干旱区山洪监测预警信息管理系统开发与应用

魏 智， 刘世华， 苟启智， 吴锦奎

(1.甘肃省白银市水电勘测设计院，甘肃 白银 730900；2. 甘肃省白银市抗旱防汛办公室，甘肃 白银 730900；3. 华北电力大学计算机学院，河北 保定 071003；4. 中国科学院西北资源环境研究院水土资源研究室， 兰州 730000)

干旱山区地貌为丘陵沟壑相间分布，山区面积远大于川区，是本地区主要水资源之一[1]。山区沟道多为干沟，比降大，植被差，产汇流速度快，降雨时容易形成高强度、突发性的洪水，暴雨洪水发生时间和地点难以预测。往往在上游局地发生了雨强很大、历时较短的暴雨，形成了峰形尖瘦、总量较小的洪水，而下游水文站并没有发生同期降水，水文站对应的流量过程线流量涨幅也不大。局地暴雨洪水灾害发生机会多、破坏力强、防御难，常在很短时间内造成雨区毁灭性灾害[2-4]。随着全球气候变化，我国北方以至全球极端气候增多[5-7]，山洪灾害将更加频繁。因此，充分利用干旱区山洪灾害防治非工程措施设立的自动测雨设施，建成山洪灾害监测预警信息管理和共享系统，对显著增强防灾减灾和风险管理能力，减少人民生命和财产损失，为各级各部门防汛、防灾决策提供技术支撑有着重要的意义。

1 项目区降雨特征

白银市位于甘肃省中部处于内蒙古高原与黄土高原过渡地带，为典型内陆干旱区，是甘肃中部四个干旱地区之一。其气候变化全年大多时候受高空西风气流和青藏高原季风控制，高低压系统多以此大尺度天气系统为背景发生演化[1,4]。而中部地区高原气候特征和高海拔山峦河谷地形，遇到东南风或冷空气，就形成较大降雨过程[8-10]。其降雨类型主要为锋面或涡切变型暴雨、雷阵雨型暴雨和混和型[9-12]。锋面或涡切变型暴雨降雨面积大，历时长，强度变化较平缓；而雷阵雨型暴雨降雨面积小，历时短，雨量集中，强度大；混和型暴雨具有前二者的特征。地区年平均24 h最大点降雨量30～40 mm。主要降水量集中在6-9月份，约占全年降水量的70%～80%，暴雨也随之发生，其中7-8月份占全年降水量的45%左右。24 h雨量占3 d雨量的80%，12、6、3 h雨量分别占24 h雨量的80%～50%[12-14]。大部分暴雨历时都在数小时之内，历时短，强度大。

2 系统架构

2.1 系统总体框架

监测系统主要包括水雨情监测站网布设、设备设施配置、信息采集、信息传输及组网。要求及时制作、发布山洪灾害预报警报。具有水雨情报汛、气象及水雨情信息查询、预报决策、预警、政务文档制作和发布、综合材料生成、值班管理等功能，并预留泥石流、滑坡灾害防治信息接口。实现纵向与县(区)、市级、省级监测预警系统平台之间互联互通和信息共享，横向与水文、气象、国土等部门之间的互联互通和信息共享，星形拓扑连接(图1)。

图1 系统总体架构图Fig.1 The overall framework sketchmap

2.2 系统结构组成

根据上述方案的设计思路，搭建系统总体框架。山洪监测预警信息管理和共享系统划分为山洪灾害数据共享汇集子系统、山洪灾害调查评价审核汇集子系统、监测预警子系统3个相对独立又紧密关联的系统。每个子系统又可由软件系统、计算机网络系统和数据库系统组成。基于平台的山洪灾害监测预警子系统主要又可由信息监视子系统、信息查询子系统、预报决策子系统、预警子系统和视频会商子系统组成(见图2)。

图2 系统结构组成示意图Fig.2 The sketchmap of system structure compositions

数据共享汇集系统主要是为系统平台汇集各类数据，包括实时雨水情数据共享汇集、基础数据共享汇集、山洪预警信息共享汇集、上下游相邻县数据共享、气象信息共享汇集和国土信息共享汇集，为专业应用提供强大的数据服务功能。

调查评价数据审核汇集系统主要实现数据导入、数据接收、评价分析、数据检查、数据入库、汇总上报、检索查询等功能。

监测预警信息管理系统可实现山洪灾害预警监视、雨水情信息查询、预警响应信息查询、基础信息查询、工情(视频监控数据)信息查询、气象和国土信息查询、山洪灾害快报、县级平台运行状况监视、系统管理等功能。

3 系统实现

3.1 系统开发组件

以internet技术为核心，采用WebService及持久层框架等技术，在保证技术先进性的同时兼顾了技术的实用性。同时，采用组件式开发技术，使彼此独立的业务组件通过Webservice、XML、JSON等松耦合的通讯方式组织在一起形成完整的业务系统。采用数据访问对象(Data Access Object)来实现对数据库的存取，采用O.R MAPPING技术保证公共数据库的可扩展性，采用JSON、XML、Webservice作为数据发布标准，采用元数据、数据映射、XML数据库等技术实现数据处理。

数据库系统是山洪监测预警信息系统的信息支撑，提供系统所需的基础和专题数据，按水利技术体系规范标准和国家防总的技术要求，利用关系及空间数据库技术，基于SQL SERVER 2012进行数据库编写开发。

3.2 网络通道建设

系统计算机网络结构采用以太网(千兆网或快速以太网100Base/TX/FX/T4)交换技术。网络对外互联采用TCP/IP协议，局域网内部支持TCP/IP、IPX/SPX、NetBEUI等协议。

