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1、中小河流水文监测系统预警预报服务系统需求说明书阿鲲（121166801）2012年7月第一章 预警预报业务工作分析1.1 服务对象预警预报服务系统的服务对象（即系统用户），根据服务的层次可分为专业服务对象和公众服务对象。1、专业服务对象（1）省、市、县和重点乡镇防汛部门。根据系统提供的预警预报信息，做出防汛抗旱指挥决策，并决定或者授权向社会公众发布预警信息。（2）省属水利工程管理处。通过系统实现洪水预报实施，依据系统提供的预警预报信息进行工程防汛抗旱调度决策。（3）省、市水文部门。通过系统实现洪水预报方案管理、洪水预报实施、测站相关信息管理，并向各级防汛抗旱指挥办公室等业务部门提供水文预警预报
2、信息。2、公众服务对象（1）政府相关职能部门，包括国土资源、城建、环保、农业、气象、电力等与中小河流管理相关的政府职能部门。提供中小河流基础信息，为中小河流的综合治理提供依据。（2）社会公众。对灾害影响地区的民众提供实时的水文预警服务，对涉水企事业单位及科研部门提供中小河流基础信息服务。1.2 工作范围预警预报服务系统的工作范围为项目规划的江苏省中小河流的205个中小河流站点以及其他主要省级预报站。205条中小河流详细名录如附录3所示。205个中小河流站与主要省级控制站的关系如附录4所示。205条中小河流的预报断面名录如附录5所示。各地市中小河流水文站点分布图如附录6所示。1.3 工作内容预警
3、预报服务系统的主要服务内容为：利用现代信息化技术，采用结构化的方法，对水文预报模型及方法进行优化，并实现预报模型及方法管理、洪水预报方案管理、洪水预报作业流程管理、预报结果管理、预警预报信息生成、预警预报信息发布、发布对象管理、发布内容管理，以及测站管理等其他辅助功能。1.3.1 预报方案编制洪水预报方案是指根据预报任务，及时收集降雨、蒸发、水位、流量及流域特性等有关资料，根据洪水的形成规律和特点，选择适当预报模型和根据站点，建立由当前采集的水文信息推算未来洪水大小和出现时间的一整套计算方法。预报方案编制的主要工作内容包括：（1）确定预报断面及预报要素：根据洪水预报任务，选定洪水预报断面，并明
4、确需要进行预报的水文要素。（2）资料收集：收集降雨、蒸发、水位、流量等有关资料。（3）分析洪水的行程规律和特点。（4）选用预报模型，率定参数，建立由当前采集的水文信息推算未来洪水大小和出现时间的一整套计算方法。（5）预报方案评定和检验。（6）修改、完善预报方案。1.3.1.1 预报方案编制方式按照全国洪水作业预报分级管理办法，根据雨情、水情和汛情发展程度，将水情分为一级、二级和三级水情三个等级。一级水情：全国主要江河干流重要预报站（重点大型水库或湖泊）水位达到或超过警戒水位（汛限水位），主要江河干流一般站（一般大型水库或湖泊）或支流重要预报站水位达到或超过保证水位（正常高水位）；全国主要江河干
5、流重要预报站流量接近或超过警戒流量，主要江河干流一般预报站或支流重要预报站流量达到或超过保证流量（或安全泄量）；全国主要江河干流一般预报站或支流重要预报站水位（流量）达到或超过历史最大洪水的最高水位（实测最大流量）。二级水情：全国主要江河干流一般预报站（一般大型水库或湖泊）达到或超过警戒水位（汛限水位）；全国主要江河支流重要预报站达到或超过警戒水位（警戒流量）。三级水情：达到洪水预报标准，但小于二级水情量级以下的水情。各级洪水预报基本业务流程见下图：雨情、水情、工情等一级水情三级水情二级水情否否是是是中央、流域和省级水文机构制作预报流域和省级水文机构制作预报流域（省）或区域（地、市）水文机构制
6、作预报图4-1各级洪水预报基本业务流程参照以上水情三个等级的划分标准，江苏中小河流洪水预报方案的编制应采用分级编制，省级统一审核的方式。1.3.1.2 资料选用及收集1、资料选用洪水预报方案的可靠性取决于编制方案使用的水文资料的质量和代表性。必须采用代表年的全部水文资料制作洪水预报方案。对洪水场次选样时，应执行水文情报预报规范（GB/T22482-2008）对洪水样本数量的最低要求规定。对于代表年份中大于样本洪峰中值的洪水资料应全部采用，不得随意舍弃。当资料代表性达不到此要求时，洪水预报方案应降一级使用。预报方案精度检验应引用未参加洪水预报方案编制的资料（不少于2年）。2、资料收集分析资料收集
