重庆市典型易旱区旱情监测预警系统建设

陈 韬，倪显峰，赵旭贵

（1.南京水利科学研究院，210098，南京；2.湖南舜网信息技术有限公司，410000，长沙）

一、研究区概况

本研究选择渝东北云阳县宝坪镇、巫山县骡坪镇和建坪乡为典型研究区，分别针对城镇和农村两部分进行旱情生活供水监测预警。宝坪镇面积123.8 km2，总人口4.27万人，多年平均降雨量为1 145 mm，常年平均气温16℃。宝坪城镇的生活供水主要来源于青坪水库、宝坪水库和大堰滩水库。宝坪水库和大堰滩水库库容分别为16万m3和38万m3，两座水库通过联调方式向宝坪城镇1.6万人供水。若旱期用水紧缺，则启用青坪水库向大石社区1 300户居民供水。

骡坪镇面积159.97 km2，年均降水量1 041 mm，平均气温18.4℃。共有农村蓄水池321座，总容积约8.1万m3，总受益人口2.76万人。建平乡现有行政村8个，共有农村蓄水池130座，总容积约4.59万m3，总受益人口8 182人。蓄水池的水源类型主要分为两类，以山坡地表径流为主要水源的约占30%，以山体内部地下径流为主要水源的约占70%。为增加地表径流收集能力，25%的蓄水池修建了集雨沟，绝大多数蓄水池都具有良好的防渗措施，54%的蓄水池建设了水泥盖，减少了蒸发损失。

二、建设目标

根据典型乡镇干旱监测的实际情况，建成典型乡镇生活供水旱情监测系统，实时监测水位、降水、蒸发等要素信息。制定以供水工程蓄水量为核心，以用水保障时间和保障人数为表征的干旱预警标准；依托水文部门现有监测站点和本次自建监测站点，整合相关数据源，开发建成典型区旱情模拟预警模型模块，并与重庆市防汛抗旱指挥系统集成，实时发布预警信息，通过监测预警与预测预警相结合的方式，实现典型乡镇旱情预警。

三、干旱模拟预警模型开发

1.总体架构

以扩展性好、实用性高为原则，充分结合互联网、物联网、地理信息系统（GIS）、水利模型等技术，设计符合重庆市干旱监测预警实际业务需求的模型模块，为重庆市典型区干旱监测预警工作提供规范管理、高效运行、智能监测预警的信息化保障。整体系统采用当前主流的J2EE开发框架以及五层架构设计，实现系统分层解耦，便于系统开发、维护，为后期的功能升级扩展提供良好支撑。总体架构如图1。

图1 总体架构图

基础层：基于重庆市水文局、水利局已有的硬件设备以及相关系统，进行上层数据资源和业务应用的构建。

数据层：梳理系统所依赖的数据资源，包括实时雨水情数据、工程数据、空间数据、用水数据，以及系统的干旱监测预警业务数据、外部网络气象数据等数据资源。该层采用已有数据库接入、系统自建业务库、外部网络数据爬取多种方式实现数据的统一管理。

支撑层：系统搭建应用支撑服务，为业务应用提供统一的技术支撑和数据服务，包括各种数据和功能的Web服务，以及GIS组件、报表组件、预报模型组件等。通过支撑层实现良好的业务应用支撑，保证系统具有良好的运行性能和水平扩展能力。

业务层：由后台开发部署的各个应用功能模块组成，包含旱情监测、旱情分析、旱情预警和分析模式的应用模块，通过Web应用服务支撑实现重庆市干旱监测预警业务的Web化、服务化。

表现层：通过前后端分离技术，对干旱监测预警业务的前端页面进行开发，实现面向各相关用户的前端展示界面，实现用户关切的数据、业务展现，不同类型用户可具有不同的展示视图，具有良好的人机互操作性。

