防汛抗旱决策支持系统框架设计及应用

宋健蛟，李传旗，梁吉欣，杨 源

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都，610072；2.四川省坝导水利科技有限公司，成都，610072；3.四川省水利科学研究院，成都，610072)

引言

我国是一个水旱灾害频繁发生的国家，防洪抗旱、减灾防灾任务非常艰巨。近年来，随着极端天气的不断增多，洪涝灾害出现的频率也随之增加，受灾的范围也不断增大，对社会经济和人民群众生命财产安全造成了巨大的损失[1]。为减少水旱灾害造成的损失，需要深入分析降水的时空分布特性[2]，准确判断降水的产汇流过程[3]，从而辅助决策会商，采取有效的手段进行水旱灾害的预防和控制[4]。

为提升我国防汛抗旱减灾能力，充分发挥各大流域已建水库、堤防、蓄滞(分)洪区、涵闸泵站等工程措施的防灾管理效益，为工程措施提供配套支撑，水利部自20世纪90年代初提出建设国家防汛抗旱指挥系统。经过多年的不懈努力，已经建成国家防汛抗旱指挥系统一期工程[5]，基本完成国家防汛抗旱指挥系统二期工程的建设工作[6]。

多年来，国家防汛抗旱指挥系统一期工程和二期工程在我国防汛抗旱部门决策调度和指挥应急抢险工作中发挥了巨大的作用，取得了显著的效益，对我国水利事业的发展和防汛抗旱信息化和现代化的进程起到巨大的推进作用[7]。

本文针对现有系统中存在的一些局限与问题，设计并构建一套集防汛抗旱信息管理、监测预警、防汛抗旱风险评估、会商展示、移动办公为一体的防汛抗旱决策支持系统，全面提高防汛抗旱的监测感知和监测预警能力和信息化支撑能力，为水旱灾害应急救援决策提供系统支撑，有效提高水旱灾害应急抢险技术能力，尽可能减少水旱灾害造成的损失。

1 防汛抗旱决策支持系统难点问题

在水利部“三对标、一规划”专项行动总结大会上，水利部党组书记、部长李国英提出要以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，全面推进算据、算法、算力建设，打造数字孪生流域，加快构建具有预报、预警、预演、预案(以下简称“四预”)功能的智慧水利体系[8]。对照“四预”要求，现有系统在目前还存在着一些局限与问题。

1.1 防汛抗旱数据感知能力薄弱

各级防汛的实时水雨情、险情、工情和救援指挥信息无法及时上传到防办和应急管理部门，缺乏各级防办人员值班值守、行政、工程负责人、防汛物资、抢险队伍及重要险情报送等信息管理功能。与防汛抗旱相关的分析成果数据分散在气象、水利、自然资源、海洋、农业、公安、住建、交通、能源等单位。

1.2 防汛抗旱风险管理能力不完备

缺少水旱台风灾害风险模拟推演，无法形成洪水风险图，影响国家防汛抗旱指挥部门提出抢险救援意见的工作效率。

1.3 防汛抗旱决策支撑能力不足

当前防汛抗旱工作主要依靠气象水文等部门工作人员的人工经验，缺少对于智慧水利、数字孪生水利的建设，缺乏对重大水旱灾害的预警监视、模拟复盘、会商研判、指挥调度等技术支撑。

1.4 缺乏移动指挥平台

缺乏支撑移动智能设备的信息平台，难以第一时间获知下级部门上报的水旱灾害重大险情和事件信息，现场工作组缺乏移动指挥平台。

2 关键技术

2.1 实时洪水预报

采用水文、气象、地理信息技术深度融合方式，建立分布式物理水文模型。模型通过地形地貌、植被、土壤类型、气候条件基础数据进行分析，采用机器学习循环神经网络RNN预测算法，将所有预报参数与流域的物理特征建立转换关系，模型能够根据流域的特点自动提取参数。

在大数据架构下，利用数值模型技术描述气象水文多要素驱动关系，实现降水、径流、温度、风速等的精细化预报，并围绕模型输入、输出、自身参数及精度评价，构建标准化数据存储体系。在此基础上，引入聚类分析、相似判断、智能寻优、非线性建模等技术，实现模型自主学习与自动优化。

2.2 防洪态势分析

利用GIS技术，在地理空间位置上进行三维仿真分析，模拟可能受灾区域的范围、最大水深、水流速度及统计分析可能的社会经济损失，通过GIS可视化三维仿真环境，查询分析关注区域或重要节点上的雨水工情分布、河道水情演进与漫坝、城镇的淹没范围与经济损失评估等信息。

