李 杰,陳志平,朱李堅(jiān),王 新,方琛亮,程海洋

(1.寧波市鄞州區(qū)水文站,浙江 寧波 315100；2.寧波市鄞州區(qū)水利局,浙江 寧波 315100；3.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

2010 年黨中央、國務(wù)院決定用3a時(shí)間,實(shí)施 《全國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》非工程措施建設(shè)項(xiàng)目,初步建成覆蓋全國1836個(gè)縣級山洪災(zāi)害防治區(qū)的非工程措施體系[1],全面提高基層山洪災(zāi)害防御能力[2]。2010年9月,浙江省防汛抗旱指揮部根據(jù)國家防辦《關(guān)于抓緊開展山洪災(zāi)害防治縣級非工程措施實(shí)施方案編制工作的緊急通知》精神,結(jié)合近年來全省山洪災(zāi)害發(fā)生情況,提出分批次實(shí)施山洪災(zāi)害防治縣級非工程措施建設(shè)方案,鄞州區(qū)被列為全省第二批山洪災(zāi)害防治縣級非工程措施建設(shè)項(xiàng)目縣(市、區(qū))。

鄞州區(qū)地處海陸交相影響的季風(fēng)氣候區(qū),全區(qū)國土面積1380km2,其中山區(qū)面積達(dá)704km2,占總面積的51%左右,境內(nèi)分布著眾多山溪性河流,形成區(qū)域相對獨(dú)立的小流域[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),鄞州區(qū)面積在20～200km2的小流域有16個(gè)。這些區(qū)域雨量豐沛,河流源短流急、水位易漲易落,經(jīng)常形成暴雨洪水災(zāi)害,造成人員傷亡,房屋建筑、交通道路、水利工程、農(nóng)田土地等的損毀。山洪災(zāi)害已成為鄞州區(qū)危害較大的自然災(zāi)害之一,因此,非常有必要進(jìn)行小流域山洪災(zāi)害非工程措施建設(shè)。而山洪災(zāi)害防治監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)則作為非工程措施的重要組成部分,在整個(gè)措施中將發(fā)揮巨大的作用。山洪災(zāi)害防治監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容主要包括信息監(jiān)測、監(jiān)測預(yù)警平臺、預(yù)警等子系統(tǒng)建設(shè)。系統(tǒng)在對水雨情信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的基礎(chǔ)上,將信息進(jìn)行匯集,并利用軟件自動進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。在達(dá)到預(yù)警條件時(shí)能夠通過各種預(yù)警通知和警報(bào)設(shè)施,提前通知有關(guān)成員單位、防汛責(zé)任人,通知危險(xiǎn)區(qū)居民,做好山洪搶險(xiǎn)組織、轉(zhuǎn)移撤離準(zhǔn)備,最大限度減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

2 鄞州區(qū)山洪災(zāi)害非工程措施監(jiān)測預(yù)警平臺設(shè)計(jì)

2.1 建設(shè)目標(biāo)和內(nèi)容

根據(jù)《鄞州區(qū)山洪災(zāi)害防治縣級非工程措施建設(shè)實(shí)施方案》建設(shè)實(shí)用的監(jiān)測預(yù)警平臺。在水雨情信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的基礎(chǔ)上,將各類信息進(jìn)行匯集,并利用軟件自動進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。在達(dá)到條件時(shí)能夠通過諸如預(yù)警通知和警報(bào)設(shè)施等方式,及時(shí)通知有關(guān)成員單位、防汛責(zé)任人,繼而通知危險(xiǎn)區(qū)居民轉(zhuǎn)移。在預(yù)警發(fā)生時(shí)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)各級部門的響應(yīng)執(zhí)行情況,為防汛工作提供信息支撐和決策支持。為了達(dá)到給防汛提供信息支撐和決策支撐的目標(biāo),該平臺需完成網(wǎng)絡(luò)及支撐設(shè)備的采購與安裝,數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)及應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)3部分工作。其中應(yīng)用系統(tǒng)的功能包括信息匯集、信息服務(wù)與預(yù)警信息發(fā)布。

