山洪灾害监测预警云平台系统设计与应用

严剑兵

(江西省安澜工程咨询有限公司，南昌 330000)

1 概述

山洪灾害是指在山丘区由强降雨引发的具有突发性强、破坏力大等特征的洪水灾害[1]，为水利部水旱灾害防御“三大风险”防范应对的重点工作之一。近些年极端天气频次增多再加上山丘区群众活动的加剧导致山洪灾害频发，损失极大，已严重影响了各地经济社会发展。各地学者在山洪灾害监测预警预报系统、洪水管理[2]等方面均开展了一定的研究，如美国学者于20世纪70年代就研发了山洪预警指导系统(FFGS)，已广泛应用于中美洲、南非等地，基本实现了山洪灾害的实时监测预警；日本21世纪期初开发了以社区为基础的山洪早期警报系统；欧洲部分国家建立了基于洪水预报的山洪灾害预报预警系统[3]。我国山洪灾害防治起步较晚，经过最近10多a的山洪灾害防治项目建设，基本建成了适合国情的山洪灾害防御体系，但在监测预警体系建设方面，仍存在着系统杂而多、内部数据难以关联、调查评价成果应用不够等突出问题，为此，以“监测、预报、预警、转移、反馈”五位一体的业务为核心，建设了山洪灾害监测预警云平台系统，实现了监测技术现代化、预报预警自动化、信息资源共享化、管理决策智能化，支撑了山洪灾害监测预警管理。系统对于提升山洪灾害监测预警标准、高效发挥山洪灾害防治非工程措施作用、提升山洪灾害防御能力、为中小河流防洪减灾提供决策依据等方面具有重要的作用。

2 山洪灾害监测预警云平台系统建设内容

通过软硬件设施设备的结合，采用纵向业务集成、横向数据集成、云服务、统一标准、扩展开放等建设思想，实现“监测、预报、预警、转移、反馈” 的业务应用展示，形成集中管控、分级负责、乡村组三级联动的综合指挥体系[4]。其建设内容包括基础云平台建设、数据产品加工与服务设计、平台系统建设、调查评价成果应用和软硬件设施设备综合应用。

2.1 基础云平台建设

以“云服务”为基础，在省一级建设数据中心内容，实现监测数据省中心统一接收、统一 存储[5]。系统采用“省级部署、省市县乡村五级使用”的服务模式。“云服务”设计基础平台实现资源共享、按需分配服务器和数据资源，无须各区县分别建设、维护自身的山洪灾害监测预警系统，减少山洪灾害监测预警系统建设、运行和维护的总体成本，减少市县级用户单位对系统维护的难度和费用；同时通过服务器、计算资源的集中使用可以实现山洪灾害防治相关模型分析和数据分析对大规模计算资源的需求；另外一级部署也方便对数据中心数据资源的共享，可以利用省一级的资源优势实现数据产品的加工与制作服务，并提供给各区县用户使用[6]。山洪灾害监测预警云平台系统结构配置如图1所示。

图1 省级部署、多级应用的山洪灾害监测预警云平台系统结构配置示意

2.2 数据产品加工与服务

数据产品加工服务有水情预警计算服务、雷达回波图加工服务、降雨数值预报数据产品加工服务、智能化预案模型算法服务、数据产品推送服务。① 预警计算服务自动根据实时、预报的降水、河道水情数据进行预警计算，将预警计算结果作为数据产品提供给应用系统使用[7]；② 雷达回波图数据产品加工服务用于下载、处理和存储各区县范围内的雷达汇报数据，并按照区县、市、省不同级别的用户对雷达回波数据的需求进行推送雷达回波数据产品；③ 降雨数值预报数据产品加工服务用于获取、处理、存储降雨数值预报产品数据；④ 智能化预案模型算法服务是依据智能预案数据结构化模型与工具发布为可自动化运行的服务，根据每次事件的实际情况，快速制定具体、可执行的行动方案，形成决策需要的预案数据[8]。智能预案数据结构化模型与工具服务同时可以和其他服务直接交互，快速获取云GIS服务提供的数据服务、空间分析服务，并通过云GIS服务获取现场周边环境、基础设施状况和资源配置情况，动态掌握事件的发展演变过程[9]；⑤ 数据产品推送服务支持对数据的个性化推送，即不同部门，不同角色的用户应用端可以收到不同的推送数据。同时，用户可以设置数据推送的时间、内容，以及是否接收数据推送服务。

