程 海 云

(長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010)

2020年7～8月長江發(fā)生流域性大洪水，其中長江干流發(fā)生5次編號洪水。長江中下游蓮花塘至大通江段洪峰水位列有實(shí)測記錄以來的第2～5位，馬鞍山至鎮(zhèn)江江段潮位超歷史，鄱陽湖發(fā)生流域性超歷史大洪水；上游支流岷江發(fā)生超歷史洪水，沱江、涪江、嘉陵江發(fā)生超保證洪水；干流朱沱至寸灘江段發(fā)生超保證洪水，寸灘站洪峰水位超1981年實(shí)測最高水位(0.21 m)，三峽水庫出現(xiàn)建庫以來最大入庫流量。長江委水文局精心監(jiān)測、準(zhǔn)確預(yù)報、及時預(yù)警，為2020年長江流域防汛工作取得全面勝利提供了有效支撐。

1 長江洪水測報體系

經(jīng)過多年探索研究，長江委水文局逐漸建立了“駐巡結(jié)合、巡測優(yōu)先、測報自動、應(yīng)急補(bǔ)充”的水文測驗(yàn)管理服務(wù)體系[1]。通過水文測驗(yàn)方式方法改革、水文監(jiān)測信息化建設(shè)等技術(shù)創(chuàng)新工作，形成了水文要素感知立體化、監(jiān)測自動化及數(shù)據(jù)處理信息化的水文測驗(yàn)技術(shù)支撐體系[2]?；赑DCA原理，嚴(yán)格控制水文測報產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程，確保水文測報產(chǎn)品質(zhì)量，構(gòu)建了科學(xué)的質(zhì)量控制體系[3]。

1.1 水文測驗(yàn)管理體系

“駐巡結(jié)合、巡測優(yōu)先、測報自動、應(yīng)急補(bǔ)充”的水文測驗(yàn)管理體系借鑒了歐美巡測理念，體現(xiàn)了中國特色。該體系既能提供更高精度和更實(shí)時的水文監(jiān)測成果，又可更廣泛地收集水文信息，滿足社會各方面的需要。特別是針對我國自然災(zāi)害頻繁，人口眾多的特點(diǎn)，水文應(yīng)急監(jiān)測是水文測驗(yàn)管理體系的有效補(bǔ)充。

1.2 水文測驗(yàn)技術(shù)支撐體系

(1) 建立了較為完善的空天地水雨情立體感知體系。長江水利委員會水文局不斷優(yōu)化監(jiān)測站網(wǎng)布局，在重慶、漢口、南京、上海等地設(shè)立了8個外業(yè)勘測局，負(fù)責(zé)水文監(jiān)測業(yè)務(wù)的具體實(shí)施，多年來在長江干流及重要支流已建成較完備的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時監(jiān)控長江水雨情。同時，與流域內(nèi)各省市水文部門、氣象部門、水庫管理部門互聯(lián)互通，信息共享。目前，長江流域已擁有集雷達(dá)、水文報汛站、氣象站、水利工程站等空天地于一體的流域全覆蓋水雨情立體感知體系。

(2) 形成了自動化程度較高的實(shí)時監(jiān)測體系。水位、雨量、水溫、蒸發(fā)等觀測要素已全部實(shí)現(xiàn)自動采集、存貯、傳輸。泥沙測驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)、聲學(xué)等快速和在線測量。流量測驗(yàn)方面，渡河能力顯著增強(qiáng)。從主要依靠水文測船、水文纜道，到無人船、無人機(jī)等多種方式補(bǔ)充，提升了安全保障。測驗(yàn)手段提檔升級，實(shí)現(xiàn)從主要采用流速儀法、浮標(biāo)法，到聲學(xué)多普勒測流、聲學(xué)時差法測流、視覺影像測流、掃描式雷達(dá)測流、單點(diǎn)雷達(dá)測流等類聲光電手段兼用，自動化水平顯著提高。

(3) 構(gòu)建了信息化水平較高的水文數(shù)據(jù)處理體系。建成了全國通用的水文資料整編平臺，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)整編與分布式整編，水文資料整編實(shí)現(xiàn)了日清月結(jié)。伴隨著人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，長江水文監(jiān)測的智能化水平正明顯提升，致力于機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的深度融合，在測次智能布設(shè)、水位流量關(guān)系輔助定線及相應(yīng)流量報汛等方面取得進(jìn)展。

