哈密市山洪災(zāi)害預(yù)警信息平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安 東，杜 文，劉 洋，王雅雯

（黃河水利委員會(huì)信息中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

在全球氣候變暖背景下，隨著山丘區(qū)局地強(qiáng)降雨頻次的增加和山丘區(qū)人類活動(dòng)的加劇，山洪災(zāi)害日漸成為防洪減災(zāi)的短板，因山洪死亡人口約占洪澇死亡人口的 70%，山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警和防御日益成為國(guó)家防汛減災(zāi)的重點(diǎn)工作[1-2]。2017 年，水利部印發(fā)了《全國(guó)山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目實(shí)施方案（2017—2020 年）》，確定了根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)變化新形勢(shì)和新要求，充分利用“互聯(lián)網(wǎng) +”和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，鞏固提升已建非工程措施的防治思路[3]。

哈密市位于新疆維吾爾自治區(qū)最東端，地跨東天山南北，有 48 座中小型水庫(kù)，分別位于東天山山區(qū)和戈壁平原區(qū)。要做好山洪災(zāi)害防御工作，哈密市水利局需要實(shí)時(shí)掌握山區(qū)降雨、河道水情、水庫(kù)水情等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，及時(shí)獲取時(shí)段降水量、河道水位、水庫(kù)出入庫(kù)流量及庫(kù)水位等預(yù)警信息；需要直觀監(jiān)視水庫(kù)、河流、渠道等現(xiàn)場(chǎng)情況；需要掌握防洪工程、易受災(zāi)區(qū)域位置、人員分布等情況；需要多部門協(xié)同的防汛指揮調(diào)度。

哈密市已建降雨、水情監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)視等信息分散在一區(qū)兩縣（伊州區(qū)、巴里坤哈薩克自治縣、伊吾縣）水利局，氣象信息在哈密市氣象局，應(yīng)急預(yù)案、防汛薄弱環(huán)節(jié)、防洪工程示意圖和防汛主要責(zé)任人通訊錄尚未納入統(tǒng)一應(yīng)用，信息分散、缺乏關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)致系統(tǒng)化、及時(shí)性發(fā)揮防御洪水的能力薄弱。為有效應(yīng)對(duì)哈密市山洪災(zāi)害，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，提高預(yù)警信息發(fā)布能力，利用信息技術(shù)更好地支撐哈密市水利局與應(yīng)急局、氣象局等多部門協(xié)同的聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制，進(jìn)一步提升哈密市防災(zāi)減災(zāi)、風(fēng)險(xiǎn)管理能力，實(shí)現(xiàn)哈密市降雨、水情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，水庫(kù)、渠道的實(shí)時(shí)監(jiān)視，及時(shí)發(fā)布山洪預(yù)警，提前轉(zhuǎn)移人員，最大限度地減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，建設(shè)哈密市山洪災(zāi)害預(yù)警信息平臺(tái)。

1 哈密市山洪災(zāi)害特點(diǎn)

哈密市洪水來源主要有以下 3 種[4-5]：

1）山區(qū)融雪洪水。常發(fā)生于春季，主要形成原因是冬季積雪豐厚，春季短時(shí)氣溫回升加快，積雪融化速度加快而形成洪水，但此類洪水由于晝夜溫差大，其洪量較小，不易形成災(zāi)害。

2）山區(qū)的暴雨型、暴雨融冰雪混合型洪水。常發(fā)生于夏季 6—8 月，洪水受天氣和氣溫影響而產(chǎn)生，主要與氣溫回升有關(guān)，分布在山區(qū)，強(qiáng)度取決于降雨、積雪和氣溫。降水量越大，氣溫越高，雨雪混合型洪水發(fā)生的頻率越高，強(qiáng)度越大；反之，則頻率越低，強(qiáng)度越小?？傊祟惡樗掷m(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)下游易構(gòu)成威脅。

3）戈壁暴雨洪水。主要受降雨條件制約，多發(fā)生于天山山區(qū)淺山區(qū)的山間盆地谷地，山前戈壁地帶，喇叭口地形深入地帶等。同時(shí)由于降雨落點(diǎn)不固定，降雨水流補(bǔ)給條件差，所以洪水歷時(shí)短，洪峰高，加之地形坡度大，對(duì)下游造成的危害性極大。

