城市内涝监测预警系统设计与实现

2022-08-03万家权薛丰昌喻谦花杨海山

城市与减灾 2022年4期

万家权薛丰昌喻谦花杨海山

前言

我国地形复杂，地处东亚季风区，暴雨频繁发生，暴雨强度大、极值高、持续时间长，常常导致城市内涝。2021 年 7 月，河南遭受特大暴雨洪涝灾害，造成郑州市重大人员伤亡与财产损失。

在城市内涝灾害监测、预报与面向社会提供信息服务过程中，需要应用气象自动站观测的气象数据、气象雷达观测数据、气象数值模式模拟的天气预报产品以及城市管理部门对城市积涝点的积水监测数据，数据多源异构，观测时点、观测频次各自不同；同时，由于城市内涝往往是由于短时强降水导致的，发生发展快，需要高效的数据监测、分析、处理技术手段，尽快掌握已经发生的城市内涝当前状态及其造成的气象危险性，对未来可能发生的城市内涝进行准确模拟预测。因此，需要一套功能齐备、高效运转的自动化软件系统，实现对内涝灾害相关数据的实时接收处理，实现灾害监测、预测模型算法的高效运行，进而实现对城市内涝发生发展整个过程的监测、预警与预报。

设计实现的城市内涝监测预警软件系统主要包括基础地理信息模块、实况监测模块、降水预报模块、积涝风险模块、产品服务模块、系统管理模块，目前已经在城市气象服务业务中得到应用。

系统总体技术框架

“城市内涝监测预报预警系统”基于组件化架构思想进行设计，采用插件式的系统整体框架，整个系统的功能、算法、流程、运行模式均可灵活配置，从而在保证整个平台高可靠运行的同时，能为后续功能的完善和业务升级提供最大程度的便捷性和灵活性。其总体技术架构如图1所示。

图1 系统技术框架

自上而下将整个系统划分为应用管理层、应用组件层、集成调用层、平台框架层、基础环境层。应用管理层为人机交互视图层，所有的人机交互活动都将基于该层实现。整个管理层都将基于B/S来实现，用户都通过浏览器的方式以HTTP协议对平台的结果进行访问。应用组件层和集成调用层主要实现业务应用组件与平台框架层之间的访问和交互，通过访问控制、组件调用、数据通信实现业务应用组件对平台框架组件的安全和可靠调用。平台框架层通过服务注册和服务发布实现对实际业务逻辑上的接口和功能扩展。作为系统的核心，平台框架层为整个平台提供所有框架层面的支撑，所有业务应用逻辑组件都将基于该层所提供的基础框架设计开发。基础环境层定义了平台设计、开发、运行所依赖的基础软件环境。

功能模块设计与实现

（一）功能模块设置

城市内涝监测预报预警系统包括基础地理信息模块、实况监测模块、预报信息模块、积涝预警模块、产品服务模块和系统管理模块（图2）。基础地理信息模块主要实现离线三维地图展示、集成原有系统基础地理信息模块中地理信息内容、积涝隐患点、摄像头、积涝监测点管理等功能。实况监测模块包括自动站降水监测、积涝实况监测产品集成等。预报模块包括降水预报、积涝预报产品集成等功能。积涝预警模块包括积涝预警规则管理、积涝预警提示等功能。产品服务模块包括积涝服务产品制作、产品一键式多渠道发布等功能。系统管理模块包括用户信息管理、通信录维护管理等功能。

图2 系统功能模块设置

（二）功能模块实现

1.基础地理信息模块

基础地理信息按照政府、事业单位、交通、绿地、桥、学校、管道等类型在地理信息面板上以类别按钮形式进行排布。点击某一按钮后，自动获取原系统对应的数据内容，并在三维地图上以三维立体标签加信息内容的形式进行展示，再次点击后，则可以将显示的标签图层删除。功能效果如图3所示。

图3 基础地理信息模块

2. 实况监测模块

实况监测模块包括自动站降水监测、积涝实况监测。点击实况监测菜单进入实况监测模块，点击自动站降水监测中不同时次按钮，便可以在地图上以三维标签形式展示对应的自动站降水实况，点击某一标签，可展示该自动站过去24小时降水时间序列图（图4）。

图4 降水实况监测模块

点击积水监测对应按钮，便可以在地图上以三维标签形式展示对应的积水监测实况，点击某一标签，可展示该站过去2小时积水监测时间序列图（图5）。

图5 积水实况监测

3. 降水预报模块

点击降水预报菜单进入降水预报模块，选择某一时间后，点击短临按钮，可实现该时次对应的未来2小时逐12分钟短临预报降水结果自动播放显示。点击敏感点按钮，可显示短临敏感点，点击某一敏感点，可显示该点未来2小时逐12分钟短临预报降水时间序列图。点击短临告警按钮，可显示选择的时次未来2小时短临告警结果（图6～图8）。

图6 降水短临预报

图8 短临降水告警

图7 短临降水敏感点

选择格点预报时间，点击格点预报中不同时效按钮，便可实现格点预报结果在地图上的展示（图9）。

图9 降水格点预报

4. 积涝风险模块

点击积涝风险菜单进入积涝风险模块，选择某一时间后，点击不同的时效，便可实现该时效对应的积涝风险结果以三维标签的形式在地图上进行展示（图10）。

图10 积涝风险展示

5. 产品服务模块

点击产品服务菜单进入产品服务模块，可展示已经制作生成的产品服务列表。点击内涝预警制作按钮，进入内涝预警制作页面，选择某一时间后，点击制作按钮，便可实现内涝预警产品的自动制作生成（图11）。

图11 服务产品制作

6. 系统管理模块

点击系统管理菜单进入系统管理模块，可展示系统用户列表，点击新增按钮，可实现用户的新增，点击删除按钮，可实现勾选的用户删除（图12）。

图12 系统管理

图14 2小时积水深度实况监测与预测对比

图15 3小时积水深度实况监测与预测对比

系统应用实例

2021年7月20日0时至21日8时开封遭遇极端强降雨。最大降水强度出现在7月20日22时，单站雨量达到 103.4 mm/h；最大3 h累计降水量达到 157.0 mm，最大 24 h累计降水量达到 276.2 mm。

以2021年7月20日20时作为监测时点（命名降水过程为2021072020时次），利用安置在开封的12个积涝点积水监测站观测的积水深度数据（站点分布如图5所示）与系统预测的积涝点积水深度进行相关性分析，验证系统1小时、2小时、3小时、6小时积涝点积水深度预测能力。

图13—图16纵坐标为各积水监测站实况监测积水深度（单位cm）,横坐标为系统预测积水深度（单位cm），其中1小时实况监测与预测相关系数达到0.9438，2小时实况监测与预测相关系数达到0.9739，3小时实况监测与预测相关系数达到0.7648，6小时实况监测与预测相关系数达到0.8238，表明系统具有较好积涝监测预测能力。