湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

周 翀 魏永強 胡穎冰 李永剛 周 智 申志高

（1.湖南省水利水電科學(xué)研究院，長沙 410007；2.長沙理工大學(xué)，長沙 410114；3.湖南省水利廳，長沙 410007；4.湖南舜網(wǎng)信息技術(shù)有限公司，長沙 410205）

0 引 言

湖南省位于我國中部，地處長江中游以南，南嶺以北。受特殊的地理位置和氣候條件影響，降雨時空分布極不均勻，全省大雨則洪、多雨則澇、少雨則旱，水旱災(zāi)害頻發(fā)多發(fā)。根據(jù)國務(wù)院普查辦統(tǒng)一安排部署，湖南省從2020 年開始，歷時3 年，完成了全省水旱災(zāi)害風(fēng)險普查工作，并獲得了大量成果數(shù)據(jù)。為加強普查成果在自然災(zāi)害綜合防治能力提升方面的應(yīng)用，推動普查成果納入各級各類指揮平臺，提升單災(zāi)種、多災(zāi)種管理全過程的災(zāi)害研判和防御能力，湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險普查從啟動之初就堅持“邊普查、邊應(yīng)用、邊見效”的基本思路，結(jié)合湖南省水旱災(zāi)害防御工作的實際需要，促進普查成果快速轉(zhuǎn)化。

湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險管理系統(tǒng)利用智慧水利的頂層設(shè)計思路，基于風(fēng)險普查成果，結(jié)合現(xiàn)有水旱災(zāi)害防御基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、全省水利“一張圖”等已有資料，充分利用地理信息系統(tǒng)、洪水預(yù)報模型、水動力學(xué)模擬、數(shù)字孿生等新技術(shù)對普查成果進行挖掘和分析，形成了一套“普查數(shù)據(jù)集成、全類信息融合、實時分析預(yù)報、成果動態(tài)展示”的水旱災(zāi)害信息化工作平臺。為水旱災(zāi)害防御工作提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)和專業(yè)的應(yīng)用分析能力，智慧賦能于全省防汛抗旱大局。本文從系統(tǒng)框架、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計與功能應(yīng)用等方面對系統(tǒng)進行全面介紹和分析。

1 系統(tǒng)框架及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 整體框架

本系統(tǒng)采用J2EE 開發(fā)框架，基于信息化網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化安全保障體系進行設(shè)計研發(fā)，系統(tǒng)總體框架主要由數(shù)據(jù)層、平臺層、應(yīng)用層、用戶層4 層架構(gòu)組成（圖1）。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

（1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層集中組織和管理該系統(tǒng)運行所需的各類數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、工程信息數(shù)據(jù)、雨水情數(shù)據(jù)、水旱災(zāi)害普查成果數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)層為上層業(yè)務(wù)展示和分析提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）平臺層。應(yīng)用支撐平臺層包括地理信息系統(tǒng)平臺、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、支撐業(yè)務(wù)系統(tǒng)的各類引擎和中間件、水利云平臺。其中，地理信息系統(tǒng)平臺負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)的管理維護和信息查詢，數(shù)據(jù)服務(wù)平臺包括數(shù)據(jù)服務(wù)接口、模型接口等。支撐引擎中間件包括消息中間件、緩存中間件、圖形報表中間件等。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層包括綜合駕駛艙、洪水災(zāi)害風(fēng)險普查成果展示、干旱災(zāi)害風(fēng)險普查成果展示、洪水災(zāi)害實時風(fēng)險分析及系統(tǒng)后臺管理的各個業(yè)務(wù)功能模塊。

（4）用戶層。用戶層包括整個系統(tǒng)的目標(biāo)用戶，各類目標(biāo)用戶根據(jù)各自不同的權(quán)限及業(yè)務(wù)需要，獲取對應(yīng)權(quán)限下的內(nèi)容并進行展示。該系統(tǒng)用戶層分為省、市、縣3 級行政主管部門目標(biāo)用戶。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）J2EE 框架。J2EE 是當(dāng)前主流的Web 開發(fā)框架，具有可伸縮性、靈活性、易維護性等特點。J2EE能夠開發(fā)部署在異構(gòu)環(huán)境中的可移植程序，應(yīng)用程序不依賴任何特定操作系統(tǒng)、中間件、硬件，支持大型機、UNIX平臺、Windows操作系統(tǒng)。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，允許多臺服務(wù)器集成部署，實現(xiàn)可高度伸縮系統(tǒng)建設(shè)（圖2）。

