重慶市典型易旱區(qū)旱情監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)

陳 韜，倪顯峰，趙旭貴

（1.南京水利科學(xué)研究院，210098，南京；2.湖南舜網(wǎng)信息技術(shù)有限公司，410000，長(zhǎng)沙）

一、研究區(qū)概況

本研究選擇渝東北云陽(yáng)縣寶坪鎮(zhèn)、巫山縣騾坪鎮(zhèn)和建坪鄉(xiāng)為典型研究區(qū)，分別針對(duì)城鎮(zhèn)和農(nóng)村兩部分進(jìn)行旱情生活供水監(jiān)測(cè)預(yù)警。寶坪鎮(zhèn)面積123.8 km2，總?cè)丝?.27萬(wàn)人，多年平均降雨量為1 145 mm，常年平均氣溫16℃。寶坪城鎮(zhèn)的生活供水主要來(lái)源于青坪水庫(kù)、寶坪水庫(kù)和大堰灘水庫(kù)。寶坪水庫(kù)和大堰灘水庫(kù)庫(kù)容分別為16萬(wàn)m3和38萬(wàn)m3，兩座水庫(kù)通過(guò)聯(lián)調(diào)方式向?qū)毱撼擎?zhèn)1.6萬(wàn)人供水。若旱期用水緊缺，則啟用青坪水庫(kù)向大石社區(qū)1 300戶居民供水。

騾坪鎮(zhèn)面積159.97 km2，年均降水量1 041 mm，平均氣溫18.4℃。共有農(nóng)村蓄水池321座，總?cè)莘e約8.1萬(wàn)m3，總受益人口2.76萬(wàn)人。建平鄉(xiāng)現(xiàn)有行政村8個(gè)，共有農(nóng)村蓄水池130座，總?cè)莘e約4.59萬(wàn)m3，總受益人口8 182人。蓄水池的水源類型主要分為兩類，以山坡地表徑流為主要水源的約占30%，以山體內(nèi)部地下徑流為主要水源的約占70%。為增加地表徑流收集能力，25%的蓄水池修建了集雨溝，絕大多數(shù)蓄水池都具有良好的防滲措施，54%的蓄水池建設(shè)了水泥蓋，減少了蒸發(fā)損失。

二、建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)干旱監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況，建成典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活供水旱情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位、降水、蒸發(fā)等要素信息。制定以供水工程蓄水量為核心，以用水保障時(shí)間和保障人數(shù)為表征的干旱預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)；依托水文部門現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和本次自建監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，整合相關(guān)數(shù)據(jù)源，開發(fā)建成典型區(qū)旱情模擬預(yù)警模型模塊，并與重慶市防汛抗旱指揮系統(tǒng)集成，實(shí)時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，通過(guò)監(jiān)測(cè)預(yù)警與預(yù)測(cè)預(yù)警相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)旱情預(yù)警。

三、干旱模擬預(yù)警模型開發(fā)

1.總體架構(gòu)

以擴(kuò)展性好、實(shí)用性高為原則，充分結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、水利模型等技術(shù)，設(shè)計(jì)符合重慶市干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)際業(yè)務(wù)需求的模型模塊，為重慶市典型區(qū)干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警工作提供規(guī)范管理、高效運(yùn)行、智能監(jiān)測(cè)預(yù)警的信息化保障。整體系統(tǒng)采用當(dāng)前主流的J2EE開發(fā)框架以及五層架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分層解耦，便于系統(tǒng)開發(fā)、維護(hù)，為后期的功能升級(jí)擴(kuò)展提供良好支撐?？傮w架構(gòu)如圖1。

圖1 總體架構(gòu)圖

基礎(chǔ)層：基于重慶市水文局、水利局已有的硬件設(shè)備以及相關(guān)系統(tǒng)，進(jìn)行上層數(shù)據(jù)資源和業(yè)務(wù)應(yīng)用的構(gòu)建。