2.功能设计

按照重庆市抗旱工作部署与需求，系统设计了4个功能模块，分别是旱情监测模块、雨情监测模块、旱情分析模块和旱情预警模块。

旱情监测模块：从气象、工程等方面选取3项指标进行实时监测。

雨情监测模块：从遥感、水位等方面选取5项指标对雨情分布进行实时监测。

旱情分析模块：从水文气象方面选取4项指标评估旱情等级。

旱情预警模块：综合考虑典型易旱区生活用水需求，选取4项指标实现预警预测功能。

3.关键技术

（1）J2EE框架

J2EE是当前主流的Web开发框架，不管是大型机、UNIX平台还是Windows操作系统，基于J2EE开发的应用程序不依赖任何特定操作系统、中间件、硬件。因此，设计合理的基于J2EE的程序只需开发一次就可部署到各种平台。J2EE框架提供了更为广泛的负载平衡策略，能消除系统中的瓶颈，允许多台服务器集成部署，实现可高度伸缩的系统。J2EE平台包括一整套的服务、应用编程接口和协议，可用于开发一般的多层应用和基于Web的多层应用，便于快速开发、部署和扩展。

（2）前后端分离

采用前后端分离技术进行开发，分数据服务层、应用层及浏览端。系统分析阶段，前端开发人员约定好页面上所需的逻辑变量，进入功能开发阶段，前端开发人员进行前台页面结构、样式、行为层的代码编写，并根据约定好的变量、逻辑规则，完成不同情况展示不同的表现；后端开发人员只需要按照约定，赋予这些变量含义，并提供前后端交互所需要的数据即可。

（3）WebGIS技术

WebGIS是Web技术和GIS技术的结合。由于HTTP协议采用基于B/S的请求/应答机制，具有较强的用户交互能力，可以传输并在浏览器上显示多媒体数据。基于WebGIS技术，可以实现分布在不同地点和不同计算机平台上的数据进行空间发布、空间查询与检索、空间模型服务、Web资源的组织等功能，并很容易与Web中的其他信息服务进行无缝集成，建立灵活多变的GIS应用。

四、典型区旱情预警标准

本研究针对典型易旱区生活用水旱情的预警判断，在借鉴现行标准规范有关规定基础上，将典型易旱区旱情预警标准按照四个等级划分，预警指标选择“供水保障日数”和“保障人口数”。

干旱预警由低到高划分为轻度（Ⅳ）、中度（Ⅲ）、严重（Ⅱ）和特大（Ⅰ）四个预警级别，并依次采用蓝色、黄色、橙色、红色加以表示。干旱预警以旬（10日）为预测时段。针对不同监测对象建立相对应的预警等级标准，具体见表1。

表1 典型易旱区旱情预警标准

五、系统功能

1.旱情监测功能

旱情监测模块可实现雨情、集中供水工程以及分散供水工程的逐日监测功能。用户可查询相关信息，包括：多年平均降水量、当日平均降水量、较多年平均、气象干旱指数等；典型区水库数量、总库容，供水人口数量；典型区水窖数量、总容量，供水人口数量。

2.雨情监测功能

雨情监测模块主要对全市雨情分布情况进行实时查询展示，并对相关统计指标进行计算，以及基于GIS空间插值计算对面雨量进行分析和展示。主要功能包括全市雨情的多年平均降水量、当日平均降水量、气象干旱指数的展示等。

3.旱情分析

旱情分析模块采用逐日雨情、逐日降雨距平和逐日干旱指数三项指标对旱情进行分析，随后基于预设的点兴趣旱情等级规则，将干旱指数转换为旱情等级并在GIS地图上交互展示逐日旱情等级。

4.旱情预警

旱情预警模块包括供水人口与天数、乡镇干旱情况、预警定位以及预警指标管理4个部分。供水人口与天数是对典型易旱区的3个典型乡镇供水人口进行统计、对可供水天数进行预报和预警显示。乡镇干旱情况部分显示了水库和水窖的蓄水量、预警信息、保障N天特征水位等信息。预警定位是当经过模型计算的供水保障情况达到预警启动条件时，系统自动触发预警，并对预警信息在GIS地图上进行快速定位展示，用户可以点击查看预警详细信息。若预警阈值等相关指标需要调整时，可在预警指标管理部分设置。