2.3 平台系统建设

山洪灾害监测预警云平台系统是整个系统的核心业务系统，通过“省级部署、四级使用”的云服务平台机制，实现监测预警、应急响应、三维展示、监测设备和系统管理等功能。

2.4 调查评价成果应用

充分利用山洪灾害调查评价成果[10]，将山洪灾害调查的基础数据、统计表、专题图层等植入山洪灾害监测预警云平台系统，通过集成工作底图展示防治区、危险区、沿河村落与城集镇、居民户、小流域、涉水工程等数据。根据调查评价成果，结合当地实际情况，在系统中对各自动监测站点与各重点沿河村落相关联，对各站点设置好不同沿河村落的预警指标，让水情信息与具体受灾地点、各个调查对象的照片、社会经济情况等相结合，进一步拓展平台的防灾预警能力，使得预警信息更加准确，操作性更强，增强系统的会商决策支持能力。

2.5 软硬件设施设备综合应用

建立“三个五合一”硬件设施设备的台帐登记、日常检查、管理及运行情况统计分析等功能，为管理与运维单位提供必要的工具，协助运维单位提前了解系统故障及时进行维护。“三个五合一”与软硬件设备综合应用关系如图2所示。

图2 “三个五合一”与软硬件设备综合应用关系示意

3 山洪灾害监测预警云平台系统功能

山洪灾害监测预警云平台系统功能主要包括监测预警、应急响应、三维展示、设备监测和系统管理等功能(如图3所示)。

图3 系统功能模块示意

3.1 监测预警

监测预警以GIS为信息组织中心，将实测或预报的雨情、水情，以及实时工情(视频监控)有机地结合起来，直观展示未来洪水规模、特点、发展趋势[11]，有助于山洪灾害防治人员实时掌握防洪形势，明确当前山洪防治的主要问题和决策目标。通过智能化预警机制，根据预警规则实时计算，当达到预警条件时及时向工作人员发出预警信息，并将预警信息通过闪烁、声音的方式通知用户，便于及时做出相应的响应措施[12]。

3.2 应急响应

当出现危险区预警时，需要对当前防汛形势进行研判，以及确定是否采取相应的应急响应措施，若采取应急响应措施则需对响应措施进行组织安排、反馈跟踪以保障防洪抢险工作有效执行。应急响应模块包括应急会商、响应措施制定以及查看历史预警、历史响应、历史灾情信息、预警发布信息、历史任务信息。应急会商主要用于分析、研判发生预警时的防洪形式，了解预警区域相关信息，提取和呈现各类综合信息，便于决策是否启动应急响应，以及启动对应级别的应急响应；响应措施制定是根据智能化预案，在启动应急响应时系统根据智能化预案和危险区的关联信息，得出针对危险区的应急响应处理措施，然后根据应急响应措施分配任务，以及进行任务执行情况反馈；历史预警查询功能根据条件查询历史上出现过的预警信息[13]；历史响应查询功能查询历史上启动过的应急响应信息；历史灾情统计查询功能查询历史上的上报的灾情统计信息；预警发布信息查询功能查询历史上发布过的预警信息；历史任务查询功能查询历史上启动过的任务信息。通过“监测——预警——会商——应急响应”一体化业务流程，形成支持监测预警、防汛会商、 应急响应和响应反馈的一体化防洪减灾业务系统[14](如图4所示)。