2.1.1 信息匯集

信息匯集主要包括水雨情、視頻、氣象國土、移動巡查等各類信息。其中,水雨情通過水雨情采集平臺寫入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫,再通過實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)程序統(tǒng)計(jì)出小時(shí)、天的數(shù)值,并分別存入對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中；視頻采集采用實(shí)時(shí)接入現(xiàn)場攝像頭的方式,人工保存的錄像將存入對應(yīng)的服務(wù)器中；氣象與國土類信息目前從公網(wǎng)上實(shí)時(shí)獲??；移動巡查采用無線便攜單兵設(shè)備,利用無線3G網(wǎng)絡(luò)將圖像、聲音等信息保存至對應(yīng)服務(wù)器中。

2.1.2 信息服務(wù)

信息服務(wù)提供基礎(chǔ)信息查詢、實(shí)時(shí)水雨情監(jiān)視、氣象國土等相關(guān)部門信息查詢顯示等功能。

2.1.3 預(yù)警信息發(fā)布

預(yù)警信息發(fā)布程序以服務(wù)的形式運(yùn)行在系統(tǒng)服務(wù)器端。程序根據(jù)預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)條件(雨量、水位等),并實(shí)時(shí)監(jiān)視數(shù)據(jù)變化,一旦滿足預(yù)警條件,即將實(shí)時(shí)信息按預(yù)先定義好的格式,通過短信系統(tǒng)接口向指定人員進(jìn)行發(fā)送。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.2.1 基礎(chǔ)信息關(guān)聯(lián)

在系統(tǒng)中擁有大量的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù),包括區(qū)鄉(xiāng)村、小流域、監(jiān)測站基本情況,區(qū)、鄉(xiāng)、村各級預(yù)案,歷史災(zāi)害情況及工情信息等。各類基礎(chǔ)信息分類不一,但又相互關(guān)聯(lián),當(dāng)山洪預(yù)警發(fā)生時(shí)觸發(fā)預(yù)警的監(jiān)測站,監(jiān)測站所屬的鄉(xiāng)村、所在的小流域,當(dāng)前鄉(xiāng)鎮(zhèn)的預(yù)案,當(dāng)前鄉(xiāng)鎮(zhèn)歷史災(zāi)害情況,所在地區(qū)的水庫、山塘、堤防等工情信息都對防汛有著重要的意義?，F(xiàn)主要通過各類信息的惟一標(biāo)識(如行政區(qū)劃代碼)來進(jìn)行關(guān)聯(lián),以行政區(qū)劃為例,可以關(guān)聯(lián)到小流域、監(jiān)測站、水庫、山塘等。將各類信息進(jìn)行有效關(guān)聯(lián),可以讓使用人員快速了解到各類信息,為防汛工作提供更全面參考。

2.2.2 預(yù)警分類

系統(tǒng)將預(yù)警分為山洪預(yù)警與區(qū)級響應(yīng)2類,此外還對未達(dá)到預(yù)警時(shí)增設(shè)“水雨情通知”。

(1)水雨情通知。設(shè)定的觸發(fā)值小于監(jiān)測站的警戒值與危險(xiǎn)值,意在提前通知到各類防汛責(zé)任人,為山洪預(yù)警的到來做好防汛準(zhǔn)備工作。

(2)山洪預(yù)警。觸發(fā)的預(yù)警值就是監(jiān)測站的警戒值與危險(xiǎn)值,當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)警值時(shí)就啟動一個(gè)山洪預(yù)警,并將審核信息以短信的方式發(fā)送至審批人。

(3)區(qū)級響應(yīng)。區(qū)級預(yù)案中實(shí)時(shí)水雨情的判斷條件較難把握,且啟動條件還包括實(shí)時(shí)水雨情之外的情況,如氣象預(yù)報(bào)的臺風(fēng)、水庫發(fā)生的險(xiǎn)情。所以系統(tǒng)只能在監(jiān)測實(shí)時(shí)水雨情的基礎(chǔ)上給出啟動建議,啟動方式還是以人工啟動。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸

在確保運(yùn)行速度和安全的前提下,通過硬件、軟件防火墻等手段為系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)安全支撐,實(shí)現(xiàn)與Internet的聯(lián)接,用戶可以在有網(wǎng)絡(luò)的情況下隨時(shí)訪問系統(tǒng)。但系統(tǒng)部分內(nèi)容不適合遠(yuǎn)程訪問,如視頻監(jiān)視,三維地圖場景,不僅僅是安全方面,更多是出于傳輸效率上的考慮。所以系統(tǒng)對戶角色進(jìn)行了控制,在用戶登錄到系統(tǒng)時(shí)就判斷訪問方式,自動分配不同顯示頁面,在方便用戶使用的同時(shí)也減少了時(shí)間和空間上的使用限制。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