圖2 J2EE框架技術(shù)示意圖

（2）前后端分離。該系統(tǒng)采用前后端分離技術(shù)進行開發(fā)，前端開發(fā)人員進行前臺頁面結(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，完成不同情況下的展示，而后端開發(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，實現(xiàn)真正的前后端解耦，提升開發(fā)效率（圖3）。

圖3 前后端分離技術(shù)示意圖

（3）WebGIS 技術(shù)。WebGIS 是Web 技術(shù)和GIS 技術(shù)的結(jié)合?；赪ebGIS技術(shù)，可以在不同地點和不同計算機平臺上，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)發(fā)布、空間查詢與檢索、空間模型服務(wù)、Web 資源組織等功能，且便于跟Web 中的其他信息服務(wù)進行無縫集成，建立靈活多變的GIS應(yīng)用（圖4）。

圖4 WebGIS技術(shù)示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計與功能應(yīng)用

2.1 水旱災(zāi)害風(fēng)險普查數(shù)據(jù)庫建設(shè)

水旱災(zāi)害風(fēng)險普查數(shù)據(jù)庫是建設(shè)開發(fā)該系統(tǒng)的基礎(chǔ)，以風(fēng)險普查成果數(shù)據(jù)為核心，集成洪水隱患調(diào)查、山丘區(qū)中小河流洪水淹沒、洪水風(fēng)險區(qū)劃、洪水防治區(qū)劃、干旱致災(zāi)調(diào)查、干旱風(fēng)險區(qū)劃、干旱防治區(qū)劃，同時梳理出關(guān)鍵指標(biāo)，建立各類數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系、從屬關(guān)系、指示關(guān)系、空間拓?fù)潢P(guān)系，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的深度集成與融合，破除“數(shù)據(jù)孤島”障礙，深度挖掘成果的數(shù)據(jù)價值。該系統(tǒng)通過將湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險普查成果的表格、圖片、圖層、報告等共計785.6 萬條各類要素，按先整合后分類、先分割后匹配的方式，建立形成了湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險普查數(shù)據(jù)庫（圖5）。

圖5 數(shù)據(jù)庫建設(shè)示意圖

2.2 信息系統(tǒng)集成

該系統(tǒng)平臺在普查數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，集成山洪災(zāi)害調(diào)查評價、洪水風(fēng)險圖、超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)案、水資源調(diào)查評價等項目成果，同時共享疊加全省GDP、人口、房屋、農(nóng)作物等其他行業(yè)部門普查成果數(shù)據(jù)，形成一套方便查詢、展示、分析的水旱災(zāi)害防御知識庫、操作臺（圖6）。

圖6 各類水利信息系統(tǒng)集成示意圖

平臺從橫向和縱向兩個維度，對接其他業(yè)務(wù)平臺和省市縣各級水旱防御業(yè)務(wù)系統(tǒng)，提供水旱災(zāi)害風(fēng)險防御基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接口服務(wù)、知識庫專題接口服務(wù)、應(yīng)用分析與模型算法服務(wù)。系統(tǒng)基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心、信息共享平臺和信息交換平臺，利用現(xiàn)有的水利信息系統(tǒng)：湖南省水利“一張圖”、湖南省水信息基礎(chǔ)平臺、湖南省實時雨水情系統(tǒng)、湖南省山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等，吸收原有系統(tǒng)的實用經(jīng)驗、數(shù)據(jù)成果，將其融入新系統(tǒng)之中，進行業(yè)務(wù)應(yīng)用整合和信息共享，構(gòu)建全省統(tǒng)一的水旱災(zāi)害風(fēng)險管理、展示與分析軟件平臺。