水文局水文測驗(yàn)一體化技術(shù)支撐體系框架如圖1所示。

圖1 長江水文測驗(yàn)技術(shù)一體化支撐體系框架Fig.1 Framework of hydrology test technology integrated support system for Yangtze River

1.3 質(zhì)量控制體系

基于ISO質(zhì)量管理體系，實(shí)行日清月結(jié)、按月(年中、年度)整編，進(jìn)一步控制了產(chǎn)品的質(zhì)量和時效性，并按GB/T 19001—2016/ISO 9001∶2015《質(zhì)量管理體系要求》和水文局《質(zhì)量管理體系文件》等要求，對水文測驗(yàn)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格控制，確保水文測驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量。汛期堅持實(shí)行24 h值班制度，密切監(jiān)視水雨沙情的變化，及時按照要求調(diào)整測驗(yàn)布置、實(shí)時測報水雨沙信息。圖2為水文局水文測驗(yàn)質(zhì)量控制體系框架。

2 長江洪水預(yù)報預(yù)警

洪水預(yù)報預(yù)警是防洪減災(zāi)重要的非工程措施。長江流域水系發(fā)達(dá)，支流眾多，水利工程復(fù)雜，防洪壓力大，預(yù)報預(yù)警難度高。經(jīng)過探索與實(shí)踐，長江委水文局逐步形成了水文氣象無縫耦合漸進(jìn)式預(yù)報技術(shù)路線，建立了河庫(湖)聯(lián)動、有序連續(xù)演算的預(yù)報調(diào)度一體化工作框架，完善了洪水預(yù)報預(yù)警機(jī)制。

2.1 水文氣象無縫耦合漸進(jìn)式預(yù)報技術(shù)

為適應(yīng)預(yù)報調(diào)度目標(biāo)多樣化的需要，開展了不同預(yù)見期的水文氣象預(yù)報。按照預(yù)見期長短，分為短期(1～3 d)、中期(4～10 d)、延伸期(旬)及長期預(yù)報(月、季、年)。隨著預(yù)見期增長，預(yù)報的不確定性變大。短中期預(yù)報通常為水文氣象要素定量預(yù)報，延伸期預(yù)報是對未來天氣過程趨勢性分析，兩者結(jié)合是防汛抗旱實(shí)時調(diào)度決策的主要依據(jù)。長期預(yù)報為預(yù)報要素的趨勢性預(yù)測，是水庫群聯(lián)合調(diào)度、水資源優(yōu)化配置的重要參考。

圖2 水文測驗(yàn)質(zhì)量控制體系框架Fig.2 Framework of quality control system for hydrology test

為了解決預(yù)見期與精度的矛盾，采用短中長期相結(jié)合、水文氣象相耦合、逐日滾動、實(shí)時修正的漸進(jìn)式預(yù)報模式(見圖3)。由于水文氣象預(yù)報具有不確定性，可通過延伸期預(yù)報提早發(fā)現(xiàn)暴雨洪水過程，并適時采取相應(yīng)的調(diào)度準(zhǔn)備措施，過程臨近后可通過短中期預(yù)報精準(zhǔn)的描述未來數(shù)日內(nèi)的暴雨洪水演變形勢，以便開展精細(xì)化調(diào)度，提高調(diào)度靈活性，達(dá)到變中求穩(wěn)的效果。目前，長江委水文局已形成以大氣科學(xué)理論為基礎(chǔ)，以雷達(dá)、衛(wèi)星等各種大氣探測資料為前提，以數(shù)值預(yù)報為運(yùn)算核心，結(jié)合預(yù)報員經(jīng)驗(yàn)綜合分析判斷的綜合性降雨預(yù)報流程。借助無縫隙預(yù)見期降雨預(yù)報，耦合水文水力學(xué)模型，開展長江流域干支流重要控制性站點(diǎn)及水利工程的短期、中期、延伸期以及長期水文預(yù)報。通過無縫耦合漸進(jìn)式預(yù)報，減少了預(yù)報的不確定性，顯著提升了預(yù)報精度和預(yù)見期。2007年以后，長江流域水文氣象預(yù)報精度不斷提高，尤以5～7 d預(yù)見期預(yù)報精度提高最為明顯[4]。

