省级水旱灾害风险普查成果管理平台研发

刘昌军 刘业森 武甲庆 王 豪 李 辉 张启义

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部数字孪生流域重点实验室，北京 100038；3.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038；4.山东省水利厅水旱灾害防御处，济南 250014；5.山东省水旱灾害防御中心，济南 250014）

1 背 景

我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，灾害种类多，分布地域广，发生频率高，造成损失重。水旱灾害是我国主要的自然灾害之一，历来是中华民族的心腹之患，造成的直接经济损失占各类自然灾害总损失的70%左右[1-3]。我国有超过60%的国土面积、90%以上的人口均受到不同程度的洪水威胁，重要城市、重要基础设施和粮食主产区主要分布在江河沿岸以及沿海地区，人口分布和生产力布局与洪水风险区域高度重叠[4]。同时，我国人多水少，水资源供需矛盾突出，干旱缺水是制约经济社会发展的突出瓶颈。从我国的自然地理和气候特征来看，水旱灾害将长期存在[5]。

习近平总书记2018 年10 月10 日主持召开中央财经委员会第三次会议，会议研究提高我国自然灾害防治能力。会议强调，提高自然灾害防治能力，要全面贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神，牢固树立“四个意识”，紧紧围绕统筹推进“五位一体”总体布局和协调推进“四个全面”战略布局，坚持以人民为中心的发展思想，坚持以防为主、防抗救相结合，坚持常态救灾和非常态救灾相统一，强化综合减灾、统筹抵御各种自然灾害。会议提出要实施灾害风险调查和重点隐患排查工程，掌握风险隐患底数[6]。国务院办公厅2020 年5 月印发了《关于开展第一次全国自然灾害综合风险普查的通知》，成立了国务院第一次全国自然灾害综合风险普查领导小组。2020 年7 月，国务院第一次全国自然灾害综合风险普查领导小组办公室印发《第一次全国自然灾害综合风险普查总体方案》（国灾险普办发〔2020〕2 号）文件，启动自然灾害综合风险普查工作。普查实施分为2 个阶段：一是前期准备与试点阶段（2020 年），二是全面调查、评估与区划阶段（2021—2022年）。

水旱灾害风险普查是全国自然灾害综合风险普查的重要组成部分。根据第一次全国自然灾害综合风险普查领导小组的统一安排部署，由水利部门负责水旱灾害风险普查的行业指导，完成水旱灾害风险普查任务，为第一次全国自然灾害综合风险普查提供支撑。按照第一次全国自然灾害综合风险普查总体目标，系统梳理水旱灾害防御工作存在的主要问题和薄弱环节，制定水旱灾害风险普查总体要求和任务内容，摸清全国水旱灾害风险隐患底数，客观认识全国和各地区水旱灾害风险水平，促进提高水旱灾害防御能力，有效防范和化解水旱灾害风险，推进水旱灾害风险管理，为国家和地方各级政府有效开展水旱灾害防治和应急管理工作、切实保障社会经济可持续发展提供权威的水旱灾害风险信息和科学决策依据[7]。

山东省地跨黄、淮、海三大流域，全省降水丰枯不均，洪涝、干旱灾害多发频发，水旱灾害防御形势复杂严峻[8]。2019 年以来，先后发生台风“利奇马”、沂沭河“8·14 大洪水”、台风“烟花”等灾害事件[9]。2020 年8 月26 日,山东省第一次全国自然灾害综合风险普查领导小组办公室印发了《关于征求＜山东省第一次全国自然灾害综合风险普查试点工作方案＞意见的通知》，开展水旱灾害风险普查[10]。我单位深度参与了山东省水旱灾害风险普查工作，为提高数据管理水平，更好发挥数据价值，并为未来数字孪生流域、智慧水利建设提供有力支撑，基于试点工作成果研发了省级水旱灾害风险普查成果管理平台，本文从系统框架、主要功能、服务接口等方面对系统进行了介绍。

2 系统框架

2.1 总体框架

（1）数据层。数据层是整个系统的数据基础，这其中包括了九大类业务数据，其中有矢量格式数据、栅格格式数据，现场调查数据主要包括图片数据、一些记录的文档数据、表格数据及接入的外部模型运行的基础数据等。

（2）数据管理层。数据管理层是对数据进行存储，主要包括空间数据存储、关系型数据存储及缓存数据存储。其中空间数据存储使用PostGIS 数据库，支持各种格式的空间数据进行存储；关系型数据库使用PostgreSQL，缓存数据库使用Redis数据库。

