安徽省基层防汛预报预警系统的设计与应用

2021-10-18刘超马浩杨玉喜

人民长江 2021年9期

刘超马浩杨玉喜

摘要：传统的水旱灾害防御手段存在预警针对性不强、预警提前量不足、预警覆盖面不全以及各级水行政管理单位难以协同处理等问题，极大影响了政府防灾减灾服务能力。针对这些问题，结合智慧水利技术和基层防汛机制体制，从规范预警处理流程、延长预警预见期和无固定对象预警3方面出发，提出了一种具有监测数据集总接收、基础信息同步共享、预警流程协同处理、决策会商一站式查询、预警信息统一发布等功能的基层防汛预报预警系统。系统建成并投入使用后，在确保安徽省山洪灾害防治、超标准洪水防御、水利工程安全运行等方面发挥了重要的作用，具有良好的应用和推广价值。

关键词：基层防汛;防汛预报预警系统;山洪灾害;智慧水利

中图法分类号：TP391

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0230-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.037

0 引言

水旱灾害特别是山洪灾害破坏力大、突发性强、损失重，常造成人员伤亡，冲塌房屋，淹没城镇、基础设施，改变河流形态和自然环境，是当前造成人员伤亡和经济损失的主要灾种，严重威胁广大人民群众的生命财产安全。构建监测预警体系，增强监测预警能力，是提升防灾减灾救灾能力的重要组成部分，但水旱灾害突发性强，预测预报难度大，若预警发布较早，则精度不佳，范围过大;若预警发布较晚，则个人和组织的响应时间可能不足。而且发出预警信息后，只有快速、及时送达至受威胁人员并转化为避险行为，预警才是有效的[1-3]。

近年来，为提高水旱灾害防御预报预警的精准度，国内外已经开展了相关研究。如美国国家水文研究中心（HRC）针对山洪灾害预报预警需求，联合其他机构和单位，提出了基于山洪预警指标FFG（Flash Flood Guide）的预警系统建设思路，并在中美洲7个国家 50万km2的山丘区应用，经检验该系统预报准确度为65%，误报率为 35%，漏报率为3%[4]。我国水旱灾害防御信息化建设工作起步相对较晚，2009年才开始山洪灾害防治非工程措施试点工作，提出了基于调查评价、信息监测、预警发布、群测群防的山洪灾害防御新思路。通过多年的建设，山洪灾害防御工作效果显著[5-7]。2015年水利部进一步部署湖南、安徽、河南3个省份试点开展省级灾害预警系统建设。试点建设发现，目前各地基层防汛预报预警系统在精准预警、科学决策、及时发布和应急响应方面还有很大的差距，预警信息发布后在“最后一公里”过程中常存在不达、不明、不快、不全、不易、不理等问题，导致水旱灾害防御未达到效果或失败。本文以安徽省基层防汛预报预警系统为例，介绍了系统在处理预警针对性不强、预警提前量不足、预警覆盖面不全以及各级水行政管理单位难以协同处理等方面问题时的一些创新解决方案，以期未来在全国范围内推广和应用。

1 系统架构和主要功能

根据水利部水利信息化顶层设计，安徽省基层防汛预报预警系统的总体框架采用松耦合的分层架构，由业务功能、应用支撑、数据资源、硬件资源、安全防护体系、标准规范体系等几部分组成（见图1）。系统结构每层功能相对集中和独立，能够为上一层提供很好的支撑服务，层与层之间具有明确的边界划分，松耦合的结构易于未来软硬件及应用服务的调整与扩展。

1.1 业务功能

安徽省基层防汛预报预警系统主要功能包括实时监测、预警处理、运行管理、基础信息、辅助决策等。在数据源上构建了水文、气象、国土等监测站点以及地方建设站点的汇聚平台，实现全省涉水信息“一数一源”的共享目标;在应用上立足水旱灾害防御的主业，实现了全省水旱灾害防御预警流程的系统处理，并随着强化信息产品在行业“监管”方面的主题，融合了水利工程管理、洪水风险图等基础支撑业务;在时间轴向上立足实时，前溯历史（历史信息对比），后抵未来（气象数值预报产品融合预警）;在空间对象上，基于行政区划、流域、水文分区、焦点地区，按要素动态锁定匹配站群实现分类交互浏览;在管理上，“设施监视”实现自测监测站点运行状态分管理单位、分承建单位自动预警，同步实现共性基础信息分级维护、应用共享。

