巴彦淖尔市气象防灾减灾能力提升工程项目可行性研究报告

5.2.2 山洪预警指挥系统设计

本山洪预警指挥系统面向山洪灾害精准防御与科研支撑需求,构建"六层架构(用户层-应用层-服务层-数据层-基础设施层-外部接口层)+九大核心子系统"的一体化技术体系,覆盖"数据管理-建模分析-预警研判-产品发布-历史复盘"全业务流程。系统以多源数据融合、流域数字化建模、水文仿真模拟、分级预警研判为核心技术支撑,既实现基础空间数据标准化管理、洪水动态模拟与风险等级自动判别,又通过三维可视化满足业务应用需求,依据现有信息发布规范完成预警内容整编与格式适配,兼容各类既有发布载体,确保预警发布工作有序开展,同时支持历史个例复盘与模型参数优化,为山洪灾害防御业务与机理研究、预警技术创新等科研工作提供一体化平台支撑,助力提升流域山洪灾害防御的科学化与精准化水平。

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山洪预警指挥系统

用户层

• 防汛指挥人员
• 水文气象专家
• 基层工作人员
• 系统管理员

应用层

• 山洪预警研判平台
• 三维可视化展示平台
• 预警产品发布系统
• 历史复盘分析系统
• 系统运维管理平台

服务层

• 基础数据管理子系统
• 标准化API服务子系统
• 多源数据融合与QPE订正子系统
• 水文仿真与智能分析子系统
• 山洪分级预警研判子系统
• 三维可视化展示子系统
• 预警产品智能生成子系统
• 山洪沟数字化与流域建模子系统
• 历史复盘与科研评估子系统
• 系统运维与权限管理子系统

数据层

• 空间数据库
• 业务数据库
• 模型数据库
• 历史数据库
• 配置数据库
• 数据仓库
• 文件存储服务

基础设施层

• 服务器集群
• 网络设备
• 安全设备
• 存储设备
• 操作系统
• 数据库系统
• GIS平台
• 中间件

外部接口层

• 气象数据接口
• 政务系统接口

图5-3 总体逻辑架构图 1

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5.3.3 制定标准与规范内容

5.3.3.1 数据标准规范

本项目围绕气象监测、水文实况、地形地理、山洪专题、业务管理全链条，统一制定并遵从全套数据类技术标准，覆盖数据采集、编码、元数据、质量控制、存储、交换共享全流程。

严格遵从国家及行业现行数据标准：包括《水文数据库表结构及标识符标准》（SL 577 - 2013）、《气象数据存储规范》《信息技术 数据元的规范与标准化》（GB/T 18391）、政务信息资源目录体系相关国家标准。

标准包括：

1. 气象水文观测数据编码规范；
2. 基础地理与山洪沟矢量数据标准；
3. 多源气象水文数据质量控制规范；
4. 元数据定义与信息资源目录规范；
5. 数据存储格式、时序归档管理规范；
6. 跨部门数据交换共享接口标准。

