防汛抗旱工作中信息技術(shù)的應(yīng)用

孫金標(biāo)

(遼寧省盤錦市大洼區(qū)水利服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124200)

1 防汛抗旱指揮系統(tǒng)

科技的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，使得信息技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用于防汛抗旱工作中[1]，文章圍繞指揮系統(tǒng)業(yè)務(wù)拓展、軟件開發(fā)、云計(jì)算、信息采集和平臺(tái)建設(shè)等方面開展探索。

1.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)拓展

1)山洪災(zāi)害。目前，由于洪災(zāi)引起人員傷亡的災(zāi)種仍以山洪地質(zhì)災(zāi)害為主，中國(guó)山洪地質(zhì)災(zāi)害防治區(qū)人口規(guī)模達(dá)到5.7億人，有防治任務(wù)的山區(qū)占全國(guó)的50.7%，達(dá)到487萬(wàn)km2。因此，應(yīng)在防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程中統(tǒng)一納入現(xiàn)有的各類管理、預(yù)警信息、監(jiān)測(cè)網(wǎng)站等，加強(qiáng)研究形成山洪地質(zhì)災(zāi)害的機(jī)理提高災(zāi)害預(yù)警的可靠性。

2)臺(tái)風(fēng)影響。近年來(lái)，雖然生成于西太平洋的臺(tái)風(fēng)未呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，但超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸或影響我國(guó)沿海的數(shù)量明顯增多，由此帶來(lái)的降雨普遍偏多[2]。因此，臺(tái)風(fēng)的影響應(yīng)引起沿海防洪工作的重視，沿海的防洪減災(zāi)也應(yīng)該被防汛指揮系統(tǒng)高度重視。

需采取如下防洪對(duì)策：對(duì)沿海海堤防風(fēng)暴防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)實(shí)行全面的普查復(fù)核，科學(xué)編制海堤建設(shè)規(guī)劃全面提升海堤防洪標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)立臺(tái)風(fēng)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)及風(fēng)暴潮模擬分析系統(tǒng)，及時(shí)預(yù)警和監(jiān)視臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度、風(fēng)力、影響范圍、移動(dòng)路徑以及風(fēng)暴潮增水過(guò)程；針對(duì)沿海海平面深入探究其風(fēng)險(xiǎn)管理與上升規(guī)律，結(jié)合實(shí)際情況提出行之有效的對(duì)策[3]。

3)沿海防洪。對(duì)于沿海的防洪形勢(shì)我國(guó)防汛指揮系統(tǒng)考慮仍然不足，防洪現(xiàn)狀日趨嚴(yán)峻。2017年3月正式發(fā)布的數(shù)據(jù)資料，2016年我國(guó)海平面比2015年高出38mm，比常年平均高82mm并超過(guò)1980年的歷史高位，海平面總體呈波動(dòng)上升的變化特征。近5年海平面達(dá)到歷史高維，IPCC發(fā)布的氣候變化評(píng)估報(bào)告提出全球海平面在過(guò)去50a間以2.6mm/a的速率上升。1980-2016年我國(guó)海平面平均以3.2mm/a的速率上升，較全球同期平均水平明顯較高，依據(jù)2016年海平面公報(bào)上海的沿海平面存在較大波動(dòng)，高出常年水平的102mm，上海的海平面未來(lái)30年預(yù)計(jì)上升65-150mm，上海抵御和防護(hù)風(fēng)暴潮的能力顯著下降，其風(fēng)暴潮標(biāo)準(zhǔn)1000年一遇明顯偏低。

