劉超 馬浩 楊玉喜

摘要：傳統(tǒng)的水旱災害防御手段存在預警針對性不強、預警提前量不足、預警覆蓋面不全以及各級水行政管理單位難以協(xié)同處理等問題，極大影響了政府防災減災服務能力。針對這些問題，結合智慧水利技術和基層防汛機制體制，從規(guī)范預警處理流程、延長預警預見期和無固定對象預警3方面出發(fā)，提出了一種具有監(jiān)測數據集總接收、基礎信息同步共享、預警流程協(xié)同處理、決策會商一站式查詢、預警信息統(tǒng)一發(fā)布等功能的基層防汛預報預警系統(tǒng)。系統(tǒng)建成并投入使用后，在確保安徽省山洪災害防治、超標準洪水防御、水利工程安全運行等方面發(fā)揮了重要的作用，具有良好的應用和推廣價值。

關 鍵 詞：基層防汛;防汛預報預警系統(tǒng);山洪災害;智慧水利

中圖法分類號：TP391

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0230-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.037

0 引 言

水旱災害特別是山洪災害破壞力大、突發(fā)性強、損失重，常造成人員傷亡，沖塌房屋，淹沒城鎮(zhèn)、基礎設施，改變河流形態(tài)和自然環(huán)境，是當前造成人員傷亡和經濟損失的主要災種，嚴重威脅廣大人民群眾的生命財產安全。構建監(jiān)測預警體系，增強監(jiān)測預警能力，是提升防災減災救災能力的重要組成部分，但水旱災害突發(fā)性強，預測預報難度大，若預警發(fā)布較早，則精度不佳，范圍過大;若預警發(fā)布較晚，則個人和組織的響應時間可能不足。而且發(fā)出預警信息后，只有快速、及時送達至受威脅人員并轉化為避險行為，預警才是有效的[1-3]。

近年來，為提高水旱災害防御預報預警的精準度，國內外已經開展了相關研究。如美國國家水文研究中心（HRC）針對山洪災害預報預警需求，聯合其他機構和單位，提出了基于山洪預警指標FFG（Flash Flood Guide）的預警系統(tǒng)建設思路，并在中美洲7個國家 50萬km2的山丘區(qū)應用，經檢驗該系統(tǒng)預報準確度為65%，誤報率為 35%，漏報率為3%[4]。我國水旱災害防御信息化建設工作起步相對較晚，2009年才開始山洪災害防治非工程措施試點工作，提出了基于調查評價、信息監(jiān)測、預警發(fā)布、群測群防的山洪災害防御新思路。通過多年的建設，山洪災害防御工作效果顯著[5-7]。2015年水利部進一步部署湖南、安徽、河南3個省份試點開展省級災害預警系統(tǒng)建設。試點建設發(fā)現，目前各地基層防汛預報預警系統(tǒng)在精準預警、科學決策、及時發(fā)布和應急響應方面還有很大的差距，預警信息發(fā)布后在“最后一公里”過程中常存在不達、不明、不快、不全、不易、不理等問題，導致水旱災害防御未達到效果或失敗。本文以安徽省基層防汛預報預警系統(tǒng)為例，介紹了系統(tǒng)在處理預警針對性不強、預警提前量不足、預警覆蓋面不全以及各級水行政管理單位難以協(xié)同處理等方面問題時的一些創(chuàng)新解決方案，以期未來在全國范圍內推廣和應用。

1 系統(tǒng)架構和主要功能

根據水利部水利信息化頂層設計，安徽省基層防汛預報預警系統(tǒng)的總體框架采用松耦合的分層架構，由業(yè)務功能、應用支撐、數據資源、硬件資源、安全防護體系、標準規(guī)范體系等幾部分組成（見圖1）。系統(tǒng)結構每層功能相對集中和獨立，能夠為上一層提供很好的支撐服務，層與層之間具有明確的邊界劃分，松耦合的結構易于未來軟硬件及應用服務的調整與擴展。

