辽宁小型水库防汛减灾中大数据云技术的应用研究

(辽宁省农村水利建设管理局，辽宁 沈阳 110003)

截至2018年，辽宁省水利系统内注册登记的小型水库共685座，其中小(1)型水库273座、小(2)型水库412座，总库容92276万m3，兴利库容50051万m3，分布于全省14个市。小型水库的运行和调度管理水平的高低，直接影响到水库效益能否正常发挥，同时也影响到周边居民的日常生活，牵动到当地经济的发展。大量实践表明，大数据分析技术在水库水位监测、水情预报、气象信息联网、防洪抢险等方面均发挥着重要作用，可极大提高水库管理的科学性和机动性[1]。但由于技术力量、管理理念和投资资金等因素的制约，目前，大数据分析技术大多运用在大中型水库运行管理中，而对于小型水库绝大部分依然依靠人力进行，耗时费力，效率较差，尤其在防汛减灾响应的实时性、可靠性和准确性等方面存在严重不足[2]。随着小型水库防汛减灾形势的进一步加重，将大数据分析技术引入到小型水库运行管理中，以大中型水库水情监测及防汛减灾预报预警系统为基础，依靠水利信息数据传输网络，实现纳入小型水库水情监测的全覆盖预报预警，全面提升小型水库抗风险能力，对在新时期、新形势下确保高效优质开展河流防汛及水资源合理配置与保护工作具有重要意义。

1 小型水库运行管理大数据分析应用现状

大数据字面上意思指巨量的数据，是随着信息技术发展提出的新概念。现在一般以“4V”特性来表述大数据，即Volumes(大量)、Variety(多样)、Value(价值)、Velocity(高速)。维克托·迈尔—舍恩伯格教授在《大数据时代》中提出：“大数据的核心就是预测，是把数学算法运用到海量数据上以预测某种事情发生的可能性和概率。”小型水库具有管理对象数量庞大、涉及业务面繁多、时间纵深长等特点，这与大数据分析技术适用条件契合[3]。因此，自2013年起，辽宁省水利部门在小型水库运行管理中，借鉴大中型水库管理经验，以现有水库防汛预报预警系统为基础，逐步引入大数据分析技术，建立了基于手机终端的小型水库报汛系统，有效提高了小型水库运行管理水平和抗风险能力。

1.1 辅助设施制度保障

为有效发挥系统功能，辽宁省从人员和资金、设施设备和物资及组织制度建设等方面，对小型水库防汛系统建设制定了相关指标和措施要求，并监督其落实。

人员和资金方面，在全省范围内，为每座水库配备1名专职库管员和1名临时库管员，库管员工资按照基本工资加绩效考核奖励两部分发放；设施设备和物资方面，要求每座水库配置基本的水位量测设备，对有条件的水库，配备水情监测、雨情观测等设备。

水库主管部门对小型水库水情、物资储备、抢险队伍、防汛责任人、险点险段、防汛预案等信息及时进行采集并上报，信息处理部门接收到信息后录入到对应系统，为水库的运行管理和防汛调度提供基础信息；编制库管员管理手册，要求库管员按照省防汛抗旱指挥部相关要求，按时对水库水位、当地水情、雨情等信息进行观测并上报，县、市、省三级水利部门对库管员信息上报情况进行监督，并对上报数据进行层层复核，确保系统内各项信息的实时性和准确性。

1.2 防汛报汛抢险体系建设

依托于水库库容、特征水位、水雨情实时数据、气象数据、防灾工情数据、灾情数据、保护对象情况、地区经济社会情况、结构和非结构文档数据、舆情数据等方面的大数据汇总分析成果，自主研发了“辽汛通”APP，通过对全省14个市的水情雨情观测数据进行统计分析，并结合气象部门预测结果，建立了辽宁省小型水库报汛系统，实现了小型水库水情、雨情、汛情和气象等信息的联网同步，显著提升了汛期小型水库的联合调度抗风险能力和减灾效益。该系统考虑了降雨和径流的时空关系、工程体系和组织机构的运行情况，并在一定程度上涉及到区域社会经济发展的影响因素，为汛期决策提供了强有力的数据支撑。

