防汛抗旱工作中信息技術(shù)的應(yīng)用

孫金標

(遼寧省盤錦市大洼區(qū)水利服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124200)

1 防汛抗旱指揮系統(tǒng)

科技的發(fā)展和時代的進步，使得信息技術(shù)被越來越多的應(yīng)用于防汛抗旱工作中[1]，文章圍繞指揮系統(tǒng)業(yè)務(wù)拓展、軟件開發(fā)、云計算、信息采集和平臺建設(shè)等方面開展探索。

1.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)拓展

1)山洪災(zāi)害。目前，由于洪災(zāi)引起人員傷亡的災(zāi)種仍以山洪地質(zhì)災(zāi)害為主，中國山洪地質(zhì)災(zāi)害防治區(qū)人口規(guī)模達到5.7億人，有防治任務(wù)的山區(qū)占全國的50.7%，達到487萬km2。因此，應(yīng)在防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程中統(tǒng)一納入現(xiàn)有的各類管理、預(yù)警信息、監(jiān)測網(wǎng)站等，加強研究形成山洪地質(zhì)災(zāi)害的機理提高災(zāi)害預(yù)警的可靠性。

2)臺風(fēng)影響。近年來，雖然生成于西太平洋的臺風(fēng)未呈現(xiàn)出增加趨勢，但超強臺風(fēng)和強臺風(fēng)登陸或影響我國沿海的數(shù)量明顯增多，由此帶來的降雨普遍偏多[2]。因此，臺風(fēng)的影響應(yīng)引起沿海防洪工作的重視，沿海的防洪減災(zāi)也應(yīng)該被防汛指揮系統(tǒng)高度重視。

需采取如下防洪對策：對沿海海堤防風(fēng)暴防洪標準應(yīng)實行全面的普查復(fù)核，科學(xué)編制海堤建設(shè)規(guī)劃全面提升海堤防洪標準；設(shè)立臺風(fēng)預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)及風(fēng)暴潮模擬分析系統(tǒng)，及時預(yù)警和監(jiān)視臺風(fēng)降水強度、風(fēng)力、影響范圍、移動路徑以及風(fēng)暴潮增水過程；針對沿海海平面深入探究其風(fēng)險管理與上升規(guī)律，結(jié)合實際情況提出行之有效的對策[3]。

3)沿海防洪。對于沿海的防洪形勢我國防汛指揮系統(tǒng)考慮仍然不足，防洪現(xiàn)狀日趨嚴峻。2017年3月正式發(fā)布的數(shù)據(jù)資料，2016年我國海平面比2015年高出38mm，比常年平均高82mm并超過1980年的歷史高位，海平面總體呈波動上升的變化特征。近5年海平面達到歷史高維，IPCC發(fā)布的氣候變化評估報告提出全球海平面在過去50a間以2.6mm/a的速率上升。1980-2016年我國海平面平均以3.2mm/a的速率上升，較全球同期平均水平明顯較高，依據(jù)2016年海平面公報上海的沿海平面存在較大波動，高出常年水平的102mm，上海的海平面未來30年預(yù)計上升65-150mm，上海抵御和防護風(fēng)暴潮的能力顯著下降，其風(fēng)暴潮標準1000年一遇明顯偏低。

4)城市洪澇。城市在經(jīng)濟社會整體發(fā)展中的重要地位和作用日趨突出，也對其提出了更高的防洪要求，為保障城市居民正常生活、減少城市建設(shè)受洪災(zāi)的不利影響，增強城市防洪排澇能力勢在必行。然而，在一期、二期防洪抗旱指揮系統(tǒng)建設(shè)中對城市內(nèi)澇問題的考慮明顯不足。例如，北京2012年“7.21”特大暴雨造成了嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡，因暴雨引起的洪水災(zāi)害產(chǎn)生很大的不利影響，但在一定程度上起到加強城市洪水工作以及加快水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的作用，這也是我國進入洪澇防治新時期的里程碑性的事件；2016年長江流域發(fā)生嚴重的城市洪澇問題，太湖出現(xiàn)歷史第二洪水位及嚴重的城市局部內(nèi)澇；2020年6月，珠江、太湖、黃河和長江上游先后發(fā)生1號洪水，太湖、潘陽湖、洞庭湖及長江干流監(jiān)利以下河段水位超出預(yù)警，全國433條河流發(fā)生超警洪水，涉及安徽、浙江、湖北、江西、四川、廣東等27個省(市、區(qū))；據(jù)統(tǒng)計，洪澇災(zāi)害造成141人死亡失蹤，3389萬人受災(zāi)，298.3萬hm2農(nóng)作物受淹，房屋倒塌2.3萬間，，直接經(jīng)濟損失695.9億元。

