遼寧小型水庫防汛減災中大數據云技術的應用研究

(遼寧省農村水利建設管理局，遼寧 沈陽 110003)

截至2018年，遼寧省水利系統(tǒng)內注冊登記的小型水庫共685座，其中小(1)型水庫273座、小(2)型水庫412座，總庫容92276萬m3，興利庫容50051萬m3，分布于全省14個市。小型水庫的運行和調度管理水平的高低，直接影響到水庫效益能否正常發(fā)揮，同時也影響到周邊居民的日常生活，牽動到當地經濟的發(fā)展。大量實踐表明，大數據分析技術在水庫水位監(jiān)測、水情預報、氣象信息聯(lián)網、防洪搶險等方面均發(fā)揮著重要作用，可極大提高水庫管理的科學性和機動性[1]。但由于技術力量、管理理念和投資資金等因素的制約，目前，大數據分析技術大多運用在大中型水庫運行管理中，而對于小型水庫絕大部分依然依靠人力進行，耗時費力，效率較差，尤其在防汛減災響應的實時性、可靠性和準確性等方面存在嚴重不足[2]。隨著小型水庫防汛減災形勢的進一步加重，將大數據分析技術引入到小型水庫運行管理中，以大中型水庫水情監(jiān)測及防汛減災預報預警系統(tǒng)為基礎，依靠水利信息數據傳輸網絡，實現(xiàn)納入小型水庫水情監(jiān)測的全覆蓋預報預警，全面提升小型水庫抗風險能力，對在新時期、新形勢下確保高效優(yōu)質開展河流防汛及水資源合理配置與保護工作具有重要意義。

1 小型水庫運行管理大數據分析應用現(xiàn)狀

大數據字面上意思指巨量的數據，是隨著信息技術發(fā)展提出的新概念?，F(xiàn)在一般以“4V”特性來表述大數據，即Volumes(大量)、Variety(多樣)、Value(價值)、Velocity(高速)。維克托·邁爾—舍恩伯格教授在《大數據時代》中提出：“大數據的核心就是預測，是把數學算法運用到海量數據上以預測某種事情發(fā)生的可能性和概率?！毙⌒退畮炀哂泄芾韺ο髷盗魁嫶?、涉及業(yè)務面繁多、時間縱深長等特點，這與大數據分析技術適用條件契合[3]。因此，自2013年起，遼寧省水利部門在小型水庫運行管理中，借鑒大中型水庫管理經驗，以現(xiàn)有水庫防汛預報預警系統(tǒng)為基礎，逐步引入大數據分析技術，建立了基于手機終端的小型水庫報汛系統(tǒng)，有效提高了小型水庫運行管理水平和抗風險能力。

1.1 輔助設施制度保障

為有效發(fā)揮系統(tǒng)功能，遼寧省從人員和資金、設施設備和物資及組織制度建設等方面，對小型水庫防汛系統(tǒng)建設制定了相關指標和措施要求，并監(jiān)督其落實。

人員和資金方面，在全省范圍內，為每座水庫配備1名專職庫管員和1名臨時庫管員，庫管員工資按照基本工資加績效考核獎勵兩部分發(fā)放；設施設備和物資方面，要求每座水庫配置基本的水位量測設備，對有條件的水庫，配備水情監(jiān)測、雨情觀測等設備。

水庫主管部門對小型水庫水情、物資儲備、搶險隊伍、防汛責任人、險點險段、防汛預案等信息及時進行采集并上報，信息處理部門接收到信息后錄入到對應系統(tǒng)，為水庫的運行管理和防汛調度提供基礎信息；編制庫管員管理手冊，要求庫管員按照省防汛抗旱指揮部相關要求，按時對水庫水位、當地水情、雨情等信息進行觀測并上報，縣、市、省三級水利部門對庫管員信息上報情況進行監(jiān)督，并對上報數據進行層層復核，確保系統(tǒng)內各項信息的實時性和準確性。

1.2 防汛報汛搶險體系建設

依托于水庫庫容、特征水位、水雨情實時數據、氣象數據、防災工情數據、災情數據、保護對象情況、地區(qū)經濟社會情況、結構和非結構文檔數據、輿情數據等方面的大數據匯總分析成果，自主研發(fā)了“遼汛通”APP，通過對全省14個市的水情雨情觀測數據進行統(tǒng)計分析，并結合氣象部門預測結果，建立了遼寧省小型水庫報汛系統(tǒng)，實現(xiàn)了小型水庫水情、雨情、汛情和氣象等信息的聯(lián)網同步，顯著提升了汛期小型水庫的聯(lián)合調度抗風險能力和減災效益。該系統(tǒng)考慮了降雨和徑流的時空關系、工程體系和組織機構的運行情況，并在一定程度上涉及到區(qū)域社會經濟發(fā)展的影響因素，為汛期決策提供了強有力的數據支撐。

