常高松，徐 翔，謝學成

（四川省水文水資源勘測局，四川 成都 610036）

0 引言

近年來，水利部大力推進智慧水利建設，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)塊鏈等新技術正加速與水利業(yè)務深度融合[2]。

就預報調(diào)度方面而言，水文氣象預報技術手段也已有了較大提升，預報模型更加準確，特別是氣象水文預報耦合、人機交互預報、預報調(diào)度一體化等技術應用，有效提高了洪水預報精度，延長了洪水預報的預見期，為防洪調(diào)度提供了強有力的技術支撐。在步入信息多元化的大數(shù)據(jù)時代，洪水預報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)驗處理方法。目前多源信息融合、數(shù)據(jù)同化、集合預報、人工智能、大數(shù)據(jù)、分布式模擬等技術有了長足發(fā)展[3]，洪水預報業(yè)務正逐漸由經(jīng)驗驅動向數(shù)據(jù)驅動轉變，洪水影響預報和風險預警能力顯著提升，水旱災害防御支撐能力顯著增強。

1 智慧水利在四川省水旱災害防御中的應用

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 個市（州）行政中心均沿河分布，全省有近 50 個重要城市（包括縣城）位于河流水網(wǎng)交匯處，防汛減災任務艱巨[4]。

2020 年汛期，四川省各地遭遇嚴重洪澇災害，降雨強度、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、強度大、歷時長等特點。8 月，四川省氣象臺首次連續(xù) 2 d 發(fā)布暴雨橙色預警，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，對全省水旱災害防御工作提出了嚴峻考驗。

作為水旱災害防御技術支撐單位，四川省水文局著手從感知層、支撐層、應用層搭建省級智慧水利在水旱災害防御中的總體架構[5–6]，開發(fā)完善預報調(diào)度一體化平臺，構建四川省“水旱災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)。通過測驗方式改革和“一站一策”全面推進，四川省水文測驗方式已由傳統(tǒng)的測站駐測轉變?yōu)椤榜v巡結合、巡測為主、應急補充”的新模式，全省共計57 個巡測片區(qū)，自動雨水情監(jiān)測站點已達 4 300 余處。水文監(jiān)測能力也在不斷提檔升級，利用側掃雷達、測雨雷達、電波流速儀、三維激光掃描儀，以及無人機搭載在線測流、水質監(jiān)測、測深儀等設備實現(xiàn)水文，地形，大氣等多要素無接觸式感知。

圖1 四川水旱災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、遙測數(shù)據(jù)庫、實時水情庫、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《水文自動測報系統(tǒng)技術規(guī)約和協(xié)議》統(tǒng)一了自動測報系統(tǒng)建設的技術標準，實現(xiàn)了信息的標準化處理，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、縣各級間互聯(lián)互通的水利專線網(wǎng)絡，匯集到遙測數(shù)據(jù)庫和實時水情庫，并供專用數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一調(diào)用，基于微服務架構實現(xiàn)水旱災害防御決策支持系統(tǒng)的各類應用服務。所有數(shù)據(jù)庫均已在政務云及本地分別架設、互為備份，基本實現(xiàn) 5 min 內(nèi)完成全省 4 300 余處站點遙測數(shù)據(jù)的接收、處理、入庫，以及與水利部、各流域機構、鄰近省份及各地區(qū)水文局的數(shù)據(jù)交換，全面實現(xiàn)信息處理自動化。

1.3 應用層

應用層主要包含在水旱災害防御工作中所需開展的各項業(yè)務，包括以下幾個方面內(nèi)容：

1）值班管理。值班管理主要實現(xiàn)對值班流程電子化，值班人員在值班當日能夠一站式監(jiān)視水雨情變化、站點報汛、設備工況、系統(tǒng)運行狀態(tài)、公文處理進度等內(nèi)容，并對“錯、遲、漏、缺”信息進行處理，同時在值班結束時由系統(tǒng)自動形成值班記錄。

2）實時水雨情監(jiān)視。四川省以 GIS 一張圖為核心，已實現(xiàn)覆蓋省市縣三級的實時水雨情監(jiān)視查詢，主要包括雨量、河道、水庫實時數(shù)據(jù)報警監(jiān)視，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計。

3）防汛形勢分析?；?GIS 一張圖，四川省以地圖展示為核心，配合圖標展示，實現(xiàn)雨情、河道水情、水庫水情等方面的防汛形勢分析功能。雨情分析主要對氣象預報及實時雨情進行網(wǎng)格化解析，并進行全省山洪災害風險分析，具體如圖2 所示。河道水情分析主要對河道實時水情進行多站對比分析，并結合預報成果，對洪水河道演進情況和淹沒范圍進行展示。水庫水情分析主要對水庫特征值、超汛限、來水等情況進行展示，可結合典型年進行對比分析，制作了調(diào)度建議的水庫能夠對調(diào)度效益進行展示和分析。

