周 翀 魏永強(qiáng) 胡穎冰 李永剛 周 智 申志高

（1.湖南省水利水電科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙 410007；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙 410114；3.湖南省水利廳，長(zhǎng)沙 410007；4.湖南舜網(wǎng)信息技術(shù)有限公司，長(zhǎng)沙 410205）

0 引 言

湖南省位于我國(guó)中部，地處長(zhǎng)江中游以南，南嶺以北。受特殊的地理位置和氣候條件影響，降雨時(shí)空分布極不均勻，全省大雨則洪、多雨則澇、少雨則旱，水旱災(zāi)害頻發(fā)多發(fā)。根據(jù)國(guó)務(wù)院普查辦統(tǒng)一安排部署，湖南省從2020 年開(kāi)始，歷時(shí)3 年，完成了全省水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查工作，并獲得了大量成果數(shù)據(jù)。為加強(qiáng)普查成果在自然災(zāi)害綜合防治能力提升方面的應(yīng)用，推動(dòng)普查成果納入各級(jí)各類(lèi)指揮平臺(tái)，提升單災(zāi)種、多災(zāi)種管理全過(guò)程的災(zāi)害研判和防御能力，湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查從啟動(dòng)之初就堅(jiān)持“邊普查、邊應(yīng)用、邊見(jiàn)效”的基本思路，結(jié)合湖南省水旱災(zāi)害防御工作的實(shí)際需要，促進(jìn)普查成果快速轉(zhuǎn)化。

湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)利用智慧水利的頂層設(shè)計(jì)思路，基于風(fēng)險(xiǎn)普查成果，結(jié)合現(xiàn)有水旱災(zāi)害防御基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、全省水利“一張圖”等已有資料，充分利用地理信息系統(tǒng)、洪水預(yù)報(bào)模型、水動(dòng)力學(xué)模擬、數(shù)字孿生等新技術(shù)對(duì)普查成果進(jìn)行挖掘和分析，形成了一套“普查數(shù)據(jù)集成、全類(lèi)信息融合、實(shí)時(shí)分析預(yù)報(bào)、成果動(dòng)態(tài)展示”的水旱災(zāi)害信息化工作平臺(tái)。為水旱災(zāi)害防御工作提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)和專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用分析能力，智慧賦能于全省防汛抗旱大局。本文從系統(tǒng)框架、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能應(yīng)用等方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面介紹和分析。

1 系統(tǒng)框架及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 整體框架

本系統(tǒng)采用J2EE 開(kāi)發(fā)框架，基于信息化網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化安全保障體系進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，系統(tǒng)總體框架主要由數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層、用戶(hù)層4 層架構(gòu)組成（圖1）。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

（1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層集中組織和管理該系統(tǒng)運(yùn)行所需的各類(lèi)數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、工程信息數(shù)據(jù)、雨水情數(shù)據(jù)、水旱災(zāi)害普查成果數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)層為上層業(yè)務(wù)展示和分析提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）平臺(tái)層。應(yīng)用支撐平臺(tái)層包括地理信息系統(tǒng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)、支撐業(yè)務(wù)系統(tǒng)的各類(lèi)引擎和中間件、水利云平臺(tái)。其中，地理信息系統(tǒng)平臺(tái)負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)的管理維護(hù)和信息查詢(xún)，數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)包括數(shù)據(jù)服務(wù)接口、模型接口等。支撐引擎中間件包括消息中間件、緩存中間件、圖形報(bào)表中間件等。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層包括綜合駕駛艙、洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查成果展示、干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查成果展示、洪水災(zāi)害實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)分析及系統(tǒng)后臺(tái)管理的各個(gè)業(yè)務(wù)功能模塊。

（4）用戶(hù)層。用戶(hù)層包括整個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)用戶(hù)，各類(lèi)目標(biāo)用戶(hù)根據(jù)各自不同的權(quán)限及業(yè)務(wù)需要，獲取對(duì)應(yīng)權(quán)限下的內(nèi)容并進(jìn)行展示。該系統(tǒng)用戶(hù)層分為省、市、縣3 級(jí)行政主管部門(mén)目標(biāo)用戶(hù)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）J2EE 框架。J2EE 是當(dāng)前主流的Web 開(kāi)發(fā)框架，具有可伸縮性、靈活性、易維護(hù)性等特點(diǎn)。J2EE能夠開(kāi)發(fā)部署在異構(gòu)環(huán)境中的可移植程序，應(yīng)用程序不依賴(lài)任何特定操作系統(tǒng)、中間件、硬件，支持大型機(jī)、UNIX平臺(tái)、Windows操作系統(tǒng)。J2EE 框架提供了更為廣泛的負(fù)載平衡策略，能消除系統(tǒng)中的瓶頸，允許多臺(tái)服務(wù)器集成部署，實(shí)現(xiàn)可高度伸縮系統(tǒng)建設(shè)（圖2）。