1.1 業(yè)務功能

安徽省基層防汛預報預警系統(tǒng)主要功能包括實時監(jiān)測、預警處理、運行管理、基礎信息、輔助決策等。在數據源上構建了水文、氣象、國土等監(jiān)測站點以及地方建設站點的匯聚平臺，實現全省涉水信息“一數一源”的共享目標;在應用上立足水旱災害防御的主業(yè)，實現了全省水旱災害防御預警流程的系統(tǒng)處理，并隨著強化信息產品在行業(yè)“監(jiān)管”方面的主題，融合了水利工程管理、洪水風險圖等基礎支撐業(yè)務;在時間軸向上立足實時，前溯歷史（歷史信息對比），后抵未來（氣象數值預報產品融合預警）;在空間對象上，基于行政區(qū)劃、流域、水文分區(qū)、焦點地區(qū)，按要素動態(tài)鎖定匹配站群實現分類交互瀏覽;在管理上，“設施監(jiān)視”實現自測監(jiān)測站點運行狀態(tài)分管理單位、分承建單位自動預警，同步實現共性基礎信息分級維護、應用共享。

1.2 應用支撐

應用支撐層主要包括應用服務、基礎服務和系統(tǒng)資源服務等內容。應用服務提供工作流程、地理信息 （GIS）、告警預警、智能表單?；A服務提供目錄服務、消息服務、模型服務、數據庫管理等服務。系統(tǒng)資源服務提供數據訪問接口、數據轉換、計算與存儲、數據字典等服務。安徽省基層防汛預報預警系統(tǒng)完成了統(tǒng)一身份認證、通訊錄、水利“一張圖”、水雨情采集、視頻監(jiān)控平臺、匯集平臺等應用支撐系統(tǒng)建設，并對現有短信網關實現國家山洪預警短信特服號應用，對接移動、電信、聯通進行三網融合。

1.3 數據資源

數據資源層主要為預報預警系統(tǒng)各項業(yè)務提供數據來源，包括自動采集數據、共享匯集數據、人工上報數據、整編數據四大類。按照“一數一源”的原則，預報預警系統(tǒng)疏理整編全省系統(tǒng)信息資源，建立水利信息資源目錄，明確數據來源責任;更新安徽省全域萬分之一的矢量空間數據和0.5 m分辨率航拍影像數據和5 m地形數據，基于二三維地圖疊加社會經濟、工程、預案、責任制等全要素信息;完成了5萬多個責任人和1萬多個預案在線填報，實現責任范圍底數清晰、動態(tài)更新;利用防洪工程數據庫建設成果，集中復核全省5 956座水庫基礎信息[8]。

1.4 硬件資源

基礎設施為預報預警系統(tǒng)提供基礎的硬件支撐環(huán)境。由通信網絡、機房環(huán)境、數據服務器、數據存儲和數據備份等基礎設施構成。預報預警系統(tǒng)硬件的集中實施，解決了基層信息化運維力量不足、網絡安全防護困難等問題，實現了平臺硬件建設集約化。

2 業(yè)務流程設計

根據安徽省水旱災害防御機制體制，水旱災害防御責任主體在基層地方政府，省、市級水行政主管部門負責對轄內水旱災害防御工作進行業(yè)務指導和技術支撐。結合工作實際，安徽省基層防汛預報預警系統(tǒng)將預報預警業(yè)務流程劃分為預警發(fā)起、內部預警、預警研判、外部預警4個階段（見圖2），內部預警自動向市縣級業(yè)務人員發(fā)布，外部預警向各級責任人和社會公眾發(fā)布。預警業(yè)務流程的4個階段主要工作在縣級執(zhí)行，省、市兩級通過系統(tǒng)對轄內實時預警進行總覽、對預警處置的及時性進行督辦。

2.1 預警發(fā)起

系統(tǒng)預警的發(fā)起有兩種方式：① 實時監(jiān)測信息，數據來源為水雨情自動監(jiān)測站點，當水雨情自動監(jiān)測站點回傳的雨量、水位信息超過設定的預警指標后自動發(fā)起預警，預警指標主要通過前期開展的洪澇災害調查評價確定[9-10];② 氣象預報信息，數據來源為氣象部門1 km×1 km網格高精度降雨預報數據，系統(tǒng)對應氣象預報信息將預警級別分為4級，即Ⅳ級（可能發(fā)生）、Ⅲ級（可能性較大）、Ⅱ級（可能性大）、Ⅰ級（可能性很大）。

