湖南省水旱灾害风险管理系统设计与应用

周 翀 魏永强 胡颖冰 李永刚 周 智 申志高

（1.湖南省水利水电科学研究院，长沙 410007；2.长沙理工大学，长沙 410114；3.湖南省水利厅，长沙 410007；4.湖南舜网信息技术有限公司，长沙 410205）

0 引 言

湖南省位于我国中部，地处长江中游以南，南岭以北。受特殊的地理位置和气候条件影响，降雨时空分布极不均匀，全省大雨则洪、多雨则涝、少雨则旱，水旱灾害频发多发。根据国务院普查办统一安排部署，湖南省从2020 年开始，历时3 年，完成了全省水旱灾害风险普查工作，并获得了大量成果数据。为加强普查成果在自然灾害综合防治能力提升方面的应用，推动普查成果纳入各级各类指挥平台，提升单灾种、多灾种管理全过程的灾害研判和防御能力，湖南省水旱灾害风险普查从启动之初就坚持“边普查、边应用、边见效”的基本思路，结合湖南省水旱灾害防御工作的实际需要，促进普查成果快速转化。

湖南省水旱灾害风险管理系统利用智慧水利的顶层设计思路，基于风险普查成果，结合现有水旱灾害防御基础数据、全省水利“一张图”等已有资料，充分利用地理信息系统、洪水预报模型、水动力学模拟、数字孪生等新技术对普查成果进行挖掘和分析，形成了一套“普查数据集成、全类信息融合、实时分析预报、成果动态展示”的水旱灾害信息化工作平台。为水旱灾害防御工作提供准确可靠的数据服务和专业的应用分析能力，智慧赋能于全省防汛抗旱大局。本文从系统框架、关键技术、系统设计与功能应用等方面对系统进行全面介绍和分析。

1 系统框架及关键技术

1.1 整体框架

本系统采用J2EE 开发框架，基于信息化网络通信标准化技术体系和数据标准化安全保障体系进行设计研发，系统总体框架主要由数据层、平台层、应用层、用户层4 层架构组成（图1）。

图1 系统整体框架图

（1）数据层。数据层集中组织和管理该系统运行所需的各类数据，包括空间数据、模型数据、工程信息数据、雨水情数据、水旱灾害普查成果数据、系统数据等。数据层为上层业务展示和分析提供数据支撑。

（2）平台层。应用支撑平台层包括地理信息系统平台、数据服务平台、支撑业务系统的各类引擎和中间件、水利云平台。其中，地理信息系统平台负责空间数据的管理维护和信息查询，数据服务平台包括数据服务接口、模型接口等。支撑引擎中间件包括消息中间件、缓存中间件、图形报表中间件等。

（3）应用层。应用层包括综合驾驶舱、洪水灾害风险普查成果展示、干旱灾害风险普查成果展示、洪水灾害实时风险分析及系统后台管理的各个业务功能模块。

（4）用户层。用户层包括整个系统的目标用户，各类目标用户根据各自不同的权限及业务需要，获取对应权限下的内容并进行展示。该系统用户层分为省、市、县3 级行政主管部门目标用户。

1.2 关键技术

（1）J2EE 框架。J2EE 是当前主流的Web 开发框架，具有可伸缩性、灵活性、易维护性等特点。J2EE能够开发部署在异构环境中的可移植程序，应用程序不依赖任何特定操作系统、中间件、硬件，支持大型机、UNIX平台、Windows操作系统。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，实现可高度伸缩系统建设（图2）。

图2 J2EE框架技术示意图

（2）前后端分离。该系统采用前后端分离技术进行开发，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，完成不同情况下的展示，而后端开发人员，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，实现真正的前后端解耦，提升开发效率（图3）。

图3 前后端分离技术示意图

（3）WebGIS 技术。WebGIS 是Web 技术和GIS 技术的结合。基于WebGIS技术，可以在不同地点和不同计算机平台上，实现空间数据发布、空间查询与检索、空间模型服务、Web 资源组织等功能，且便于跟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（图4）。