4)城市洪澇。城市在經(jīng)濟(jì)社會(huì)整體發(fā)展中的重要地位和作用日趨突出，也對(duì)其提出了更高的防洪要求，為保障城市居民正常生活、減少城市建設(shè)受洪災(zāi)的不利影響，增強(qiáng)城市防洪排澇能力勢(shì)在必行。然而，在一期、二期防洪抗旱指揮系統(tǒng)建設(shè)中對(duì)城市內(nèi)澇問(wèn)題的考慮明顯不足。例如，北京2012年“7.21”特大暴雨造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因暴雨引起的洪水災(zāi)害產(chǎn)生很大的不利影響，但在一定程度上起到加強(qiáng)城市洪水工作以及加快水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的作用，這也是我國(guó)進(jìn)入洪澇防治新時(shí)期的里程碑性的事件；2016年長(zhǎng)江流域發(fā)生嚴(yán)重的城市洪澇問(wèn)題，太湖出現(xiàn)歷史第二洪水位及嚴(yán)重的城市局部?jī)?nèi)澇；2020年6月，珠江、太湖、黃河和長(zhǎng)江上游先后發(fā)生1號(hào)洪水，太湖、潘陽(yáng)湖、洞庭湖及長(zhǎng)江干流監(jiān)利以下河段水位超出預(yù)警，全國(guó)433條河流發(fā)生超警洪水，涉及安徽、浙江、湖北、江西、四川、廣東等27個(gè)省(市、區(qū))；據(jù)統(tǒng)計(jì)，洪澇災(zāi)害造成141人死亡失蹤，3389萬(wàn)人受災(zāi)，298.3萬(wàn)hm2農(nóng)作物受淹，房屋倒塌2.3萬(wàn)間，，直接經(jīng)濟(jì)損失695.9億元。

城市暴雨呈增強(qiáng)增多趨勢(shì)且大雨必澇逐漸成為城市的通病，在防汛抗旱指揮系統(tǒng)中應(yīng)該納入城市防洪治澇，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和決策調(diào)度；城市防洪工作涉及應(yīng)急管理、防洪建設(shè)、信息監(jiān)測(cè)、工程調(diào)度、洪澇預(yù)計(jì)等；將流域防洪與城市防洪相結(jié)合統(tǒng)籌考慮排水、除澇、防洪3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，并綜合考慮城市水環(huán)境、城市供水等要求。

1.2 信息采集技術(shù)

1)工情信息監(jiān)測(cè)。①高密度點(diǎn)法具有圖像直觀、受外界信號(hào)干擾小和探測(cè)深度較大等優(yōu)點(diǎn)，可現(xiàn)場(chǎng)快速確定大壩堤防內(nèi)部缺陷部位和隱患性質(zhì)，能夠發(fā)揮應(yīng)急探測(cè)的作用，但具有較低的分辨率；②探地雷達(dá)法具有探測(cè)速度快、分辨率較高、適應(yīng)不同探測(cè)目標(biāo)等特點(diǎn)，可以快速、精準(zhǔn)的探測(cè)堤防內(nèi)部缺陷，但存在解讀要求高、圖像不直觀、外界電磁信號(hào)干擾非屏蔽天線信號(hào)強(qiáng)等缺陷。

2)旱情監(jiān)測(cè)。①常用的點(diǎn)墑情監(jiān)測(cè)方法是對(duì)土壤含水量利用土壤水分傳感器監(jiān)測(cè)，但數(shù)據(jù)代表性差且監(jiān)測(cè)范圍較小；②對(duì)大范圍土壤墑情利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)時(shí)具有監(jiān)測(cè)內(nèi)容豐富、時(shí)效性快等優(yōu)點(diǎn)，可用于作物缺水程度、蒸發(fā)、流域土壤含水量等監(jiān)測(cè)，其覆蓋范圍日趨廣泛，但遇到云時(shí)傳統(tǒng)的遙感監(jiān)測(cè)無(wú)法掌握下面的情況，所以遙感監(jiān)測(cè)受時(shí)段限制。因此，基于水量與降雨量平衡的水文模型、衛(wèi)星遙感墑情反演和適量的墑情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，對(duì)流域墑情進(jìn)行綜合分析極其重要。旱情分析系統(tǒng)要綜合降雨利用模型，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)計(jì)算蒸散發(fā)，并考慮墑情站點(diǎn)數(shù)據(jù)全面分析大范圍旱情信息。