2.2 內部預警

當有預警發(fā)起時，系統(tǒng)自動觸發(fā)啟動內部預警，自動調用短信網關平臺向該預警關聯的責任人發(fā)送手機短信，提醒責任人員登錄系統(tǒng)對預警進行處置。責任人主要為各級水行政主管部門相關負責人、值班人員等。如果是水庫，提醒對象還包括水庫的3個責任人。系統(tǒng)預置了全省各級水旱災害防御相關責任人員以及全省5 956座水庫的行政、技術、巡查責任人聯系電話等信息，并在每年汛前通過系統(tǒng)進行更新。如果在一定時限內責任人未對預警進行處置，上級主管部門可以通過系統(tǒng)給預警所在縣級單位發(fā)送督辦短信，并納入考核打分。

2.3 預警研判

收到內部預警短信后，相關責任人登錄系統(tǒng)查看相關信息并進行研判。根據研判結果有關閉預警、加強關注、啟動響應3種處置措施。當研判發(fā)現降雨已經停止或者預警是由于現場設備故障導致的假預警，可以對預警進行關閉并填寫關閉原因，預警流程結束;當研判發(fā)現降雨還在持續(xù)，但并未達到立即轉移指標時，可以通過系統(tǒng)向相關區(qū)域發(fā)送短信要求進行加強關注;當研判發(fā)現預警可能要發(fā)生災害，可以通過系統(tǒng)啟動外部預警。

2.4 外部預警

安徽省基層防汛預報預警系統(tǒng)將外部預警分為兩類：① 由氣象信息研判得到的氣象預警，面向社會公眾發(fā)布，為提示性預警，主要通過通信運營商以基站短信的方式面向社會公眾進行發(fā)布;② 根據實時降雨和洪水監(jiān)測值發(fā)布的準備轉移和立即轉移，為指令性預警，發(fā)布對象主要為鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村、組、網格等責任人，再由責任人向群眾轉達，轉達方式包括短信、電話、對講機、無線預警廣播、防汛信息展播等方式，村組還可以通過銅鑼、手搖報警器、高頻口哨、廣播等方式發(fā)布預警信息。按照網格化責任體系，系統(tǒng)預置了全省5萬多個包保責任人、防御行政責任人和網格責任人信息，并在每年汛前通過系統(tǒng)進行填報更新。

預警發(fā)布后還要每天上報行動情況，立即轉移后還應報轉移情況，當轉移人員還回，預警流程才結束[11]。一次預警可以根據情況變化研判，采取多次多個處置措施。系統(tǒng)支持用戶選擇推送區(qū)域、用戶等。并可向相關責任人發(fā)起巡查任務，巡查任務通知可通過手機APP消息提示通知到相關責任人。

3 關鍵技術研究

圍繞水旱災害預報預警這一難題，從規(guī)范預警處理流程、延長預警預見期和無固定對象預警3方面出發(fā)，采用實時監(jiān)測、數值模擬和多部門協(xié)同等手段，對預警對象沒有針對性、預警時效性不強、無固定對象預警、基層應用便捷化等問題進行了深入研究，并給出了科學的解決方案。

