陕西省水库水电站淤地坝报汛系统应用实践

张淑婵，董华梅，章新川

（陕西省水利信息宣传教育中心，陕西 西安 710004）

1 引言

陕西省有13 座大型、85 座中型、300 座小（一）型水库及301 座库容大于100 万m3的拦泥淤地坝。数量众多的中小型水库绝大部分建于二十世纪六七十年代，地处偏远山区，工程建设质量差，防洪标准低，泥沙淤积严重，病险隐患多，全省病险水库最多时达到376 座，占到全省水库的1/3 之多，且处于“无专职人员管理、无防汛抢险道路、无通信预警手段、无防汛抢险物料”的状态。据2008 年调查统计全省13 座大型水库通信设施、水雨情自动测报系统健全；85 座中型水库基本配公网电话或移动电话，其中15 座中型水库水雨情自动测报系统基本健全；289 座小型水库只有固定电话，166 座小型水库配有移动电话，小型水库基本没有水雨情自动测报设施。中小水库由于位置分散、管理部门众多、专业人员缺乏、报汛设施不足，致使水库报汛工作多年来难以推进，中小型水库的水雨情观测基本依靠人工观测，手工记录，仅能作为历史资料，加之缺乏通信手段，存在缺报、漏报、迟报等现象，根本无法实现有效的预警，严重影响全省防汛抗旱工作，致使近年来水库频频出险。

2 系统目标

落实水利工程补短板、水利行业强监管，以现代科学技术为手段，以经济适用为原则，以提高水库及下游防灾避险能力为出发点，以确保人民生命财产安全为目标，着力解决水库防汛工作中存在的通信不畅、水雨情信息采集处理手段落后、防汛预警自动化程度不高和时效不强、信息共享机制不健全、管理水平和效能低下等突出问题，以水库人工报汛手机APP 和具备条件的水库自动测报系统相结合方式完成水库信息的快速采集、传输、处理、交换、分析、决策，满足全省各级政府部门、社会公众及时掌握水库实时水情信息，切实提高防汛抢险快速反应能力，最大限度地减少灾害损失，促进经济社会持续稳定的发展。

3 系统结构

陕西省水库报汛系统结构示意图见图1。

图1 陕西省水库报汛系统结构示意图

水库报汛信息采集：（1）各水库报汛人员基于GPRS/4G无线网络，采用智能手机APP，实时输入水库各类信息，报送至水库手机报汛接收处理系统。（2）部分具有自动测报系统的大中型水库，实时采集水库水位、雨量、闸门开度、压力、视频等信息。

水库报汛信息汇集交换：水库报汛信息前置机处理人工手机APP 和自动测报系统报送的信息，以数据适配器、数据交换平台完成各级交换节点的信息交换，实现信息资源共享。

水利数据中心：对结构化、半结构化、非结构化水利基础信息、空间信息、事务信息，以数据抽取、数据清洗、数据转换、数据加载形成水利数据中心，提供数据资源共享服务。

水库防汛信息可视化应用：以“一张图”WebGIS 方式实时监视水库动态信息，水库信息统计报表，水库水位、蓄水、调度过程线，水库预报调度、风险评估、应急指挥、协同会商、视频监视等，为水库安全运行提供决策依据。