2.2 預(yù)報調(diào)度一體化技術(shù)

洪水預(yù)報和水庫調(diào)度是一個緊密聯(lián)系的整體，洪水預(yù)報通過對未來一段時間內(nèi)的來水預(yù)測來指導(dǎo)水庫調(diào)度決策，水庫調(diào)度后改變了來水邊界條件，從而相應(yīng)影響洪水預(yù)報分析成果。

圖3 無縫隙漸進(jìn)式預(yù)報業(yè)務(wù)體系框架Fig.3 Seamless progressive forecast system framework

長江流域水利工程眾多，水利工程建成后運(yùn)行，逐漸改變河流天然狀態(tài)，如何在實(shí)時洪水預(yù)報中考慮眾多水工程的合理運(yùn)用，提高預(yù)報精度，并實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行條件下多阻斷河系洪水連續(xù)演進(jìn)計算，是一項技術(shù)難題。同時，通過洪水預(yù)報對水利工程實(shí)時調(diào)度決策進(jìn)行支撐，開展預(yù)報調(diào)度嵌套分析也具有較大難度[5]。

經(jīng)過多年來預(yù)報調(diào)度實(shí)踐，逐步形成了長江洪水預(yù)報調(diào)度一體化技術(shù)體系。按空間位置與水力聯(lián)系構(gòu)建河系、水工程和防洪對象的拓?fù)潢P(guān)系概化圖，建立預(yù)報調(diào)度計算體系，配合模型庫、調(diào)度規(guī)則調(diào)用和調(diào)度演算約束[6]，對降水預(yù)報、降雨徑流、洪水演進(jìn)及調(diào)度各模型做無縫耦合處理，實(shí)現(xiàn)河系的河庫(湖)聯(lián)動、有序連續(xù)演算的預(yù)報調(diào)度一體化[5]，如圖4所示。

2018年以來，水文局連續(xù)承擔(dān)了水利部組織的1981,1998年和1954年歷史典型大洪水調(diào)度演練的相關(guān)工作，負(fù)責(zé)水文模擬計算、調(diào)度方案分析制作、會商匯報等。在長江防洪預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)[7]的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了耦合40座控制性水庫群、42座蓄滯洪區(qū)及流域主要控制站的預(yù)報調(diào)度一體化模型工具(見圖5)，取得較好的應(yīng)用效果。

圖4 預(yù)報調(diào)度一體化演進(jìn)示意Fig.4 Process of integration of flood forecast and reservoir regulation

2.3 長江水情預(yù)警發(fā)布機(jī)制

為規(guī)范水情預(yù)警發(fā)布工作，長江防汛抗旱總指揮部辦公室于2013年印發(fā)了《長江水情預(yù)警發(fā)布管理辦法(試行)》[8]。水情預(yù)警由水文機(jī)構(gòu)通過廣播、電視、報紙、網(wǎng)絡(luò)等媒體統(tǒng)一向影響范圍內(nèi)社會發(fā)布。洪水、枯水兩類水情預(yù)警級別由低到高依次為藍(lán)色、黃色、橙色、紅色。

隨著信息社會發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步及需求增加，長江洪水預(yù)報預(yù)警服務(wù)產(chǎn)品及范圍逐步擴(kuò)大，服務(wù)對象從原來各級防汛部門、航運(yùn)及施工部門、水庫管理部門等逐步向企事業(yè)單位、社會公眾拓展，預(yù)報預(yù)警服務(wù)方式也從原來的紙質(zhì)、郵件、傳真等逐步擴(kuò)展為WEB網(wǎng)絡(luò)、短信、電子郵件、手機(jī)APP、微信公眾號等；服務(wù)產(chǎn)品也更加靈活多樣，有長江流域各區(qū)短中期降水預(yù)報、長江流域延伸期降雨試驗(yàn)預(yù)報、汛期長江流域旱澇趨勢預(yù)測、秋汛期(9～10月)三峽水庫及丹江口水庫入庫流量分析預(yù)測、枯水期長江流域水雨情分析預(yù)報、長江干支流主要控制站洪水預(yù)報、長江流域水雨情綜合分析、長江流域重要水雨情報告、長江汛情簡報、長江水資源預(yù)測等[9]。