通过采集的小型水库所在地理位置、所在河流及流域、上下游水库情况、总库容、防洪库容、设计洪水位、校核洪水位、死水位、汛期限制水位、影响耕地面积、影响人口等数据，实时确认小型水库的工情和组织信息；通过对水库水位进行量测，采集各水库实时水位；通过与当地水文测站、水雨情监测部门、气象部门的联网，及时了解水库所在区域的径流量、降雨量等水文及气象信息，进一步经大数据计算分析，获得水库实时入库及出库流量、洪峰流量等重要数据并绘制出库容曲线、泄洪曲线等(见图1～图3)。确认实时汛情后，结合已采集的水库周边保护耕地及人口情况，作出社会经济影响评价，为防洪决策提供依据。在抢险措施制定并落实后，通过后续跟进，采集实际险情变化及损失情况，确认抢险措施实施的有效性和可行性，进而形成一套完整有效的防汛报汛抢险体系。

图1 实时汛情界面

图2 水库汛情详细信息界面

图3 水库过程流量曲线界面

1.3 人员监督考核管理

辽宁省通过小型水库报汛系统、微信群和QQ群相结合方式，开展相关人员的监督考核管理工作。水库管理人员采用发送报汛短信方式进行报汛，在实际应用中，由于报汛人员漏报、短信编辑错误、关机、停机、报汛手机与系统不一致等主观原因及系统短信录入延迟、系统错误、手机信号漫游偏移至省外、手机维修、手机丢失等客观原因，导致出现在规定时间内报汛信息不完整或不够准确的情况，对报汛系统的正常运行造成了一定阻碍。针对这种情况，从2017年开始，辽宁省小型水库管理部门对各水库报汛情况进行了记录，对未能及时报汛的水库、库管员、未报汛原因等均进行了详细记录，并通过数据分析技术，对未报汛延误情况按原因进行了分析(见下表和图4～图5)。

每日早8时未报汛原因统计表

图4 汛期各月报汛延误人次分布

图5 每日早8时报汛延误地区分布

通过上表、图4和图5结合分析可知，报汛延误情况原因主要为无人接听、关机等主观因素；报汛信息延误在时间段上主要集中在6月、9月等非主汛期(辽宁主汛期通常为7月、8月)时段，在空间上主要集中在辽西(锦州市、朝阳市、葫芦岛市、阜新市)及辽东(丹东市、本溪市、抚顺市、辽阳市)等地区。对非汛期报汛情况不良中的无人接听、关机等情况，笔者通过向负责人了解、事后与库管员电话联系等方式进行沟通，结果显示，此类情况主要由库管员重视程度不足引起；对非主汛期报汛不良，大部分也是由于库管员重视程度不足引起的。对报汛信息延误出现的空间分布规律，经调查，除人为管理因素外，一方面，辽西、辽东地区山区较多，而小型水库又大多处于较为偏僻的地区，远离人群居住区，信号塔等通信设施设备不完善，常常导致手机信息发送滞后甚至不成功；另一方面，辽西、辽东部分地区与内蒙古、吉林地区接壤，报汛人员发送的短信信号偏移到临近省份的情况时有发生，而辽宁省水库报汛系统是通过移动信息网络转发相关信息录入的，外省信息无法接收，导致系统内相关报汛信息缺失。

通过以上数据收集、调查分析，辽宁省小型水库管理部门初步掌握了报汛信息延误的主要原因，于2018年汛期开始前，针对性地进行了完善：一方面，对各市、县以公文形式下发相关文件，强调并督促要求加强汛期重视力度，并将2017年报汛情况通报相关市、县负责人，并在“大禹杯”绩效考核中核减得分；另一方面，灵活调整报汛方案，要求存在信号偏移的地区提前报汛，通过增加报汛次数以降低该地区报汛缺失率。通过多措并举，2018年6月进入汛期后，全省未报汛人次由2017年的54人降低到14人，同比降低74%，报汛情况明显改善。