數(shù)據(jù)層：梳理系統(tǒng)所依賴的數(shù)據(jù)資源，包括實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、用水?dāng)?shù)據(jù)，以及系統(tǒng)的干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、外部網(wǎng)絡(luò)氣象數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源。該層采用已有數(shù)據(jù)庫(kù)接入、系統(tǒng)自建業(yè)務(wù)庫(kù)、外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)爬取多種方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

支撐層：系統(tǒng)搭建應(yīng)用支撐服務(wù)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供統(tǒng)一的技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)服務(wù)，包括各種數(shù)據(jù)和功能的Web服務(wù)，以及GIS組件、報(bào)表組件、預(yù)報(bào)模型組件等。通過(guò)支撐層實(shí)現(xiàn)良好的業(yè)務(wù)應(yīng)用支撐，保證系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行性能和水平擴(kuò)展能力。

業(yè)務(wù)層：由后臺(tái)開發(fā)部署的各個(gè)應(yīng)用功能模塊組成，包含旱情監(jiān)測(cè)、旱情分析、旱情預(yù)警和分析模式的應(yīng)用模塊，通過(guò)Web應(yīng)用服務(wù)支撐實(shí)現(xiàn)重慶市干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)的Web化、服務(wù)化。

表現(xiàn)層：通過(guò)前后端分離技術(shù)，對(duì)干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)的前端頁(yè)面進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)面向各相關(guān)用戶的前端展示界面，實(shí)現(xiàn)用戶關(guān)切的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)展現(xiàn)，不同類型用戶可具有不同的展示視圖，具有良好的人機(jī)互操作性。

2.功能設(shè)計(jì)

按照重慶市抗旱工作部署與需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4個(gè)功能模塊，分別是旱情監(jiān)測(cè)模塊、雨情監(jiān)測(cè)模塊、旱情分析模塊和旱情預(yù)警模塊。

旱情監(jiān)測(cè)模塊：從氣象、工程等方面選取3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

雨情監(jiān)測(cè)模塊：從遙感、水位等方面選取5項(xiàng)指標(biāo)對(duì)雨情分布進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

旱情分析模塊：從水文氣象方面選取4項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估旱情等級(jí)。

旱情預(yù)警模塊：綜合考慮典型易旱區(qū)生活用水需求，選取4項(xiàng)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)預(yù)警預(yù)測(cè)功能。

3.關(guān)鍵技術(shù)

（1）J2EE框架

J2EE是當(dāng)前主流的Web開發(fā)框架，不管是大型機(jī)、UNIX平臺(tái)還是Windows操作系統(tǒng)，基于J2EE開發(fā)的應(yīng)用程序不依賴任何特定操作系統(tǒng)、中間件、硬件。因此，設(shè)計(jì)合理的基于J2EE的程序只需開發(fā)一次就可部署到各種平臺(tái)。J2EE框架提供了更為廣泛的負(fù)載平衡策略，能消除系統(tǒng)中的瓶頸，允許多臺(tái)服務(wù)器集成部署，實(shí)現(xiàn)可高度伸縮的系統(tǒng)。J2EE平臺(tái)包括一整套的服務(wù)、應(yīng)用編程接口和協(xié)議，可用于開發(fā)一般的多層應(yīng)用和基于Web的多層應(yīng)用，便于快速開發(fā)、部署和擴(kuò)展。

（2）前后端分離

采用前后端分離技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用層及瀏覽端。系統(tǒng)分析階段，前端開發(fā)人員約定好頁(yè)面上所需的邏輯變量，進(jìn)入功能開發(fā)階段，前端開發(fā)人員進(jìn)行前臺(tái)頁(yè)面結(jié)構(gòu)、樣式、行為層的代碼編寫，并根據(jù)約定好的變量、邏輯規(guī)則，完成不同情況展示不同的表現(xiàn)；后端開發(fā)人員只需要按照約定，賦予這些變量含義，并提供前后端交互所需要的數(shù)據(jù)即可。

（3）WebGIS技術(shù)