山洪災(zāi)害發(fā)生時(shí)往往伴生冰川坍塌及冰體大量消融、山體滑坡及崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，沖毀渠道、渠堤、泄洪洞，影響水利工程安全和農(nóng)田灌溉等，甚至造成公路中斷、耕地沖淹、房倒人亡的悲劇。

2 預(yù)警指標(biāo)

哈密市受地理環(huán)境影響，是一個(gè)典型干旱半干旱地區(qū)，其特點(diǎn)為晝夜溫差大，降水少、蒸發(fā)強(qiáng)度大，但雨期雨量集中，尤其在山區(qū)，降水次數(shù)多、雨量大，達(dá)到暴雨程度的次數(shù)也不少。哈密市暴雨洪水主要集中在 6—8 月，多發(fā)生在中低山帶及近山地帶。由于暴雨強(qiáng)度大，且集水面積小、坡陡、植被差，導(dǎo)致匯流迅速，并挾帶大量沙石，有時(shí)形成泥石流，破壞力極大。哈密市暴雨洪水具有低渦天氣停留時(shí)間長(zhǎng)、降水量大（1 次降水量超出多年平均總量）、洪水量大和暴雨洪水造成的損失嚴(yán)重的特點(diǎn)[6]。通過歷史洪水調(diào)查、地理環(huán)境與歷史水文氣象資料分析，確定了哈密市山洪災(zāi)害防御降水量預(yù)警指標(biāo)和等級(jí)，具體如表 1 所示。在積累長(zhǎng)時(shí)序雨情、河道水情、水庫(kù)水情等監(jiān)測(cè)信息的基礎(chǔ)上，分析不同季節(jié)下時(shí)段降水量與河道、水庫(kù)水情變化的影響關(guān)系，為提高預(yù)警指標(biāo)的合理性和精細(xì)度提供數(shù)據(jù)支撐。

表 1 哈密市降水量預(yù)警指標(biāo)和等級(jí)

3 技術(shù)框架

哈密市山洪災(zāi)害預(yù)警信息平臺(tái)按照全國(guó)山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目建設(shè)思路[7]，在擴(kuò)大水雨情監(jiān)測(cè)覆蓋范圍，匯聚氣象局降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和水庫(kù)、渠道現(xiàn)地視頻，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)水利專網(wǎng)的互聯(lián)互通和加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力的基礎(chǔ)上，建成哈密市一區(qū)兩縣統(tǒng)一的山洪災(zāi)害預(yù)警信息平臺(tái)，該平臺(tái)總體框架如圖 1 所示，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)信息、預(yù)警信息和視頻監(jiān)視、防汛應(yīng)急調(diào)度、電視電話會(huì)議的協(xié)同應(yīng)用，為一體化調(diào)度指揮和高效管控防洪重點(diǎn)區(qū)域提供支撐。

圖 1 哈密市山洪災(zāi)害預(yù)警信息平臺(tái)總體框架

哈密市山洪災(zāi)害預(yù)警信息平臺(tái)建成了以監(jiān)測(cè)感知體系為基礎(chǔ)，以水利專網(wǎng)為通道，以數(shù)據(jù)支撐、預(yù)警指標(biāo)、一張圖應(yīng)用服務(wù)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等體系為手段，以監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)為核心的監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，實(shí)現(xiàn)了雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)、預(yù)警和防汛減災(zāi)、聯(lián)合調(diào)度決策支持。該平臺(tái)整合了自動(dòng)雨量站、河道水位站、水庫(kù)水位站、視頻（圖像）站等監(jiān)測(cè)監(jiān)視信息，以及氣象局降雨監(jiān)測(cè)信息，結(jié)合遙感影像監(jiān)測(cè)成果，收集和監(jiān)測(cè)雨量時(shí)空分布數(shù)據(jù)、重點(diǎn)河道和水庫(kù)水情數(shù)據(jù)，掌握實(shí)時(shí)降雨和水位變化，為防汛調(diào)度指揮提供決策支撐；實(shí)現(xiàn)自治區(qū)、哈密市和一區(qū)兩縣水利專網(wǎng)互通互聯(lián)，為各級(jí)防汛指揮部門、聯(lián)防聯(lián)控單位的信息共享、山洪警報(bào)、災(zāi)情會(huì)商、聯(lián)合調(diào)度指令下達(dá)提供信息傳輸平臺(tái)；制定了適用于山洪災(zāi)害預(yù)警方法和多種預(yù)警方式相結(jié)合的山洪災(zāi)害預(yù)警發(fā)布流程；運(yùn)用 WebGIS 技術(shù)分析洪水影響范圍，在哈密市水利一張圖上直觀展示，以報(bào)警點(diǎn)高亮閃爍和聲音等多種形式進(jìn)行提醒，提供防汛值班、汛情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)視、預(yù)警分析、調(diào)度會(huì)商等功能。