通過采集的小型水庫所在地理位置、所在河流及流域、上下游水庫情況、總庫容、防洪庫容、設計洪水位、校核洪水位、死水位、汛期限制水位、影響耕地面積、影響人口等數據，實時確認小型水庫的工情和組織信息；通過對水庫水位進行量測，采集各水庫實時水位；通過與當地水文測站、水雨情監(jiān)測部門、氣象部門的聯(lián)網，及時了解水庫所在區(qū)域的徑流量、降雨量等水文及氣象信息，進一步經大數據計算分析，獲得水庫實時入庫及出庫流量、洪峰流量等重要數據并繪制出庫容曲線、泄洪曲線等(見圖1～圖3)。確認實時汛情后，結合已采集的水庫周邊保護耕地及人口情況，作出社會經濟影響評價，為防洪決策提供依據。在搶險措施制定并落實后，通過后續(xù)跟進，采集實際險情變化及損失情況，確認搶險措施實施的有效性和可行性，進而形成一套完整有效的防汛報汛搶險體系。

圖1 實時汛情界面

圖2 水庫汛情詳細信息界面

圖3 水庫過程流量曲線界面

1.3 人員監(jiān)督考核管理

遼寧省通過小型水庫報汛系統(tǒng)、微信群和QQ群相結合方式，開展相關人員的監(jiān)督考核管理工作。水庫管理人員采用發(fā)送報汛短信方式進行報汛，在實際應用中，由于報汛人員漏報、短信編輯錯誤、關機、停機、報汛手機與系統(tǒng)不一致等主觀原因及系統(tǒng)短信錄入延遲、系統(tǒng)錯誤、手機信號漫游偏移至省外、手機維修、手機丟失等客觀原因，導致出現(xiàn)在規(guī)定時間內報汛信息不完整或不夠準確的情況，對報汛系統(tǒng)的正常運行造成了一定阻礙。針對這種情況，從2017年開始，遼寧省小型水庫管理部門對各水庫報汛情況進行了記錄，對未能及時報汛的水庫、庫管員、未報汛原因等均進行了詳細記錄，并通過數據分析技術，對未報汛延誤情況按原因進行了分析(見下表和圖4～圖5)。

每日早8時未報汛原因統(tǒng)計表

圖4 汛期各月報汛延誤人次分布

圖5 每日早8時報汛延誤地區(qū)分布

通過上表、圖4和圖5結合分析可知，報汛延誤情況原因主要為無人接聽、關機等主觀因素；報汛信息延誤在時間段上主要集中在6月、9月等非主汛期(遼寧主汛期通常為7月、8月)時段，在空間上主要集中在遼西(錦州市、朝陽市、葫蘆島市、阜新市)及遼東(丹東市、本溪市、撫順市、遼陽市)等地區(qū)。對非汛期報汛情況不良中的無人接聽、關機等情況，筆者通過向負責人了解、事后與庫管員電話聯(lián)系等方式進行溝通，結果顯示，此類情況主要由庫管員重視程度不足引起；對非主汛期報汛不良，大部分也是由于庫管員重視程度不足引起的。對報汛信息延誤出現(xiàn)的空間分布規(guī)律，經調查，除人為管理因素外，一方面，遼西、遼東地區(qū)山區(qū)較多，而小型水庫又大多處于較為偏僻的地區(qū)，遠離人群居住區(qū)，信號塔等通信設施設備不完善，常常導致手機信息發(fā)送滯后甚至不成功；另一方面，遼西、遼東部分地區(qū)與內蒙古、吉林地區(qū)接壤，報汛人員發(fā)送的短信信號偏移到臨近省份的情況時有發(fā)生，而遼寧省水庫報汛系統(tǒng)是通過移動信息網絡轉發(fā)相關信息錄入的，外省信息無法接收，導致系統(tǒng)內相關報汛信息缺失。

通過以上數據收集、調查分析，遼寧省小型水庫管理部門初步掌握了報汛信息延誤的主要原因，于2018年汛期開始前，針對性地進行了完善：一方面，對各市、縣以公文形式下發(fā)相關文件，強調并督促要求加強汛期重視力度，并將2017年報汛情況通報相關市、縣負責人，并在“大禹杯”績效考核中核減得分；另一方面，靈活調整報汛方案，要求存在信號偏移的地區(qū)提前報汛，通過增加報汛次數以降低該地區(qū)報汛缺失率。通過多措并舉，2018年6月進入汛期后，全省未報汛人次由2017年的54人降低到14人，同比降低74%，報汛情況明顯改善。