1.2 应用支撑

应用支撑层主要包括应用服务、基础服务和系统资源服务等内容。应用服务提供工作流程、地理信息（GIS）、告警预警、智能表单。基礎服务提供目录服务、消息服务、模型服务、数据库管理等服务。系统资源服务提供数据访问接口、数据转换、计算与存储、数据字典等服务。安徽省基层防汛预报预警系统完成了统一身份认证、通讯录、水利“一张图”、水雨情采集、视频监控平台、汇集平台等应用支撑系统建设，并对现有短信网关实现国家山洪预警短信特服号应用，对接移动、电信、联通进行三网融合。

1.3 数据资源

数据资源层主要为预报预警系统各项业务提供数据来源，包括自动采集数据、共享汇集数据、人工上报数据、整编数据四大类。按照“一数一源”的原则，预报预警系统疏理整编全省系统信息资源，建立水利信息资源目录，明确数据来源责任;更新安徽省全域万分之一的矢量空间数据和0.5 m分辨率航拍影像数据和5 m地形数据，基于二三维地图叠加社会经济、工程、预案、责任制等全要素信息;完成了5万多个责任人和1万多个预案在线填报，实现责任范围底数清晰、动态更新;利用防洪工程数据库建设成果，集中复核全省5 956座水库基础信息[8]。

1.4 硬件资源

基础设施为预报预警系统提供基础的硬件支撑环境。由通信网络、机房环境、数据服务器、数据存储和数据备份等基础设施构成。预报预警系统硬件的集中实施，解决了基层信息化运维力量不足、网络安全防护困难等问题，实现了平台硬件建设集约化。

2 业务流程设计

根据安徽省水旱灾害防御机制体制，水旱灾害防御责任主体在基层地方政府，省、市级水行政主管部门负责对辖内水旱灾害防御工作进行业务指导和技术支撑。结合工作实际，安徽省基层防汛预报预警系统将预报预警业务流程划分为预警发起、内部预警、预警研判、外部预警4个阶段（见图2），内部预警自动向市县级业务人员发布，外部预警向各级责任人和社会公众发布。预警业务流程的4个阶段主要工作在县级执行，省、市两级通过系统对辖内实时预警进行总览、对预警处置的及时性进行督办。

2.1 预警发起

系统预警的发起有两种方式：① 实时监测信息，数据来源为水雨情自动监测站点，当水雨情自动监测站点回传的雨量、水位信息超过设定的预警指标后自动发起预警，预警指标主要通过前期开展的洪涝灾害调查评价确定[9-10];② 气象预报信息，数据来源为气象部门1 km×1 km网格高精度降雨预报数据，系统对应气象预报信息将预警级别分为4级，即Ⅳ级（可能发生）、Ⅲ级（可能性较大）、Ⅱ级（可能性大）、Ⅰ级（可能性很大）。

2.2 内部预警

当有预警发起时，系统自动触发启动内部预警，自动调用短信网关平台向该预警关联的责任人发送手机短信，提醒责任人员登录系统对预警进行处置。责任人主要为各级水行政主管部门相关负责人、值班人员等。如果是水库，提醒对象还包括水库的3个责任人。系统预置了全省各级水旱灾害防御相关责任人员以及全省5 956座水库的行政、技术、巡查责任人联系电话等信息，并在每年汛前通过系统进行更新。如果在一定时限内责任人未对预警进行处置，上级主管部门可以通过系统给预警所在县级单位发送督办短信，并纳入考核打分。

2.3 预警研判

收到内部预警短信后，相关责任人登录系统查看相关信息并进行研判。根据研判结果有关闭预警、加强关注、启动响应3种处置措施。当研判发现降雨已经停止或者预警是由于现场设备故障导致的假预警，可以对预警进行关闭并填写关闭原因，预警流程结束;当研判发现降雨还在持续，但并未达到立即转移指标时，可以通过系统向相关区域发送短信要求进行加强关注;当研判发现预警可能要发生灾害，可以通过系统启动外部预警。

2.4 外部预警

安徽省基层防汛预报预警系统将外部预警分为两类：① 由气象信息研判得到的气象预警，面向社会公众发布，为提示性预警，主要通过通信运营商以基站短信的方式面向社会公众进行发布;② 根据实时降雨和洪水监测值发布的准备转移和立即转移，为指令性预警，发布对象主要为乡镇、村、组、网格等责任人，再由责任人向群众转达，转达方式包括短信、电话、对讲机、无线预警广播、防汛信息展播等方式，村组还可以通过铜锣、手摇报警器、高频口哨、广播等方式发布预警信息。按照网格化责任体系，系统预置了全省5万多个包保责任人、防御行政责任人和网格责任人信息，并在每年汛前通过系统进行填报更新。

预警发布后还要每天上报行动情况，立即转移后还应报转移情况，当转移人员还回，预警流程才结束[11]。一次预警可以根据情况变化研判，采取多次多个处置措施。系统支持用户选择推送区域、用户等。并可向相关责任人发起巡查任务，巡查任务通知可通过手机APP消息提示通知到相关责任人。