圖5 長江流域洪水預(yù)報調(diào)度一體化體系Fig.5 Integrated flood forecast and regulation system for the Yangtze River Basin

3 2020年長江流域性大洪水監(jiān)測預(yù)報預(yù)警實(shí)踐

2020年7～8月長江發(fā)生流域性大洪水，防汛形勢十分嚴(yán)峻。期間，分布在長江干支流不同河段的高場、富順、小河壩、北碚、寸灘、宜昌、城陵磯、漢口、九江、湖口、大通11個大洪水監(jiān)測控制性節(jié)點(diǎn)，對其完整地進(jìn)行了水位、流量、泥沙等水文要素全過程施測。以流量監(jiān)測為例，在5次編號洪水期間，采用ADCP、流速儀、浮標(biāo)及電波流速儀等多種方法相互補(bǔ)充的模式，共實(shí)測流量480次，其中ADCP、流速儀、浮標(biāo)及電波流速儀測次占比分別為57%，36%，5%，2%，各控制站流量測次分布如圖6所示。利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的短報文功能，有力保障了汛期惡劣的自然條件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下關(guān)鍵水文信息傳輸。上游特大洪水期間，干流寸灘、支流涪江小河壩等水文站利用掃描式雷達(dá)、點(diǎn)式雷達(dá)等新型非接觸式監(jiān)測設(shè)備開展了高洪測驗(yàn)，比測結(jié)果顯示均具有較高精度。寸灘站掃描式雷達(dá)監(jiān)測流量與流速儀、ADCP相比，相對誤差在6%之內(nèi)。懸移質(zhì)含沙量測驗(yàn)采用光學(xué)濁度儀現(xiàn)場測驗(yàn)，顆粒分析使用了激光粒度分析儀快速分析，大幅提高了泥沙測驗(yàn)的時效性。在測驗(yàn)過程中，新技術(shù)設(shè)備的使用也出現(xiàn)了一些問題，如8月19日寸灘站由于江水含沙過大量，ADCP無法正常工作。

基于長江水文監(jiān)測管理平臺，采用移動互聯(lián)技術(shù)，將測驗(yàn)、計算、校審、分析處理、存儲等全部功能整合到手機(jī)APP中，實(shí)現(xiàn)了全業(yè)務(wù)流程鏈的在線管理化，大幅提高工作效率。所有測驗(yàn)數(shù)據(jù)自動存儲在各類專業(yè)數(shù)據(jù)庫中，并通過高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了快速轉(zhuǎn)發(fā)與共享，保證水情數(shù)據(jù)采集的時效性和易訪問性。水雨情信息在20 min內(nèi)到達(dá)流域水文預(yù)報中心，在30 min內(nèi)到達(dá)水利部，為上級防汛決策提供及時、準(zhǔn)確的水文信息支撐。依托自主研發(fā)的全國通用水文資料整編平臺，實(shí)現(xiàn)了洪水監(jiān)測資料整編的日清月結(jié)。

在2020年長江流域性大洪水的預(yù)報預(yù)警過程中，水文局基于預(yù)報調(diào)度一體化平臺，采用短中長期相結(jié)合、水文氣象相耦合、逐日滾動、實(shí)時修正的漸進(jìn)式預(yù)報模式，開展預(yù)報預(yù)警工作，取得了較好的效果。通過短中期降雨預(yù)報能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測出強(qiáng)降雨的量級與落區(qū)。通過延伸期預(yù)報，最長可提前18 d預(yù)判出強(qiáng)降雨過程?？紤]預(yù)見期降雨，長江干支流主要控制站的洪水預(yù)報(過程和洪峰)精度和預(yù)見期進(jìn)一步提升，基本能夠提前4～10 d預(yù)報出流域?qū)l(fā)生明顯漲水過程。尤其在4，5號洪水過程期間，提前6 d預(yù)報將發(fā)生4號洪水，提前7 d預(yù)報將發(fā)生5號洪水，精準(zhǔn)預(yù)報出三峽水庫入庫洪峰流量，預(yù)報誤差僅3.3%，1.3%；提前2～5 d預(yù)報中下游各站超警戒水位時間，提前2～4 d預(yù)報蓮花塘站超保證水位時間，其中蓮花塘站多次洪水過程的洪峰水位誤差在0.01～0.07 m。