圖2 J2EE框架技術(shù)示意圖

（2）前后端分離。該系統(tǒng)采用前后端分離技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，前端開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行前臺(tái)頁(yè)面結(jié)構(gòu)、樣式、行為層的代碼編寫(xiě)，并根據(jù)約定好的變量，邏輯規(guī)則，完成不同情況下的展示，而后端開(kāi)發(fā)人員，只需要按照約定，賦予這些變量含義，并提供前后端交互所需要的數(shù)據(jù)即可，實(shí)現(xiàn)真正的前后端解耦，提升開(kāi)發(fā)效率（圖3）。

圖3 前后端分離技術(shù)示意圖

（3）WebGIS 技術(shù)。WebGIS 是Web 技術(shù)和GIS 技術(shù)的結(jié)合?；赪ebGIS技術(shù)，可以在不同地點(diǎn)和不同計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)發(fā)布、空間查詢(xún)與檢索、空間模型服務(wù)、Web 資源組織等功能，且便于跟Web 中的其他信息服務(wù)進(jìn)行無(wú)縫集成，建立靈活多變的GIS應(yīng)用（圖4）。

圖4 WebGIS技術(shù)示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能應(yīng)用

2.1 水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查數(shù)據(jù)庫(kù)是建設(shè)開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)的基礎(chǔ)，以風(fēng)險(xiǎn)普查成果數(shù)據(jù)為核心，集成洪水隱患調(diào)查、山丘區(qū)中小河流洪水淹沒(méi)、洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、洪水防治區(qū)劃、干旱致災(zāi)調(diào)查、干旱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、干旱防治區(qū)劃，同時(shí)梳理出關(guān)鍵指標(biāo)，建立各類(lèi)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系、從屬關(guān)系、指示關(guān)系、空間拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的深度集成與融合，破除“數(shù)據(jù)孤島”障礙，深度挖掘成果的數(shù)據(jù)價(jià)值。該系統(tǒng)通過(guò)將湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查成果的表格、圖片、圖層、報(bào)告等共計(jì)785.6 萬(wàn)條各類(lèi)要素，按先整合后分類(lèi)、先分割后匹配的方式，建立形成了湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查數(shù)據(jù)庫(kù)（圖5）。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)示意圖

2.2 信息系統(tǒng)集成

該系統(tǒng)平臺(tái)在普查數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，集成山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖、超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)案、水資源調(diào)查評(píng)價(jià)等項(xiàng)目成果，同時(shí)共享疊加全省GDP、人口、房屋、農(nóng)作物等其他行業(yè)部門(mén)普查成果數(shù)據(jù)，形成一套方便查詢(xún)、展示、分析的水旱災(zāi)害防御知識(shí)庫(kù)、操作臺(tái)（圖6）。

圖6 各類(lèi)水利信息系統(tǒng)集成示意圖

平臺(tái)從橫向和縱向兩個(gè)維度，對(duì)接其他業(yè)務(wù)平臺(tái)和省市縣各級(jí)水旱防御業(yè)務(wù)系統(tǒng)，提供水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防御基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接口服務(wù)、知識(shí)庫(kù)專(zhuān)題接口服務(wù)、應(yīng)用分析與模型算法服務(wù)。系統(tǒng)基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心、信息共享平臺(tái)和信息交換平臺(tái)，利用現(xiàn)有的水利信息系統(tǒng)：湖南省水利“一張圖”、湖南省水信息基礎(chǔ)平臺(tái)、湖南省實(shí)時(shí)雨水情系統(tǒng)、湖南省山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)等，吸收原有系統(tǒng)的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)成果，將其融入新系統(tǒng)之中，進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用整合和信息共享，構(gòu)建全省統(tǒng)一的水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理、展示與分析軟件平臺(tái)。

2.3 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

2.3.1 綜合信息展示

綜合信息模塊是一個(gè)前端的展示面板，主要是對(duì)普查開(kāi)展的調(diào)查分析、評(píng)估區(qū)劃和洪水淹沒(méi)范圍等成果進(jìn)行集中展示。將各類(lèi)普查成果指標(biāo)信息作為輔助要素進(jìn)行疊加分析，包括全省的暴雨頻率圖、洪水頻率圖、洪水隱患調(diào)查、防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖、中小河流洪水淹沒(méi)圖、洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃及防治區(qū)劃、干旱災(zāi)害致災(zāi)調(diào)查與評(píng)估、干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和防治區(qū)劃等各類(lèi)成果數(shù)據(jù)不同維度的統(tǒng)計(jì)對(duì)比展示，同時(shí)可基于實(shí)際業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的變化調(diào)整，實(shí)時(shí)完成動(dòng)態(tài)更新。