各层级间采用虚拟专用网(VPN)连接，由省级水信息中心统一负责组织网络规划和IP地址分配，水利专网带宽6M，保证遥测、视频监控等各类山洪灾害数据实时传输共享及视频会议畅通。市级平台VPN作为县级平台VPN总部使用，为县级VPN接入建立合法接入授权和数据共享策略。

省级水利专网先接入到水情信息中心，以此为节点与市(州)防汛部门联通专网。市级山洪灾害监测预警平台网络由市级防汛(水务)部门核心交换机作为接入点，连接到预警平台设备。通过平台网络交换机联通共享服务器群、应用服务器、数据库服务器、短信网关、传真服务器等。并以此为节点与市级防汛、水文、气象、国土等部门联通专网。

野外测站数据传输采用GPRS(GSM/CDMA)无线分组交换技术，用户通过GPRS系统的网关GGSN连接到互联网，并且通过WebSerivce技术实现信息自动入库。

3.3 系统集成

将山洪灾害数据共享汇集系统、山洪灾害预警信息管理系统、山洪灾害待查评价数据审核汇集系统等多个系统，有效地整合平台内。平台支持各种结构化和非结构化的数据，实现平台内数据的采集、山洪数据的分析、报表和对未来数据走势的预测。

系统集成采用符合SOA结构及JavaEE技术，以满足跨硬件平台、跨操作系统的要求。系统信息的查询与发布等应用系统采用B/S三层体系结构，信息汇集子系统则可采用C/S体系结构。

3.3.1 内部系统集成

根据系统不同层面集成需求，依托平台统一应用集成服务，分别采用面向信息集成技术、面向过程集成技术和面向服务集成技术完成不同层面集成。在系统数据级集成层面上采用数据复制、数据聚合和接口集成等面向信息集成技术方法，提供统一数据访问格式，实现系统间数据和信息共享；在系统接口级集成层面上采用面向过程集成技术方法，只处理系统之间过程逻辑，与核心业务逻辑相分离；在系统服务级集成层面上采用基于SOA(面向服务架构)和Web服务技术集成方法，完成服务级、界面级系统整合。

3.3.2 外部系统集成

采用水利、信息行业各种标准和规范，数据库、报表等内容和格式、采用完整、先进、成熟的软件、中间件、多层结构、Web等技术，通过外部集成使市级山洪灾害监测预警信息系统，和白银市抗旱防汛指挥系统集成为一个有机整体，优化系统软硬件资源。使得各个系统之间、各模块之间具有相对独立性和使整个系统具有很强可扩展性，保证系统开放性、可移植性、可维护性和兼容性。

4 系统应用

山洪灾害监测预警信息管理系统是评价河道治理的重要指标之一[15]。系统PDA应用系统(移动客户端)主要作为市、县级山洪灾害监测预警信息管理系统的组成部分，为系统用户提供随时随地了解防汛内容。包括数字地图、雨情信息、预警信息、气象信息、防汛资料等不同功能模块，通过网络、GPS、GIS、GPRS/GSM等为用户提供当前所在位置、实时水情信息、实时雨情信息、工情信息、防汛文档、通讯录信息等内容(见图3)。

当山洪灾害达到山洪灾害预警信息的阈值，野外监测站系统自动根据预警等级，向关联监测站、防汛等相关部门人员群发信息，也能够在人工干预的条件下向防汛相关人员发送山洪灾害预警信息。电话传真预警发布能自动向列表中的各个单位及时传送山洪灾害预警信息或调度指示文件等，避免人工预警时效性差的问题。白银市山洪灾害监测和预警信息系统每年多次及时发出监测预警(表1)。

表1 监测预警信息系统应用结果Tab.1 Application results of monitoring and pre-warning information system

下层级发出预警信息后, 上层级系统 所接收的预警信息在1∶250 000 WebGis天地图(矢量图、地形图、映像图)上显示，在地图上对应的乡镇或小流域图标闪烁或发声，防汛值班人员看到预警后，进行查询核对，并经防汛指挥部会商后确定预警级别和范围，通过多种方式向相关人员发布预警信息，并接收责任人的反馈信息。

5 结 语

(1)干旱山区地形复杂破碎，多为沟壑谷地相间分布，局地高强度降雨时容易形成突发性的洪水，暴雨洪水发生时间和地点难以预测，容易造成较大灾害，全球气候变化引起的极端气候变化更加剧了这一灾害。

图3 站点分布与站点雨量Fig.3 The rainfall and locations of sensor site

(2)充分利用山洪灾害防治非工程措施设立的自动监测站点，建成山洪灾害监测预警信息管理和共享系统，可提高预报的及时性和准确性。同时，系统纵向上从省至市、县各级防汛或水情部门联接，可实现水情数据上报、查询、下发等，横向预留与国土、气象、水文等相关部门接口，实现广泛的信息数据汇集与共享，构建群策群防的一体化防汛减灾体系。

(3)山洪灾害监测预警信息系统的建设，实现了山洪预警信息和数据的集中管理和共享，实现视频会商，为地区各级各部门防汛、防灾决策提供有效的技术支撑。对显著增强防灾减灾和风险管理能力，减少人民生命和财产损失有着重要的意义。白银市山洪灾害监测预警信息系统运行3年来，准确地监测预警了多次局地暴雨，结合视频会商系统，成功部署了防汛工作，取得了良好效果。

(4)野外水情监测站点是监测预警系统的基础，是预警信息系统的数据来源，其看护、检查和维护费用应列入政府预算，以保证系统各站点正常工作。

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