3)流量監(jiān)測(cè)。①現(xiàn)階段，最主要的流量監(jiān)測(cè)手段為自動(dòng)式或半自動(dòng)式傳統(tǒng)纜道測(cè)流，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量、監(jiān)測(cè)垂線與測(cè)量精度密切相關(guān)，但耗時(shí)較長(zhǎng)；②雷達(dá)波流速儀、聲學(xué)流速流量(ADCP)測(cè)量?jī)x等新型設(shè)備具有精度高、測(cè)量流速快等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)流量監(jiān)測(cè)，但費(fèi)用高大多為進(jìn)口設(shè)備。

4)水位檢測(cè)。①水位監(jiān)測(cè)的主要方式為浮子式自記水位計(jì)，具有干擾小、精度高的優(yōu)點(diǎn)，但受地形條件限制且建設(shè)費(fèi)用較高；②在一些中小河流中非接觸式超聲波水位計(jì)的應(yīng)用較多，但大氣環(huán)境、濕度等條件對(duì)其監(jiān)測(cè)精度影響較大；③雷達(dá)水位計(jì)、氣泡水位計(jì)和壓力式水位計(jì)可節(jié)省水位井建設(shè)成本，屬于一種改變水位測(cè)量方式的先進(jìn)水位測(cè)量?jī)x器。所以，在水位監(jiān)測(cè)中不能一概而論，要綜合考慮因地制宜的選擇高精度監(jiān)測(cè)方式。

5)降雨監(jiān)測(cè)。當(dāng)前，降雨監(jiān)測(cè)的常見形式有3種：①大多數(shù)雨量站監(jiān)測(cè)地面雨量的儀器和手段仍以翻斗式自記雨量計(jì)為主，受周圍環(huán)境和地形影響點(diǎn)雨量的代表性較差；②雷達(dá)監(jiān)測(cè)降雨具有信息豐富、時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)已初步應(yīng)用于防汛指揮系統(tǒng)，然而受地形雜波影響需要標(biāo)定天氣雷達(dá)反演，若受到山體、建筑影響則無(wú)法保證地面監(jiān)測(cè)信息準(zhǔn)確度；③云的特性和類型對(duì)遙感監(jiān)測(cè)降雨產(chǎn)生顯著影響，其研究基礎(chǔ)薄弱且需掌握云的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上分析形成降雨的動(dòng)力條件，精準(zhǔn)度較低。因此，必須系統(tǒng)分析和監(jiān)測(cè)多元數(shù)據(jù)，通過(guò)同化處理雷達(dá)站降雨量、衛(wèi)星遙感以及地面雨量站數(shù)據(jù)，為提高預(yù)報(bào)精度綜合利用統(tǒng)計(jì)權(quán)重集成、變分校準(zhǔn)、最優(yōu)差值和卡爾曼濾波校準(zhǔn)等方法，合理確定面平均雨量。

6)信息傳輸技術(shù)。從傳統(tǒng)的公用電話通信系統(tǒng)結(jié)合超短波、短波、微波專用通信系統(tǒng)，信息傳輸技術(shù)向衛(wèi)星、GPRS系統(tǒng)等快速發(fā)展，重要站點(diǎn)要求互為備份的兩種通信信道模式提高了信息傳輸可靠性。

2 系統(tǒng)平臺(tái)與軟件開發(fā)

2.1 云計(jì)算

目前NIST提出的云計(jì)算定義被廣泛接受，總體上可概括為：它是一種提供按需的、便捷的、可用的網(wǎng)絡(luò)資源利用模式，資源共享池可以及時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、信息存儲(chǔ)、軟件計(jì)算、服務(wù)器模擬等功能，通過(guò)較少的管理工作或者很少的交互即可實(shí)現(xiàn)，并按照資源使用量用戶支付相應(yīng)的費(fèi)用。云計(jì)算強(qiáng)調(diào)利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源共享、所有資源的應(yīng)用及其優(yōu)化配置，它是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展與熱備份冗余、高效用、分布式和并行式運(yùn)算的高度融合。

