暴雨洪涝灾害预报预警服务系统

序号：编码：第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书作品名称：暴雨洪涝灾害预报预警服务系统学校全称：成都信息工程学院申报者姓名（集体名称）：刘晨雨类别：□自然科学类学术论文□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文■科技发明制作A类□科技发明制作B类报送方式：■省级报送作品□高校直送作品暴雨洪涝灾害预报预警服务系统-1-作品简介洪涝灾害是当今世界上给人类带来损失最大的自然灾害之一。我国是洪涝灾害的重灾区，20世纪90年代以来，由洪涝灾害带来的经济损失占全部自然灾害损失的62%，相当于同期GDP的1.55%。我国的灾害性洪水主要由暴雨形成，夏季暴雨灾害多为季节性暴雨。甘肃省陇南地区是我国西北部暴雨灾害的一大重灾区，其降水具有面积小、强度大的特点，每年均发生不同程度的暴雨洪涝灾害，造成巨大的经济损失。构建暴雨洪涝灾害预报预警系统，为政府提供实时、直观的暴雨预报预警服务，在防灾减灾方面具有重要意义。系统以甘肃陇南地区为例，在C#平台上通过ArcGISEngine进行二次开发，以历史气象资料和天气预报产品为基础，分布式水文模型SWAT为核心，对陇南地区的河道径流量进行模拟，分析出现堰塞湖时的上游水位情况，并提供三小时暴雨等级预警服务。系统从暴雨数据读取、SWAT水文模型径流模拟、洪水淹没模拟，到预报预警的二、三维显示与输出，实现了数据、模型、模拟、二三维显示的一体化、智能化全功能服务。系统功能基础数据模块系统在二维或三维显示模式下加载基础数据（包括气象数据、土壤数据、地形地貌数据、道路河网数据以及高分辨率遥感影像），可进行放大缩小、三维旋转、飞行浏览、查询属性信息等操作。气象数据模块支持历史与预报气象信息的导入、查询、编辑和修改等功能。径流模拟模块根据导入的实测（预报）降水、气温信息，通过SWAT模型，系统可自动或手动对每条河道进行径流量模拟，并以不同粗细、不同颜色线条展示径流量大小，也可通过点击查询或图表形式给出各条河流的模拟径流量数值。洪水模拟模块出现堰塞湖时，用户选择某河段的堵塞位置以及堵塞日期，生成堵塞后的河道水深折线图，模拟河道水位上涨过程并预测溢出时间，对堵塞后的上游危险区域进行预报。暴雨洪涝灾害预报预警服务系统-2-暴雨预警模块系统自动读取三小时降水预报数据，生成降水状况的柱状专题图和时间序列折线图，根据雨量大小生成县级暴雨等级专题图，针对不同等级的暴雨灾害，给出决策建议。创新性分布式水文模型SWAT是在空间信息技术发展基础上形成的基于物理过程的径流模拟模型，具有较高的准确性和科学性，本系统将其脱离以往平台ArcGIS（或ArcView），嵌入自行开发的系统软件，克服SWAT模型在ArcGIS平台下分步骤繁琐运行的缺点，实现径流量的快速模拟开发前期进行大量数据处理，建立天气发生器、土壤数据库等，令软件自带陇南地区相应信息，使用户只需更新日降水、气温数据即可运行SWAT模型，实现“傻瓜式”操作添加三维洪涝灾害显示功能，使用户可针对不同需求进行二三维切换，得到立体形象的洪涝灾害情景。科技性系统中嵌入分布式水文过程模型SWAT模型，程序设计相应参数接口，通用性、智能化水平高。将气象、水文、地形地貌等数据与水文径流模型、暴雨预报预警等应用模型耦合，利用GIS空间分析及可视化技术实现了水文径流模拟、暴雨预报预警的二三维直观展示。社会价值对洪水进行预报，预先了解洪水的影响范围和程度，避免不必要的财产损失及人员伤亡对各县进行暴雨预警，提供决策方案，便于相关部门安排工作，降低次生灾害所造成的损失通过叠加基础数据，为防灾减灾决策制定提供科学依据暴雨洪涝灾害预报预警服务系统IA2．申报者情况（集体项目）说明：1．必须由申报者本人按要求填写。2．申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列。3．本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认。