1.4 水库汛情预测预警

辽宁省小型水库防汛系统通过水文测站上报、与气象部门和水雨情部门联网，实现天气预报、1～7天降水量预报、卫星云图实时查看、累计降雨量分布图直观呈现、500hPa天气图实时查看等功能，极大方便了防汛工作的顺利开展。为更好开展小型水库防汛预报预警工作，辽宁省小型水库管理部门对2017年年内水库超汛限情况进行了统计，如图6所示。通过分析可知，辽宁省2017年小型水库的汛情主要发生在6月初、7月中旬及9月初，发生超汛限1m以上险情持续时间超过3天的水库有抚顺市新宾县朝阳水库、本溪市桓仁县影壁山水库、铁岭市西丰县冰砬山水库和朝阳市南台子水库，与气象部门2017年预报情况基本一致。基于此，2018年汛期开始前，省小型水库主管部门对以上4市进行了重点关注和督促，要求汛期加强观察，做好防汛工作。

图6 辽宁省2017年小型水库超汛限数据

2 水库防汛减灾大数据分析应用现存问题及建议

a.系统不健全，应用不娴熟。辽宁省小型水库报汛系统尚存在运行不够稳定、瞬时数据处理能力略显不足、报汛信息不够直观等问题，如：2017年该系统运行过程中，曾于7月、8月发生过系统错误、报汛系统无法接收数据等问题。在每日8时、14时、20时等规定报汛时间点，当全省大部分水库集中报汛时，部分水库会出现延迟2～10min左右录入数据的不利情况。报汛信息采用6位数字形式，其中前5位表示水位，最后1位表示天气情况，由于辽宁省内40岁以上水库管理人员占比较大，在报汛时，忘记数字含义，发送短信时误触空格键、符号键导致信息无法读取等情况时有发生，给汛情上报造成极大困扰，白白浪费了较多时间和人力。

基于上述情况，结合目前智能手机已得到普遍应用现状，建议借鉴大连市报汛方式，采用APP中直接报汛，通过建立友好、直观的用户界面，以“填空”的方式，由库管员直接在APP人机交互界面中进行数字及相关信息填写，并可实时查看报汛情况，提高汛情上报的实时性和准确性。

b.监测设施缺失，人员积极性不高。由于水库维修养护资金有限，省内小型水库监测设施存在严重不足问题，很多水库仅有测量水尺且已模糊不清，风速与雨情监测、视频监控等信息自动化系统更无从谈起[4]。监测设施的不足，直接导致水库基础数据采集不全或更新不及时，在原始数据采集环节即发生漏项。

建议上级水利部门增加小型水库维修管养经费，进一步完善小型水库水雨情监测及大坝安全监测设施，并增加相关技术人员、管理人员的补助标准，以提高小型水库的管理水平。

c.测点数据量不足，联动性不够。辽宁省原有的水库汛情预警是通过降雨和水库水位的实时信息分析，并结合汛情危险区关系进行判断来发布的，该种方法在时间上具有很大局限性，尤其是当来水量大、水位急剧变化时，防汛工作将十分被动[5]。

鉴于此，2018年，辽宁省在全省范围内开始展开增加相关测点和雷达工作，通过数据联网接入气象短时临近降雨预报数据，再通过水文计算模型对各个河流水情变化实现分钟预测，并对其下游、支流的水库水位变化情况进行精确预测，并将汛期应急措施的实施时间大大提前，有序开展汛情工作。

3 结 论

防汛减灾工作中的文字、图片、声音和动态图像等信息，以数字代码的方式存储在光电介质上，经过专业软件和模型分析处理后，利用现代信息网络设备传送到终端用户上，是大数据为小型水库运行管理服务的核心。基于大数据构建的纳入小型水库水情气象监测数据的水库防汛减灾系统的建设和平台的合理应用，为辽宁省各减灾部门的资源整合和全灾种大减灾平台的构建，提供了有益的建设思路和实践借鉴，进而真正实现大数据云计算为全社会协同防灾减灾服务。