3 关键技术研究

围绕水旱灾害预报预警这一难题，从规范预警处理流程、延长预警预见期和无固定对象预警3方面出发，采用实时监测、数值模拟和多部门协同等手段，对预警对象没有针对性、预警时效性不强、无固定对象预警、基层应用便捷化等问题进行了深入研究，并给出了科学的解决方案。

3.1 预警对象没有针对性及预警时效性不强

基于“安徽省水利一张图”高精度数字高程信息，利用GIS技术提取全省小流域水系圖，将超阈值降水、超阈值水位与可能影响到的网格、人口、房屋、桥梁等信息建立上下游空间关联关系，从而建立小流域预警模型。模型根据自动监测站点类型和所在的区域特点设置预警阈值，包括雨量临界值和水位临界值。实时计算超阈值降雨或者水位可能影响的范围和高风险区域，并在电子地图上叠加分析（见图3），评估洪涝灾害发生、发展及其造成的影响。预警产生后根据防汛指挥部门职责和级别建立省市县三级预警以及内外部预警相结合的信息发布体系，内部预警根据预警模型分析结果自动调取危险区范围内相关的责任人、预警设备、视频图像站、防汛物资、专家库等数据资源[12]。根据需要向相关人员和预警设备发布预警信息，进一步缩短预警研判到预警发出的时间。外部预警通过短信群发、微信、无线广播、高音喇叭、手摇警报器、铜锣等方式将预警信息及时准确地传送到可能危险区域。基于手机APP险情采集模块上传现场图片和视频，第一时间了解受灾现场的实时情况。预警信息发出后依据上文所述业务流程对预警全过程进行监督和追踪，确保充分发挥防汛人员、设备、物资的作用，做到效益最大化[13]。

为解决时效性问题，预报预警系统整合水雨情遥测和天气雷达数据，除了对原有降雨进行统计分析外，还提供当前正在降雨情况预测和未来12，6，3 h降雨预报，做到早期预警，为水旱灾害防御进一步增加了提前量。

3.2 无固定对象预警

针对山区旅游人员、流动人员以及外来务工人员等无固定对象人群，创新采用区域定向发送模式，有效解决了预警信息发布“最后一公里”问题。与移动、电信、联通三大运营商联系，建立预警区域与通信基站的对应关系，预警区域由平台按照相应预警算法进行划定，主要成果为小流域和乡镇、行政村边界信息。相应运营商基站范围内的所有在线手机用户为预警信息发布的对象。当预警发起时，安徽省水利厅推送预警数据、小流域编号、短信模板编号给通信运营商，通信运营商根据已建立的空间关系调用对应的基站，采用统一短号码对基站范围内手机用户发送预警短信。详细技术路线如下（见图4）。

（1）对全省行政区、小流域边界数据进行整编分析，通过空间叠加算法计算出能够完整覆盖整个预警区域的运营商通信基站名录，以达到预警范围的全覆盖。

（2）通过气象部门2 h降雨预报数据，对暴雨格点区域进行分析，提取行政区和小流域范围，并将范围推送给运营商。

（3）当预警发起时，通过对通信基站周边过去2 h和未来2 h内注册的手机号码进行短信预警，并对已预警手机号码进行筛选，不做重复预警。

（4）对短信发送结果进行反馈，短信发送结果通过开放统一接口，基于专网网络与运营商进行对接，反馈的数据结果包括已经发送短信数量、发送成功的短信数量、等待报告的短信数量、发送失败短信数量等内容。

3.3 基层人员信息获取难

针对基层乡镇政府和山洪威胁区的中小学校，创新采用“基层防汛信息展播”的预警发布新模式。基层防汛信息展播是以RCU（远程控制终端）主控单元为核心，根据安装环境的不同配置相应显示设备（室内液晶显示屏或者室外LED显示屏）、遥控器等，预警系统预先定制“当前预警、雨水情、视频/图像、水利宣传”等频道，并将频道发布到各个乡镇RCU主控单元，基层水利管理人员便可通过遥控器以类似切换电视频道的方式简单获取辖内相应实时预警、雨水情、视频/图像、水利宣传等信息，也可以通过手机APP或短信实现本单位日常通知的发布。

基层防汛信息展播设备通过安徽省基层防汛预报预警系统实现各类信息的展示（见图5）。展播设备根据安装位置的不同，可以在预警系统匹配相应的雨量、水位、图像、视频站点;通过与省级视频监控平台对接，实现视频站点视频流数据的转发，完成展播设备的视频监控数据在线浏览;通过与省级统一短信平台对接，实现基层管理人员短信通知内容在管理范围内展播终端的实时展示。