7、分析工作是预报方案和研制水文预报模型的重要基础工作，主要包括：（1）基础资料收集收集流域的基本情况：包括地理、河流水系、土壤植被、地形地貌等，数字高程（DEM）资料，流域的社会经济概况等。收集预报断面基本情况：包括预报断面的集水面积、河长、上下游传播时间、大断面、水文流量关系、设站年份、测站变迁情况等。收集流域水文气象资料：包括雨量、蒸发、水位、流量、设计洪水计算成果、特大洪水调查资料等。（2）工程查勘调研查勘预报流域内水利工程（水库、堰闸以及其他蓄水工程的基本情况及调度规则）。调研和收集预报河段基本情况、河道行洪能力和河道防洪标准等。（3）数据整理分析整理场次暴雨洪水资料，分析降雨洪水对应关
8、系、流域产汇流特征参数（瞬时单位线n、k参数、场次洪水径流系数、推理公式法汇流参数m、L、J等）分析。1.3.1.3 预报要素洪水预报方案的预报内容包括洪峰水位、洪峰流量、洪峰出现时间、洪水涨落过程以及洪水总量等。对于具体的预报断面，可以根据当地防汛调度的实际需要，包含以上预报要素的全部或者部分内容。1.3.1.4 预见期江苏省地处江淮平原，地形以平原为主，平原面积7万平方公里，占全省面积的70%以上，其地形地势低平，河湖较多，平原、水面所占比例较大。其河流汇流，除了北部沂述泗流域的部分地区外，总体上速度较为平缓，但是由于中小河流河长较短，因此其汇流的时间总体上较短，能达到56小时。因此，中小
9、河流洪水预报只需要开展短期洪水预报，其洪水预报方案应满足中小河流洪水预见期短的要求。1.3.1.5 预报精度洪水预报方案建立后，应进行精度评定和检验，衡量方案的可靠程度，确定方案精度等级。洪水预报精度评定的项目包括洪峰流量(水位)、洪峰出现时间、洪量（径流量）和洪水过程等，根据预报方案的类型和作业发布需要来确定。洪水预报误差标准采用绝对误差、相对误差和确定性系数三种指标。江苏省由于地形地势低平，河湖较多，纵横交错，该地区社会经济较为发达，水利工程建设遍地开花，水资源的工程调度措施较为完善，这导致了影响河道行洪的因素多、关系复杂，对洪水预报方案的预报精度影响大。由于洪水预报成果是防汛抗旱调度的重
10、要依据，为确保其科学性和合理性，江苏省中小河流预报方案的预报精度应结合预报站点的级别，严格按照水文情报预报规范（GB/T22482-2008）的规定进行规范要求。1.3.1.6 方案编写为提高预报方案的可读性，便于沟通交流，预报方案的编写应参照国家防汛抗旱指挥工程项目关于“洪水预报方案编制规范”的要求，按照统一规范的格式，分流域概况、预报断面基本情况、预报方案说明（主要包括方案定义、方案属性、方案修订或新建的资料情况和预报方案的参数成果等）、预报方案评定与检验等几个部分进行说明。1.3.1.7 预报模型及方法水文模型，是自然系统的抽象，真实世界的概化，是符号的综合体，是自然系统或部分自然系统的
11、符号化，是数学模型用数学语言将自然现象符号化的水文学应用，是为了模拟水文现象而建立的实体结构和数学结构与逻辑结构。预报模型及方法是洪水预报系统的核心，洪水预报系统就是通过管理预报模型、运行预报模型和展现预报模型运行结果来实现其功能的。预报模型及方法应尽量从已有成果中进行选用，避免重复建设，对于中央洪水预报系统方案库中的25个模型与方法（见附录7）以及江苏省各单位已建的模型和方法，应结合江苏省中小河流预警预报系统建设需要，开展一定的完善性开发和适应性开发工作。1、模型选择（1）无资料地区无资料地区是指中小河流流域内的水文观测资料不完整，或者几乎没有观测资料，包括参照临近或者相似区域可获取可用水文