（3）业务支撑层。业务支撑层采用空间数据服务引擎以及动态、模型等技术，实现高并发、高可用的总体架构，主要是为系统提供业务支撑。

（4）应用接口层。组件化接口服务，实现访问高效性，所有的服务都是通过接口层进行调用，方便前端调用。

（5）应用展现层。主要包括综合信息、普查成果、专题成果、实时计算模块，可支持多种客户端的数据接入和展示。

系统总体框架见图1。

图1 系统总体框架图

2.2 技术框架

系统建设在技术选型上遵循“先进成熟、稳定高效、安全可靠”的原则，系统的开发遵从开放标准、基于SOA 体系，采用B/S 应用架构、前后端分离的方式，支持XML 和REST API等服务接口。系统技术框架见图2。

图2 技术框架图

基础设施包括服务器、存储设备、网络以及虚拟化环境，将计算资源、存储资源、网络资源等物理资源进行整合，以物理设备作为基本单元，形成可按需动态扩展的高性能计算环境、大容量存储环境，满足海量空间基础数据存储、高并发用户业务办理和信息查询。

基于信息资源管理模式和统一的数据资源规范进行管理存储，对体系内的多比例尺、异构、海量的水旱灾害风险普查空间地理信息，按照统一的数据模型进行整合与综合管理，实现空间信息的统一组织、无缝衔接、统一服务、高效应用。

空间数据存储以PostGIS 空间数据库为主，PostGIS 通过向PostgreSQL 添加对空间数据类型、空间索引和空间函数的支持，将PostgreSQL 数据库管理系统转换为空间数据库，提供了对空间数据的高效存储、查询和空间分析等功能。同时为了提高查询效率，增加内存数据库Redis支持。

系统采用pg_tileserv 将PostGIS 中的空间数据发布成动态矢量切片服务，实现前端的实时动态渲染，同时加入Varnish切片缓存，加快系统响应，支持百万级要素，秒级显示。GIS 资源层也可通过GeoServer 服务器，可以把PostGIS中的空间数据发布成符合OGC 标准的WMS、WFS、WMTS等标准地图服务。

客户端基于VUE 框架开发，VUE 是一套用于构建用户界面的渐进式框架，基于MVVM 架构。地图框架采用了Leaflet 和Mapbox，Leaflet 轻量小巧，并有丰富的插件库，Mapbox 对矢量瓦片渲染支持很好。采用EChart 进行前端图表的丰富展示。

2.3 数据框架

本项目成果数据组织以业务开展为基础划分为3 方面内容，分别为：水旱灾害致灾调查与评估、洪水灾害隐患调查、水旱灾害风险评估与区划。下分九大类内容，分别为：洪水频率图、暴雨频率表图、干旱灾害致灾调查与评估成果、洪水灾害隐患调查成果、中小河流洪水淹没图、防洪（潮）保护区洪水风险图、洪水风险区划及防治区划、干旱灾害风险评估、干旱灾害风险区划和防治区划。九大类下按成果包含内容又细分为56 小类，通过共计56 类数据组织与整合形成了对山东省水旱灾害风险普查业务的整体成果数据组织框架。数据模型框架见图3。

图3 数据模型框架图

3 普查成果管理

3.1 综合数据看板

综合信息模块以数据看板的形式展示九大类风险普查成果业务数据的概况，结合数据聚合技术，对多源数据进行组合，多维化、图表化展示各类普查成果的具体比例和重点信息，并根据数据变化进行实时动态更新。用户能够通过点击查询各专题图表，获取图标对应的具体数值等相关信息。综合信息数据看板示例如图4所示。

图4 综合信息数据看板示意图

3.2 普查成果查询

普查成果包含9 类业务成果：暴雨频率图，洪水频率图，干旱灾害致灾调查与评估，洪水灾害隐患调查，防洪（潮）保护区洪水风险图，山丘区中小河流洪水淹没图，洪水风险区划及防治区划，干旱灾害风险评估，干旱灾害风险区划和防治区划。普查成果模块提供针对9类普查成果的可视化查询、数据信息点查等功能并提供部分重要统计信息的展示。普查成果查询菜单如图5所示。

图5 专项成果查询菜单

（1）暴雨频率图。该成果可视化模块支持暴雨频率网格数据的展示、查询、筛选、点查。为用户提供目标区域范围的降雨量最大值、最小值和平均值的统计信息，该统计信息可根据查询区域自动计算。并提供暴雨8个重现期（5 a、10 a、20 a、30 a、50 a、100 a、200 a、500 a）和8个历时（10 min、30 min、60 min、3 h、6 h、12 h、24 h、3 d）的数据筛选功能。暴雨频率图展示界面示例如图6所示。