图4 WebGIS技术示意图

2 系统设计与功能应用

2.1 水旱灾害风险普查数据库建设

水旱灾害风险普查数据库是建设开发该系统的基础，以风险普查成果数据为核心，集成洪水隐患调查、山丘区中小河流洪水淹没、洪水风险区划、洪水防治区划、干旱致灾调查、干旱风险区划、干旱防治区划，同时梳理出关键指标，建立各类数据关联关系、从属关系、指示关系、空间拓扑关系，实现多源数据的深度集成与融合，破除“数据孤岛”障碍，深度挖掘成果的数据价值。该系统通过将湖南省水旱灾害风险普查成果的表格、图片、图层、报告等共计785.6 万条各类要素，按先整合后分类、先分割后匹配的方式，建立形成了湖南省水旱灾害风险普查数据库（图5）。

图5 数据库建设示意图

2.2 信息系统集成

该系统平台在普查数据库的基础上，集成山洪灾害调查评价、洪水风险图、超标准洪水预案、水资源调查评价等项目成果，同时共享叠加全省GDP、人口、房屋、农作物等其他行业部门普查成果数据，形成一套方便查询、展示、分析的水旱灾害防御知识库、操作台（图6）。

图6 各类水利信息系统集成示意图

平台从横向和纵向两个维度，对接其他业务平台和省市县各级水旱防御业务系统，提供水旱灾害风险防御基础数据接口服务、知识库专题接口服务、应用分析与模型算法服务。系统基于统一的数据中心、信息共享平台和信息交换平台，利用现有的水利信息系统：湖南省水利“一张图”、湖南省水信息基础平台、湖南省实时雨水情系统、湖南省山洪灾害监测预警系统等，吸收原有系统的实用经验、数据成果，将其融入新系统之中，进行业务应用整合和信息共享，构建全省统一的水旱灾害风险管理、展示与分析软件平台。

2.3 系统主要功能设计

2.3.1 综合信息展示

综合信息模块是一个前端的展示面板，主要是对普查开展的调查分析、评估区划和洪水淹没范围等成果进行集中展示。将各类普查成果指标信息作为辅助要素进行叠加分析，包括全省的暴雨频率图、洪水频率图、洪水隐患调查、防洪保护区洪水风险图、中小河流洪水淹没图、洪水风险区划及防治区划、干旱灾害致灾调查与评估、干旱灾害风险评估、干旱灾害风险区划和防治区划等各类成果数据不同维度的统计对比展示，同时可基于实际业务需求实现扩展，根据基础数据的变化调整，实时完成动态更新。

2.3.2 普查成果管理

湖南省水旱灾害风险普查成果主要包括9 类数据：洪水灾害隐患调查、河流断面成果、山丘区中小河流洪水淹没图、洪水风险区划、洪水防治区划、干旱灾害致灾调查、干旱灾害风险评估、干旱灾害风险区划、干旱灾害防治区划。该模块对普查成果数据以九宫格的形式进行直观展示，实现对普查成果的可视化查询、信息点查询、数据管理等功能。

（1）洪水灾害隐患调查。按照调查结论，对水库（水电站）、水闸、堤防、蓄滞洪区进行分类定量统计，支持查看调查要素的分布情况，展示其属性信息及表格数据，同时可按设定条件查询、筛选、定位等。

（2）河流断面成果。展示此次风险普查河流断面测量成果及统计信息，可对河流及测量断面进行定位，展示断面的断面图，查看断面每个测点的高程及距离信息，同时可按照市、县名称或断面名称进行断面数据下载等。

（3）山丘区中小河流洪水淹没图。按照5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇、50 年一遇、100 年一遇5 个频率统计中小河流的淹没范围，可查询每个频率的淹没面积、影响人口、房屋、农作物和经济损失情况，同时可按照重现期、河流名称等查询下载相关数据。

（4）洪水风险区划。按照极高风险区、高风险区、中风险区、低风险区分类统计全省洪水风险区划的面积和占比，同时可按三区划分、单元划分、风险等级进行分类查询，也可按流域筛选下载对应风险区划数据。