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5.3.3.2 平台标准规范
围绕山洪预警指挥系统整体架构、资源调度、集成对接制定平台类标准,遵从国家电子政务、气象信息化及地理信息相关规范。
遵从标准主要包括:《电子政务标准化指南》《地理信息公共平台基本规定》(GB/T 30318-2013)、气象云平台总体架构规范等。
包含以下规范:
1.山洪预警指挥系统总体架构技术规范;
2.平台资源调度、服务部署与集约化建设规范;
3.系统认证授权、访问控制管理规范;
4.第三方业务系统接入与集成管理规范;
5.内外网边界及跨平台对接技术规范。
5.3.3.3 应用标准规范
针对各业务子系统功能开发、流程设计、可视化应用制定统一应用标准,同时严格遵从气象业务应用、地理信息应用相关行业规范。
包含以下规范:
1.九大业务子系统功能设计与开发规范;
2.多源数据集成融合、业务流程协同规范;
3.山洪分级预警业务逻辑与研判流程规范;
4.三维 GIS 可视化场景建设规范;
5.预警产品模板、制图及多格式输出规范;
6.业务应用界面、交互设计统一规范。
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产生的实时观测数据。存储方式采用时序数据库存储,按时间进行分
区,优化高并发写入和时间范围查询性能。同时,定期将历史数据归
档,以平衡存储成本和查询效率。
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5.5.1.2 山洪沟数字化与流域建模子系统
5.5.1.2.1 山洪沟矢量化与三维修正
基于 GIS 图像配准技术完成山洪沟矢量化绘制,结合卫星影像完成三维修正,按主沟、二级沟分类划定水系层级。
5.5.1.2.2 流域边界自动提取与子流域划分
基于 30m 分辨率的 DEM 高程数据自动提取流域边界、子流域划分、汇流路径、坡度坡向、河网拓扑结构、控制断面,精准核算流域面积。
5.5.1.2.3 流域属性指标库构建:
按流域规模、沟道坡度、河道形态、历史灾害易发性、下游承灾体分布等指标,构建标准化流域属性指标库。
5.5.2 降水驱动与水文模拟
5.5.2.1 多源数据融合与 QPE 订正子系统
5.5.2.1.1 雷达 QPE 格点筛选与去噪
自动关联流域内部及周边 3km 范围区域站点,优化 QPE 格点筛选与去噪算法,完成雷达降水实况偏差订正。
5.5.2.1.2 多源降水数据交叉校验与偏差订正
支持多渠道 QPE 降水产品交叉比对、互补校验,完成多源降水数据的系统偏差订正,输出高精度降水数据。
5.5.2.1.3 流域面雨量自动计算
基于订正后的降水格点数据,自动计算各子流域、全流域的时序
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面雨量,为水文模型运算提供基础驱动数据。
5.5.2.2 水文仿真与智能分析子系统
5.5.2.2.1 新安江分层产流模型集成
集成三层土壤张力水结构的新安江分层产流模型,支持蒸发、下渗、层间传导及多水源产流过程模拟。
5.5.2.2.2 马斯京根河道演算模块开发
开发分段河道洪水演算的马斯京根模块,支持洪水平移、扩散、蓄滞、衰减过程的精细化模拟。
5.5.2.2.3 模型参数智能率定与优化
引入智能优化算法,依托历史样本数据库开展参数敏感性分析、机器学习辅助智能定参,实现模型参数自动优化。
5.5.2.2.4 多场景洪水模拟推演
支持实时降水驱动临灾模拟、预报降水驱动趋势模拟、历史个例重新推演、不同雨强情景的洪水模拟。
5.5.3 预警研判-山洪分级预警研判子系统
5.5.3.1 预警阈值规则库构建
内置标准化山洪流量基准阈值、洪水重现期、水位警戒线/保证水位双重判定标准,构建可配置的预警阈值规则库。
5.5.3.2 流域差异化阈值动态调整
按流域面积、沟道坡度、下垫面条件、前期土壤湿度、汛期时段特征,实现山洪分级预警阈值的动态订正与差异化管控。
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5.5.3.3 山洪风险等级自动判别
基于模型模拟结果与阈值规则,自动判别山洪风险等级,生成标准化分级预警结论,支持人工干预审定。
5.5.3.4 人工校核与预警签发
提供预警结果人工校核、等级微调、局部修正、签发的全流程管理,支持预警信息流转全程留痕。
5.5.4 可视化展示-三维可视化展示子系统
5.5.4.1 三维GIS场景搭建
基于三维GIS引擎搭建指挥展示场景,集成高精度地形、卫星影像、山洪沟道、流域、水利工程、承灾体等多专业图层。
5.5.4.2 多源图层叠加与态势标绘
支持多专业图层自由叠加显示、实时山洪态势标绘、风险区域着色高亮、预警山洪沟自动标红。
5.5.4.3 洪水过程动态模拟与回放
动态模拟洪水传播、漫溢、淹没、退水全过程,按淹没深度分级着色展示,支持山洪过程步进式回放。
5.5.4.4 二维/三维场景联动
实现二维山洪风险区域图、降水面雨量/洪水过程线与三维场景的一键联动,点选沟口/断面自动跳转对应三维场景。
5.5.4.5 淹没可视化分级展示
按0.5m、1m、2m、>2m分级着色展示淹没深度范围,适配防汛会商与指挥决策可视化需求。
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5.5.5 产品生成 - 预警产品智能生成子系统