山洪災(zāi)害防治監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)功能包括5個(gè)主要層次(見圖1),自上而下依次為：應(yīng)用層,即系統(tǒng)具體的功能應(yīng)用；支撐層,即實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能具體的軟件支撐；數(shù)據(jù)層,即數(shù)據(jù)庫內(nèi)容；硬件與網(wǎng)絡(luò)層,即系統(tǒng)運(yùn)行的配套硬件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；采集層,即數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

3 山洪災(zāi)害非工程措施實(shí)施情況及監(jiān)測預(yù)警平臺功能模塊研究

3.1 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)總體功能模塊主要包括信息匯集、信息服務(wù)、預(yù)警信息發(fā)布模塊等(見圖2)。

圖2 功能模塊圖

(1)信息匯集主要由數(shù)據(jù)接收處理單元(硬件設(shè)備)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收處理軟件構(gòu)成。數(shù)據(jù)接收處理單元主要由數(shù)據(jù)接收通信設(shè)備、數(shù)據(jù)接收處理計(jì)算機(jī)、電源以及設(shè)備安裝設(shè)施和避雷系統(tǒng)組成。信息主要由防汛巡查、水雨情及氣象信息、國土信息等4類組成。

(2)信息服務(wù)系統(tǒng)針對水雨情、工情、災(zāi)情等信息提供分類檢索和簡單分析。主要包括基礎(chǔ)信息查詢、氣象信息查詢、實(shí)時(shí)水雨情監(jiān)視、防洪預(yù)案信息查詢、災(zāi)害分布與災(zāi)情統(tǒng)計(jì)查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表和輸出打印等模塊。查詢、分析成果根據(jù)查詢內(nèi)容采用文字、表格、圖形以及地圖等形式表現(xiàn)。查詢系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)模式開發(fā),系統(tǒng)界面見圖3。

圖3 水雨情圖

用戶可以選擇查看某一測站在一段時(shí)間范圍的水位及降雨情況,頁面以圖表形式展示給用戶,左側(cè)為監(jiān)測站列表,右側(cè)為信息展示欄。

(3)預(yù)警發(fā)布服務(wù)的主要作用是在雨量或水位超過警戒值時(shí)對內(nèi)部人員或社會公眾進(jìn)行預(yù)警。在預(yù)警發(fā)生時(shí),系統(tǒng)必須跟蹤區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的響應(yīng)執(zhí)行情況,直到響應(yīng)結(jié)束。預(yù)警流程控制見圖4。

圖4 預(yù)警流程控制圖

(4)地圖服務(wù)是基于GIS平臺聯(lián)動的信息服務(wù),為小流域預(yù)警平臺提供地圖服務(wù),可以實(shí)現(xiàn)瀏覽、查詢各種防汛工程的場景和信息,還可實(shí)現(xiàn)瀏覽查詢、統(tǒng)計(jì)水雨情信息、疊加實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖、雷達(dá)圖、展示防汛預(yù)案等功能,為防汛預(yù)警工作提供一個(gè)更加直觀的地圖服務(wù)平臺。采用二維地圖及三維地圖結(jié)合的辦法,即能通過二維地圖清楚的展示用戶關(guān)照的地理要素,又能通過三維地圖詳細(xì)展示小流域的地形地貌,給用戶更直觀的印象。同時(shí)對二三維地圖可進(jìn)行聯(lián)動,讓用戶免去在二維、三維地圖間切換的麻煩。信息服務(wù)GIS窗體見圖5。

圖5 信息服務(wù)GIS窗體圖

3.2 移動巡查指揮服務(wù)

根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要,在此次非工程措施中研發(fā)了移動巡查指揮系統(tǒng),以滿足山洪災(zāi)害信息預(yù)警、數(shù)據(jù)查詢、決策指揮的相關(guān)需求。這部分主要包括以下功能：

