干旱區山洪監測預警信息管理系統開發與應用

魏 智， 劉世華， 茍啟智， 吳錦奎

(1.甘肅省白銀市水電勘測設計院，甘肅 白銀 730900；2. 甘肅省白銀市抗旱防汛辦公室，甘肅 白銀 730900；3. 華北電力大學計算機學院，河北 保定 071003；4. 中國科學院西北資源環境研究院水土資源研究室， 蘭州 730000)

干旱山區地貌為丘陵溝壑相間分布，山區面積遠大于川區，是本地區主要水資源之一[1]。山區溝道多為干溝，比降大，植被差，產匯流速度快，降雨時容易形成高強度、突發性的洪水，暴雨洪水發生時間和地點難以預測。往往在上游局地發生了雨強很大、歷時較短的暴雨，形成了峰形尖瘦、總量較小的洪水，而下游水文站并沒有發生同期降水，水文站對應的流量過程線流量漲幅也不大。局地暴雨洪水災害發生機會多、破壞力強、防御難，常在很短時間內造成雨區毀滅性災害[2-4]。隨著全球氣候變化，我國北方以至全球極端氣候增多[5-7]，山洪災害將更加頻繁。因此，充分利用干旱區山洪災害防治非工程措施設立的自動測雨設施，建成山洪災害監測預警信息管理和共享系統，對顯著增強防災減災和風險管理能力，減少人民生命和財產損失，為各級各部門防汛、防災決策提供技術支撐有著重要的意義。

1 項目區降雨特征

白銀市位于甘肅省中部處于內蒙古高原與黃土高原過渡地帶，為典型內陸干旱區，是甘肅中部四個干旱地區之一。其氣候變化全年大多時候受高空西風氣流和青藏高原季風控制，高低壓系統多以此大尺度天氣系統為背景發生演化[1,4]。而中部地區高原氣候特征和高海拔山巒河谷地形，遇到東南風或冷空氣，就形成較大降雨過程[8-10]。其降雨類型主要為鋒面或渦切變型暴雨、雷陣雨型暴雨和混和型[9-12]。鋒面或渦切變型暴雨降雨面積大，歷時長，強度變化較平緩；而雷陣雨型暴雨降雨面積小，歷時短，雨量集中，強度大；混和型暴雨具有前二者的特征。地區年平均24 h最大點降雨量30～40 mm。主要降水量集中在6-9月份，約占全年降水量的70%～80%，暴雨也隨之發生，其中7-8月份占全年降水量的45%左右。24 h雨量占3 d雨量的80%，12、6、3 h雨量分別占24 h雨量的80%～50%[12-14]。大部分暴雨歷時都在數小時之內，歷時短，強度大。

2 系統架構

2.1 系統總體框架

監測系統主要包括水雨情監測站網布設、設備設施配置、信息采集、信息傳輸及組網。要求及時制作、發布山洪災害預報警報。具有水雨情報汛、氣象及水雨情信息查詢、預報決策、預警、政務文檔制作和發布、綜合材料生成、值班管理等功能，并預留泥石流、滑坡災害防治信息接口。實現縱向與縣(區)、市級、省級監測預警系統平臺之間互聯互通和信息共享，橫向與水文、氣象、國土等部門之間的互聯互通和信息共享，星形拓撲連接(圖1)。

圖1 系統總體架構圖Fig.1 The overall framework sketchmap

2.2 系統結構組成

根據上述方案的設計思路，搭建系統總體框架。山洪監測預警信息管理和共享系統劃分為山洪災害數據共享匯集子系統、山洪災害調查評價審核匯集子系統、監測預警子系統3個相對獨立又緊密關聯的系統。每個子系統又可由軟件系統、計算機網絡系統和數據庫系統組成。基于平臺的山洪災害監測預警子系統主要又可由信息監視子系統、信息查詢子系統、預報決策子系統、預警子系統和視頻會商子系統組成(見圖2)。

圖2 系統結構組成示意圖Fig.2 The sketchmap of system structure compositions

數據共享匯集系統主要是為系統平臺匯集各類數據，包括實時雨水情數據共享匯集、基礎數據共享匯集、山洪預警信息共享匯集、上下游相鄰縣數據共享、氣象信息共享匯集和國土信息共享匯集，為專業應用提供強大的數據服務功能。

調查評價數據審核匯集系統主要實現數據導入、數據接收、評價分析、數據檢查、數據入庫、匯總上報、檢索查詢等功能。

監測預警信息管理系統可實現山洪災害預警監視、雨水情信息查詢、預警響應信息查詢、基礎信息查詢、工情(視頻監控數據)信息查詢、氣象和國土信息查詢、山洪災害快報、縣級平臺運行狀況監視、系統管理等功能。

3 系統實現

3.1 系統開發組件

以internet技術為核心，采用WebService及持久層框架等技術，在保證技術先進性的同時兼顧了技術的實用性。同時，采用組件式開發技術，使彼此獨立的業務組件通過Webservice、XML、JSON等松耦合的通訊方式組織在一起形成完整的業務系統。采用數據訪問對象(Data Access Object)來實現對數據庫的存取，采用O.R MAPPING技術保證公共數據庫的可擴展性，采用JSON、XML、Webservice作為數據發布標準，采用元數據、數據映射、XML數據庫等技術實現數據處理。

數據庫系統是山洪監測預警信息系統的信息支撐，提供系統所需的基礎和專題數據，按水利技術體系規范標準和國家防總的技術要求，利用關系及空間數據庫技術，基于SQL SERVER 2012進行數據庫編寫開發。

3.2 網絡通道建設

系統計算機網絡結構采用以太網(千兆網或快速以太網100Base/TX/FX/T4)交換技術。網絡對外互聯采用TCP/IP協議，局域網內部支持TCP/IP、IPX/SPX、NetBEUI等協議。