申报者代表情况姓名刘晨雨性别女出生年月1990年1月学校成都信息工程学院系别、专业、年级资源环境学院遥感科学08级学历本科在读学制4年入学时间2008年9月作品名称暴雨洪涝灾害预报预警服务系统毕业论文题目无通讯地址成都市西南航空港经济开发区学府路一段24号邮政编码610225办公电话[phone]常住地通讯地址成都市西南航空港经济开发区学府路一段24号邮政编码610225住宅电话其他作者情况姓名性别年龄学历所在单位叶帮苹男22本科在读成都信息工程学院资源环境学院毛天韵女20本科在读成都信息工程学院大气科学学院资格认定学校学籍管理部门意见以上作者是否为2011年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。■是□否（签章）年月日院系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果■是□否负责人签名：年月日暴雨洪涝灾害预报预警服务系统IIB3．申报作品情况（科技发明制作）说明：1．必须由申报者本人填写。2．本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认。3．本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据。原理结构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书。4．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称暴雨洪涝灾害预报预警服务系统作品分类（C）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等）B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健康、卫生、食品等）E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标发明目的：在全球气候变化的背景下，区域性极端天气现象发生的频率越来越高，暴雨天气的影响也越来越大。甘肃省陇南地区，作为暴雨灾害的重灾区，迫切需要一款软件，针对于陇南当地的实际情况，能较为准确地模拟径流，预警暴雨和洪水，为地方防灾减灾和经济建设决策的制定提供科学依据。通过地理信息系统与遥感的结合，快速、准确、科学地预测和模拟显示洪水爆发时间和地点，及时通知相关部门组织群众转移，避免不必要的财产损失及人员伤亡，对防洪减灾和洪灾评估等具有重要意义。另外，对暴雨进行预警并提供决策方案，有助于相关部门安排工作，降低次生灾害造成的损失，在现实生活中具有重要意义。而叠加基础数据，可在道路选择、加油站查看等方面为防灾减灾决策提供有力依据，帮助相关部门解决暴雨洪涝灾害预报预警服务系统III在防灾减灾途中可能遇到的一些问题。创新点：分布式水文模型SWAT是在空间信息技术发展基础上形成的基于物理过程的径流模拟模型，具有较高的准确性和科学性，本系统将其脱离以往平台ArcGIS（或ArcView），嵌入自行开发的系统软件，克服SWAT模型在ArcGIS平台下分步骤繁琐运行的缺点，实现径流量的快速模拟开发前期进行大量数据处理，建立天气发生器、土壤数据库等，令软件自带陇南地区相应信息，使用户只需更新日降水、气温数据即可运行SWAT模型，实现“傻瓜式”操作添加三维洪涝灾害显示功能，使用户可针对不同需求进行二三维切换，得到立体形象的洪涝灾害情景。关键技术：系统中嵌入分布式水文过程模型SWAT模型，程序设计相应参数接口，通用性、智能化水平高。将气象、水文、地形地貌等数据与水文径流模型、暴雨预报预警等应用模型耦合，利用GIS空间分析及可视化技术实现了水文径流模拟、暴雨预报预警的二三维直观展示。技术指标：基础数据模块系统在二维或三维显示模式下加载基础数据（包括气象数据、土壤数据、地形地貌数据、道路河网数据以及高分辨率遥感影像），可进行放大缩小、三维旋转、飞行浏览、查询属性信息等操作。气象数据模块支持历史与预报气象信息的导入、查询、编辑和修改等功能。径流模拟模块根据导入的实测（预报）降水、气温信息，通过SWAT模型，系统可自动或手动对每条河道进行径流量模拟，并以不同粗细、不同颜色线条展示径流量大小，也可通过点击查询或图表形式给出各条河流的模拟径流量数值。