4 實(shí)現(xiàn)成果

4.1 一張圖

哈密市水利一張圖是基于水利部一張圖基礎(chǔ)，結(jié)合哈密市遙感影像，動(dòng)態(tài)標(biāo)繪哈密市一區(qū)兩縣山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)體系和區(qū)域防洪體系，匯聚了出山口、匯流入庫(kù)、城市邊緣等重點(diǎn)區(qū)域雨量站，水庫(kù)及河道重要斷面水位站，水庫(kù)、渠道、防洪工程關(guān)鍵位置視頻站，以及防洪工程、市縣區(qū)域等地圖信息，集中展示降雨點(diǎn)可能影響到的防洪工程、高速公路、橋梁、涵洞、市縣區(qū)域等信息。哈密市水利一張圖應(yīng)用如圖 2 所示，直觀、準(zhǔn)確地展示了一區(qū)兩縣各類監(jiān)測(cè)站，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)視降雨實(shí)況，掌握降雨發(fā)生位置，及時(shí)顯示降水量預(yù)警等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了山洪災(zāi)害關(guān)鍵位置、重點(diǎn)區(qū)域、水利工程的匯總展示，為山洪預(yù)警、應(yīng)急指揮、會(huì)商決策、聯(lián)合調(diào)度提供了清晰、準(zhǔn)確的可視化服務(wù)支撐。

圖 2 哈密市水利一張圖應(yīng)用

4.2 一張網(wǎng)

按照新疆維吾爾自治區(qū)水利政務(wù)外網(wǎng)總體設(shè)計(jì)，利用子網(wǎng)劃分、路由聚合等技術(shù)，在有限的 IP地址空間下，組建了哈密市水利一張網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)新疆維吾爾自治區(qū)水利廳與哈密市水利局，哈密市水利局與伊州區(qū)水利局、伊吾縣水利局、巴里坤縣水利局、石城子水系管理總站、榆樹溝水庫(kù)管理總站的專線互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)與哈密市氣象局、哈密市視聯(lián)網(wǎng)的專線互聯(lián)。利用防火墻、上網(wǎng)行為管理和入侵防御系統(tǒng)等網(wǎng)關(guān)級(jí)別及網(wǎng)絡(luò)邊界的防御措施，加強(qiáng)了基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力，為在線監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)視、協(xié)同應(yīng)用、指揮調(diào)度的互聯(lián)互通和資源共享，提供了安全、可靠、高效的網(wǎng)絡(luò)通道。

4.3 一個(gè)庫(kù)

按照一數(shù)一源、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的總體思路，建立了哈密市水利對(duì)象名錄及統(tǒng)一對(duì)象編碼，將哈密市一區(qū)兩縣山洪災(zāi)害雨情、水情、視頻等大量數(shù)據(jù)統(tǒng)一納入一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，補(bǔ)充應(yīng)急預(yù)案、防汛主要責(zé)任人等信息，建立了影響范圍內(nèi)雨情、水庫(kù)、視頻及防汛主要責(zé)任人等關(guān)聯(lián)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)與管理，保證了數(shù)據(jù)的一致性、完整性，為市（區(qū)）縣多級(jí)應(yīng)用的統(tǒng)一平臺(tái)提供了數(shù)據(jù)支撐。

4.4 預(yù)警信息平臺(tái)

哈密市山洪災(zāi)害預(yù)警信息平臺(tái)主界面如圖 3所示。

圖 3 哈密市山洪災(zāi)害預(yù)警信息平臺(tái)主界面

哈密市山洪災(zāi)害預(yù)警信息平臺(tái)核心功能包括以下 4 點(diǎn)：

1）防汛值班。防汛值班主界面，按區(qū)域分組以列表形式實(shí)時(shí)展示最新雨情氣象、水庫(kù)水情、河道水情，重要水庫(kù)的視頻輪播監(jiān)視，基于一張圖的實(shí)時(shí)降雨監(jiān)測(cè)、預(yù)警播報(bào)等信息。