1.4 水庫汛情預測預警

遼寧省小型水庫防汛系統(tǒng)通過水文測站上報、與氣象部門和水雨情部門聯(lián)網，實現(xiàn)天氣預報、1～7天降水量預報、衛(wèi)星云圖實時查看、累計降雨量分布圖直觀呈現(xiàn)、500hPa天氣圖實時查看等功能，極大方便了防汛工作的順利開展。為更好開展小型水庫防汛預報預警工作，遼寧省小型水庫管理部門對2017年年內水庫超汛限情況進行了統(tǒng)計，如圖6所示。通過分析可知，遼寧省2017年小型水庫的汛情主要發(fā)生在6月初、7月中旬及9月初，發(fā)生超汛限1m以上險情持續(xù)時間超過3天的水庫有撫順市新賓縣朝陽水庫、本溪市桓仁縣影壁山水庫、鐵嶺市西豐縣冰砬山水庫和朝陽市南臺子水庫，與氣象部門2017年預報情況基本一致?；诖?，2018年汛期開始前，省小型水庫主管部門對以上4市進行了重點關注和督促，要求汛期加強觀察，做好防汛工作。

圖6 遼寧省2017年小型水庫超汛限數據

2 水庫防汛減災大數據分析應用現(xiàn)存問題及建議

a.系統(tǒng)不健全，應用不嫻熟。遼寧省小型水庫報汛系統(tǒng)尚存在運行不夠穩(wěn)定、瞬時數據處理能力略顯不足、報汛信息不夠直觀等問題，如：2017年該系統(tǒng)運行過程中，曾于7月、8月發(fā)生過系統(tǒng)錯誤、報汛系統(tǒng)無法接收數據等問題。在每日8時、14時、20時等規(guī)定報汛時間點，當全省大部分水庫集中報汛時，部分水庫會出現(xiàn)延遲2～10min左右錄入數據的不利情況。報汛信息采用6位數字形式，其中前5位表示水位，最后1位表示天氣情況，由于遼寧省內40歲以上水庫管理人員占比較大，在報汛時，忘記數字含義，發(fā)送短信時誤觸空格鍵、符號鍵導致信息無法讀取等情況時有發(fā)生，給汛情上報造成極大困擾，白白浪費了較多時間和人力。

基于上述情況，結合目前智能手機已得到普遍應用現(xiàn)狀，建議借鑒大連市報汛方式，采用APP中直接報汛，通過建立友好、直觀的用戶界面，以“填空”的方式，由庫管員直接在APP人機交互界面中進行數字及相關信息填寫，并可實時查看報汛情況，提高汛情上報的實時性和準確性。

b.監(jiān)測設施缺失，人員積極性不高。由于水庫維修養(yǎng)護資金有限，省內小型水庫監(jiān)測設施存在嚴重不足問題，很多水庫僅有測量水尺且已模糊不清，風速與雨情監(jiān)測、視頻監(jiān)控等信息自動化系統(tǒng)更無從談起[4]。監(jiān)測設施的不足，直接導致水庫基礎數據采集不全或更新不及時，在原始數據采集環(huán)節(jié)即發(fā)生漏項。

建議上級水利部門增加小型水庫維修管養(yǎng)經費，進一步完善小型水庫水雨情監(jiān)測及大壩安全監(jiān)測設施，并增加相關技術人員、管理人員的補助標準，以提高小型水庫的管理水平。

c.測點數據量不足，聯(lián)動性不夠。遼寧省原有的水庫汛情預警是通過降雨和水庫水位的實時信息分析，并結合汛情危險區(qū)關系進行判斷來發(fā)布的，該種方法在時間上具有很大局限性，尤其是當來水量大、水位急劇變化時，防汛工作將十分被動[5]。

鑒于此，2018年，遼寧省在全省范圍內開始展開增加相關測點和雷達工作，通過數據聯(lián)網接入氣象短時臨近降雨預報數據，再通過水文計算模型對各個河流水情變化實現(xiàn)分鐘預測，并對其下游、支流的水庫水位變化情況進行精確預測，并將汛期應急措施的實施時間大大提前，有序開展汛情工作。

3 結 論

防汛減災工作中的文字、圖片、聲音和動態(tài)圖像等信息，以數字代碼的方式存儲在光電介質上，經過專業(yè)軟件和模型分析處理后，利用現(xiàn)代信息網絡設備傳送到終端用戶上，是大數據為小型水庫運行管理服務的核心?；诖髷祿嫿ǖ募{入小型水庫水情氣象監(jiān)測數據的水庫防汛減災系統(tǒng)的建設和平臺的合理應用，為遼寧省各減災部門的資源整合和全災種大減災平臺的構建，提供了有益的建設思路和實踐借鑒，進而真正實現(xiàn)大數據云計算為全社會協(xié)同防災減災服務。