智慧水利在四川洪水预报和防洪调度中的应用

常高松，徐 翔，谢学成

（四川省水文水资源勘测局，四川 成都 610036）

0 引言

近年来，水利部大力推进智慧水利建设，在全国范围内开展智慧水利先行先试工作[1]，物联网、视频、遥感、大数据、人工智能、5G、区块链等新技术正加速与水利业务深度融合[2]。

就预报调度方面而言，水文气象预报技术手段也已有了较大提升，预报模型更加准确，特别是气象水文预报耦合、人机交互预报、预报调度一体化等技术应用，有效提高了洪水预报精度，延长了洪水预报的预见期，为防洪调度提供了强有力的技术支撑。在步入信息多元化的大数据时代，洪水预报方法研究正致力于用大数据替换过去模型中的概念性经验处理方法。目前多源信息融合、数据同化、集合预报、人工智能、大数据、分布式模拟等技术有了长足发展[3]，洪水预报业务正逐渐由经验驱动向数据驱动转变，洪水影响预报和风险预警能力显著提升，水旱灾害防御支撑能力显著增强。

1 智慧水利在四川省水旱灾害防御中的应用

四川省河流众多，被称为千河之省，全省流域面积超过 50 km2的河流总数为 2 816 条（不包括都江堰灌区内的灌溉型河流），21 个市（州）行政中心均沿河分布，全省有近 50 个重要城市（包括县城）位于河流水网交汇处，防汛减灾任务艰巨[4]。

2020 年汛期，四川省各地遭遇严重洪涝灾害，降雨强度、流域水情屡超历史记录。区域性暴雨过程普遍存在范围广、强度大、历时长等特点。8 月，四川省气象台首次连续 2 d 发布暴雨橙色预警，特别是盆地周边接连遭遇“8·11”“8·18”2 轮特大暴雨袭击，2 轮暴雨最大累计降雨量超过 1 000 mm。汛期，岷江、青衣江、沱江、涪江、大渡河等流域干流发生超保证水位洪水，雅砻江、嘉陵江干流发生超警戒水位洪水，全省各主要江河均有支流发生超警戒或保证水位洪水，其中岷江、涪江、沱江、青衣江发生超历史或接近历史记录的特大洪水。全省共 133 条河流 427 站次发生超警戒水位洪水，其中 53 条河流 164 站次发生超保证水位洪水，对全省水旱灾害防御工作提出了严峻考验。

作为水旱灾害防御技术支撑单位，四川省水文局着手从感知层、支撑层、应用层搭建省级智慧水利在水旱灾害防御中的总体架构[5–6]，开发完善预报调度一体化平台，构建四川省“水旱灾害防御决策支持系统”，总体框架如图1 所示。

1.1 感知层

感知层主要包含前端的天空地一体感知网。通过测验方式改革和“一站一策”全面推进，四川省水文测验方式已由传统的测站驻测转变为“驻巡结合、巡测为主、应急补充”的新模式，全省共计57 个巡测片区，自动雨水情监测站点已达 4 300 余处。水文监测能力也在不断提档升级，利用侧扫雷达、测雨雷达、电波流速仪、三维激光扫描仪，以及无人机搭载在线测流、水质监测、测深仪等设备实现水文，地形，大气等多要素无接触式感知。

图1 四川水旱灾害防御智慧水利总框架

1.2 支撑层

支撑层主要包含水利专线网络、遥测数据库、实时水情库、专用数据库和数据交换系统。采用自主编制的 SCSW 008—2011《水文自动测报系统技术规约和协议》统一了自动测报系统建设的技术标准，实现了信息的标准化处理，为水文监测、水资源专用、墒情监测及未来新增站点的数据接入与统一管理提供了保障。感知层采集到的数据通过省、市、县各级间互联互通的水利专线网络，汇集到遥测数据库和实时水情库，并供专用数据库统一调用，基于微服务架构实现水旱灾害防御决策支持系统的各类应用服务。所有数据库均已在政务云及本地分别架设、互为备份，基本实现 5 min 内完成全省 4 300 余处站点遥测数据的接收、处理、入库，以及与水利部、各流域机构、邻近省份及各地区水文局的数据交换，全面实现信息处理自动化。

1.3 应用层

应用层主要包含在水旱灾害防御工作中所需开展的各项业务，包括以下几个方面内容：

1）值班管理。值班管理主要实现对值班流程电子化，值班人员在值班当日能够一站式监视水雨情变化、站点报汛、设备工况、系统运行状态、公文处理进度等内容，并对“错、迟、漏、缺”信息进行处理，同时在值班结束时由系统自动形成值班记录。

