观等问题，导致城市防灾减灾应急决策滞后。为满足城市管理、防灾减灾对水文预警信息服务的需求，山东省青岛市水文局黄岛分局提出建设黄岛区城市水文预警信息服务平台，利用高精度城市积水预报模型和移动通信大数据平台，构建了基于位置的城市水文预警信息发布系统。

一、城市水文常规预警流程及存在问题

1.城市水文常规预警流程

目前常规洪水灾害预警信息主要发送至预设的预警对象，如防汛指挥机构、城市管理、交通等部门的负责人，以及受威胁的社区、单位的管理人员。预警信息传达的主要流程是：①从实测、模拟或预报数据中筛选出灾情信息；②结合风险图找出受威胁的区域；③灾害范围较大时，在预设的电话列表中向对应的负责人等发送预警信息，由他们组织通知受威胁人员；④灾害范围较小时，常常通过大喇叭、入户警报器等方式直接通知受威胁人员。

2.存在的问题

一是预警时效性不强，对于城市洪涝来说，强降雨后的10分钟左右就会形成具有威胁性的积水点，而传统预警信息送达的时效性不能满足公众需求；二是预警的针对性不强，常规的信息发布方式不能将预警信息直接推送至实际遭受威胁人员，大范围不区分对象的信息发布方式冗余度过大。

二、基于位置的城市水文预警信息发布系统

1.实现原理

依托概念性城市暴雨积水预报模型，利用微地形构建高精度城市洪涝预警信息及区域管理模型，实时判别积水区域和淹没范围。融合中国移动、中国联通两大通信运营商的大数据服务平台，根据积水区域及范围，整理各积水区域对应的基站信息，形成积水区域、移动基站LAC+CEL列表，建立智能识别、实时关联触发规则。将服务平台推送来的积水区域信息及短信模板信息推送到移动大数据预警短信平台上，预警短信平台根据积水区域条件触发相应基站，通过MAS端口向积水区域用户发送指定的预警短信。实现原理见图1。

图1 实现原理图

2.概念性城市暴雨积水模型

（1）模型介绍

模型采用分布式逐单元汇流技术,通过产—汇流耦合技术考虑了汇流过程的非线性问题，内嵌高精度数值流域信息、分布式输出水文全要素模拟数据，并能结合GIS进行多媒体展示。

每个时间段内的计算过程如下：

根据提取出的易涝点集水范围，结合土地利用数据，按照集水范围内的下垫面类型及各下垫面类型的占比，统计出易涝点的径流系数，用于降雨产流计算；用集水范围内的平均排涝模数做分水源计算，排入地下管网的水不参加后继计算；对每个单元的地表自由水进行逐单元汇流计算，并计算易涝点底部，结合二者，计算局部积水；计算局部积水在水深压力作用下增加的管网排涝量，这部分水排入地下管网；计算剩余积水的面积和平均水深。

（2）模拟结果及验证

在近5年的实测数据中，挑选淹没深度较大的8次洪水过程，根据这8次洪水过程数据通过人机交互方式进行模型参数的选择与优化。随机选择2次道路积水点洪水过程的实测数据进行对比验证，实测积水深与模拟积水深变化过程线见图2和图3。

计算出积水深最大值的相对误差在4.91%~7.53%之间，积水深最大值的平均相对误差为6.22%；积水深平均值的相对误差在8.04%~10.34%之间，积水深平均值的平均相对误差为9.19%。

图2 次洪170804积水深过程线

图3 次洪170817积水深过程线

2.基站天线覆盖范围确定

城市通信基站一般采用发射功率和天线增益较小的定向天线，天线水平半功率角接近60°，一般由三台天线共同组成基站收发天线组，实现三叶草形蜂窝覆盖范围。考虑到建筑物的阻挡、信道冗余等因素，城市通信基站往往密集设置。

借用分布式计算的思路，将基站周边划分为无数个栅格，根据基站各天线的位置、挂高、方位角和下倾角，建立模型，逐个计算基站周边每个栅格的信号强度，得到信号强度的空间分布。

每个栅格的信号强度可以用如下原理来估算：

式中：I是栅格的可能信号强度，单位是dBm；I0是天线主瓣最大信号强度，单位是dBm，在这可考虑天线的下倾角；kθ是角度衰减系数，无单位，其中角度可以利用栅格位置和天线的方位角来计算；kl是距离衰减系数，无单位，可以用栅格位置和天线位置来计算；kb是高大建筑物导致的信号衰减系数，无单位。

对于多个站点或一个站点的多个天线，逐个计算每个天线的覆盖范围，然后按照信号强度优先的原则来叠加，得到区间站网的信号覆盖图。

图4 城市积水预警信息的发布流程图

3.预警信息发布

以青岛市黄岛区1m分辨率的DEM（Digital Elevation Map，数字高程模型）划分栅格，结合基站天线覆盖图，整理各积水区域对应的基站信息，形成积水区域、移动基站LAC+CEL列表，建立智能识别、实时关联触发规则。制定预警规则，实时驱动概念性城市暴雨积水模型，获取积水区域和预警范围，制定预警信息内容。预警信息推送接口以服务形式提供，数据进入中国移动、中国联通两大通信运营商大数据服务平台，根据积水区域及范围参数，叠加积水范围和基站天线覆盖图，参考冗余度，分析筛选出积水范围内的天线，对天线覆盖范围内的所有用户发送预警信息。发布流程见图4。建立预警区域人群监控分析模型，快速获取灾害区内和即将进入灾害区人员信息，并返回每个积水区栅格内的用户数量。

三、结 语

通过建设黄岛区城市水文预警信息服务平台，构建了基于位置的城市水文预警信息发布系统，实现了城市洪涝预警信息的靶向服务。系统投入运行后，有效解决了城市水文预警信息推送不及时和推送对象针对性不强的问题，进一步提升了城市水文预警信息情报的智能化和精细化水平，有效提高了城市居民应对和防御城市洪涝灾害的能力。

基于位置的预警信息推送模式的推广应用，能进一步满足水文信息在防灾减灾应急决策支持和公众服务等方面的需要，更好地解决水文信息服务“最后一公里”的问题，实现水文信息综合服务能力的全面提升。