常高松，徐 翔，謝學(xué)成

（四川省水文水資源勘測局，四川 成都 610036）

0 引言

近年來，水利部大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)，在全國范圍內(nèi)開展智慧水利先行先試工作[1]，物聯(lián)網(wǎng)、視頻、遙感、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、區(qū)塊鏈等新技術(shù)正加速與水利業(yè)務(wù)深度融合[2]。

就預(yù)報(bào)調(diào)度方面而言，水文氣象預(yù)報(bào)技術(shù)手段也已有了較大提升，預(yù)報(bào)模型更加準(zhǔn)確，特別是氣象水文預(yù)報(bào)耦合、人機(jī)交互預(yù)報(bào)、預(yù)報(bào)調(diào)度一體化等技術(shù)應(yīng)用，有效提高了洪水預(yù)報(bào)精度，延長了洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期，為防洪調(diào)度提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。在步入信息多元化的大數(shù)據(jù)時(shí)代，洪水預(yù)報(bào)方法研究正致力于用大數(shù)據(jù)替換過去模型中的概念性經(jīng)驗(yàn)處理方法。目前多源信息融合、數(shù)據(jù)同化、集合預(yù)報(bào)、人工智能、大數(shù)據(jù)、分布式模擬等技術(shù)有了長足發(fā)展[3]，洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)正逐漸由經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變，洪水影響預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力顯著提升，水旱災(zāi)害防御支撐能力顯著增強(qiáng)。

1 智慧水利在四川省水旱災(zāi)害防御中的應(yīng)用

四川省河流眾多，被稱為千河之省，全省流域面積超過 50 km2的河流總數(shù)為 2 816 條（不包括都江堰灌區(qū)內(nèi)的灌溉型河流），21 個(gè)市（州）行政中心均沿河分布，全省有近 50 個(gè)重要城市（包括縣城）位于河流水網(wǎng)交匯處，防汛減災(zāi)任務(wù)艱巨[4]。

2020 年汛期，四川省各地遭遇嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，降雨強(qiáng)度、流域水情屢超歷史記錄。區(qū)域性暴雨過程普遍存在范圍廣、強(qiáng)度大、歷時(shí)長等特點(diǎn)。8 月，四川省氣象臺(tái)首次連續(xù) 2 d 發(fā)布暴雨橙色預(yù)警，特別是盆地周邊接連遭遇“8·11”“8·18”2 輪特大暴雨襲擊，2 輪暴雨最大累計(jì)降雨量超過 1 000 mm。汛期，岷江、青衣江、沱江、涪江、大渡河等流域干流發(fā)生超保證水位洪水，雅礱江、嘉陵江干流發(fā)生超警戒水位洪水，全省各主要江河均有支流發(fā)生超警戒或保證水位洪水，其中岷江、涪江、沱江、青衣江發(fā)生超歷史或接近歷史記錄的特大洪水。全省共 133 條河流 427 站次發(fā)生超警戒水位洪水，其中 53 條河流 164 站次發(fā)生超保證水位洪水，對(duì)全省水旱災(zāi)害防御工作提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。

作為水旱災(zāi)害防御技術(shù)支撐單位，四川省水文局著手從感知層、支撐層、應(yīng)用層搭建省級(jí)智慧水利在水旱災(zāi)害防御中的總體架構(gòu)[5–6]，開發(fā)完善預(yù)報(bào)調(diào)度一體化平臺(tái)，構(gòu)建四川省“水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)”，總體框架如圖1 所示。

1.1 感知層

感知層主要包含前端的天空地一體感知網(wǎng)。通過測驗(yàn)方式改革和“一站一策”全面推進(jìn)，四川省水文測驗(yàn)方式已由傳統(tǒng)的測站駐測轉(zhuǎn)變?yōu)椤榜v巡結(jié)合、巡測為主、應(yīng)急補(bǔ)充”的新模式，全省共計(jì)57 個(gè)巡測片區(qū)，自動(dòng)雨水情監(jiān)測站點(diǎn)已達(dá) 4 300 余處。水文監(jiān)測能力也在不斷提檔升級(jí)，利用側(cè)掃雷達(dá)、測雨雷達(dá)、電波流速儀、三維激光掃描儀，以及無人機(jī)搭載在線測流、水質(zhì)監(jiān)測、測深儀等設(shè)備實(shí)現(xiàn)水文，地形，大氣等多要素?zé)o接觸式感知。