2.3.2 普查成果管理

湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查成果主要包括9 類(lèi)數(shù)據(jù)：洪水災(zāi)害隱患調(diào)查、河流斷面成果、山丘區(qū)中小河流洪水淹沒(méi)圖、洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、洪水防治區(qū)劃、干旱災(zāi)害致災(zāi)調(diào)查、干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、干旱災(zāi)害防治區(qū)劃。該模塊對(duì)普查成果數(shù)據(jù)以九宮格的形式進(jìn)行直觀展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)普查成果的可視化查詢(xún)、信息點(diǎn)查詢(xún)、數(shù)據(jù)管理等功能。

（1）洪水災(zāi)害隱患調(diào)查。按照調(diào)查結(jié)論，對(duì)水庫(kù)（水電站）、水閘、堤防、蓄滯洪區(qū)進(jìn)行分類(lèi)定量統(tǒng)計(jì)，支持查看調(diào)查要素的分布情況，展示其屬性信息及表格數(shù)據(jù)，同時(shí)可按設(shè)定條件查詢(xún)、篩選、定位等。

（2）河流斷面成果。展示此次風(fēng)險(xiǎn)普查河流斷面測(cè)量成果及統(tǒng)計(jì)信息，可對(duì)河流及測(cè)量斷面進(jìn)行定位，展示斷面的斷面圖，查看斷面每個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程及距離信息，同時(shí)可按照市、縣名稱(chēng)或斷面名稱(chēng)進(jìn)行斷面數(shù)據(jù)下載等。

（3）山丘區(qū)中小河流洪水淹沒(méi)圖。按照5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇、50 年一遇、100 年一遇5 個(gè)頻率統(tǒng)計(jì)中小河流的淹沒(méi)范圍，可查詢(xún)每個(gè)頻率的淹沒(méi)面積、影響人口、房屋、農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)損失情況，同時(shí)可按照重現(xiàn)期、河流名稱(chēng)等查詢(xún)下載相關(guān)數(shù)據(jù)。

（4）洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。按照極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分類(lèi)統(tǒng)計(jì)全省洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的面積和占比，同時(shí)可按三區(qū)劃分、單元?jiǎng)澐帧L(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行分類(lèi)查詢(xún)，也可按流域篩選下載對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃數(shù)據(jù)。

（5）洪水防治區(qū)劃。按照一級(jí)重點(diǎn)防治區(qū)、二級(jí)重點(diǎn)防治區(qū)、中等防治區(qū)、一般防治區(qū)和局地洪水威脅區(qū)分類(lèi)統(tǒng)計(jì)全省洪水防治區(qū)劃的面積和占比。同時(shí)可按照三區(qū)劃分、防治等級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)、下載等功能。

（6）干旱災(zāi)害致災(zāi)調(diào)查。按照水資源量、抗旱工程能力、城鎮(zhèn)水源情況、旱情及旱災(zāi)損失等要素統(tǒng)計(jì)相應(yīng)調(diào)查情況，同時(shí)可以縣為單位，展示單個(gè)區(qū)（縣）內(nèi)致災(zāi)要素的具體數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)，并提供省市縣3級(jí)的分級(jí)數(shù)據(jù)下載功能。

（7）干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。按風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型，可查看農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、因旱人飲困難風(fēng)險(xiǎn)、城鎮(zhèn)干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖層，按風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，可篩選對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型的頻率，同時(shí)提供評(píng)估數(shù)據(jù)下載功能。

（8）干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。統(tǒng)計(jì)展示全省5個(gè)干旱風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（高風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、中低風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)）的區(qū)（縣）數(shù)量和占比。同時(shí)可按照市縣、風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型等下載查看該區(qū)（縣）或該類(lèi)型下的具體屬性信息。

（9）干旱災(zāi)害防治區(qū)劃。統(tǒng)計(jì)全省重點(diǎn)防治、中等防治和一般防治的區(qū)（縣）數(shù)量和占比?？砂凑帐袇^(qū)、一級(jí)區(qū)劃、二級(jí)區(qū)劃等查詢(xún)下載對(duì)應(yīng)干旱災(zāi)害防治區(qū)劃數(shù)據(jù)。