WebGIS是Web技術(shù)和GIS技術(shù)的結(jié)合。由于HTTP協(xié)議采用基于B/S的請(qǐng)求/應(yīng)答機(jī)制，具有較強(qiáng)的用戶交互能力，可以傳輸并在瀏覽器上顯示多媒體數(shù)據(jù)?；赪ebGIS技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)分布在不同地點(diǎn)和不同計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間發(fā)布、空間查詢與檢索、空間模型服務(wù)、Web資源的組織等功能，并很容易與Web中的其他信息服務(wù)進(jìn)行無(wú)縫集成，建立靈活多變的GIS應(yīng)用。

四、典型區(qū)旱情預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

本研究針對(duì)典型易旱區(qū)生活用水旱情的預(yù)警判斷，在借鑒現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有關(guān)規(guī)定基礎(chǔ)上，將典型易旱區(qū)旱情預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)按照四個(gè)等級(jí)劃分，預(yù)警指標(biāo)選擇“供水保障日數(shù)”和“保障人口數(shù)”。

干旱預(yù)警由低到高劃分為輕度（Ⅳ）、中度（Ⅲ）、嚴(yán)重（Ⅱ）和特大（Ⅰ）四個(gè)預(yù)警級(jí)別，并依次采用藍(lán)色、黃色、橙色、紅色加以表示。干旱預(yù)警以旬（10日）為預(yù)測(cè)時(shí)段。針對(duì)不同監(jiān)測(cè)對(duì)象建立相對(duì)應(yīng)的預(yù)警等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具體見表1。

表1 典型易旱區(qū)旱情預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

五、系統(tǒng)功能

1.旱情監(jiān)測(cè)功能

旱情監(jiān)測(cè)模塊可實(shí)現(xiàn)雨情、集中供水工程以及分散供水工程的逐日監(jiān)測(cè)功能。用戶可查詢相關(guān)信息，包括：多年平均降水量、當(dāng)日平均降水量、較多年平均、氣象干旱指數(shù)等；典型區(qū)水庫(kù)數(shù)量、總庫(kù)容，供水人口數(shù)量；典型區(qū)水窖數(shù)量、總?cè)萘?，供水人口?shù)量。

2.雨情監(jiān)測(cè)功能

雨情監(jiān)測(cè)模塊主要對(duì)全市雨情分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢展示，并對(duì)相關(guān)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，以及基于GIS空間插值計(jì)算對(duì)面雨量進(jìn)行分析和展示。主要功能包括全市雨情的多年平均降水量、當(dāng)日平均降水量、氣象干旱指數(shù)的展示等。

3.旱情分析

旱情分析模塊采用逐日雨情、逐日降雨距平和逐日干旱指數(shù)三項(xiàng)指標(biāo)對(duì)旱情進(jìn)行分析，隨后基于預(yù)設(shè)的點(diǎn)興趣旱情等級(jí)規(guī)則，將干旱指數(shù)轉(zhuǎn)換為旱情等級(jí)并在GIS地圖上交互展示逐日旱情等級(jí)。

4.旱情預(yù)警

旱情預(yù)警模塊包括供水人口與天數(shù)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)干旱情況、預(yù)警定位以及預(yù)警指標(biāo)管理4個(gè)部分。供水人口與天數(shù)是對(duì)典型易旱區(qū)的3個(gè)典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水人口進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對(duì)可供水天數(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào)和預(yù)警顯示。鄉(xiāng)鎮(zhèn)干旱情況部分顯示了水庫(kù)和水窖的蓄水量、預(yù)警信息、保障N天特征水位等信息。預(yù)警定位是當(dāng)經(jīng)過(guò)模型計(jì)算的供水保障情況達(dá)到預(yù)警啟動(dòng)條件時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警，并對(duì)預(yù)警信息在GIS地圖上進(jìn)行快速定位展示，用戶可以點(diǎn)擊查看預(yù)警詳細(xì)信息。若預(yù)警閾值等相關(guān)指標(biāo)需要調(diào)整時(shí)，可在預(yù)警指標(biāo)管理部分設(shè)置。