4 系统功能

4.1 水库手机报汛APP

水库手机报汛APP 基于Android 智能手机、平板电脑，采用GPRS、4G、Wifi 无线通讯方式，集水情信息的录入、传输、浏览、过程线绘制、图像采集于一体，各水库报汛人员在手机报汛APP 软件上进行报汛。首次使用，需要进行“用户注册”和“报送设置”，然后进行“信息报送”。系统经过注册、设置正式使用后，默认进入“信息报送”状态。测站编码为全省统一的8 位编码。测站类型为：雨量站、河道站、水库站。用户注册：设置本水库名称、报汛站码、站类、用户姓名、手机号码；报送设置：选择水库报送信息（时段降水、日降水量、天气、旬降水量、月降水量、日蒸发量、旬蒸发量、月蒸发量；入库流量、入库时段长，日均入库流量、旬均入库流量、月均入库流量、库上水位、库上水势、蓄水量、出库流量、日均出库流量、旬均出库流量、月均出库流量、闸门开启孔数、输水设备类别A、输水设备编号A，闸门开度A、输水设备流量A、输水设备类别B、输水设备编号B，闸门开度B、输水设备流量B 等）；信息报送：输入水库各类实时信息，点击“确定”后即可完成水库报汛工作，系统自动连接水情中心接收程序，发送报汛信息并返回发送成功与否的信息，并以声音提示；报文浏览：显示报文发送时间和报送的报文信息，方便水库报汛人员查询、校核所报送的信息，报文内容为数据库操作语句，按发送时间逆序排列，即最后发送的报文在第一条。双击报文，调出报文翻译表格，显示对应的项目、说明、内容等；过程查询：以过程线形式显示报汛水库一个月以来的水库报汛信息，根据站类显示过程线条数会有所不同，如河道站是水位过程线和流量过程线，水库站有库上水位、蓄水量、入库流量、出库流量过程线，过程线依次向下排列，可以向上拖动屏幕，察看其它过程线。图片上传：采用智能手机照相功能，实时采集水库图像信息，实时发送。有【拍照上传】【浏览上传】和【拍照保存】三种方式；在网络性能不太好时，可以先拍照保存，等到使用Wifi 或网络正常时，用“浏览上传”把需要的图片上传到接收中心，也可以直接拍照立即上传；在附注框中输入说明文字，可以随图片上传到接收中心；发送成功后，以文字和声音提示，具体可根据实际信息报送要求，增加或减少报送项目。

4.2 水库报汛信息前置处理

手机报汛：在全省水情中心服务器安装水库手机报汛实时信息接收软件，接收系统基于无线网络信道首先对报送的水库手机号码进行注册确认，在移动设备管理上勾选设备“注册生效”后，就可以处理该设备发送的请求，否则不予处理；选中一条记录，点击“删除记录”按钮，删除该设备注册信息。确认的用户信息进行自动接收水库报送信息，写入实时雨水情数据库中；水库实时信息接收系统有自动入库和手动入库模式2 种工作模式，自动入库模式下，接收手机端发送的雨水情信息，如果是注册生效用户，依据信息种类自动写入实时雨水情数据库，手动入库模式，需要人工处理，检查报文正确性、人工编报、错误修改等，入库并记录到日志中；点击收报入库情况，显示接收到的雨水情信息具体内容，包括发送报文的站点名称、接收时间、报文具体内容、入库情况等。双击报文，可以显示相应的翻译内容；接收处理日志用于显示上传时间、上传标识、具体工作内容及信息处理情况。

自动测报：对于部分具有自动测报系统的大中型水库，在全省水情中心服务器安装水库自动测报信息接收软件实时接收处理水库水位、雨量、闸门开度、压力、视频等信息，自动写入实时雨水情数据库。

4.3 水库报汛信息汇集交换

实现全省水库报汛信息的汇聚和共享，满足全省各级水利防汛部门、各级政府和社会公众对水库报汛信息的服务需求。由于各水利业务系统技术体系的异构性、自治性、封闭性和紧耦合特点，水库报汛信息汇集交换采用面向服务的软件构架和数据交换云的概念，以松耦合、自描述、可伸缩、可维护、集中式和分布式相结合的模式进行信息交换。集中式是信息提供者将交换的数据按照信息交换模型定义的格式发布到交换数据库中，信息使用者在交换数据库中检索，获取所需数据；分布式是信息提供者将待交换的数据按照信息交换模型定义以WebServices 方式发布，并在服务注册库中注册，信息使用者在服务注册库中查找满足自己需求的服务，然后调用服务。

数据交换云由交换节点、交换传输、交换路由、交换管理等子系统组成，通过云队列提供消息服务实现异步通讯、存储转发、可靠传输、跨互联网，为应用程序提供高性能、高可靠、大容量的信息传递服务。

交换节点子系统是水库报汛信息系统接入数据交换云的设施，与交换传输子系统形成总线型结构，实现信息系统与交换传输子系统之间的信息交换。数据交换云将一套前置交换软硬件虚拟为多个交换节点，为不同的部门提供服务。交换节点可以实现交换服务自动化配置，便于接入。