2.3.3 實(shí)時(shí)分析模型

借助此次普查成果和水文基礎(chǔ)信息，聯(lián)合湖南省水文中心共同開(kāi)發(fā)流域洪水預(yù)報(bào)分析模型。選取漣水作為典型流域試點(diǎn)開(kāi)展應(yīng)用，根據(jù)水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查漣水流域水利工程分布情況（水庫(kù)、水閘、堤防），河道測(cè)量斷面，河道地形高程數(shù)據(jù)，接入漣水流域?qū)崟r(shí)雨水情與工情數(shù)據(jù)，結(jié)合漣水流域現(xiàn)行調(diào)度方案，在系統(tǒng)中完成洪水預(yù)報(bào)—一、二維水動(dòng)力學(xué)模型耦合—洪水演進(jìn)淹沒(méi)及災(zāi)損分析的全過(guò)程模擬仿真，實(shí)現(xiàn)流域降雨洪水過(guò)程實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警。

模型包括：通過(guò)對(duì)雨量預(yù)警指標(biāo)的分析，進(jìn)行人員準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移的預(yù)警和轉(zhuǎn)移路線(xiàn)推送；通過(guò)對(duì)河道實(shí)時(shí)水位信息、斷面特征水位的綜合分析，進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)預(yù)警響應(yīng)。通過(guò)利用實(shí)時(shí)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析全過(guò)程模擬仿真推演，及時(shí)分析推斷流域沿線(xiàn)洪水淹沒(méi)地區(qū)及將來(lái)時(shí)段內(nèi)可能淹沒(méi)區(qū)域，及時(shí)向區(qū)域內(nèi)責(zé)任人員發(fā)送預(yù)警通知提醒預(yù)警，面對(duì)階段風(fēng)險(xiǎn)提出相應(yīng)的工程與非工程措施。此外，結(jié)合區(qū)域內(nèi)的人口、房屋、經(jīng)濟(jì)、農(nóng)作物分布情況進(jìn)行洪水淹沒(méi)過(guò)程實(shí)時(shí)災(zāi)損統(tǒng)計(jì)（圖7）。

圖7 洪水預(yù)報(bào)分析模型建設(shè)示意圖

2.3.4 洪水動(dòng)態(tài)演示

此模塊主要是流域洪水模擬成果的動(dòng)態(tài)演示。通過(guò)接入河道預(yù)報(bào)、水庫(kù)預(yù)報(bào)、沿程水面線(xiàn)、災(zāi)損統(tǒng)計(jì)分析等成果信息，以定時(shí)滾動(dòng)播放形式動(dòng)態(tài)展示逐時(shí)段的水位、流量、沿程水面線(xiàn)和各區(qū)（縣）災(zāi)損的變化過(guò)程。在三維場(chǎng)景中動(dòng)態(tài)演示河道及洪水淹沒(méi)演進(jìn)的情況，同時(shí)對(duì)預(yù)演區(qū)域內(nèi)的河道水位及淹沒(méi)水深進(jìn)行交互查詢(xún)。并利用系統(tǒng)中接入的此次自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查收集的全省GDP、耕地面積、人口、房屋數(shù)據(jù)網(wǎng)格圖層信息，與洪水淹沒(méi)影響區(qū)域進(jìn)行疊加，實(shí)時(shí)分析災(zāi)損影響情況。此外，動(dòng)態(tài)展示模塊還可推演可能出現(xiàn)的河道超警戒、超保證，水庫(kù)超汛限、超校核，山洪危險(xiǎn)區(qū)超臨界雨量的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)所在位置和相應(yīng)預(yù)警指標(biāo)，后期將實(shí)現(xiàn)直接給予相應(yīng)防汛責(zé)任人短信或語(yǔ)音預(yù)警的功能，逐步豐富普查成果在系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)應(yīng)用。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從系統(tǒng)框架、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)等方面介紹了湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)分類(lèi)型、分區(qū)域、分層級(jí)對(duì)水旱災(zāi)害普查成果進(jìn)行展示，同時(shí)結(jié)合普查成果，利用洪水預(yù)報(bào)分析模型，將雨水情數(shù)據(jù)與水文水動(dòng)力模型相耦合，實(shí)現(xiàn)了流域洪水實(shí)時(shí)分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)演進(jìn)模擬和災(zāi)損評(píng)估。湖南省水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與應(yīng)用為湖南省水旱災(zāi)害防御工作提供了強(qiáng)力技術(shù)支撐，為數(shù)字孿生流域建設(shè)打下了基礎(chǔ)，推動(dòng)了智慧水利發(fā)展，可為相關(guān)系統(tǒng)建設(shè)提供有益參考和借鑒。