5.5.5.1 预警产品自动生成

自动生成分级预警文字、流域面雨量统计、洪水过程线、山洪风险专题图等标准化业务成果。

5.5.5.2 多格式产品标准化输出

支持生成图片类、文档类、文本类、报文类多格式产品，适配PNG、GeoJSON、Word、PDF、XML报文等标准化格式输出。

5.5.5.3 产品模板自定义管理

提供预警产品模板的自定义配置、新增、修改、删除等管理功能，适配不同业务场景的产品输出需求。

5.5.6 API与接口适配 - 标准化API服务与多渠道接口适配子系统

5.5.6.1 标准化RESTful API接口开发

开发JSON、GeoJSON格式的标准化RESTful数据接口，向第三方平台提供流量、水位、预警等级、淹没范围等核心数据的实时查询与获取能力。

5.5.6.2 多渠道发布对接

完成与国突系统、气象业务内网、短信等多渠道的发布接口适配，实现预警数据格式的标准化转换与传输准备。

5.5.6.3 预警信息标准化封装与接口对接

可按预警等级、区域、受众类型，自动将预警信息封装为适配不同渠道接口规范的标准数据报文，并标记目标分发范围，供外部发布

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平台调用获取。
5.5.7 复盘评估 - 历史复盘与科研评估子系统
5.5.7.1 历史山洪个例回放与重算
支持典型暴雨山洪个例的完整回放、模型重算、过程对比, 为业务复盘与模型优化提供支撑。
5.5.7.2 模拟效果评估与参数比对
实现山洪模拟结果与历史实测水文数据的对比分析、参数比对、误差分析,生成模拟效果评估报告。
5.5.7.3 情景推演与业务培训支撑
支持不同降雨强度、不同前期湿润条件下的洪水情景推演, 为防汛预案编制、风险普查、业务培训提供场景支撑。
5.5.8 运维管理 - 系统运维与权限管理子系统
5.5.8.1 用户与角色权限管理
实现用户账号、角色、权限的分级管理,支持不同业务角色的权限分配、操作记录、账号安全管理。
5.5.8.2 系统运行监控与日志管理
提供系统任务自动调度、进程监控、运行日志留存、异常自动报警、任务调度监控能力。
5.5.8.3 故障自愈与自动恢复
实现系统服务故障的自动检测、自愈与自动恢复,保障系统 7×24 小时无人值守稳定运行。
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5.5.8.4 系统配置管理
提供系统运行参数、模型参数、预警规则、业务流程等配置项的可视化管理与动态调整。
5.8.1 建设要求
5.8.1.1 统一建设要求
所有新建站点统一建设标准、统一土建工艺、统一设备安装规范、统一供电架构、统一防雷标准、统一标识标牌,实现全市站点建设规范化、运维标准化。
全部站点均采用太阳能供电模式,野外无市电接入,适配巴彦淖尔市野外偏远、供电不便的布设特点。
通信采用以4G为主、北斗为补充的通信兜底的通信模式,公网信号良好区****
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5.8.2 单要素山洪雨量站建设工艺及设备配置
5.8.2.2 配套施工工艺
观测场地:面积不小于3m×3m,观测场地应平整,场内应整洁,场内应尽可能保持自然下垫面,不得垫高观测场。观测场外四周2m范围内应与观测场内下垫面一致,不得用水泥或沥青等进行硬化。
仪器基础:采用C25混凝土现浇基础,按照设备厂商提供的图纸确定设备基础浇筑大小,需预埋固定螺栓,浇筑后养护达标方可安装设备。
围栏工程:观测场围栏采用坚固、稀疏、美观、不反光或弱反光材质(亚光)的防护围栏,高度1.2m、围栏栅条四周高度应一致,且水平。
防雷接地:按照《自动气象站场室雷电防护技术规范》(QX/T30-2021)的要求,设计并建设观测场地、仪器设施的接地工程和防
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雷工程。观测场防雷系统接地电阻应≤4Ω，在高山等岩石地面土壤的电阻率>1000Ω·m的观测场，接地体的接地电阻值可适当放宽。
标识及环境：统一气象标识、观测场保护警示牌，场地周边环境规整，保持长期观测环境完好。
5.8.2.3 偏远站点建设
本次16个偏远单要素山洪雨量站采用机动车路边卸料和短途平缓地貌人工协同搬运作业，适配巴彦淖尔山洪沟口雨量站标准化施工工艺。
短途人工搬运、材料转运损耗、现场基础施工等成本，全部包干纳入设备总费用，本项目无独立土建工程概算列支项。
5.8.3 六要素自动气象站建设工艺及设备配置
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5.8.3.2 配套施工工艺

观测场地: 采用不小于 $8 \mathrm{~m} \times 4 \mathrm{~m}$ 的标准气象观测场, 观测场地应平整, 场内应整洁, 场内应尽可能保持自然下垫面, 不得垫高观测场。观测场外四周 $2 \mathrm{~m}$ 范围内应与观测场内下垫面一致, 不得用水泥或沥青等进行硬化。

围栏建设: 观测场围栏采用坚固、稀疏、美观、不反光或弱反光材质(亚光)的防护围栏, 高度 $1.2 \mathrm{~m}$ 、围栏栅条四周高度应一致, 且水平。

仪器基础: 风杆、百叶箱等基础采用 C25 混凝土现浇基础, 按照设备厂商提供的图纸确定设备基础浇筑大小, 需预埋固定螺栓, 浇筑后养护达标方可安装设备。

仪器安装: 风速风向传感器安装于风杆顶部标准高度, 设备安装要求以厂家下发的技术要求为准。

防雷接地: 按照《自动气象站场室雷电防护技术规范》(QX/T 30 - 2021) 的要求, 设置联合接地电阻: 全站统一接地系统, 接地电阻 $\leqslant 4 \Omega$, 接地体使用热镀锌角钢垂直接地体, 垂直打入地下, 引下线、接地体使用热镀锌防腐材质, 抗腐蚀、耐老化。

标识及环境: 统一气象标识、观测场保护警示牌, 场地周边环境
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规整,保持长期观测环境完好。
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5.8.6 完工验收工艺标准

隐蔽工程验收:核查基础基槽、钢筋、预埋件、管线、接地体的规格、尺寸、埋深、施工质量,留存现场记录及影像资料,混凝土、接地材料质保资料齐全。

防雷工程验收:采用四极法实测接地电阻,阻值满足设计标准;检查等电位连接、防雷器件安装牢固,资料完整。

基础设施验收:配套基础尺寸、混凝土强度、水平度、围栏工艺全部符合设计及规范;

传感器安装高度、间距、角度、遮挡条件满足气象观测规范;

供电电压、充放电控制、北斗定位通信、4G传输全部调试正常;

连续72小时试运行,数据完整率、通信成功率、定位精度达到技术指标要求;

竣工资料含站点台账、设备参数表、安装照片、安装布局图纸、调试记录全套归档。
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