3.4 系统对大数据的展示

① 进行逻辑避让。以站点级别、站类以及区域站网空间密度，实现“归类优先、兼顾疏密”的人性化视觉浏览效果。② 站群检索。涉水信息从统计意义上多数与面对象有关，涉及“行政区划”、“流域”、“水文分区”、“焦点区域”等，这些区域类别之间存在交集，在区域统计时对边界内的匹配站点检索存在重复配置。“站群检索”专用工具将具体的面对象抽象出来，实现“面层→工具→站群”的动检索，彻底规避动态变化、无穷尽的站点配置。

4 应用情况及效果

安徽省基层防汛预报预警系统于2019年5月在安徽省正式上线运行。用户覆盖全省各级水行政管理单位，系统功能已由单一预警实现向综合平台的过度，整合的监测站点从原来不足1 000个发展到约6 000个，监测盲区大大减少，预警的及时性、有效性显著增加。尤其是2019年汛期，安徽省利用省级平台上的监测预警数据，结合前期开展的山洪灾害调查评价成果，准确捕捉到“利奇马”台风可能造成的严重影响，第一时间向宣城市、宁国市发出预警，要求按超历史洪水防御方案坚决果断转移危险区人员。宁国市提前约1 h将影响区域人员转移完毕，有效避免了人员伤亡。灾后调查，洪水淹没范围与系统判断的预报预警范围几乎一致。

5 结论

本文针对水旱灾害预报预警这一难题，在水文、气象、灾害、通信、软件等方面开展了全面的研究，形成了完整、体系化的水旱灾害防御信息化支撑系统，并在水旱灾害防御过程中得到成功应用。

（1）建立了规范化、流程化的水旱灾害防御体系，提出的四阶段预警处理业务流程，实现了省、市、县各级水行政主管部门的协同运转。解决了基层业务流程不规范、处置监管能力不平衡等问题，实现业务处置看得见、管得到。

（2）研究开发了区域定向预警信息发布系统，实现了对无固定对象人员的预警通知，并通过大数据分析，实时掌握区域内人员年龄分布和空间分布情况，为人员转移方案的制定提供了有效支撑。

（3）基于基层防汛预报预警系统，研究开发了信息展播设备，實现乡镇基层防汛业务人员、学校师生等基层群体以类似“电视频道”的方式方便快捷的获取水旱灾害监测、预警信息。

（4）结合视频监控应用支撑平台，创新研发了视频无插件访问技术，实现了BS模式下视频站点在多种浏览器中的实时访问和控制。

安徽省基层防汛预报预警系统是国家防汛抗旱指挥系统向基层的延伸，平台使用了全新的开发技术，以最简单、最全面、最清晰的方式给防汛工作者和决策者予以查询和显示，以便随时掌握防汛信息。该系统对安徽省水利各专题数据进行了充分发掘，使业务数据更加准确、基础数据更加全面、数据访问更加流畅、数据展现更加科学简洁。基层防汛预报预警平台已经实现的共享模式、预警处置的技术路线、取得优异成效等方面对公共安全具有共性，推广应用前景广阔。

参考文献：

[1] 何秉顺.浅谈自然灾害预警 [J].中国减灾，2019，12（6）：44-47.

[2] 赵刚，庞博，徐宗学，等.中国山洪灾害危险性评价[J].水利学报，2016，47（9）：1133-1152.

[3] 李红霞，覃光华，王欣，等.山洪预报预警技术研究进展[J].水文，2014（5）：12-16.

[4] 孙东亚，张红萍.欧美山洪灾害防治研究进展及实践[J].中国水利，2012（23）：16-17

[5] 马建华，胡维忠.我国山洪灾害防灾形势及防治对策[J].人民长江，2005，36（6）：3-5.

[6] 马建明，刘昌东，程先云，等.山洪灾害监测预警系统标准化综述[J].中国防汛抗旱，2014，24（6）：9-11.

[7] 胡维忠.构建科学的山洪灾害监测预警系统 [J].中国水利，2007，7（14）：34-37.

[8] 何洋，宁芊，赵成萍.县级山洪预警平台专题数据库设计与应用[J].人民长江，2014，45（2）：45-45.

[9] 陈桂亚，袁雅鸣.山洪灾害临界雨量分析计算方法研究[J].人民长江，2005，36（12）：40-43.

[10] 江锦红，邵利萍.基于降雨观测资料的山洪预警标准[J].水利学报，2010，41（4）：458-462.

[11] 郭良，唐学哲，孔凡哲.基于分布式水文模型的山洪灾害预警预报系统研究及应用[J].中国水利，2007，7（14）：38-41.