防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程設(shè)立有工情分中心和水情分中心，并且各分中心都有業(yè)務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及服務(wù)器，許多地區(qū)不會(huì)應(yīng)用或者技術(shù)水平不達(dá)標(biāo)。對(duì)此，應(yīng)集中到水利云平臺(tái)盡快建成強(qiáng)大的水利云[5]。

2.2 軟件開發(fā)

我國(guó)防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)使用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)協(xié)同、資源共享和標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，技術(shù)體系提出的“兩臺(tái)一庫(kù)”結(jié)構(gòu)，在當(dāng)時(shí)屬于系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)以及先進(jìn)的技術(shù)。研究認(rèn)為在仍然有效的“兩臺(tái)一庫(kù)”架構(gòu)上運(yùn)用新的技術(shù)，不單單從概念上覆蓋“互聯(lián)網(wǎng)+”，還要在“兩臺(tái)一庫(kù)”總體框架下將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加上新的軟件技術(shù)，圍繞數(shù)據(jù)的唯一性和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一更新建設(shè)集中式數(shù)據(jù)庫(kù)。

對(duì)于災(zāi)情評(píng)估、洪水調(diào)度決策、旱情變化預(yù)測(cè)以及洪水預(yù)報(bào)預(yù)警等，防汛抗旱指揮系統(tǒng)中旱情災(zāi)情、歷史大洪水和水文氣象等長(zhǎng)系列資料發(fā)揮著重要作用，有必要利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)開發(fā)與建設(shè)新的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。對(duì)此，簡(jiǎn)要闡述了大數(shù)據(jù)的定義、特征和應(yīng)用：①現(xiàn)有的軟件工具無(wú)法處理、分析、共享、搜索、存儲(chǔ)和提取復(fù)雜的、海量的數(shù)據(jù)集合，即為大數(shù)據(jù)；②大數(shù)據(jù)存在處理速度快、價(jià)值密度低、數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)體量巨大等特點(diǎn)，通過(guò)信息提純獲取有價(jià)值的信息極為重要；③數(shù)據(jù)應(yīng)用包括所有相關(guān)信息、實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、建設(shè)的海量數(shù)據(jù)源的推理歸納、綜合計(jì)算分析以及知識(shí)提取等。

水文預(yù)報(bào)應(yīng)綜合考慮歷史洪水情況、低水情況、降雨分布特征和下游頂托作用等，不僅僅是計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)單運(yùn)算而屬于典型的大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

3 結(jié) 論

1)我國(guó)防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程涵蓋信息應(yīng)用、管理、處理、傳輸、資源和服務(wù)的全過(guò)程，實(shí)質(zhì)上屬于水利信息化的龍頭工程和信息系統(tǒng)工程，工程的實(shí)施為促進(jìn)水利信息化的快速發(fā)展提供技術(shù)引領(lǐng)和重要基礎(chǔ)設(shè)施支撐。

2)防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程具有先進(jìn)實(shí)用的技術(shù)體系與方案，也是當(dāng)時(shí)新型技術(shù)信息的主流，其設(shè)計(jì)原則總體上也是先進(jìn)的。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展信息服務(wù)、軟件開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)、信息傳輸?shù)热〉幂^大的發(fā)展，必須對(duì)其技術(shù)體系做出調(diào)整，盡可能將成熟的、最新的信息技術(shù)應(yīng)用于未來(lái)系統(tǒng)的升級(jí)改造和建設(shè)，“兩臺(tái)一庫(kù)”的總體架構(gòu)仍具有一定的適用性。

3)結(jié)合水旱災(zāi)害新特點(diǎn)拓展指揮系統(tǒng)工程的內(nèi)涵，并在我國(guó)防汛抗旱指揮系統(tǒng)中納入沿海地區(qū)防洪防風(fēng)暴潮應(yīng)對(duì)措施、山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警及城市洪澇防治等內(nèi)容。