城市暴雨呈增強增多趨勢且大雨必澇逐漸成為城市的通病，在防汛抗旱指揮系統(tǒng)中應(yīng)該納入城市防洪治澇，實現(xiàn)統(tǒng)一管理和決策調(diào)度；城市防洪工作涉及應(yīng)急管理、防洪建設(shè)、信息監(jiān)測、工程調(diào)度、洪澇預(yù)計等；將流域防洪與城市防洪相結(jié)合統(tǒng)籌考慮排水、除澇、防洪3個標準，并綜合考慮城市水環(huán)境、城市供水等要求。

1.2 信息采集技術(shù)

1)工情信息監(jiān)測。①高密度點法具有圖像直觀、受外界信號干擾小和探測深度較大等優(yōu)點，可現(xiàn)場快速確定大壩堤防內(nèi)部缺陷部位和隱患性質(zhì)，能夠發(fā)揮應(yīng)急探測的作用，但具有較低的分辨率；②探地雷達法具有探測速度快、分辨率較高、適應(yīng)不同探測目標等特點，可以快速、精準的探測堤防內(nèi)部缺陷，但存在解讀要求高、圖像不直觀、外界電磁信號干擾非屏蔽天線信號強等缺陷。

2)旱情監(jiān)測。①常用的點墑情監(jiān)測方法是對土壤含水量利用土壤水分傳感器監(jiān)測，但數(shù)據(jù)代表性差且監(jiān)測范圍較??；②對大范圍土壤墑情利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測時具有監(jiān)測內(nèi)容豐富、時效性快等優(yōu)點，可用于作物缺水程度、蒸發(fā)、流域土壤含水量等監(jiān)測，其覆蓋范圍日趨廣泛，但遇到云時傳統(tǒng)的遙感監(jiān)測無法掌握下面的情況，所以遙感監(jiān)測受時段限制。因此，基于水量與降雨量平衡的水文模型、衛(wèi)星遙感墑情反演和適量的墑情監(jiān)測站點，對流域墑情進行綜合分析極其重要。旱情分析系統(tǒng)要綜合降雨利用模型，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)計算蒸散發(fā)，并考慮墑情站點數(shù)據(jù)全面分析大范圍旱情信息。

3)流量監(jiān)測。①現(xiàn)階段，最主要的流量監(jiān)測手段為自動式或半自動式傳統(tǒng)纜道測流，監(jiān)測點數(shù)量、監(jiān)測垂線與測量精度密切相關(guān)，但耗時較長；②雷達波流速儀、聲學(xué)流速流量(ADCP)測量儀等新型設(shè)備具有精度高、測量流速快等優(yōu)點，可實現(xiàn)在線自動流量監(jiān)測，但費用高大多為進口設(shè)備。

4)水位檢測。①水位監(jiān)測的主要方式為浮子式自記水位計，具有干擾小、精度高的優(yōu)點，但受地形條件限制且建設(shè)費用較高；②在一些中小河流中非接觸式超聲波水位計的應(yīng)用較多，但大氣環(huán)境、濕度等條件對其監(jiān)測精度影響較大；③雷達水位計、氣泡水位計和壓力式水位計可節(jié)省水位井建設(shè)成本，屬于一種改變水位測量方式的先進水位測量儀器。所以，在水位監(jiān)測中不能一概而論，要綜合考慮因地制宜的選擇高精度監(jiān)測方式。

5)降雨監(jiān)測。當(dāng)前，降雨監(jiān)測的常見形式有3種：①大多數(shù)雨量站監(jiān)測地面雨量的儀器和手段仍以翻斗式自記雨量計為主，受周圍環(huán)境和地形影響點雨量的代表性較差；②雷達監(jiān)測降雨具有信息豐富、時效性強等特點，現(xiàn)已初步應(yīng)用于防汛指揮系統(tǒng)，然而受地形雜波影響需要標定天氣雷達反演，若受到山體、建筑影響則無法保證地面監(jiān)測信息準確度；③云的特性和類型對遙感監(jiān)測降雨產(chǎn)生顯著影響，其研究基礎(chǔ)薄弱且需掌握云的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上分析形成降雨的動力條件，精準度較低。因此，必須系統(tǒng)分析和監(jiān)測多元數(shù)據(jù)，通過同化處理雷達站降雨量、衛(wèi)星遙感以及地面雨量站數(shù)據(jù)，為提高預(yù)報精度綜合利用統(tǒng)計權(quán)重集成、變分校準、最優(yōu)差值和卡爾曼濾波校準等方法，合理確定面平均雨量。

