干旱區(qū)山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

魏 智， 劉世華， 茍啟智， 吳錦奎

(1.甘肅省白銀市水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，甘肅 白銀 730900；2. 甘肅省白銀市抗旱防汛辦公室，甘肅 白銀 730900；3. 華北電力大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，河北 保定 071003；4. 中國(guó)科學(xué)院西北資源環(huán)境研究院水土資源研究室， 蘭州 730000)

干旱山區(qū)地貌為丘陵溝壑相間分布，山區(qū)面積遠(yuǎn)大于川區(qū)，是本地區(qū)主要水資源之一[1]。山區(qū)溝道多為干溝，比降大，植被差，產(chǎn)匯流速度快，降雨時(shí)容易形成高強(qiáng)度、突發(fā)性的洪水，暴雨洪水發(fā)生時(shí)間和地點(diǎn)難以預(yù)測(cè)。往往在上游局地發(fā)生了雨強(qiáng)很大、歷時(shí)較短的暴雨，形成了峰形尖瘦、總量較小的洪水，而下游水文站并沒(méi)有發(fā)生同期降水，水文站對(duì)應(yīng)的流量過(guò)程線流量漲幅也不大。局地暴雨洪水災(zāi)害發(fā)生機(jī)會(huì)多、破壞力強(qiáng)、防御難，常在很短時(shí)間內(nèi)造成雨區(qū)毀滅性災(zāi)害[2-4]。隨著全球氣候變化，我國(guó)北方以至全球極端氣候增多[5-7]，山洪災(zāi)害將更加頻繁。因此，充分利用干旱區(qū)山洪災(zāi)害防治非工程措施設(shè)立的自動(dòng)測(cè)雨設(shè)施，建成山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理和共享系統(tǒng)，對(duì)顯著增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)和風(fēng)險(xiǎn)管理能力，減少人民生命和財(cái)產(chǎn)損失，為各級(jí)各部門防汛、防災(zāi)決策提供技術(shù)支撐有著重要的意義。

1 項(xiàng)目區(qū)降雨特征

白銀市位于甘肅省中部處于內(nèi)蒙古高原與黃土高原過(guò)渡地帶，為典型內(nèi)陸干旱區(qū)，是甘肅中部四個(gè)干旱地區(qū)之一。其氣候變化全年大多時(shí)候受高空西風(fēng)氣流和青藏高原季風(fēng)控制，高低壓系統(tǒng)多以此大尺度天氣系統(tǒng)為背景發(fā)生演化[1,4]。而中部地區(qū)高原氣候特征和高海拔山巒河谷地形，遇到東南風(fēng)或冷空氣，就形成較大降雨過(guò)程[8-10]。其降雨類型主要為鋒面或渦切變型暴雨、雷陣雨型暴雨和混和型[9-12]。鋒面或渦切變型暴雨降雨面積大，歷時(shí)長(zhǎng)，強(qiáng)度變化較平緩；而雷陣雨型暴雨降雨面積小，歷時(shí)短，雨量集中，強(qiáng)度大；混和型暴雨具有前二者的特征。地區(qū)年平均24 h最大點(diǎn)降雨量30～40 mm。主要降水量集中在6-9月份，約占全年降水量的70%～80%，暴雨也隨之發(fā)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雨量分別占24 h雨量的80%～50%[12-14]。大部分暴雨歷時(shí)都在數(shù)小時(shí)之內(nèi)，歷時(shí)短，強(qiáng)度大。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體框架

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括水雨情監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)、設(shè)備設(shè)施配置、信息采集、信息傳輸及組網(wǎng)。要求及時(shí)制作、發(fā)布山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)警報(bào)。具有水雨情報(bào)汛、氣象及水雨情信息查詢、預(yù)報(bào)決策、預(yù)警、政務(wù)文檔制作和發(fā)布、綜合材料生成、值班管理等功能，并預(yù)留泥石流、滑坡災(zāi)害防治信息接口。實(shí)現(xiàn)縱向與縣(區(qū))、市級(jí)、省級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)之間互聯(lián)互通和信息共享，橫向與水文、氣象、國(guó)土等部門之間的互聯(lián)互通和信息共享，星形拓?fù)溥B接(圖1)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 The overall framework sketchmap

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)上述方案的設(shè)計(jì)思路，搭建系統(tǒng)總體框架。山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理和共享系統(tǒng)劃分為山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)共享匯集子系統(tǒng)、山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)審核匯集子系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)3個(gè)相對(duì)獨(dú)立又緊密關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)又可由軟件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成?；谄脚_(tái)的山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)主要又可由信息監(jiān)視子系統(tǒng)、信息查詢子系統(tǒng)、預(yù)報(bào)決策子系統(tǒng)、預(yù)警子系統(tǒng)和視頻會(huì)商子系統(tǒng)組成(見(jiàn)圖2)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.2 The sketchmap of system structure compositions

數(shù)據(jù)共享匯集系統(tǒng)主要是為系統(tǒng)平臺(tái)匯集各類數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)共享匯集、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享匯集、山洪預(yù)警信息共享匯集、上下游相鄰縣數(shù)據(jù)共享、氣象信息共享匯集和國(guó)土信息共享匯集，為專業(yè)應(yīng)用提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)服務(wù)功能。

