姬战生

(杭州市水文水资源监测中心，浙江 杭州 310016)

杭州市丘陵山地占总面积的65.6%，有天目山和清凉峰两大省级暴雨中心，东苕溪、分水江等流域上游山高坡陡，海拔超过千米的高山众多，水流湍急，暴涨暴落，属暴雨洪水易发、频发地区[1]。近年来，突发性、局地性短历时暴雨洪水发生的概率进一步增加[2]，对水雨情预警的及时性和准确性提出了更高的要求[3]。

2010年建成的雨量预警系统在杭州市历年梅雨和台风洪涝灾害中发挥了极其重要的作用，但存在预警内容单一、功能可扩展性差、自动化程度不高、系统稳定性和安全性不好等问题，难以满足当前水利防汛预警需求，直接影响水利防汛预警体系的高效运行。为进一步提高水文预警的时效性和智能化水平，基于GIS(geographic information system)、数据库等先进技术，建设实时自动预警、任意定制预警任务、规则和功能设计灵活的杭州市水文预警系统[4]，集水雨情自动预警、处理、查询、统计、展示于一体，实现预警自动生成、打印、传真、短信发送一体化作业，可为杭州市暴雨洪水防御提供更为及时、准确、可靠的水雨情预警信息。

1 预警标准

雨量预警是一项日常性预警工作，市县两级水利部门结合水旱灾害防御工作实际分级负责。市级按一定预警标准对县级进行预警提醒，县级结合行政区域和流域实际开展具体预警工作。预警要结合全市各流域地形特点，分析致灾影响雨量，个性化定制预警标准，突出重点，兼顾一般，真正起到警示提醒作用。

1.1 雨量预警标准

(1)单站雨量预警标准。单站1 h降雨量超过30.0 mm、3 h降雨量超过50.0 mm，以雨量预警通告单的形式书面预警。

(2)面雨量预警标准。大中型水库坝址以上流域面雨量、防洪重点流域和各区、县(市)行政区划24 h面雨量超过50.0 mm，以手机短信的形式预警。

1.2 水位预警标准

河道水位预警阈值是江河控制站的警戒水位和保证水位，大中型水库水位预警阈值是汛限水位、征地水位等特征水位。当实时水位达到或超过水位预警阈值时，以水情预警通告单的形式向有关单位书面预警。

2 系统设计

2.1 设计原则

(1)可扩展性。充分考虑网络、硬件的扩展及系统二次开发需要的时间，支持未来出现的新业务带来的数据种类、数据量及并发访问的增长，具有持续改进的能力。

(2)可靠性。可靠性是衡量系统性能好坏的一个重要指标[5]。设计开发系统时，综合考虑系统架构、技术手段、软硬件平台、技术服务和维护能力等[6]，采用先进可靠技术，确保系统能长期7×24 h持续稳定运行，最大故障恢复时间不超过5 min。

(3)高效性。系统采用分布式架构，支持负载均衡，充分利用计算资源，保证用户操作的流畅快捷，平均响应时间不超过3 s。

(4)先进性。系统遵循高标准、高起点的原则，不仅在硬件架构上具备超前性，而且系统设计采用广谱数据总线对不同形式的数据统一建模，消除数据间的差异性，方便数据的统一管理与维护。

(5)实用性。系统应具有友好的人机交互界面、人性化的操作和设置、便捷的后台维护等特性[7]，与现有各类规则标准相互协调，设计合理。

2.2 总体框架

系统总体框架(见图1)分为三层架构，第一层为数据资源层，存储各类雨量、矢量、高程数据；第二层为技术支撑层，利用GIS等关键技术构建系统核心；第三层为业务应用层，应用各功能模块开展预警分析业务工作。

图1 系统总体框架图

3 关键技术

3.1 GIS技术

GIS技术利用数学模型将现实世界数字化、可视化，实现了现实世界的“数字孪生”，具有空间属性的信息资源及其变化过程得到有效管理和动态监视分析、可视化展示，大大提高了用户的工作效率、信息资源的经济效益和社会效益。WEBGIS等软件将GIS功能以组件形式封装，便于嵌入到任何一种计算机语言中，或调用任意一种计算机语言的资源，系统无缝集成方面表现突出，应用广泛[8]。

3.2 数据库技术

数据库技术是一种管理各种资源信息的技术，可对数据库中的信息进行添加、删除、修改、处理、分析等方面的管理，能为各种应用分析系统提供数据支撑。用户可实时更新数据库中的信息，也可以使用嵌套查询、各种视图等多样化检索条件查询数据库中的信息[9]。