6)信息傳輸技術(shù)。從傳統(tǒng)的公用電話通信系統(tǒng)結(jié)合超短波、短波、微波專用通信系統(tǒng)，信息傳輸技術(shù)向衛(wèi)星、GPRS系統(tǒng)等快速發(fā)展，重要站點要求互為備份的兩種通信信道模式提高了信息傳輸可靠性。

2 系統(tǒng)平臺與軟件開發(fā)

2.1 云計算

目前NIST提出的云計算定義被廣泛接受，總體上可概括為：它是一種提供按需的、便捷的、可用的網(wǎng)絡(luò)資源利用模式，資源共享池可以及時提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、信息存儲、軟件計算、服務(wù)器模擬等功能，通過較少的管理工作或者很少的交互即可實現(xiàn)，并按照資源使用量用戶支付相應(yīng)的費用。云計算強調(diào)利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)資源共享、所有資源的應(yīng)用及其優(yōu)化配置，它是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展與熱備份冗余、高效用、分布式和并行式運算的高度融合。

防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程設(shè)立有工情分中心和水情分中心，并且各分中心都有業(yè)務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及服務(wù)器，許多地區(qū)不會應(yīng)用或者技術(shù)水平不達標。對此，應(yīng)集中到水利云平臺盡快建成強大的水利云[5]。

2.2 軟件開發(fā)

我國防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程實現(xiàn)了業(yè)務(wù)使用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)協(xié)同、資源共享和標準統(tǒng)一，技術(shù)體系提出的“兩臺一庫”結(jié)構(gòu)，在當(dāng)時屬于系統(tǒng)的創(chuàng)新點以及先進的技術(shù)。研究認為在仍然有效的“兩臺一庫”架構(gòu)上運用新的技術(shù)，不單單從概念上覆蓋“互聯(lián)網(wǎng)+”，還要在“兩臺一庫”總體框架下將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加上新的軟件技術(shù)，圍繞數(shù)據(jù)的唯一性和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一更新建設(shè)集中式數(shù)據(jù)庫。

對于災(zāi)情評估、洪水調(diào)度決策、旱情變化預(yù)測以及洪水預(yù)報預(yù)警等，防汛抗旱指揮系統(tǒng)中旱情災(zāi)情、歷史大洪水和水文氣象等長系列資料發(fā)揮著重要作用，有必要利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)開發(fā)與建設(shè)新的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。對此，簡要闡述了大數(shù)據(jù)的定義、特征和應(yīng)用：①現(xiàn)有的軟件工具無法處理、分析、共享、搜索、存儲和提取復(fù)雜的、海量的數(shù)據(jù)集合，即為大數(shù)據(jù)；②大數(shù)據(jù)存在處理速度快、價值密度低、數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)體量巨大等特點，通過信息提純獲取有價值的信息極為重要；③數(shù)據(jù)應(yīng)用包括所有相關(guān)信息、實時更新數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測信息、建設(shè)的海量數(shù)據(jù)源的推理歸納、綜合計算分析以及知識提取等。

水文預(yù)報應(yīng)綜合考慮歷史洪水情況、低水情況、降雨分布特征和下游頂托作用等，不僅僅是計算機的簡單運算而屬于典型的大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

3 結(jié) 論

1)我國防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程涵蓋信息應(yīng)用、管理、處理、傳輸、資源和服務(wù)的全過程，實質(zhì)上屬于水利信息化的龍頭工程和信息系統(tǒng)工程，工程的實施為促進水利信息化的快速發(fā)展提供技術(shù)引領(lǐng)和重要基礎(chǔ)設(shè)施支撐。

2)防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程具有先進實用的技術(shù)體系與方案，也是當(dāng)時新型技術(shù)信息的主流，其設(shè)計原則總體上也是先進的。近年來，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展信息服務(wù)、軟件開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)、信息傳輸?shù)热〉幂^大的發(fā)展，必須對其技術(shù)體系做出調(diào)整，盡可能將成熟的、最新的信息技術(shù)應(yīng)用于未來系統(tǒng)的升級改造和建設(shè)，“兩臺一庫”的總體架構(gòu)仍具有一定的適用性。

3)結(jié)合水旱災(zāi)害新特點拓展指揮系統(tǒng)工程的內(nèi)涵，并在我國防汛抗旱指揮系統(tǒng)中納入沿海地區(qū)防洪防風(fēng)暴潮應(yīng)對措施、山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警及城市洪澇防治等內(nèi)容。