圖1 四川水旱災(zāi)害防御智慧水利總框架

1.2 支撐層

支撐層主要包含水利專線網(wǎng)絡(luò)、遙測數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)水情庫、專用數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。采用自主編制的 SCSW 008—2011《水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)約和協(xié)議》統(tǒng)一了自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了信息的標(biāo)準(zhǔn)化處理，為水文監(jiān)測、水資源專用、墑情監(jiān)測及未來新增站點(diǎn)的數(shù)據(jù)接入與統(tǒng)一管理提供了保障。感知層采集到的數(shù)據(jù)通過省、市、縣各級(jí)間互聯(lián)互通的水利專線網(wǎng)絡(luò)，匯集到遙測數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)水情庫，并供專用數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一調(diào)用，基于微服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)的各類應(yīng)用服務(wù)。所有數(shù)據(jù)庫均已在政務(wù)云及本地分別架設(shè)、互為備份，基本實(shí)現(xiàn) 5 min 內(nèi)完成全省 4 300 余處站點(diǎn)遙測數(shù)據(jù)的接收、處理、入庫，以及與水利部、各流域機(jī)構(gòu)、鄰近省份及各地區(qū)水文局的數(shù)據(jù)交換，全面實(shí)現(xiàn)信息處理自動(dòng)化。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要包含在水旱災(zāi)害防御工作中所需開展的各項(xiàng)業(yè)務(wù)，包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：

1）值班管理。值班管理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)值班流程電子化，值班人員在值班當(dāng)日能夠一站式監(jiān)視水雨情變化、站點(diǎn)報(bào)汛、設(shè)備工況、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、公文處理進(jìn)度等內(nèi)容，并對(duì)“錯(cuò)、遲、漏、缺”信息進(jìn)行處理，同時(shí)在值班結(jié)束時(shí)由系統(tǒng)自動(dòng)形成值班記錄。

2）實(shí)時(shí)水雨情監(jiān)視。四川省以 GIS 一張圖為核心，已實(shí)現(xiàn)覆蓋省市縣三級(jí)的實(shí)時(shí)水雨情監(jiān)視查詢，主要包括雨量、河道、水庫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)警監(jiān)視，實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)。

3）防汛形勢分析?；?GIS 一張圖，四川省以地圖展示為核心，配合圖標(biāo)展示，實(shí)現(xiàn)雨情、河道水情、水庫水情等方面的防汛形勢分析功能。雨情分析主要對(duì)氣象預(yù)報(bào)及實(shí)時(shí)雨情進(jìn)行網(wǎng)格化解析，并進(jìn)行全省山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析，具體如圖2 所示。河道水情分析主要對(duì)河道實(shí)時(shí)水情進(jìn)行多站對(duì)比分析，并結(jié)合預(yù)報(bào)成果，對(duì)洪水河道演進(jìn)情況和淹沒范圍進(jìn)行展示。水庫水情分析主要對(duì)水庫特征值、超汛限、來水等情況進(jìn)行展示，可結(jié)合典型年進(jìn)行對(duì)比分析，制作了調(diào)度建議的水庫能夠?qū)φ{(diào)度效益進(jìn)行展示和分析。

4）預(yù)報(bào)調(diào)度。近年來，四川省堅(jiān)持大力推動(dòng)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化建設(shè)進(jìn)程，加速推動(dòng)水利、水文、氣象等行業(yè)邊界模糊化，提高防汛減災(zāi)體系信息交互能力，拓寬洪水預(yù)測預(yù)警預(yù)報(bào)的服務(wù)領(lǐng)域，開展多方法多模型適用性研究。洪水預(yù)警預(yù)報(bào)范圍實(shí)現(xiàn)由主要江河控制斷面向大江大河、重要支流和中小河流并重的轉(zhuǎn)變，服務(wù)對(duì)象實(shí)現(xiàn)由站點(diǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)向沿江沿河重點(diǎn)城市預(yù)警預(yù)報(bào)的轉(zhuǎn)變，預(yù)報(bào)制作實(shí)現(xiàn)單站預(yù)報(bào)向河系預(yù)報(bào)的轉(zhuǎn)變，預(yù)報(bào)調(diào)度工作流程進(jìn)一步優(yōu)化，在氣象網(wǎng)格化降雨數(shù)值預(yù)報(bào)自動(dòng)解析和江河洪水超前預(yù)警的基礎(chǔ)上，利用預(yù)警成果對(duì)相應(yīng)流域具有一定調(diào)節(jié)能力的水庫提出合理的預(yù)泄建議。后續(xù)根據(jù)實(shí)際降雨情況滾動(dòng)制作發(fā)布精細(xì)化預(yù)警預(yù)報(bào)，利用洪水預(yù)報(bào)成果提出洪水錯(cuò)峰調(diào)度、下游補(bǔ)償調(diào)度等水庫優(yōu)化調(diào)度建議。隨著預(yù)報(bào)調(diào)度一體化建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，依托洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)和模型庫，目前已能夠?qū)崿F(xiàn) 30 min 內(nèi)完成四川省河系預(yù)報(bào)體系 261 處節(jié)點(diǎn)洪水預(yù)報(bào)的分析制作，并結(jié)合控制性水利工程調(diào)度運(yùn)行規(guī)程完成流域水庫群聯(lián)防聯(lián)調(diào)，大幅提高了水旱災(zāi)害防御綜合效益和決策效率。