根据关注区域内涉及的各项水利工程的基础工情信息、实时雨水工情信息、预报调度成果和预估灾情信息，结合防洪保护对象和工程防洪能力，在时间和空间尺度上，采用大数据统计方法，自动分析提取当前和将来一段时间内可能需重点关注的有洪水风险的保护对象及受灾风险等级，基于GIS的缓冲区分析技术，实现重点关注范围(半径圆缓冲、线缓冲、自定义面缓冲)内的重要地物、救援力量和资源保障分析，系统通过综合分析形成防洪调度态势分析报告，为调度工作提供参考依据。

2.3 防洪调度分析

针对重点关注的区域和关注对象的防洪工程，基于各防洪工程设施的工程特性数据，采用水量平台、一维水动力模型、马斯京根河道演进模型及各类水利工程泄洪设施的水利计算，建立调度模拟环境。能够在各种人为干预的情况下，模拟水库调度和蓄水过程、蓄滞洪区运用过程、河道洪水演进过程，发现潜在的洪水威胁和避免次生灾害的发生。

防洪调度分析是一个复杂的过程，需要根据实时测定的水雨情、工况数据，结合预报成果，生成防洪调度预案，针对性地制定调度计划，并进行调度成果可视化，为不同区段的防洪调度实施提供支持。

3 防汛抗旱决策支持系统设计

3.1 系统框架设计

系统针对防汛抗旱决策支持系统业务需求，重点打造1个防汛抗旱决策中心和3大应用场景，从数据资源、模型算法、知识经验、应急案例、应用支撑和应用场景等多个维度开展系统架构设计，开展全国防汛抗旱决策支持系统建设。平台总体框架如图1所示。

图1 防汛抗旱决策支持系统总体架构

3.2 系统数据资源池设计

数字资源池整合来自水利、气象及应急管理部各业务系统的包括结构化数据、非结构化数据、实时数据、空间地理信息服务等四类信息，按照类型可分为基础数据、专题数据、监测数据、系统数据及元数据等。对原始库、资源库、主题库、专题库实现数据治理系统相关数据的落地存储与服务支撑。数据服务是通过对数据资源的服务化封装形成对外提供数据资源服务的能力；数据共享交换主要实现跨业务、跨应用、跨部门的信息共享。

3.2.1 基础数据库

包括行政区划、流域水系、交通道路、居民点分布等社会经济相关数据，以及地形、地貌、遥感影像等空间数据。系统涉及的基础数据由主管部门数据治理平台存储和推送。

3.2.2 专题数据库

包括流域、河流水系、防洪工程、风险隐患点、气象预报、应急物资、救援队伍、洪水风险图、防洪调度令、抢险救援方案、值班值守、防汛责任人等防汛抗旱工作相关专题数据。本系统需要的已有的数据资源，通过数据接口直接调用；待补充的专题数据由主管部门数据治理平台存储和推送，

3.2.3 监测数据库

包括雨量站、气象站、江河水情、水库水情、水电站水情、堰闸水情、墒情站、视频等相关实时监控数据。本系统涉及的实时数据可通过主管部门数据治理平台数据接口直接调用。

3.2.4 系统数据库

包括用户信息、访问信息、权限信息、系统日志、数据库备份信息、文件备份信息等。用于防汛抗旱系统配置及运维数据信息，可由本项目自建数据库存储管理。

3.3 系统应用场景功能设计

3.3.1 数据管理

建立防汛抗旱数据接入、抓取、填报、融合、生成、维护和可视化的数据管理功能模块。通过数据接口、信息填报、更新维护和可视化等手段，建设满足本管理要求的防汛抗旱数据资源池，为系统防汛抗旱态势分析、调度评估、知识经验管理、一张图管控、移动指挥和系统管理提供业务性、实时性、预测性数据渠道。

3.3.2 态势分析

态势分析包括实时态势展示、态势变化分析、态势评估三个层次，其目的是通过信息集成、模型分析和相关成果的集成，为防汛抗旱决策提供技术支撑。依据实时监测信息、水文气象预报信息、水工程调度信息，结合基础地理信息、工程设计参数或防洪指标，以及历史统计信息，实现从全局到局部、从宏观到微观、从现在到未来，涵盖汛情、旱情、台风及风暴潮、山洪泥石流、堰塞湖、雨雪冰冻等灾害的实时态势展示和预警。在模型库专业模型的支持下，实现对未来态势变化的分析研判；通过结合洪水风险图或其他调查评价成果，可进一步实现对当前或未来态势的风险影响评估。主要功能如下：