圖6 各控制站流量測次分布Fig.6 Flow measurement distribution of hydrologic stations

在2020年長江流域性大洪水期間，長江委水文局發(fā)布長江干支流主要控制站洪水預(yù)報94期；發(fā)布洪水預(yù)警35次，其中洪水藍(lán)色預(yù)警1次，洪水黃色預(yù)警13次，洪水橙色預(yù)警17次，洪水紅色預(yù)警4次；發(fā)布8次編號洪水，其中長江干流洪水編號5次，嘉陵江干流洪水編號2次，烏江干流洪水編號1次。同時，發(fā)布預(yù)報預(yù)警相關(guān)微信公眾號36期，累計閱讀量約32萬人次。

4 結(jié)語與展望

長江委水文局監(jiān)測預(yù)報預(yù)警工作經(jīng)受住了2020年長江流域性大洪水的考驗(yàn)，為長江洪水防御工作提供了強(qiáng)有力支撐，但也暴露出部分短板亟需補(bǔ)齊。隨著5G、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展和成熟，其在各行各業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢日益凸顯。水文氣象監(jiān)測預(yù)報預(yù)警領(lǐng)域具有實(shí)時性、重現(xiàn)性、多源海量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)等，在新技術(shù)新方法的應(yīng)用方面具有廣闊的舞臺。

水文監(jiān)測方面，盡管當(dāng)前測驗(yàn)手段較多、技術(shù)進(jìn)步很大，但針對漂浮物多、流速大、高含沙量等特殊水情的測驗(yàn)而言，監(jiān)測能力仍顯不足。加大非接觸式新儀器應(yīng)用研究，將機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等新興技術(shù)與傳統(tǒng)水文測驗(yàn)業(yè)務(wù)相融合，在測次智能布設(shè)、水位流量關(guān)系輔助定線及相應(yīng)流量報汛等方面的研究工作有待進(jìn)一步加深。

洪水預(yù)報方面，長江流域水文氣象短期預(yù)報已經(jīng)具有較高精度，但是1～3 d預(yù)見期對于長江這種長河系、大面積、多阻斷(水利工程)、復(fù)雜江湖關(guān)系的流域來說仍顯不足，適當(dāng)延長水文氣象預(yù)報預(yù)見期，并能保證足夠精度，才能夠更加充分地發(fā)揮水利工程聯(lián)合調(diào)度的效益。鑒于此，一方面需繼續(xù)加強(qiáng)水文氣象耦合關(guān)鍵技術(shù)及人類活動影響下的水文預(yù)報技術(shù)等基礎(chǔ)研究，從理論層面減小預(yù)見期與精度的矛盾；另一方面基于人工智能的預(yù)報調(diào)度技術(shù)研究，基于大數(shù)據(jù)的綜合預(yù)報調(diào)度平臺建設(shè)在延長水文氣象預(yù)報預(yù)見期，提高預(yù)報精度方面的價值也值得進(jìn)一步去探索。

洪水預(yù)警方面，當(dāng)前預(yù)警體制機(jī)制已經(jīng)建立，但預(yù)警內(nèi)容復(fù)雜繁瑣，預(yù)警的社會認(rèn)知程度尚淺，預(yù)警發(fā)布方式略顯傳統(tǒng)。今后需進(jìn)一步完善預(yù)警內(nèi)容形式，使其更加通俗易懂；加大預(yù)警知識宣傳力度，普及預(yù)警基本概念；依托大數(shù)據(jù)平臺實(shí)現(xiàn)預(yù)警智能精準(zhǔn)推送，擴(kuò)大預(yù)警使用價值。

說 明

本文2020年水文要素的統(tǒng)計分析源自報汛數(shù)據(jù)。