3.1 預警對象沒有針對性及預警時效性不強

基于“安徽省水利一張圖”高精度數字高程信息，利用GIS技術提取全省小流域水系圖，將超閾值降水、超閾值水位與可能影響到的網格、人口、房屋、橋梁等信息建立上下游空間關聯關系，從而建立小流域預警模型。模型根據自動監(jiān)測站點類型和所在的區(qū)域特點設置預警閾值，包括雨量臨界值和水位臨界值。實時計算超閾值降雨或者水位可能影響的范圍和高風險區(qū)域，并在電子地圖上疊加分析（見圖3），評估洪澇災害發(fā)生、發(fā)展及其造成的影響。預警產生后根據防汛指揮部門職責和級別建立省市縣三級預警以及內外部預警相結合的信息發(fā)布體系，內部預警根據預警模型分析結果自動調取危險區(qū)范圍內相關的責任人、預警設備、視頻圖像站、防汛物資、專家?guī)斓葦祿Y源[12]。根據需要向相關人員和預警設備發(fā)布預警信息，進一步縮短預警研判到預警發(fā)出的時間。外部預警通過短信群發(fā)、微信、無線廣播、高音喇叭、手搖警報器、銅鑼等方式將預警信息及時準確地傳送到可能危險區(qū)域。基于手機APP險情采集模塊上傳現場圖片和視頻，第一時間了解受災現場的實時情況。預警信息發(fā)出后依據上文所述業(yè)務流程對預警全過程進行監(jiān)督和追蹤，確保充分發(fā)揮防汛人員、設備、物資的作用，做到效益最大化[13]。

為解決時效性問題，預報預警系統(tǒng)整合水雨情遙測和天氣雷達數據，除了對原有降雨進行統(tǒng)計分析外，還提供當前正在降雨情況預測和未來12，6，3 h降雨預報，做到早期預警，為水旱災害防御進一步增加了提前量。

3.2 無固定對象預警

針對山區(qū)旅游人員、流動人員以及外來務工人員等無固定對象人群，創(chuàng)新采用區(qū)域定向發(fā)送模式，有效解決了預警信息發(fā)布“最后一公里”問題。與移動、電信、聯通三大運營商聯系，建立預警區(qū)域與通信基站的對應關系，預警區(qū)域由平臺按照相應預警算法進行劃定，主要成果為小流域和鄉(xiāng)鎮(zhèn)、行政村邊界信息。相應運營商基站范圍內的所有在線手機用戶為預警信息發(fā)布的對象。當預警發(fā)起時，安徽省水利廳推送預警數據、小流域編號、短信模板編號給通信運營商，通信運營商根據已建立的空間關系調用對應的基站，采用統(tǒng)一短號碼對基站范圍內手機用戶發(fā)送預警短信。詳細技術路線如下（見圖4）。

（1）對全省行政區(qū)、小流域邊界數據進行整編分析，通過空間疊加算法計算出能夠完整覆蓋整個預警區(qū)域的運營商通信基站名錄，以達到預警范圍的全覆蓋。

（2）通過氣象部門2 h降雨預報數據，對暴雨格點區(qū)域進行分析，提取行政區(qū)和小流域范圍，并將范圍推送給運營商。

（3）當預警發(fā)起時，通過對通信基站周邊過去2 h和未來2 h內注冊的手機號碼進行短信預警，并對已預警手機號碼進行篩選，不做重復預警。

（4）對短信發(fā)送結果進行反饋，短信發(fā)送結果通過開放統(tǒng)一接口，基于專網網絡與運營商進行對接，反饋的數據結果包括已經發(fā)送短信數量、發(fā)送成功的短信數量、等待報告的短信數量、發(fā)送失敗短信數量等內容。

3.3 基層人員信息獲取難

針對基層鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府和山洪威脅區(qū)的中小學校，創(chuàng)新采用“基層防汛信息展播”的預警發(fā)布新模式?；鶎臃姥葱畔⒄共ナ且訰CU（遠程控制終端）主控單元為核心，根據安裝環(huán)境的不同配置相應顯示設備（室內液晶顯示屏或者室外LED顯示屏）、遙控器等，預警系統(tǒng)預先定制“當前預警、雨水情、視頻/圖像、水利宣傳”等頻道，并將頻道發(fā)布到各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)RCU主控單元，基層水利管理人員便可通過遙控器以類似切換電視頻道的方式簡單獲取轄內相應實時預警、雨水情、視頻/圖像、水利宣傳等信息，也可以通過手機APP或短信實現本單位日常通知的發(fā)布。

基層防汛信息展播設備通過安徽省基層防汛預報預警系統(tǒng)實現各類信息的展示（見圖5）。展播設備根據安裝位置的不同，可以在預警系統(tǒng)匹配相應的雨量、水位、圖像、視頻站點;通過與省級視頻監(jiān)控平臺對接，實現視頻站點視頻流數據的轉發(fā)，完成展播設備的視頻監(jiān)控數據在線瀏覽;通過與省級統(tǒng)一短信平臺對接，實現基層管理人員短信通知內容在管理范圍內展播終端的實時展示。