12、资料的地区。这些地区一般难于采用常规模型和方法构建洪水预报方案。无资料地区中小河流洪水预报模型及方法的选择，建议从以下几个角度考虑：1）山丘区。山丘区河流流域特征明显，易通过与相邻或者类似流域的比较分析获取相关资料，可采用水文比拟法、单位线法；流域降水与径流关系明显，可采用临界雨量值法。2）平原水网区。平原水网区空中气流相对稳定，降水在时空分布上较为均匀，流域上的平均产流强度与流域面积呈线性关系，可采用推理公式进行洪水预报。3）城区。城市土地利用类型多样，路面等不渗透面积占比较大，径流系数较大，汇流速度快、路径复杂，使得城市洪灾的特点表现为内涝。城区洪水预报宜采用基于GIS的雨洪模型，或者参照
13、气象预报产品，或者其他方式。（2）有资料地区有资料地区是指中小河流具有雨量、水位和流量观测资料，而且历史观测资料不少于5年的地区。有资料地区洪水预报方案的预报模型与方法选择可以较为灵活，但是由于影响产流、汇流的因素众多，除了极少数流域，数学模拟模型仍不是最佳选择。模型选择可以参考以下建议：1）产流模型。主要采用的模型有：降雨径流相关法。下渗曲线法。流域产流计算模型。2）汇流模型。主要采用的模型有：单位过程线法。等流时线法。流域汇流计算模型。3）河道洪水预报模型。主要采用的模型有：相应水位法。流量演算法。（3）洪水风险图洪水风险图作为一种标示洪泛区内各处受洪水灾害的危险程度的一种重要的防洪非工程
14、措施，也可以作为预报中小河流洪水的一种方法。洪水风险图是对可能发生的超标准洪水的洪水演进路线、到达时间、淹没水深、淹没范围及流速大小等过程特征进行预测，以标示洪泛区内各处受洪水灾害的危险程度的一种重要的防洪非工程措施。洪水风险图一般分为江河湖泊洪水风险图、蓄滞洪区洪水风险图、水库洪水风险图、城市洪水风险图四类。洪水风险图编制应遵循防洪标准（GB50201-94）、水利工程水利计算规范（SL104-95）等规程、规范和技术标准。洪水风险图一般按10年、20年、50年、100年一遇及历史最大洪水，或典型场次洪水（或水灾）编制。洪水风险图编制步骤一般可分为：区域确定、资料收集与整编、洪水风险分析方法
15、选择、洪水风险图绘制等。洪水风险图编制的基础资料一般包括：基础地图、水文资料、设计洪水资料、历史洪水资料、防洪工程资料、影响洪水水力学特性的构筑物资料、洪水灾害资料等。基础资料应是正式发布的或相关主管部门认可的权威性资料。洪水风险分析依据区域洪水特性、洪水风险图类别、工程情况及基础资料情况等因素选择水文学法、水力学法、实际水灾法等一种或多种方法。根据洪水风险图并结合泛区内社会经济发展状况，可以做到：合理制定洪泛区的土地利用规划，避免在风险大的区域出现人口与资产过度集中；合理制定防洪指挥方案，避免临危出乱；合理确定需要避灾的对象，避灾的目的地及路线；合理评价各项防洪措施的经济效益；合理确定不同风
16、险区域的不同防护标准；合理估计洪灾损失，为防洪保险提供依据。2、模型库技术需求预报模型库的建立就是强调预报模型技术的普遍性和通用性，其研究重点就是在水文部门实现预报模型复用问题。在这里，应用支撑平台提供一些封装好的服务或组件，洪水预报系统需要调用这些组件提供的接口和方法。从软件技术和生产应用上来说，预报模型库应具备以下几个相互关联的基本需求。（1）复用性复用性是预报模型库的基本性质，只有可以被复用的模型构件才有其存在的价值，只有容易被复用的模型构件才有其应用的需求。因此，复用应具有可复用性和易复用性两层含义。同传统的模型复用技术相比，模型库更关注模型构件的易复用性问题，以提高洪水预报系统的开发
17、速度和质量，降低开发成本，其最高目标必须是最终用户、低技能要求的复用。（2）独立性独立性是指模型构件对“外界”隐藏其设计和实现细节，仅通过数据接口机制与“外界”交换信息，使模型构件对外呈现为一个相对独立的实体。“外界”既可以指应用系统，又可以指模型构件使用者。对于模型构件使用者，模型构件封装的目标是提高模型构件的易复用性。（3）统一性统一性是指数据接口机制中各模型构件同一要素具有相同的数据接口定义，同类要素具有相同格式的数据接口定义。数据接口定义是实现模型库的关键，科学、合理、统一的数据接口定义将大大提高模型构件的易复用性。（4）扩充性扩充性是指用户根据已知的数据接口机制自行开发模型构件，通过