2.3 系統(tǒng)主要功能設(shè)計

2.3.1 綜合信息展示

綜合信息模塊是一個前端的展示面板，主要是對普查開展的調(diào)查分析、評估區(qū)劃和洪水淹沒范圍等成果進行集中展示。將各類普查成果指標(biāo)信息作為輔助要素進行疊加分析，包括全省的暴雨頻率圖、洪水頻率圖、洪水隱患調(diào)查、防洪保護區(qū)洪水風(fēng)險圖、中小河流洪水淹沒圖、洪水風(fēng)險區(qū)劃及防治區(qū)劃、干旱災(zāi)害致災(zāi)調(diào)查與評估、干旱災(zāi)害風(fēng)險評估、干旱災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃和防治區(qū)劃等各類成果數(shù)據(jù)不同維度的統(tǒng)計對比展示，同時可基于實際業(yè)務(wù)需求實現(xiàn)擴展，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的變化調(diào)整，實時完成動態(tài)更新。

2.3.2 普查成果管理

湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險普查成果主要包括9 類數(shù)據(jù)：洪水災(zāi)害隱患調(diào)查、河流斷面成果、山丘區(qū)中小河流洪水淹沒圖、洪水風(fēng)險區(qū)劃、洪水防治區(qū)劃、干旱災(zāi)害致災(zāi)調(diào)查、干旱災(zāi)害風(fēng)險評估、干旱災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃、干旱災(zāi)害防治區(qū)劃。該模塊對普查成果數(shù)據(jù)以九宮格的形式進行直觀展示，實現(xiàn)對普查成果的可視化查詢、信息點查詢、數(shù)據(jù)管理等功能。

（1）洪水災(zāi)害隱患調(diào)查。按照調(diào)查結(jié)論，對水庫（水電站）、水閘、堤防、蓄滯洪區(qū)進行分類定量統(tǒng)計，支持查看調(diào)查要素的分布情況，展示其屬性信息及表格數(shù)據(jù)，同時可按設(shè)定條件查詢、篩選、定位等。

（2）河流斷面成果。展示此次風(fēng)險普查河流斷面測量成果及統(tǒng)計信息，可對河流及測量斷面進行定位，展示斷面的斷面圖，查看斷面每個測點的高程及距離信息，同時可按照市、縣名稱或斷面名稱進行斷面數(shù)據(jù)下載等。

（3）山丘區(qū)中小河流洪水淹沒圖。按照5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇、50 年一遇、100 年一遇5 個頻率統(tǒng)計中小河流的淹沒范圍，可查詢每個頻率的淹沒面積、影響人口、房屋、農(nóng)作物和經(jīng)濟損失情況，同時可按照重現(xiàn)期、河流名稱等查詢下載相關(guān)數(shù)據(jù)。

（4）洪水風(fēng)險區(qū)劃。按照極高風(fēng)險區(qū)、高風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、低風(fēng)險區(qū)分類統(tǒng)計全省洪水風(fēng)險區(qū)劃的面積和占比，同時可按三區(qū)劃分、單元劃分、風(fēng)險等級進行分類查詢，也可按流域篩選下載對應(yīng)風(fēng)險區(qū)劃數(shù)據(jù)。

（5）洪水防治區(qū)劃。按照一級重點防治區(qū)、二級重點防治區(qū)、中等防治區(qū)、一般防治區(qū)和局地洪水威脅區(qū)分類統(tǒng)計全省洪水防治區(qū)劃的面積和占比。同時可按照三區(qū)劃分、防治等級進行數(shù)據(jù)查詢、下載等功能。

（6）干旱災(zāi)害致災(zāi)調(diào)查。按照水資源量、抗旱工程能力、城鎮(zhèn)水源情況、旱情及旱災(zāi)損失等要素統(tǒng)計相應(yīng)調(diào)查情況，同時可以縣為單位，展示單個區(qū)（縣）內(nèi)致災(zāi)要素的具體數(shù)據(jù)和統(tǒng)計，并提供省市縣3級的分級數(shù)據(jù)下載功能。

（7）干旱災(zāi)害風(fēng)險評估。按風(fēng)險類型，可查看農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險、因旱人飲困難風(fēng)險、城鎮(zhèn)干旱災(zāi)害風(fēng)險圖層，按風(fēng)險等級，可篩選對應(yīng)風(fēng)險類型的頻率，同時提供評估數(shù)據(jù)下載功能。

（8）干旱災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃。統(tǒng)計展示全省5個干旱風(fēng)險等級（高風(fēng)險、中高風(fēng)險、中風(fēng)險、中低風(fēng)險、低風(fēng)險）的區(qū)（縣）數(shù)量和占比。同時可按照市縣、風(fēng)險類型等下載查看該區(qū)（縣）或該類型下的具體屬性信息。