暴雨洪涝灾害预报预警服务系统IV洪水模拟模块出现堰塞湖时，用户选择某河段的堵塞位置以及堵塞日期，生成堵塞后的河道水深折线图，模拟河道水位上涨过程并预测溢出时间，对堵塞后的上游危险区域进行预报。暴雨预警模块系统自动读取三小时降水预报数据，生成降水状况的柱状专题图和时间序列折线图，根据雨量大小生成县级暴雨等级专题图，针对不同等级的暴雨灾害，给出决策建议。作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比，该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）科学先进性：国内现有暴雨洪涝预报系统中的水文模型多采用70年代我国自行研发的新安江模型，其开发时间较早，且为集总式模型。由于集总式模型通常采用均一性假设，对点的水文过程采用简单的基于水文规律的方程来描述，其他过程则用经验公式描述，在本质上只能反映有关因素对径流形成过程的平均作用，在模拟和预报时，误差不可避免，也不易控制。本系统引入90年代初美国农业部开发的分布式水文模型——SWAT模型进行径流模拟，此模型经过十多年的完善，经历8个版本，是现今具有较大影响力的水文模型。其模型研究时不受空间尺度和时间尺度的限制，在提高模拟精度方面，SWAT模型可以将研究区域细分成若干计算单元，以达到提高模拟精度的效果。针对甘肃陇南地区，本系统采用SWAT模型最新版本SWAT2009模拟河道径流量，预报预警暴雨洪涝灾害。SWAT模型的使用需在ArcGIS或ArcView平台上。ArcGIS和ArcView为专业地理信息系统软件，属于工具性GIS，非专业GIS人员要掌握其使用较为困难。另外，即便是地理信息系统的专业人员，在使用SWAT模型时，需要进行大量的前期数据准备，数据处理，以及数据库的建立等，数据准备工作繁琐，操作复杂。此外，若要更新气象信息，需重新运行ArcSWAT，耗时长，极为不便。针对以上问题，在自行开发的系统中，针对陇南地区，将变化较小的地理数据进行预先处理，建立天气发生器和数据库，使得用户只需更新气暴雨洪涝灾害预报预警服务系统V象信息便可运行SWAT模型，方便快捷。系统界面友好，操作简单，非专业人士也可轻松使用。参考文献：[1]丁一汇,张建云等.暴雨洪涝[M].北京:气象出版社,2009.113-230[2]徐宗学等.水文模拟[M].北京:科学出版社,2009.343-355[3]黄清华,张万昌.SWAT分布式水文模型在黑河干流山区流域的改进及应用[J].南京林业大学学报（自然科学版）,2004,28(2):22-26[4]杨桂莲,郝芳华,刘昌明,等.基于SWAT模型的基硫估算及评价——以洛河流域为例[J].地理科学进展,2003,22(5):463-470[5]丁晋利,郑粉莉.SWAT模型及其应用[J].水土保持研究,2004,11(4):128-130[6]王中根,刘昌明,黄友波.SWAT模型的原理、结构及应用研究[J].地理科学进展,2003,[7]谢平,窦明等.流域水文模型——气候变化和土地利用/覆被变化的水文水资源效应[M].北京:科学出版社,2010.96-99作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果无作品所处阶段（A）A实验室阶段B中试阶段C生产阶段D（自填）技术转让方式作品可展示的形式■实物、产品□模型□图纸□磁盘■现场演示■图片■录像□样品使用说明及该作品的技术特点和使用说明：该系统的使用需导入气象数据，建议使用一年以上的实测气象数据以暴雨洪涝灾害预报预警服务系统VI优势，提供该作品适用范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测达到较准确的模拟结果。此外，由于系统支持三维显示，对计算机要求较高，若该计算机显卡配置较差，可能会出现三维显示模块图像滞后的情况，建议在较好配置的计算机上使用，以便更加清晰流畅地进行三维浏览，充分发挥系统作用。适用范围及前景：该系统适用于甘肃省陇南地区，能为该地区的暴雨洪涝灾害进行预报预警服务。