18、模型库管理系统封装进入模型库，以满足特定地段、特定项目的预报需要。扩充性更注重数据接口机制的研究，以对“外界”提供一套科学、合理、统一、预知的数据接口机制。1.3.1.8 方案共享同一个断面，不同的预报员在作业预报的时候会根据各自的经验对预报方案的参数进行调整以得到更加理想的预报结果。用户之间预报方案的共享是一种预报员相互交流经验的渠道，可以避免重复工作、提高预报效率、增长预报经验、提升预报水平。1.3.2 洪水预报1.3.2.1 洪水预报基本业务洪水预报是根据洪水形成和运动的规律，利用过去和现时水文气象资料，预测未来的洪水情况。结合江苏省的流域水系特点，项目开发的洪水预报软件应该能够分别满足
19、沂沭泗水系、淮河下游水系、长江干流水系、太湖水系等不同水系特征洪水预报的要求。洪水预报的工作内容主要包括：（1）确定预报任务：根据实时水文观测资料和防汛调度要求，确定需要对哪些断面进行洪水预报。（2）选择预报方案：对于具有多方案的预报断面，根据专家经验和实时水文观测资料的初步分析，确定采用一种或多种预报方案。（3）资料分析处理：根据预报方案的需要，对资料进行查错、等时段化等处理，以满足预报模型计算的需要。（4）模型计算：根据资料进行参数率定、分析计算。（5）计算结果校正：采用一定方法对模型计算结果进行校正，提高预报精度。（6）多方案对比分析：对于同时采用多个方案进行预报的断面，应对多个方案的计
20、算结果进行比较分析，由此得到合理的预报结果。（7）预报成果制作及发布。根据统一规范要求，制作断面洪水预报成果，并发送给相关部门。当预报内容超出其阈值时，应进行预警，并给出防范建议。1.3.2.2 建立水文预报联动机制中小河流的洪水特性不同于大江大河，大江大河的洪水一般具有洪峰高、水量大、历时长等特性。但是中小河流洪水的形成期通常较短并且突发状况较多，依照传统的预报方式仅仅以实时水雨情的数据作为洪水预报的输入，无法满足预报员做出高预见期预报成果的需求。气象数据是通过一系列科学处理产生的，本身具有一定的严谨性和预见性。因此，要建立和完善水利、海洋、水文、气象、国土等部门联合、互补机制，在各类险工险
21、段监测、预报、预警设施的建设和管理上加强沟通、协调和整合，强化会商，实现水雨情和其他防汛信息共享，重点实现将气象数据与实时水雨情数据相结合作为洪水预报的输入，提高综合预警预报能力。1.3.2.3 洪水预报工作机制按照全国洪水作业预报分级管理办法，水利部水文局负责管理和指导全国洪水作业预报工作，负责制作国家防总防汛指挥调度决策所需的洪水预报成果，负责向国家防总提供全国各级水文机构所发布的洪水预报成果。流域水文机构负责制作流域防汛抗旱指挥机构防汛指挥调度决策所需的洪水预报成果，负责向流域防汛抗旱指挥机构提供各级水文机构所发布的流域片内洪水预报成果。省级（含新疆生产建设兵团）水文机构负责管理和指导辖
22、区内洪水作业预报工作，负责制作省级防汛抗旱指挥机构防汛指挥调度决策所需的洪水预报成果，负责向省级防汛抗旱指挥机构提供各级水文机构所发布的辖区内洪水预报成果。目前，江苏省洪水作业预报存在与全国洪水作业预报分级管理办法不一致的情况。江苏省洪水预报方案编制与洪水作业预报存在水文机构与同级防汛抗旱指挥机构同时分头进行的情况，水文机构编制的洪水预报方案及洪水作业预报成果向同级防汛抗旱指挥机构共享较少。通过本项目的建设，应能辅助建立起与全国洪水作业预报分机管理办法要求一致的机制，实现省、地两级水文机构分别负责同级防汛抗旱指挥机构防汛指挥调度决策所需的洪水预报方案的编制以及洪水预报成果的编制，负责向同级防汛
23、抗旱指挥机构提供各级水文机构所发布的辖区内洪水预报成果。1.3.3 预警服务水文预警，是指对与水有关的自然灾害，以有关水文要素作为预警指标的减灾预警。在监测信息采集及预报分析决策的基础上，根据预警信息危急程度及洪水可能危害范围的不同，通过适宜的预警程序和方式，及时、准确发布预警信息，最大限度地减少财产损失、人员伤亡。1.3.3.1 预警对象预警预报服务系统的预警对象可以分为两类：一是重要监测断面，包括205条中小河流的预报断面、其他重要省级控制站断面；二是重要防洪区域，可以由人工选取的若干重要监测断面表示。1.3.3.2 预警内容江苏中小河流水文预警服务的主要内容包括：（1）暴雨预警，即根据气