2）实时水雨情监视。四川省以 GIS 一张图为核心，已实现覆盖省市县三级的实时水雨情监视查询，主要包括雨量、河道、水库实时数据报警监视，实时监测数据查询统计。

3）防汛形势分析。基于 GIS 一张图，四川省以地图展示为核心，配合图标展示，实现雨情、河道水情、水库水情等方面的防汛形势分析功能。雨情分析主要对气象预报及实时雨情进行网格化解析，并进行全省山洪灾害风险分析，具体如图2 所示。河道水情分析主要对河道实时水情进行多站对比分析，并结合预报成果，对洪水河道演进情况和淹没范围进行展示。水库水情分析主要对水库特征值、超汛限、来水等情况进行展示，可结合典型年进行对比分析，制作了调度建议的水库能够对调度效益进行展示和分析。

4）预报调度。近年来，四川省坚持大力推动预报调度一体化建设进程，加速推动水利、水文、气象等行业边界模糊化，提高防汛减灾体系信息交互能力，拓宽洪水预测预警预报的服务领域，开展多方法多模型适用性研究。洪水预警预报范围实现由主要江河控制断面向大江大河、重要支流和中小河流并重的转变，服务对象实现由站点预警预报向沿江沿河重点城市预警预报的转变，预报制作实现单站预报向河系预报的转变，预报调度工作流程进一步优化，在气象网格化降雨数值预报自动解析和江河洪水超前预警的基础上，利用预警成果对相应流域具有一定调节能力的水库提出合理的预泄建议。后续根据实际降雨情况滚动制作发布精细化预警预报，利用洪水预报成果提出洪水错峰调度、下游补偿调度等水库优化调度建议。随着预报调度一体化建设进程的不断推进，依托洪水预报调度系统和模型库，目前已能够实现 30 min 内完成四川省河系预报体系 261 处节点洪水预报的分析制作，并结合控制性水利工程调度运行规程完成流域水库群联防联调，大幅提高了水旱灾害防御综合效益和决策效率。

图2 四川省山洪灾害风险预警图（6 月 26 日 20 时—6 月 27 日 20 时）

以 2020 年“8·11”“8·18”四川省流域性特大暴雨洪水过程为例，连续 2 轮历史罕见的极端持续暴雨天气过程，最大累计降雨量达 1 066 mm。强降雨下，涪江、沱江、青衣江发生特大洪水，多条江河形成编号洪水。本轮洪水量级大，全面超过 2018 年“7·9”特大洪水，大部分流域超过 1981 年 7 月特大洪水。本轮过程全省共滚动制作发布洪水预测591 站次，洪水预警 1 140 站次，洪水预报 324 站次，水情简报 433 份，全省关键期洪水预报精度高达 95% 以上。分别提前 7，10 h 发布三皇庙和登瀛岩水文站洪峰预报，与实际值相比误差为 1% 和2%。提前 3，4 h 发布彭山站、五通桥洪峰预报，与实际值相比误差仅为 1% 和 3%，五通桥站洪水预报具体如图3 所示。通过流域水库群联合调度，岷江流域水库群拦蓄洪水 8 亿 m3，在五通桥断面将洪峰由 100 年一遇削减至 40 年一遇；涪江流域拦蓄洪水2 亿 m3，在涪江桥断面将洪峰由 80 年一遇削减至50 年一遇；嘉陵江流域水库群拦蓄洪水 12 亿 m3，将洪峰由 20 年一遇削减至 5 年一遇，削峰滞洪效果显著，紫坪铺水库调度效果如图4 所示。

5）水文应急分析。水文应急分析主要是指针对堰塞湖险情的应急分析，包含应急预报方案编制、出入库流量及坝前水位相关趋势分析、堰塞湖库容曲线计算、不同处置方案下的溃坝洪水演算及下游各断面洪水演进情况分析等功能，能够在短时间内完成应急处置所需的水文分析工作。

6）水情服务。为实现 21 个市州水情预报精细化服务，四川省切实加强动态预警指标分析，提升洪水预警精确度和权威性；加强水文气象耦合，优化完善预报模型和参数，提高预报精准度，延长有效预见期；加强流域水库群联合优化调度，实现防洪效益最大化。广泛收集水文大数据，加强数据质量控制，强化数据挖掘分析，构建水文数据大脑，建立快速高效的水情预报服务体系，全力推动省级防汛、水情、山洪 3 个业务平台的融合与升级。

2 结语

“十三五”期间，四川省智慧水利建设已初显成效。报汛数据总量显著提高，报汛质量稳中有升，预报站点较“十二五”期间增长了 7.6 倍，预报站次增长了 60 倍。2020 年汛期全省实现防洪减灾经济效益 49.5 亿元，减灾效益较 2019 年增长 70%。

图3 五通桥站洪水预报

图4 紫坪铺水库调度

综上，智慧水利建设全面推动了水文测报能力提档升级，有力保障了洪水预报制作效率和精度，延长了有效预见期，显著提升了流域水库群调度削峰滞洪成效，大幅提高了防汛减灾经济效益，加快智慧水利建设已成为水利行业发展的必然方向。“十四五”期间，四川省将继续贯彻落实四川智慧水利建设总体思路，强化智慧水利在水旱灾害防御方面的应用深度和广度，努力提高预报调度自动化、智能化和标准化水平，为水利行业和经济社会发展提供更加可靠的风险分析和更加优化的决策支撑。