（9）干旱災(zāi)害防治區(qū)劃。統(tǒng)計全省重點防治、中等防治和一般防治的區(qū)（縣）數(shù)量和占比?？砂凑帐袇^(qū)、一級區(qū)劃、二級區(qū)劃等查詢下載對應(yīng)干旱災(zāi)害防治區(qū)劃數(shù)據(jù)。

2.3.3 實時分析模型

借助此次普查成果和水文基礎(chǔ)信息，聯(lián)合湖南省水文中心共同開發(fā)流域洪水預(yù)報分析模型。選取漣水作為典型流域試點開展應(yīng)用，根據(jù)水旱災(zāi)害風(fēng)險普查漣水流域水利工程分布情況（水庫、水閘、堤防），河道測量斷面，河道地形高程數(shù)據(jù)，接入漣水流域?qū)崟r雨水情與工情數(shù)據(jù)，結(jié)合漣水流域現(xiàn)行調(diào)度方案，在系統(tǒng)中完成洪水預(yù)報—一、二維水動力學(xué)模型耦合—洪水演進淹沒及災(zāi)損分析的全過程模擬仿真，實現(xiàn)流域降雨洪水過程實時預(yù)報預(yù)警。

模型包括：通過對雨量預(yù)警指標(biāo)的分析，進行人員準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移的預(yù)警和轉(zhuǎn)移路線推送；通過對河道實時水位信息、斷面特征水位的綜合分析，進行洪水預(yù)報預(yù)警響應(yīng)。通過利用實時洪水風(fēng)險分析全過程模擬仿真推演，及時分析推斷流域沿線洪水淹沒地區(qū)及將來時段內(nèi)可能淹沒區(qū)域，及時向區(qū)域內(nèi)責(zé)任人員發(fā)送預(yù)警通知提醒預(yù)警，面對階段風(fēng)險提出相應(yīng)的工程與非工程措施。此外，結(jié)合區(qū)域內(nèi)的人口、房屋、經(jīng)濟、農(nóng)作物分布情況進行洪水淹沒過程實時災(zāi)損統(tǒng)計（圖7）。

圖7 洪水預(yù)報分析模型建設(shè)示意圖

2.3.4 洪水動態(tài)演示

此模塊主要是流域洪水模擬成果的動態(tài)演示。通過接入河道預(yù)報、水庫預(yù)報、沿程水面線、災(zāi)損統(tǒng)計分析等成果信息，以定時滾動播放形式動態(tài)展示逐時段的水位、流量、沿程水面線和各區(qū)（縣）災(zāi)損的變化過程。在三維場景中動態(tài)演示河道及洪水淹沒演進的情況，同時對預(yù)演區(qū)域內(nèi)的河道水位及淹沒水深進行交互查詢。并利用系統(tǒng)中接入的此次自然災(zāi)害風(fēng)險普查收集的全省GDP、耕地面積、人口、房屋數(shù)據(jù)網(wǎng)格圖層信息，與洪水淹沒影響區(qū)域進行疊加，實時分析災(zāi)損影響情況。此外，動態(tài)展示模塊還可推演可能出現(xiàn)的河道超警戒、超保證，水庫超汛限、超校核，山洪危險區(qū)超臨界雨量的風(fēng)險點所在位置和相應(yīng)預(yù)警指標(biāo)，后期將實現(xiàn)直接給予相應(yīng)防汛責(zé)任人短信或語音預(yù)警的功能，逐步豐富普查成果在系統(tǒng)中的動態(tài)應(yīng)用。

3 結(jié) 語

本文從系統(tǒng)框架、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)功能設(shè)計等方面介紹了湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)分類型、分區(qū)域、分層級對水旱災(zāi)害普查成果進行展示，同時結(jié)合普查成果，利用洪水預(yù)報分析模型，將雨水情數(shù)據(jù)與水文水動力模型相耦合，實現(xiàn)了流域洪水實時分析計算、動態(tài)演進模擬和災(zāi)損評估。湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險管理系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計與應(yīng)用為湖南省水旱災(zāi)害防御工作提供了強力技術(shù)支撐，為數(shù)字孿生流域建設(shè)打下了基礎(chǔ)，推動了智慧水利發(fā)展，可為相關(guān)系統(tǒng)建設(shè)提供有益參考和借鑒。