(1)主界面：提供用戶最為關(guān)心的水情、雨情、臺風(fēng)信息的簡要說明,以及其他一些額外信息,如當(dāng)前日期等。

(2)雨情信息：提供雨情信息的詳細(xì)查詢結(jié)果。

(3)水情信息：提供水情信息的詳細(xì)查詢結(jié)果。

(4)天氣預(yù)報(bào)：查詢當(dāng)前各縣市天氣情況。

(5)氣象雷達(dá)：查看最新氣象的雷達(dá)圖、水汽圖等。

(6)GIS查詢：以GIS的形式查看水情、雨情信息。

(7)臺風(fēng)路徑：查看臺風(fēng)路徑等主要信息,如是活動臺風(fēng)可查看預(yù)報(bào)信息。

(8)防汛預(yù)案：查看目前已上傳至系統(tǒng)的防汛預(yù)案。

(9)工情信息：查看工情的詳細(xì)信息,從而對該工情有個(gè)全面大概的了解。

(10)防汛預(yù)警：如果當(dāng)前出現(xiàn)雨量水位超警戒或其他異常事件可通過本模塊發(fā)送預(yù)警到相應(yīng)預(yù)警人員。

(11)行政區(qū)劃：查看行政區(qū)劃詳細(xì)信息。

4 山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺設(shè)計(jì)總結(jié)與思考

4.1 平臺研制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

(1)監(jiān)測預(yù)警平臺將各類信息進(jìn)行匯集,數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)滿足 《山洪災(zāi)害專題數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)》要求,有利于信息共享。其中對水雨情信息的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、分析,能夠在第一時(shí)間整理出預(yù)警消息,為水雨情信息服務(wù)提供了良好基礎(chǔ),為預(yù)警信息的及時(shí)發(fā)布提供了保證。

(2)平臺中預(yù)警響應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)合了各級防汛預(yù)案,針對不同的預(yù)警指標(biāo)展示不同的信息。在預(yù)警流程中提供了各項(xiàng)信息的查詢展示,山洪預(yù)警發(fā)生時(shí)的圖形化操作界面,用戶操作的判定功能,都有利于用戶的操作。

(3)平臺預(yù)警信息發(fā)布采用自動與人工結(jié)合的方式,自動預(yù)警發(fā)布實(shí)時(shí)水雨情信息與預(yù)警信息,能夠在第一時(shí)間通知到防汛部門和預(yù)警責(zé)任人。人工操作能夠?qū)ο⑦M(jìn)行補(bǔ)充,發(fā)布更全面的預(yù)警信息。

4.2 平臺研制思考及改進(jìn)

(1)補(bǔ)充和完善相關(guān)信息。由于鄞州區(qū)是浙江省經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū),社會、環(huán)境、人口及相關(guān)要素變化較大,一個(gè)實(shí)用的監(jiān)測預(yù)警平臺必須要隨著時(shí)間的變化對其內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷更新,才能在防汛決策過程中發(fā)揮真正的作用。

(2)研究小流域山洪預(yù)報(bào)模型。小流域山洪災(zāi)害,由于過程的短、快、急等特點(diǎn),且受周邊環(huán)境影響較大,洪水預(yù)報(bào)一直是一個(gè)難題。充分利用小流域的地理、水文等相關(guān)數(shù)據(jù),研究預(yù)報(bào)模型,成為目前工作的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

(3)新技術(shù)在小流域山洪災(zāi)害中應(yīng)用。隨著激光雷達(dá)技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)、空間信息技術(shù)、移動應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展,新技術(shù)在小流域山洪防治工作中有著廣闊的應(yīng)用前景,如利用激光雷達(dá)技術(shù)生產(chǎn)高精度的小流域DEM,完善洪水風(fēng)險(xiǎn)圖；利用無人機(jī)技術(shù)調(diào)查小流域內(nèi)房屋等分布情況。

[1]國家防汛抗旱總指揮部辦公室.山洪災(zāi)害防治縣級監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)要求 [R].北京：國家防汛抗旱總指揮部,2010.

[2]國家防汛抗旱總指揮部辦公室.山洪災(zāi)害防治縣級非工程措施建設(shè)實(shí)施方案編制大綱 [R].北京：國家防汛抗旱總指揮部,2010.

[3]寧波市鄞州區(qū)水利志編纂委員會.鄞州區(qū)水利志 [M].北京：中華書局,2009.