圖2 四川省山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警圖（6 月 26 日 20 時(shí)—6 月 27 日 20 時(shí)）

以 2020 年“8·11”“8·18”四川省流域性特大暴雨洪水過程為例，連續(xù) 2 輪歷史罕見的極端持續(xù)暴雨天氣過程，最大累計(jì)降雨量達(dá) 1 066 mm。強(qiáng)降雨下，涪江、沱江、青衣江發(fā)生特大洪水，多條江河形成編號(hào)洪水。本輪洪水量級(jí)大，全面超過 2018 年“7·9”特大洪水，大部分流域超過 1981 年 7 月特大洪水。本輪過程全省共滾動(dòng)制作發(fā)布洪水預(yù)測591 站次，洪水預(yù)警 1 140 站次，洪水預(yù)報(bào) 324 站次，水情簡報(bào) 433 份，全省關(guān)鍵期洪水預(yù)報(bào)精度高達(dá) 95% 以上。分別提前 7，10 h 發(fā)布三皇廟和登瀛巖水文站洪峰預(yù)報(bào)，與實(shí)際值相比誤差為 1% 和2%。提前 3，4 h 發(fā)布彭山站、五通橋洪峰預(yù)報(bào)，與實(shí)際值相比誤差僅為 1% 和 3%，五通橋站洪水預(yù)報(bào)具體如圖3 所示。通過流域水庫群聯(lián)合調(diào)度，岷江流域水庫群攔蓄洪水 8 億 m3，在五通橋斷面將洪峰由 100 年一遇削減至 40 年一遇；涪江流域攔蓄洪水2 億 m3，在涪江橋斷面將洪峰由 80 年一遇削減至50 年一遇；嘉陵江流域水庫群攔蓄洪水 12 億 m3，將洪峰由 20 年一遇削減至 5 年一遇，削峰滯洪效果顯著，紫坪鋪水庫調(diào)度效果如圖4 所示。

5）水文應(yīng)急分析。水文應(yīng)急分析主要是指針對(duì)堰塞湖險(xiǎn)情的應(yīng)急分析，包含應(yīng)急預(yù)報(bào)方案編制、出入庫流量及壩前水位相關(guān)趨勢分析、堰塞湖庫容曲線計(jì)算、不同處置方案下的潰壩洪水演算及下游各斷面洪水演進(jìn)情況分析等功能，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成應(yīng)急處置所需的水文分析工作。

6）水情服務(wù)。為實(shí)現(xiàn) 21 個(gè)市州水情預(yù)報(bào)精細(xì)化服務(wù)，四川省切實(shí)加強(qiáng)動(dòng)態(tài)預(yù)警指標(biāo)分析，提升洪水預(yù)警精確度和權(quán)威性；加強(qiáng)水文氣象耦合，優(yōu)化完善預(yù)報(bào)模型和參數(shù)，提高預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度，延長有效預(yù)見期；加強(qiáng)流域水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)防洪效益最大化。廣泛收集水文大數(shù)據(jù)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，強(qiáng)化數(shù)據(jù)挖掘分析，構(gòu)建水文數(shù)據(jù)大腦，建立快速高效的水情預(yù)報(bào)服務(wù)體系，全力推動(dòng)省級(jí)防汛、水情、山洪 3 個(gè)業(yè)務(wù)平臺(tái)的融合與升級(jí)。

2 結(jié)語

“十三五”期間，四川省智慧水利建設(shè)已初顯成效。報(bào)汛數(shù)據(jù)總量顯著提高，報(bào)汛質(zhì)量穩(wěn)中有升，預(yù)報(bào)站點(diǎn)較“十二五”期間增長了 7.6 倍，預(yù)報(bào)站次增長了 60 倍。2020 年汛期全省實(shí)現(xiàn)防洪減災(zāi)經(jīng)濟(jì)效益 49.5 億元，減災(zāi)效益較 2019 年增長 70%。

圖3 五通橋站洪水預(yù)報(bào)

圖4 紫坪鋪水庫調(diào)度

綜上，智慧水利建設(shè)全面推動(dòng)了水文測報(bào)能力提檔升級(jí)，有力保障了洪水預(yù)報(bào)制作效率和精度，延長了有效預(yù)見期，顯著提升了流域水庫群調(diào)度削峰滯洪成效，大幅提高了防汛減災(zāi)經(jīng)濟(jì)效益，加快智慧水利建設(shè)已成為水利行業(yè)發(fā)展的必然方向?！笆奈濉逼陂g，四川省將繼續(xù)貫徹落實(shí)四川智慧水利建設(shè)總體思路，強(qiáng)化智慧水利在水旱災(zāi)害防御方面的應(yīng)用深度和廣度，努力提高預(yù)報(bào)調(diào)度自動(dòng)化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化水平，為水利行業(yè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供更加可靠的風(fēng)險(xiǎn)分析和更加優(yōu)化的決策支撐。