3.4 系統(tǒng)對大數據的展示

① 進行邏輯避讓。以站點級別、站類以及區(qū)域站網空間密度，實現“歸類優(yōu)先、兼顧疏密”的人性化視覺瀏覽效果。② 站群檢索。涉水信息從統(tǒng)計意義上多數與面對象有關，涉及“行政區(qū)劃”、“流域”、“水文分區(qū)”、“焦點區(qū)域”等，這些區(qū)域類別之間存在交集，在區(qū)域統(tǒng)計時對邊界內的匹配站點檢索存在重復配置?！罢救簷z索”專用工具將具體的面對象抽象出來，實現“面層→工具→站群”的動檢索，徹底規(guī)避動態(tài)變化、無窮盡的站點配置。

4 應用情況及效果

安徽省基層防汛預報預警系統(tǒng)于2019年5月在安徽省正式上線運行。用戶覆蓋全省各級水行政管理單位，系統(tǒng)功能已由單一預警實現向綜合平臺的過度，整合的監(jiān)測站點從原來不足1 000個發(fā)展到約6 000個，監(jiān)測盲區(qū)大大減少，預警的及時性、有效性顯著增加。尤其是2019年汛期，安徽省利用省級平臺上的監(jiān)測預警數據，結合前期開展的山洪災害調查評價成果，準確捕捉到“利奇馬”臺風可能造成的嚴重影響，第一時間向宣城市、寧國市發(fā)出預警，要求按超歷史洪水防御方案堅決果斷轉移危險區(qū)人員。寧國市提前約1 h將影響區(qū)域人員轉移完畢，有效避免了人員傷亡。災后調查，洪水淹沒范圍與系統(tǒng)判斷的預報預警范圍幾乎一致。

5 結 論

本文針對水旱災害預報預警這一難題，在水文、氣象、災害、通信、軟件等方面開展了全面的研究，形成了完整、體系化的水旱災害防御信息化支撐系統(tǒng)，并在水旱災害防御過程中得到成功應用。

（1）建立了規(guī)范化、流程化的水旱災害防御體系，提出的四階段預警處理業(yè)務流程，實現了省、市、縣各級水行政主管部門的協(xié)同運轉。解決了基層業(yè)務流程不規(guī)范、處置監(jiān)管能力不平衡等問題，實現業(yè)務處置看得見、管得到。

（2）研究開發(fā)了區(qū)域定向預警信息發(fā)布系統(tǒng)，實現了對無固定對象人員的預警通知，并通過大數據分析，實時掌握區(qū)域內人員年齡分布和空間分布情況，為人員轉移方案的制定提供了有效支撐。

（3）基于基層防汛預報預警系統(tǒng)，研究開發(fā)了信息展播設備，實現鄉(xiāng)鎮(zhèn)基層防汛業(yè)務人員、學校師生等基層群體以類似“電視頻道”的方式方便快捷的獲取水旱災害監(jiān)測、預警信息。

（4）結合視頻監(jiān)控應用支撐平臺，創(chuàng)新研發(fā)了視頻無插件訪問技術，實現了BS模式下視頻站點在多種瀏覽器中的實時訪問和控制。

安徽省基層防汛預報預警系統(tǒng)是國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)向基層的延伸，平臺使用了全新的開發(fā)技術，以最簡單、最全面、最清晰的方式給防汛工作者和決策者予以查詢和顯示，以便隨時掌握防汛信息。該系統(tǒng)對安徽省水利各專題數據進行了充分發(fā)掘，使業(yè)務數據更加準確、基礎數據更加全面、數據訪問更加流暢、數據展現更加科學簡潔?；鶎臃姥搭A報預警平臺已經實現的共享模式、預警處置的技術路線、取得優(yōu)異成效等方面對公共安全具有共性，推廣應用前景廣闊。

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（編輯：鄭 毅）