交换传输子系统是交换节点之间以及交换节点与交换路由子系统间的信息交换通道，根据部署的交换流程，实现可靠、稳定、不间断的信息传递。

交换路由子系统是与其他数据交换平台间的信息交换接口，根据配置的路由表，实现上下级多级平台间的信息交换。交换路由子系统支持与同构、异构数据交换平台间的消息路由和消息格式转换。

交换管理子系统通过提供的管理接口提供统一的管理界面，实现对系统信息的维护，对信息交换过程的流程配置、部署和执行以及交换云运行情况的监控和分析。数据交换云通过虚拟化技术将交换节点、交换传输和交换管理系统虚拟化，虚拟成一个个逻辑上独立的数据交换子平台—交换域，为多项信息共享或业务协同应用提供信息交换服务。数据交换云具有分交换域管理功能，交换域管理员能对本交换域内的交换节点、交换通道、交换服务等进行管理。

图2 水库报汛数据汇集交换结构图

4.4 水利数据中心

低水准重复、信息资源分散、资源共享不到位等问题使得水利数据中心建设迫在眉睫。依托现有水利信息基础设施，以基于空间（地理空间与知识空间）的信息融合为基础，以支持业务协同处理为重点，以知识发现与应用为支撑，以提供主题信息产品服务为手段，整合重构各类水利信息资源，以水利数据中心打造新一代水利业务应用综合体系，为水利的可持续发展提供服务。从水利数据资源库（水文、水资源、防汛抗旱、水土保持、农村水利、水利普查、水利工程、水利行政等）抽取建立主题数据库，并建立元数据、数据目录，供数据分析决策[1]。

图3 水利数据中心

4.5 水库报汛信息可视化应用

基于GIS 地理信息系统，以“一张图”方式实现快速的水库信息检索服务，通过数据统计图表分层次展示流域、县市、地区等水库信息；分析水库安全运行影响因素，确定运行管理的范围、形式、内容和措施，提出定期检查、观测、监测、养护、维修、防汛与抢险等运行管理措施。

应用系统采用后台自主加工、主动推送的面向服务架构，自动滚动加工各种自定义的服务产品，平均10 min 可完成服务产品更新，主动推送至客户端，自动实时更新用户端显示信息。用户端基于WebGIS 对陕西省雨情、江河水情、水库水情以图形、表格、过程线等三种方式进行查询、统计分析，为防汛会商、汛期值班、信息发布提供支撑。

动态监视：通过个性化设置监视对象，动态监视水情，以标注方式形象直观、操作简便获取水库信息，依托系统自主服务更新，确保显示最新信息。

信息查询：从地图上找到所需的水库，点击鼠标左键，即可查询水库实时信息；水库蓄水过程线（库水位、入库流量、出库流量、蓄水量、汛限水位）；水库库容曲线、水库洪量计算；水库基础信息等。

统计查询：按全部、大型水库、中型水库、小型水库获行政区划等类型，统计查询年逐月、月逐日、日逐时水库信息，按洪水告警、枯水告警、水位变幅、水情预报、蓄水统计、纳雨能力统计分析水库信息。

可视化分析：同时基于全省水利数据中心大数据库开展以数据～信息～知识～决策可视化设计，开展水库防洪错峰与兴利优化调度、复杂过程的业务应用。结合气象信息、历史数据、淤地坝坝体特征数据及相关算法模型实现淤地坝拦泥、蓄洪能力的智能估算。图4 是显示安康水库入出库过程线及交互式积分计算入库出库水量。

图4 安康水库入出库可视化应用

5 结论

陕西省水库水电站淤地坝报汛系统建于2013 年，有效解决了我省目前水库防汛信息环节多、实时性差、故障率高等问题，提高了水库的安全防御能力，是解决水库安全防御费省效宏的有效措施，在历年的水库防汛、保障水库安全运行、优化水资源配置、充分发挥有限水资源的作用、提高水资源的利用率、以水资源的可持续利用促进经济社会的可持续发展等方面发挥了重要作用。但是目前系统平台尚不能满足水库洪水预报调度、风险评估、溃坝预测、抢险调度的实时性要求，下一步需要结合气象信息、水雨情信息、历史数据、水库工程数据、调度规则及库区社经信息，以大数据和智能算法模型智能估算产汇流，提供水库蓄洪能力演算、优化调度预案、溃坝风险预测和抢险措施制定。