图4 系统一体化业务流程示意

3.3 三维展示

三维展示平台是基于三维技术实现的山洪灾害防治区域空间数据展示平台，用于展示防治区的地形、地貌和相关水利工程信息。具体功能包括三维平台基本功能、工程展示、三维飞行、测量计算、工程模型展示等功能。三维展示平台的基本功能有三维数据的展示，三维数据浏览的基本控制，地图场景切换等功能；工程展示是将主要水利工程要素叠加到地图上展示，用户可以查询定位水利工程，并通过关联检索查看水利工程相关信息；三维飞行功能是为了便于查看流域三维场景及水利工程分布，可沿设定的路线以适合的角度和高度飞行，并具备适时调整俯视角和飞行高度等功能，从山洪沟的飞行查看山洪周边的村庄及水利工程的分布情况；测量计算功能是为了便于实现对三维地形、地貌的分析，平台系统测量计算功能形成针对三维地形的测量工具，包括距离测量、面积测量和高程测量等；工程模型展示功能是在重点防洪工程区域构建三维工程模型，三维工程模型能展现逼真的三维工程和其他设施、工程、建筑等模型，包括真实的地貌(山地、丘陵、河谷、平原、水体)类型分布、植被类型分布的展现。

3.4 设备监测

设备监测功能主要以反映预警、监测设施设备的详细状态为主要目的。其中主要包括有监测设备(设备实时情况监测)、设备台账、日常维护、设备维修计划管理及设备报警记录等功能。监测设备功能展示了设备详情，如设备名称、设备类别、在线状态、电压值、电压状态、报警时间；设备台账功能记录各基础设备设施的使用情况、数量以及其基本信息管理；日常维护功能记录用户所在政区所有监测设备的日常维护记录；设备维修计划管理功能是为各监测设备对应的维修计划的增删改查进行管理；设备报警记录功能是记录用户所在政区监测设备运行不正常导致的报警情况。

3.5 系统管理

系统管理可以实现用户管理、权限管理、单位管理、功能模块管理、预警指标管理、水文站点管理、应急预案管理、日志管理等功能。

4 应用实例

山洪灾害监测预警云平台系统为江西省山洪灾害防治示范县建设的一项重要内容，目前该系统已在江西省浮梁县、修水县、黎川县、青原区等山洪灾害频发县应用。

以浮梁县为例，根据浮梁县山洪灾害调查评价成果，浮梁共有273个山洪灾害危险区[15]，危险区内人口为10 611人，区域内山洪灾害频发，浮梁县自动监测站点、山洪灾害危险区分布如图5所示。以“2020.7.9”场次洪水为例，2020年7月7日至9日，浮梁县内普降暴雨，过程降雨量最大为竹岭站519 mm；最大1 h降水为深渡站64 mm，最大24 h为竹岭站372 mm，深渡水文站“20200709”暴雨洪水水位过程如图6所示。该县防汛工作人员利用该系统自动化预报计算服务进行降雨洪水预报，提前10余h预测到深渡水文站洪峰水位为51.06 m、洪峰流量为 1 987 m3/s，实际场次洪水洪峰水位为50.94 m、洪峰流量为1 930 m3/s。当预报水位超过关联危险区的预警指标时，系统即闪烁报警、启动智能化预案并发短信至预案中的危险区责任人，本次降雨过程中共对全县164个山洪灾害危险区发布了预警，实现了危险区的精准识别预警[16]，预警的及时性、有效性明显增加；虽然24 h全县平均降雨量达169.4 mm，境内河流全流域水位暴涨，洪水泛滥，但通过该平台及时预报、预警，累计发送山洪灾害预警信息2万多条，提前通知危险区群众并转移3 000多人，有效避免了人员伤亡，在浮梁县的防灾减灾工作中发挥了尤为重要的作用。

图5 浮梁县自动监测站点、山洪灾害危险区分布示意

图6 浮梁县深渡水文站“20200709”暴雨洪水水位过程示意

5 结语

山洪灾害监测预警工作事关人民生命财产安全，对时效性和准确性要求高，信息化系统的建设直接影响着预警工作的成效。山洪灾害监测预警云平台系统以“监测、预报、预警、转移、反馈”五位一体的业务为核心，采用纵向业务集成、横向数据集成、云服务平台思想、统一标准、扩展开放等思想，在系统结构、预警模型、功能搭建、数据库建设等方面形成了完整的体系，实现了监测预警、应急响应、三维展示、监测设备和系统管理等功能，在浮梁县的示范应用证实了该系统预警的及时性和有效性，系统对于提升山洪灾害监测预警能力、为中小河流防洪减灾提供决策依据等方面具有重要的作用。