3.3 功能模块化

以模块化方式进行系统的设计实施，对系统的所有功能进行分析、设计和建设。不同功能模块满足不同需求，相对独立，为系统功能的扩展、升级与维护打下良好的基础。

3.4 Web Service技术

Web Service技术不需要借助任何软硬件就能集成运行在不同服务器或电脑上不同应用系统，或使其相互交换数据。按照Web service规范建设的系统，不管使用何种计算机语言、架构平台，均可相互交换数据。Web service技术为单位内部或多个单位之间业务流程的集成提供了通用机制[10]。

4 主要功能模块

4.1 自动预警模块

系统从水雨情数据库获取实时水雨情信息，根据设定的预警规则自动判断是否预警。当达到预警标准时，系统自动生成水雨情预警信息，以列表和地图标注两种方式展示，同时启动声音预警和短信预警。声音预警通过喇叭将声音传送给工作区域内的值班人员，预警短信通过水情短信预警平台发送至相关人员，多渠道提醒工作人员及时处理预警信息。选择预警列表内某一预警站点时，可在地图上精准定位到具体位置；图上选择该站点时，可展示该站点的水雨情过程信息，方便了解预警站点所有相关信息。预警系统主界面和预警站点地图可视化展示(见图2)。

图2 水雨情实时自动预警

4.2 预警信息处理模块

系统提供对预警信息的即时处理功能。实时预警后，进入预警处理界面，系统自动生成近1 h的预警信息列表，方便掌握当前全市水雨情预警总体情况(见图3)。选定预警站点所属区域后，系统会智能适配对应的预警通告单模板，自动生成包含所有预警信息的预警通告单。适当编辑处理预警通告单后，加盖电子公章，通过电话传真系统快速、准确地传真至指定单位。同时需对已预警过的站点进行销号处理，系统才不会对相关站点再次预警。

图3 预警信息处理

4.3 预警信息查询模块

系统提供对历史预警信息的查询和统计功能。系统根据设定的查询条件(包括预警时间段、所属区域、预警等级、预警类型、预警规则、处理状态、打印状态等)，既可查询历史预警处理是否有遗漏，又可统计已处理的预警通告单，全面管理所有预警信息(见图4)。

图4 预警信息查询

4.4 预警任务和预警规则任意定制

根据实际需要，系统可任意定制各种水雨情预警任务，如单站1 h暴雨预警、单站3h暴雨预警、河道水位预警、水库水位预警等。预警任务定制并启用后，系统会在下一个整点触发相应的预警功能；暂时不使用的预警任务，可以删除或不启用(见图5)。

图5 预警任务任意定制

在各个预警任务中，可设置各种水雨情预警规则，如单站1 h降雨量超过30.0 mm、50.0 mm，3 h降雨量超过50.0 mm、80.0 mm，河道水位达到或超过警戒水位、保证水位，水库水位达到或超过汛限水位、征地水位等。如雨量预警规则中，可以配置预警标题、预警类型、预警小时数、黄色预警值、红色预警值、查询字符串以及该规则是否启用等内容(见图6)。系统根据设定的预警规则和实时水雨情信息判断是否预警，满足某一预警规则时，立即自动预警。

图6 预警规则任意定制

4.5 预警通告单模板任意定制

系统提供预警通告单模板智能适配功能。不同区域下垫面条件存在差异，可根据实际需要，定制相应的水雨情预警通告单模板。用户不但可以增加新的通告单模板，而且可以修改已有的通告单模板。配置模板时，需明确预警标题、预警类型、模板文字和关联区域，确定模板是否启用、是否设置为默认模板等(见图7)。

图7 预警通告单模板任意定制

4.6 全局参数可调整设置

系统设定了一些全局化参数，可根据不同时期或不同情况下水旱灾害防御工作需要，随时调整参数数值。声音预警参数中，可设定预警开始时间(如整点后10 min)和两次预警的时间间隔；实时数据参数中，可设置数据查询刷新频率、水雨情数据最小到站率等。

5 应用成效

系统建成后，大大提高了杭州市水文预警工作效率和服务水平，在防御2019年梅雨和“利奇马”超强台风、2020年“超长梅”工作中发挥了重要作用，非工程措施效益显著。其中，2019年向各区、县(市)水利部门发送书面预警通知单644份、预警短信8.5万余条，2020年发送预警通知单358份、预警短信5.7万余条，预警及时率100%、准确率100%，为及时督促提醒有关乡镇组织人员转移避险、防汛防台指挥决策提供了科学依据。

6 结 论

杭州市水文预警系统通过可视化、个性化、定制化、智能化的功能配置，实现了预警自动生成、打印、传真、短信发送一体化作业，保障了预警通告单和预警短信“双管齐下”和预警信息发布“双保险”，大大提高了水文预警的时效性和智慧水平，在近两年水旱灾害防御工作中发挥了重要作用，防灾减灾成效显著。