(1)态势展示：通过对相关数据的融合，以GIS或其他图形界面为主，进行多层次、多维度、全方位的态势展示；

(2)态势分析研判：依托融合多维数据，运用专业数据分析模型进行态势变化分析，并通过可视化技术进行呈现；

(3)态势评估：通过结合洪水风险图或其他调查评价成果，对当前态势或未来态势的影响或损失进行综合评估，为决策制订或方案比较提供支持。

3.3.3 调度评估

构建水旱灾害灾前评估调度、灾中抢险救援、灾后复盘的全过程链的风险分析评估方法。基于致灾因子危险性和承灾体脆弱性等因素，对水旱灾害的风险进行评估，构建风险评估分析图；接入流域概化模型和调度令，对调度情况进行模拟推演和影响分析；基于抢险救援人员和物资的分配情况，对抢险救援分析进行动态分析调度；灾后对历史灾害事件进行场景模拟和分析评估，总结经验。

3.3.4 知识经验管理

建立面向特定水旱灾害如洪水、冰冻雨雪、旱情、台风与风暴潮等灾害的知识库，包含相关灾害的基础信息、影响范围、处置措施、应急预案等信息，并围绕特定灾害实现文献文档、视频、专家、法规等信息的统一管理，构建水旱灾害知识库。针对特大、重大灾害事件，建立案例库，并重点收集相关灾害事件的基本信息、水雨情信息、工情信息、调度信息和灾损信息，实现相关灾害事故的模拟复盘。

3.3.5 三维可视化决策沙盘

三维可视化决策沙盘是防汛抗旱决策支持系统的门户平台，实现对水旱台风自然灾害预报预警、对重点目标监测监控、对抢险救援提供科学支撑指导，对暴雨、洪水、干旱、台风、堰塞湖和低温雨雪冰冻等重大灾害提供预警预报决策分析，并着力对灾害应急救援调度提供支持。

三维可视化决策沙盘汇集信息上报、监测预警、态势分析、灾害模拟、风险评估等功能模块的成果图文信息，实现各类专题图的快速切换和展示，为防汛抗旱指挥调度提供支撑。

3.3.6 移动指挥平台

利用APP为防汛抗旱工作人员提供汛情、灾情、旱情、险情等信息上报以及各类防汛抗旱信息查看入口，同时利用短信平台提供告警、预警信息、应急防御措施推送。针对洪涝灾害现场调查人员提供单兵系统，可快速填报现场调查信息，建立防汛抗旱现场工作与应急指挥会商之间的信息交互通道，将调查信息进行直观地展示，准确还原现场情况，为防汛抗旱决策指挥提供有力支撑。

4 应用案例

抚州市在2017年启动了智慧抚河信息化工程(一期)的建设工作。防汛抗旱决策支持系统作为智慧抚河系统的重要组成，在原有一期防汛抗旱平台基础上，结合水库洪水预报调度、防汛决策三维信息沙盘，防汛会商指挥和应急处置、农业旱情研判、山洪灾害风险区划与预警，构建防汛抗旱决策支持系统。

系统结合已有成果，完善防汛应急处置及会商研判，针对廖坊水库、洪门水库开展流域洪水预报及水库调度，建设抚州市旱情研判决策支持系统，建设抚州市山洪灾害调查评价成果应用系统，建设抚州防汛决策支持三维电子沙盘，有效提升抚州市防汛抗旱管理整体水平，为防洪抗旱的调度决策提供支持。通过该系统，为实现防汛抗旱指挥现代化，准确预测预报水情、雨情、工情、旱情和灾情，为防汛抗旱调度决策、抢险救灾提供有力的支持。

图2 水库调度成果三维模拟展示

5 结论

本文探讨了防汛抗旱决策支持系统实现过程中的难点问题，根据“四预”要求，以防汛抗旱为核心、业务为导向、数据为基础、高新技术为支撑，融合地形地貌、气象、水文、历史灾害等多源数据，提供雨情、水情、台风、旱情、冰冻成果及专业风险分析功能，为防汛抗旱应急指挥、抢险救援及处置、水旱灾害风险评估等提供相应技术支撑，辅助应急决策平台，全面提升抵御自然灾害的综合防范能力，具有一定的可推广应用价值，为进一步完善防汛抗旱决策支持系统提出了更多可能。