24、象监测资料，在暴雨到来之前做出预报提示百姓躲避暴雨，工商企业尽量减少暴雨带来的损失。（2）洪水预警，即对实测或者预报水位超警戒、超汛限、超保证或其他超标情况进行预警，减少洪涝灾害损失。（3）城市积水预警，即受降水影响，对于城区易产生积水的路段、地段进行预警，减少降水对城市交通和生活的影响。（4）水环境预警，即对监测点出现重要指标严重超标的情况进行预警。（5）旱情预警，主要是根据水位信息，对水库、湖泊等重要水体做出旱情预警。1.3.3.3 警情级别警情根据其轻重程度，其潜在的危害性以及应该采取的措施也不一致，其发布的范围也会不一致，因此有必要对每一种预警信息进行分级。警情级别的制定应综合考虑以下
25、几方面：一是要符合已有标准的要求，并尽量采用已有的警情划分等级，保持与已有相关系统的一致性。二是预警级别的划分要综合考虑事件可能造成的危害性、紧急程度和发展势态，级别的划分应具有区分性。三是要考虑不同内容、不同预警对象预警触发条件的可操作性。1.3.3.4 排警建议与防御指南针对专业用户，应针对每一种预警内容的不同预警级别，提供警情排除建议，以达到以最小代价降低甚至消除险情的目的。针对公众用户，应针对每一种预警内容的不同预警级别，提供防御指南，以达到提前预防，最大程度降低灾情带来的损失的目的。1.3.4 信息发布1.3.4.1 发布内容江苏中小河流信息发布的内容主要包括：预警预报信息、水文监测
26、信息等。1.3.4.2 信息安全中小河流涉及多种信息内容，这些信息具有不同层级的重要性，为保障信息的安全与合法使用，应对拟发布的中小河流信息内容进行安全审核，明确信息安全等级，严格遵守国家秘密的保护规定。中小河流信息发布，应参照灾害防范的地域范围及预警等级，根据安全审核的结果，针对不同的对象进行发布。1.3.4.3 信息发布媒介主要的信息发布媒介包括：（1）短信平台，系统自动将信息以短消息方式，将图、文、表等形式的内容发送给服务对象，根据信息等级可以使用不同的发送频次。（2）语音电话，系统自动将信息转换成语音信号，自动拨打服务对象的电话（或者手机），接通后播放。（3）Email，系统自动将信息
27、发送到服务对象的Email信箱。（4）公众媒体，通过网络、电视、广播、报纸等公众媒体进行发布。1.3.5 测站管理通过测站的管理，动态掌握中小河流监测站点数量、空间分布、管理信息、监测设施设备信息、水文要素特征信息等信息，加强对中小河流监测站点的运行管理，提高水文监测水平，提高中小河流预警预报服务的水平。1.3.5.1 管理范围结合中小河流预警预报服务的要求，中小河流测站管理的范围包括：（1）205条中小河流流域范围内的水文站、水位站和雨量站；（2）与205条中小河流关联的地表水文站点。1.3.5.2 管理内容测站管理的内容包括：（1）测站基本信息：测站名称、测站编码、测站主要功能、空间位置、
28、所在河道名称、河道代码、断面位置、测站基面、河道等级、有无堤防、堤防等级、是否通航、航道等级、汇入河道（湖泊）、汇入河道（湖泊）代码，监测要素（水位、流量、降水、蒸发、地下水位、水质、墒情等）。测站的管理信息、测站管理人员、测站管理单位、测站沿革。（2）测验基础设施，站房、测井、缆道、观测场、测船、测桥等的结构形态、设计标准、防御标准、服役时间、运行状态、更新维护、数量等。（3）测站测验设施管理：型号、服役时间、运行状态、更新维护、数量、寿命等。（4）测站其它设备。（5）水文要素特征信息：包括水位、流量、降水、蒸发、地下水位、墒情等的特征统计及典型过程。1.4 业务流程1.4.1 总体业务流程结合以上分析，预警预报服务的总体业务流程如图所示：图4-2预警预报服务总体业务流程图省、市水文部门在基础地理资料收集、水文气象资料收集的基础上，进行中小河流预报断面的洪水预报方案编制，据此开展洪水预报作业，并结合洪水预报成果以及水文测验信息确定水文预警服务内容，同时在测站基础资料收集的基础上开展测站管理工作。省、市防汛部门根据水文部门提供的信息，决定信息发布范围，并开展或者授权开展信息发布服务。1.4.2 分业务流程主要业务工作的业务信息流程如图4-3图4-6所示：图4-3预报方案编制业务流程图图4-4洪水预报基本业务流程图图4-5水文预警服务业务流程图图4-6信息发布业务流程图