調(diào)查評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)審核匯集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)接收、評(píng)價(jià)分析、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)入庫(kù)、匯總上報(bào)、檢索查詢等功能。

監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害預(yù)警監(jiān)視、雨水情信息查詢、預(yù)警響應(yīng)信息查詢、基礎(chǔ)信息查詢、工情(視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù))信息查詢、氣象和國(guó)土信息查詢、山洪災(zāi)害快報(bào)、縣級(jí)平臺(tái)運(yùn)行狀況監(jiān)視、系統(tǒng)管理等功能。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)組件

以internet技術(shù)為核心，采用WebService及持久層框架等技術(shù)，在保證技術(shù)先進(jìn)性的同時(shí)兼顧了技術(shù)的實(shí)用性。同時(shí)，采用組件式開(kāi)發(fā)技術(shù)，使彼此獨(dú)立的業(yè)務(wù)組件通過(guò)Webservice、XML、JSON等松耦合的通訊方式組織在一起形成完整的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。采用數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象(Data Access Object)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的存取，采用O.R MAPPING技術(shù)保證公共數(shù)據(jù)庫(kù)的可擴(kuò)展性，采用JSON、XML、Webservice作為數(shù)據(jù)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，采用元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)映射、XML數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)的信息支撐，提供系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)和專題數(shù)據(jù)，按水利技術(shù)體系規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家防總的技術(shù)要求，利用關(guān)系及空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，基于SQL SERVER 2012進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)編寫開(kāi)發(fā)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通道建設(shè)

系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用以太網(wǎng)(千兆網(wǎng)或快速以太網(wǎng)100Base/TX/FX/T4)交換技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)對(duì)外互聯(lián)采用TCP/IP協(xié)議，局域網(wǎng)內(nèi)部支持TCP/IP、IPX/SPX、NetBEUI等協(xié)議。

各層級(jí)間采用虛擬專用網(wǎng)(VPN)連接，由省級(jí)水信息中心統(tǒng)一負(fù)責(zé)組織網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和IP地址分配，水利專網(wǎng)帶寬6M，保證遙測(cè)、視頻監(jiān)控等各類山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸共享及視頻會(huì)議暢通。市級(jí)平臺(tái)VPN作為縣級(jí)平臺(tái)VPN總部使用，為縣級(jí)VPN接入建立合法接入授權(quán)和數(shù)據(jù)共享策略。

省級(jí)水利專網(wǎng)先接入到水情信息中心，以此為節(jié)點(diǎn)與市(州)防汛部門聯(lián)通專網(wǎng)。市級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)由市級(jí)防汛(水務(wù))部門核心交換機(jī)作為接入點(diǎn)，連接到預(yù)警平臺(tái)設(shè)備。通過(guò)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)聯(lián)通共享服務(wù)器群、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、短信網(wǎng)關(guān)、傳真服務(wù)器等。并以此為節(jié)點(diǎn)與市級(jí)防汛、水文、氣象、國(guó)土等部門聯(lián)通專網(wǎng)。

野外測(cè)站數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS(GSM/CDMA)無(wú)線分組交換技術(shù)，用戶通過(guò)GPRS系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)GGSN連接到互聯(lián)網(wǎng)，并且通過(guò)WebSerivce技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)入庫(kù)。

3.3 系統(tǒng)集成

將山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)共享匯集系統(tǒng)、山洪災(zāi)害預(yù)警信息管理系統(tǒng)、山洪災(zāi)害待查評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)審核匯集系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)，有效地整合平臺(tái)內(nèi)。平臺(tái)支持各種結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、山洪數(shù)據(jù)的分析、報(bào)表和對(duì)未來(lái)數(shù)據(jù)走勢(shì)的預(yù)測(cè)。

系統(tǒng)集成采用符合SOA結(jié)構(gòu)及JavaEE技術(shù)，以滿足跨硬件平臺(tái)、跨操作系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)信息的查詢與發(fā)布等應(yīng)用系統(tǒng)采用B/S三層體系結(jié)構(gòu)，信息匯集子系統(tǒng)則可采用C/S體系結(jié)構(gòu)。

3.3.1 內(nèi)部系統(tǒng)集成

根據(jù)系統(tǒng)不同層面集成需求，依托平臺(tái)統(tǒng)一應(yīng)用集成服務(wù)，分別采用面向信息集成技術(shù)、面向過(guò)程集成技術(shù)和面向服務(wù)集成技術(shù)完成不同層面集成。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)級(jí)集成層面上采用數(shù)據(jù)復(fù)制、數(shù)據(jù)聚合和接口集成等面向信息集成技術(shù)方法，提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問(wèn)格式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)和信息共享；在系統(tǒng)接口級(jí)集成層面上采用面向過(guò)程集成技術(shù)方法，只處理系統(tǒng)之間過(guò)程邏輯，與核心業(yè)務(wù)邏輯相分離；在系統(tǒng)服務(wù)級(jí)集成層面上采用基于SOA(面向服務(wù)架構(gòu))和Web服務(wù)技術(shù)集成方法，完成服務(wù)級(jí)、界面級(jí)系統(tǒng)整合。