（5）洪水防治区划。按照一级重点防治区、二级重点防治区、中等防治区、一般防治区和局地洪水威胁区分类统计全省洪水防治区划的面积和占比。同时可按照三区划分、防治等级进行数据查询、下载等功能。

（6）干旱灾害致灾调查。按照水资源量、抗旱工程能力、城镇水源情况、旱情及旱灾损失等要素统计相应调查情况，同时可以县为单位，展示单个区（县）内致灾要素的具体数据和统计，并提供省市县3级的分级数据下载功能。

（7）干旱灾害风险评估。按风险类型，可查看农业干旱灾害风险、因旱人饮困难风险、城镇干旱灾害风险图层，按风险等级，可筛选对应风险类型的频率，同时提供评估数据下载功能。

（8）干旱灾害风险区划。统计展示全省5个干旱风险等级（高风险、中高风险、中风险、中低风险、低风险）的区（县）数量和占比。同时可按照市县、风险类型等下载查看该区（县）或该类型下的具体属性信息。

（9）干旱灾害防治区划。统计全省重点防治、中等防治和一般防治的区（县）数量和占比。可按照市区、一级区划、二级区划等查询下载对应干旱灾害防治区划数据。

2.3.3 实时分析模型

借助此次普查成果和水文基础信息，联合湖南省水文中心共同开发流域洪水预报分析模型。选取涟水作为典型流域试点开展应用，根据水旱灾害风险普查涟水流域水利工程分布情况（水库、水闸、堤防），河道测量断面，河道地形高程数据，接入涟水流域实时雨水情与工情数据，结合涟水流域现行调度方案，在系统中完成洪水预报—一、二维水动力学模型耦合—洪水演进淹没及灾损分析的全过程模拟仿真，实现流域降雨洪水过程实时预报预警。

模型包括：通过对雨量预警指标的分析，进行人员准备转移和立即转移的预警和转移路线推送；通过对河道实时水位信息、断面特征水位的综合分析，进行洪水预报预警响应。通过利用实时洪水风险分析全过程模拟仿真推演，及时分析推断流域沿线洪水淹没地区及将来时段内可能淹没区域，及时向区域内责任人员发送预警通知提醒预警，面对阶段风险提出相应的工程与非工程措施。此外，结合区域内的人口、房屋、经济、农作物分布情况进行洪水淹没过程实时灾损统计（图7）。

图7 洪水预报分析模型建设示意图

2.3.4 洪水动态演示

此模块主要是流域洪水模拟成果的动态演示。通过接入河道预报、水库预报、沿程水面线、灾损统计分析等成果信息，以定时滚动播放形式动态展示逐时段的水位、流量、沿程水面线和各区（县）灾损的变化过程。在三维场景中动态演示河道及洪水淹没演进的情况，同时对预演区域内的河道水位及淹没水深进行交互查询。并利用系统中接入的此次自然灾害风险普查收集的全省GDP、耕地面积、人口、房屋数据网格图层信息，与洪水淹没影响区域进行叠加，实时分析灾损影响情况。此外，动态展示模块还可推演可能出现的河道超警戒、超保证，水库超汛限、超校核，山洪危险区超临界雨量的风险点所在位置和相应预警指标，后期将实现直接给予相应防汛责任人短信或语音预警的功能，逐步丰富普查成果在系统中的动态应用。

3 结 语

本文从系统框架、数据库建设、系统集成、系统功能设计等方面介绍了湖南省水旱灾害风险管理系统。该系统分类型、分区域、分层级对水旱灾害普查成果进行展示，同时结合普查成果，利用洪水预报分析模型，将雨水情数据与水文水动力模型相耦合，实现了流域洪水实时分析计算、动态演进模拟和灾损评估。湖南省水旱灾害风险管理系统的开发设计与应用为湖南省水旱灾害防御工作提供了强力技术支撑，为数字孪生流域建设打下了基础，推动了智慧水利发展，可为相关系统建设提供有益参考和借鉴。