4）預報調(diào)度。近年來，四川省堅持大力推動預報調(diào)度一體化建設進程，加速推動水利、水文、氣象等行業(yè)邊界模糊化，提高防汛減災體系信息交互能力，拓寬洪水預測預警預報的服務領域，開展多方法多模型適用性研究。洪水預警預報范圍實現(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變，服務對象實現(xiàn)由站點預警預報向沿江沿河重點城市預警預報的轉變，預報制作實現(xiàn)單站預報向河系預報的轉變，預報調(diào)度工作流程進一步優(yōu)化，在氣象網(wǎng)格化降雨數(shù)值預報自動解析和江河洪水超前預警的基礎上，利用預警成果對相應流域具有一定調(diào)節(jié)能力的水庫提出合理的預泄建議。后續(xù)根據(jù)實際降雨情況滾動制作發(fā)布精細化預警預報，利用洪水預報成果提出洪水錯峰調(diào)度、下游補償調(diào)度等水庫優(yōu)化調(diào)度建議。隨著預報調(diào)度一體化建設進程的不斷推進，依托洪水預報調(diào)度系統(tǒng)和模型庫，目前已能夠實現(xiàn) 30 min 內(nèi)完成四川省河系預報體系 261 處節(jié)點洪水預報的分析制作，并結合控制性水利工程調(diào)度運行規(guī)程完成流域水庫群聯(lián)防聯(lián)調(diào)，大幅提高了水旱災害防御綜合效益和決策效率。

圖2 四川省山洪災害風險預警圖（6 月 26 日 20 時—6 月 27 日 20 時）

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，最大累計降雨量達 1 066 mm。強降雨下，涪江、沱江、青衣江發(fā)生特大洪水，多條江河形成編號洪水。本輪洪水量級大，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制作發(fā)布洪水預測591 站次，洪水預警 1 140 站次，洪水預報 324 站次，水情簡報 433 份，全省關鍵期洪水預報精度高達 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報，與實際值相比誤差為 1% 和2%。提前 3，4 h 發(fā)布彭山站、五通橋洪峰預報，與實際值相比誤差僅為 1% 和 3%，五通橋站洪水預報具體如圖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）水文應急分析。水文應急分析主要是指針對堰塞湖險情的應急分析，包含應急預報方案編制、出入庫流量及壩前水位相關趨勢分析、堰塞湖庫容曲線計算、不同處置方案下的潰壩洪水演算及下游各斷面洪水演進情況分析等功能，能夠在短時間內(nèi)完成應急處置所需的水文分析工作。

6）水情服務。為實現(xiàn) 21 個市州水情預報精細化服務，四川省切實加強動態(tài)預警指標分析，提升洪水預警精確度和權威性；加強水文氣象耦合，優(yōu)化完善預報模型和參數(shù)，提高預報精準度，延長有效預見期；加強流域水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)防洪效益最大化。廣泛收集水文大數(shù)據(jù)，加強數(shù)據(jù)質量控制，強化數(shù)據(jù)挖掘分析，構建水文數(shù)據(jù)大腦，建立快速高效的水情預報服務體系，全力推動省級防汛、水情、山洪 3 個業(yè)務平臺的融合與升級。

2 結語

“十三五”期間，四川省智慧水利建設已初顯成效。報汛數(shù)據(jù)總量顯著提高，報汛質量穩(wěn)中有升，預報站點較“十二五”期間增長了 7.6 倍，預報站次增長了 60 倍。2020 年汛期全省實現(xiàn)防洪減災經(jīng)濟效益 49.5 億元，減災效益較 2019 年增長 70%。

圖3 五通橋站洪水預報

圖4 紫坪鋪水庫調(diào)度

綜上，智慧水利建設全面推動了水文測報能力提檔升級，有力保障了洪水預報制作效率和精度，延長了有效預見期，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經(jīng)濟效益，加快智慧水利建設已成為水利行業(yè)發(fā)展的必然方向?！笆奈濉逼陂g，四川省將繼續(xù)貫徹落實四川智慧水利建設總體思路，強化智慧水利在水旱災害防御方面的應用深度和廣度，努力提高預報調(diào)度自動化、智能化和標準化水平，為水利行業(yè)和經(jīng)濟社會發(fā)展提供更加可靠的風險分析和更加優(yōu)化的決策支撐。