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息和視頻圖像的在線查看，包括雨量站的實(shí)時(shí)降雨、小時(shí)和日累計(jì)降水量，水庫(kù)站的庫(kù)水位、出庫(kù)流量，氣象局發(fā)布的降雨，水庫(kù)、防洪通道的視頻圖像。

哈密市洪水預(yù)警影響區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了降雨監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)預(yù)警信息的在線查看和播報(bào)，包括地圖定位及影響范圍標(biāo)注、語音提示和關(guān)聯(lián)信息展示。通過降雨或預(yù)警的雨量站，可直觀顯示所在位置、可能影響到的區(qū)域及水庫(kù)、防汛主要責(zé)任人、防汛應(yīng)急預(yù)案和歷史洪水等關(guān)聯(lián)信息。當(dāng)有降雨未達(dá)到預(yù)警等級(jí)時(shí)，防汛值班人員關(guān)注降雨區(qū)域，查看氣象預(yù)報(bào)，調(diào)取區(qū)域范圍的視頻監(jiān)視，通知降雨區(qū)域范圍的相關(guān)部門。當(dāng)降水量達(dá)到預(yù)警等級(jí)時(shí)，查看相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，向哈密市防汛抗旱指揮部匯報(bào)，組織哈密市水利局、氣象局、應(yīng)急局、市委宣傳部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村局等多個(gè)防汛抗旱成員單位協(xié)同開展突發(fā)事件應(yīng)對(duì)工作。

2）氣象信息?？杉皶r(shí)獲取哈密市各區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的降雨和預(yù)報(bào)信息，為提前做好山洪災(zāi)害預(yù)防工作提供有效信息。

3）應(yīng)急預(yù)案。實(shí)現(xiàn)哈密市防汛應(yīng)急響應(yīng)工作流程、重要水庫(kù)及一區(qū)兩縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)防汛應(yīng)急預(yù)案的在線查看，為應(yīng)急會(huì)商、聯(lián)合指揮調(diào)度提供關(guān)鍵信息支撐，為防汛搶險(xiǎn)、轉(zhuǎn)移安置爭(zhēng)取時(shí)間。

4）防汛薄弱環(huán)節(jié)、防洪工程示意圖和通信錄。以圖文并茂方式及時(shí)掌握哈密市一區(qū)兩縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的防洪工程措施和薄弱環(huán)節(jié)，為會(huì)商決策轉(zhuǎn)移安置范圍及路線提供信息支撐，為指揮調(diào)度及時(shí)連線一線工作人員提供保障。

5 結(jié)語

哈密市山洪災(zāi)害預(yù)警信息平臺(tái)以降水量預(yù)警為切入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)降雨、水情、視頻及超警戒水雨情變化過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對(duì)超降水量預(yù)警指標(biāo)可能影響范圍的水利工程、防汛搶險(xiǎn)責(zé)任人、防汛預(yù)案、防汛薄弱環(huán)節(jié)等關(guān)鍵信息的關(guān)聯(lián)，為防御山區(qū)洪水和應(yīng)急調(diào)度指揮提供了技術(shù)支撐；平臺(tái)首次建成哈密市防汛減災(zāi)一個(gè)庫(kù)、一張圖、一張網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)哈密市一區(qū)兩縣多源異構(gòu)數(shù)據(jù)與防汛業(yè)務(wù)應(yīng)用的融合，為汛情監(jiān)視和會(huì)商研判提供了及時(shí)、全面、準(zhǔn)確的信息。該平臺(tái)已多次在哈密市防汛演練、應(yīng)對(duì)降雨天氣過程的防御工作中發(fā)揮了重要作用，為哈密市委市政府組織應(yīng)急局、氣象局、水利局等多部門會(huì)商研判和調(diào)度指揮提供支持。

在構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能[8]的山區(qū)洪水防御智慧體系新要求下，山洪災(zāi)害預(yù)警信息平臺(tái)需要集成耦合多維多時(shí)空尺度的降雨徑流預(yù)報(bào)模型，構(gòu)建產(chǎn)匯流模擬仿真平臺(tái)，加強(qiáng)對(duì)山區(qū)水庫(kù)入庫(kù)水量的監(jiān)測(cè)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)防洪調(diào)度全過程的預(yù)演，通過與實(shí)際汛情變化過程的綜合分析，為優(yōu)化防洪預(yù)案提供依據(jù)。