3.3.2 外部系統(tǒng)集成

采用水利、信息行業(yè)各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)表等內(nèi)容和格式、采用完整、先進(jìn)、成熟的軟件、中間件、多層結(jié)構(gòu)、Web等技術(shù)，通過(guò)外部集成使市級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)，和白銀市抗旱防汛指揮系統(tǒng)集成為一個(gè)有機(jī)整體，優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件資源。使得各個(gè)系統(tǒng)之間、各模塊之間具有相對(duì)獨(dú)立性和使整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)可擴(kuò)展性，保證系統(tǒng)開(kāi)放性、可移植性、可維護(hù)性和兼容性。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理系統(tǒng)是評(píng)價(jià)河道治理的重要指標(biāo)之一[15]。系統(tǒng)PDA應(yīng)用系統(tǒng)(移動(dòng)客戶端)主要作為市、縣級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理系統(tǒng)的組成部分，為系統(tǒng)用戶提供隨時(shí)隨地了解防汛內(nèi)容。包括數(shù)字地圖、雨情信息、預(yù)警信息、氣象信息、防汛資料等不同功能模塊，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、GPS、GIS、GPRS/GSM等為用戶提供當(dāng)前所在位置、實(shí)時(shí)水情信息、實(shí)時(shí)雨情信息、工情信息、防汛文檔、通訊錄信息等內(nèi)容(見(jiàn)圖3)。

當(dāng)山洪災(zāi)害達(dá)到山洪災(zāi)害預(yù)警信息的閾值，野外監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)預(yù)警等級(jí)，向關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)站、防汛等相關(guān)部門人員群發(fā)信息，也能夠在人工干預(yù)的條件下向防汛相關(guān)人員發(fā)送山洪災(zāi)害預(yù)警信息。電話傳真預(yù)警發(fā)布能自動(dòng)向列表中的各個(gè)單位及時(shí)傳送山洪災(zāi)害預(yù)警信息或調(diào)度指示文件等，避免人工預(yù)警時(shí)效性差的問(wèn)題。白銀市山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警信息系統(tǒng)每年多次及時(shí)發(fā)出監(jiān)測(cè)預(yù)警(表1)。

表1 監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果Tab.1 Application results of monitoring and pre-warning information system

下層級(jí)發(fā)出預(yù)警信息后, 上層級(jí)系統(tǒng) 所接收的預(yù)警信息在1∶250 000 WebGis天地圖(矢量圖、地形圖、映像圖)上顯示，在地圖上對(duì)應(yīng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或小流域圖標(biāo)閃爍或發(fā)聲，防汛值班人員看到預(yù)警后，進(jìn)行查詢核對(duì)，并經(jīng)防汛指揮部會(huì)商后確定預(yù)警級(jí)別和范圍，通過(guò)多種方式向相關(guān)人員發(fā)布預(yù)警信息，并接收責(zé)任人的反饋信息。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)干旱山區(qū)地形復(fù)雜破碎，多為溝壑谷地相間分布，局地高強(qiáng)度降雨時(shí)容易形成突發(fā)性的洪水，暴雨洪水發(fā)生時(shí)間和地點(diǎn)難以預(yù)測(cè)，容易造成較大災(zāi)害，全球氣候變化引起的極端氣候變化更加劇了這一災(zāi)害。

圖3 站點(diǎn)分布與站點(diǎn)雨量Fig.3 The rainfall and locations of sensor site

(2)充分利用山洪災(zāi)害防治非工程措施設(shè)立的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，建成山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息管理和共享系統(tǒng)，可提高預(yù)報(bào)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，系統(tǒng)縱向上從省至市、縣各級(jí)防汛或水情部門聯(lián)接，可實(shí)現(xiàn)水情數(shù)據(jù)上報(bào)、查詢、下發(fā)等，橫向預(yù)留與國(guó)土、氣象、水文等相關(guān)部門接口，實(shí)現(xiàn)廣泛的信息數(shù)據(jù)匯集與共享，構(gòu)建群策群防的一體化防汛減災(zāi)體系。

(3)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了山洪預(yù)警信息和數(shù)據(jù)的集中管理和共享，實(shí)現(xiàn)視頻會(huì)商，為地區(qū)各級(jí)各部門防汛、防災(zāi)決策提供有效的技術(shù)支撐。對(duì)顯著增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)和風(fēng)險(xiǎn)管理能力，減少人民生命和財(cái)產(chǎn)損失有著重要的意義。白銀市山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)運(yùn)行3年來(lái)，準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)預(yù)警了多次局地暴雨，結(jié)合視頻會(huì)商系統(tǒng)，成功部署了防汛工作，取得了良好效果。

(4)野外水情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)是監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是預(yù)警信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，其看護(hù)、檢查和維護(hù)費(fèi)用應(yīng)列入政府預(yù)算，以保證系統(tǒng)各站點(diǎn)正常工作。

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