图6 暴雨频率图展示界面示意图

（2）洪水频率图。该成果可视化模块支持洪水频率小流域数据的展示、查询、筛选、点查。为用户提供洪水8 个重现期的数据筛选功能。

（3）干旱灾害致灾调查与评估。该成果可视化模块支持干旱致灾调查与评估成果数据的展示、查询、筛选、点查。为用户提供目标行政区域范围的干旱致灾调查类型和指标值选择的功能。可根据需要查看目标类型的单一指标的统计数值，同时提供多年份数据查询。

（4）洪水灾害隐患调查。该成果可视化模块支持洪水隐患调查的水库、堤防、水闸、蓄滞洪区数据的展示、查询、筛选、点查。为用户提供目标区域范围的水利工程的统计信息，该统计信息可根据查询区域自动计算，并提供针对不同调查要素的数据筛选功能。

（5）防洪（潮）保护区洪水风险图。该成果可视化模块支持防洪（潮）保护区洪水风险图数据的展示、查询、筛选、点查。为用户提供不同方案与不同类别的数据筛选查询，同时支持图上网格数值点击查询功能。

（6）山丘区中小河流洪水淹没图。该成果可视化模块支持山丘区中小河流洪水淹没图数据的展示、查询、筛选、点查。为用户提供目标区域范围内的中小河流洪水淹没图的区划类型以及典型频率的筛选功能。

（7）洪水风险区划及防治区划。该成果可视化模块支持洪水风险区划及防治区划数据的展示、查询、筛选、点查。为用户提供目标区域范围内的区划类型的筛选功能，以及图上区域风险等级点击查询功能。

（8）干旱灾害风险评估。该成果可视化模块支持干旱灾害风险评估数据的展示、查询、筛选、点查。为用户提供目标区域范围内的风险类型及重现期的筛选功能，以及图上区域风险等级点击查询功能。

（9）干旱灾害风险区划和防治区划。该成果可视化模块支持干旱灾害风险区划和防治区划数据的展示、查询、筛选、点查。为用户提供目标区域范围内的区划类型筛选功能，以及图上区域风险等级点击查询功能。

3.3 现场调查成果管理

专题成果模块提供的展示内容包含4 类业务专题成果：成果图集、成果报告、成果报表、现场资料。专题成果模块提供针对4类专题成果的可视化查询、数据信息点查等功能，并提供部分重要信息如数据图上坐标点等信息展示。现场调查图片展示示例见图7。

图7 现场调查照片展示图

4 专业模型集成

4.1 风险区划模型

洪水风险区划是指基于对流域、区域的洪水特征和淹没情况的分析，在综合集成不同量级洪水淹没程度的基础上，以图件的形式整体反映流域、区域内不同地块洪水危险性的差异。风险区划流程主要包括区划单元划分、区划分析方案拟定、风险要素分析计算、风险等级划分、聚类分析与区划边界划定、成果合理性检验等。依据《洪水风险区划技术导则（试行）》的相关要求，平台实现了区域风险要素分析计算和风险等级划分等算法，显著提升了区域洪水风险区划工作的效率。风险区划计算成果示例见图8。

图8 风险区划计算成果示意图

4.2 专业模型集成

系统集成了设计洪水推算软件、分布式水文模型、水动力模型等专业模型，实现了暴雨洪水淹没范围和风险实时分析计算，为汛期防汛应急工作提供了强力支撑。所有模型通过后台包装，提供模型调用、成果展示的API接口，以RESTful 风格对外提供服务。模型的运行由用户在系统界面触发，触发模型运行功能之前，需要按照界面提示的模型所需要的参数值来正确准备参数，正确设置输入和输出数据接口，模型运行过程不需要人工干预，成功后会显示模型对应的成果数据信息。

5 总 结

本文从系统框架、普查成果管理、专业模型集成3方面介绍了省级水旱灾害风险普查成果管理平台。平台成功运用到山东省水旱灾害风险普查试点工作中，实现了水旱灾害风险普查成果和中间成果的有序组织和高效管理。系统主要特点包括：以数据模型为核心实现多源数据的有序组织，以动态缓存、矢量切片技术实现海量数据的高效管理，以数据看板实现数据的多维度呈现，通过分级分类实现普查成果和调查成果的汇总统计和展示，集成水文、水力学和风险评估等专业模型实现暴雨洪水淹没范围和风险实时分析计算，强力支撑未来智慧水务、数字孪生应用。本文做法和经验可供相关系统建设参考借鉴。