各層級間采用虛擬專用網(VPN)連接，由省級水信息中心統一負責組織網絡規劃和IP地址分配，水利專網帶寬6M，保證遙測、視頻監控等各類山洪災害數據實時傳輸共享及視頻會議暢通。市級平臺VPN作為縣級平臺VPN總部使用，為縣級VPN接入建立合法接入授權和數據共享策略。

省級水利專網先接入到水情信息中心，以此為節點與市(州)防汛部門聯通專網。市級山洪災害監測預警平臺網絡由市級防汛(水務)部門核心交換機作為接入點，連接到預警平臺設備。通過平臺網絡交換機聯通共享服務器群、應用服務器、數據庫服務器、短信網關、傳真服務器等。并以此為節點與市級防汛、水文、氣象、國土等部門聯通專網。

野外測站數據傳輸采用GPRS(GSM/CDMA)無線分組交換技術，用戶通過GPRS系統的網關GGSN連接到互聯網，并且通過WebSerivce技術實現信息自動入庫。

3.3 系統集成

將山洪災害數據共享匯集系統、山洪災害預警信息管理系統、山洪災害待查評價數據審核匯集系統等多個系統，有效地整合平臺內。平臺支持各種結構化和非結構化的數據，實現平臺內數據的采集、山洪數據的分析、報表和對未來數據走勢的預測。

系統集成采用符合SOA結構及JavaEE技術，以滿足跨硬件平臺、跨操作系統的要求。系統信息的查詢與發布等應用系統采用B/S三層體系結構，信息匯集子系統則可采用C/S體系結構。

3.3.1 內部系統集成

根據系統不同層面集成需求，依托平臺統一應用集成服務，分別采用面向信息集成技術、面向過程集成技術和面向服務集成技術完成不同層面集成。在系統數據級集成層面上采用數據復制、數據聚合和接口集成等面向信息集成技術方法，提供統一數據訪問格式，實現系統間數據和信息共享；在系統接口級集成層面上采用面向過程集成技術方法，只處理系統之間過程邏輯，與核心業務邏輯相分離；在系統服務級集成層面上采用基于SOA(面向服務架構)和Web服務技術集成方法，完成服務級、界面級系統整合。

3.3.2 外部系統集成

采用水利、信息行業各種標準和規范，數據庫、報表等內容和格式、采用完整、先進、成熟的軟件、中間件、多層結構、Web等技術，通過外部集成使市級山洪災害監測預警信息系統，和白銀市抗旱防汛指揮系統集成為一個有機整體，優化系統軟硬件資源。使得各個系統之間、各模塊之間具有相對獨立性和使整個系統具有很強可擴展性，保證系統開放性、可移植性、可維護性和兼容性。

4 系統應用

山洪災害監測預警信息管理系統是評價河道治理的重要指標之一[15]。系統PDA應用系統(移動客戶端)主要作為市、縣級山洪災害監測預警信息管理系統的組成部分，為系統用戶提供隨時隨地了解防汛內容。包括數字地圖、雨情信息、預警信息、氣象信息、防汛資料等不同功能模塊，通過網絡、GPS、GIS、GPRS/GSM等為用戶提供當前所在位置、實時水情信息、實時雨情信息、工情信息、防汛文檔、通訊錄信息等內容(見圖3)。

當山洪災害達到山洪災害預警信息的閾值，野外監測站系統自動根據預警等級，向關聯監測站、防汛等相關部門人員群發信息，也能夠在人工干預的條件下向防汛相關人員發送山洪災害預警信息。電話傳真預警發布能自動向列表中的各個單位及時傳送山洪災害預警信息或調度指示文件等，避免人工預警時效性差的問題。白銀市山洪災害監測和預警信息系統每年多次及時發出監測預警(表1)。

表1 監測預警信息系統應用結果Tab.1 Application results of monitoring and pre-warning information system

下層級發出預警信息后, 上層級系統 所接收的預警信息在1∶250 000 WebGis天地圖(矢量圖、地形圖、映像圖)上顯示，在地圖上對應的鄉鎮或小流域圖標閃爍或發聲，防汛值班人員看到預警后，進行查詢核對，并經防汛指揮部會商后確定預警級別和范圍，通過多種方式向相關人員發布預警信息，并接收責任人的反饋信息。

5 結 語

(1)干旱山區地形復雜破碎，多為溝壑谷地相間分布，局地高強度降雨時容易形成突發性的洪水，暴雨洪水發生時間和地點難以預測，容易造成較大災害，全球氣候變化引起的極端氣候變化更加劇了這一災害。

圖3 站點分布與站點雨量Fig.3 The rainfall and locations of sensor site

(2)充分利用山洪災害防治非工程措施設立的自動監測站點，建成山洪災害監測預警信息管理和共享系統，可提高預報的及時性和準確性。同時，系統縱向上從省至市、縣各級防汛或水情部門聯接，可實現水情數據上報、查詢、下發等，橫向預留與國土、氣象、水文等相關部門接口，實現廣泛的信息數據匯集與共享，構建群策群防的一體化防汛減災體系。

(3)山洪災害監測預警信息系統的建設，實現了山洪預警信息和數據的集中管理和共享，實現視頻會商，為地區各級各部門防汛、防災決策提供有效的技術支撐。對顯著增強防災減災和風險管理能力，減少人民生命和財產損失有著重要的意義。白銀市山洪災害監測預警信息系統運行3年來，準確地監測預警了多次局地暴雨，結合視頻會商系統，成功部署了防汛工作，取得了良好效果。

(4)野外水情監測站點是監測預警系統的基礎，是預警信息系統的數據來源，其看護、檢查和維護費用應列入政府預算，以保證系統各站點正常工作。

□