李 鵬，陳 杭，柳 濤

(1.上海協濟科技有限公司，上海 200433； 2.嘉興市水利局，浙江 嘉興 314001)

1 引言

為貫徹“十六字治水方針”，落實國家“十四五”規(guī)劃綱要的要求，水利部將智慧水利建設作為推動新時期水利高質量發(fā)展的重要實施路徑。

2021年10～11月份，水利部陸續(xù)發(fā)布了《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》《“十四五”智慧水利建設規(guī)劃》《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》等系列文件，提出以數字化、網絡化、智能化為主線，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，加快構建智慧水利體系[1]。

水災害防御信息化系統作為智慧水利建設的重要內容，取得了長足的發(fā)展，水利部牽頭建設了國家防汛抗旱指揮系統、中小河流水文監(jiān)測系統、山洪災害監(jiān)測預警系統等項目，為奪取歷次抵抗洪澇、臺風、干旱等災害的勝利提供了支撐[2]。利用信息化手段輔助制定水災害防御調度方案、為合理調度工程提供依據，能夠提升水災害防御能力[3]。信息化作為重要的非工程措施，主要作用體現在水雨情監(jiān)測、預報預警及調度決策支持等方面[4]。構建集信息采集、智能調度、調度決策于一體的水災害防御系統，成為提升水災害防御能力的重要途徑[5，6]。

近年來，嘉興市洪澇災害頻發(fā)，且影響范圍大，危害嚴重，水災害防御任務艱巨，對信息化系統建設提出了更高的要求[7]，因此為進一步深化水災害防御信息化建設，提升水災害防御能力，提出在滿足水利部智慧水利建設[8]和浙江省水利數字化改革[9，10]等政策要求的基礎上，結合嘉興市水利現狀，以信息化建設推進水災害防御決策調度機制改革為目標，構建水災害防御決策調度一體化平臺，為提升市域層面水災害防御水平，更好地守住底線、保障民生提供有力支撐[11]。

2 區(qū)域概況與需求分析

2.1 區(qū)域概況

嘉興市位于浙江省東北部、杭嘉湖平原腹部地帶。東臨上海市和東海，南靠杭州灣和錢塘江，西接杭州市和湖州市，北與江蘇省蘇州市接壤，陸域總面積4223 km2。嘉興市下設南湖區(qū)、秀洲區(qū)，轄嘉善、海鹽兩個縣及平湖、海寧、桐鄉(xiāng)3個縣級市。

嘉興市域為太湖東南的淺碟形洼地，地勢低平，一般田面高程為3.2～3.6 m(吳淞高程，下同)，最低僅為2.8 m。全市河湖密布，屬典型平原河網地區(qū)，河道總長1.38萬km(其中溇浜占總長的35%左右)，河道分布密度為3.5 km/km2。

嘉興市河網水體自然流向為西南流向東北，區(qū)域受梅雨與臺風影響較大，北部受太湖洪水下泄、西部有湖州德清大閘等分洪、東部受黃浦江潮位頂托、南部受錢塘江潮位等因素影響，防洪排澇工程調度十分復雜，水災害防御任務繁重。

2.2 需求分析

(1)嘉興市水利部門業(yè)務需求。 及時掌握本地降雨、水位監(jiān)測及預報情況，了解周邊地區(qū)杭州、湖州山區(qū)來水，了解下游上海境內黃浦江潮位頂托作用對嘉興排水影響，充分發(fā)揮工程能力，實現與流域區(qū)域的統籌調度[12]。

(2)縣(市、區(qū))水利部門業(yè)務需求。 及時了解自身及周邊區(qū)域降雨、水情和工情，準確預報代表站點、骨干河道、引排水量，掌握市級及周邊地區(qū)擬采取的調度措施，及時反饋縣(市、區(qū))調度信息。

(3)社會公眾服務需求。 完善信息服務平臺，豐富信息服務產品，實現水情、險情等信息的及時推送，提供水雨情預警、防汛防臺知識、災情上報等社會公眾服務。

3 建設目標

按照“需求牽引，應用至上”的建設原則，突出一體化、全方位、制度重塑、流程再造[13]，運用新一代信息化技術，強化物理流域與數字流域之間交互和深度融合，建立以流域防洪為重點的預報、預警、預演、預案“四預”體系，聚焦水災害防御方面的痛點、難點問題，依托一體化智慧水利大腦，迭代升級水災害防御決策支持系統的智慧化應用場景，推動市域水災害防御體系的整體優(yōu)化，保障嘉興水安全，為嘉興的幸福河湖建設提供支持(圖1)。

4 總體架構

按照水利部和浙江省水利廳的標準和要求，結合嘉興市水利信息化建設現狀，采用SOA體系架構的設計思想，提出了“4+3”的總體架構?！?”是指基礎設施、數據資源、水利大腦和業(yè)務應用，“3”是指政策制度體系、標準規(guī)范體系和安全保障體系(圖1)。

5 主要建設任務

充分利用已建的感知體系、數據資源和應用系統，深化業(yè)務流程再造和業(yè)務模式創(chuàng)新，搭建嘉興市本級、兩區(qū)三市兩縣一體化統籌調度的水災害防御應用場景。

水災害防御決策調度一體化平臺的主要建設任務包括整合完善基礎設施體系、匯集融合數據資源、構建智慧水利大腦和開發(fā)綜合業(yè)務應用。

5.1 整合完善基礎設施體系

充分利用已建的水情、雨情、工情和視頻等感知監(jiān)測設備，擴大監(jiān)測范圍、豐富監(jiān)測類別、創(chuàng)新監(jiān)測手段，形成監(jiān)測全面、安全可靠的水利智能感知體系。其中包括在杭嘉湖南排工程、城防工程、海塘、圩區(qū)等工程建設的64個雨量、水位、潮位、24個流量自動監(jiān)測點、20個重點水利工程工情采集點、1500個重點部位部署視頻監(jiān)測點和水文監(jiān)測站點193處,水文監(jiān)測站點實時監(jiān)測要素涵蓋水位、雨量、潮位、流量等。

系統部署于嘉興市政務云，由政務云提供基礎運行環(huán)境，通過政務專網連通省級和區(qū)縣政務云網絡。依托市政務云的安全防護體系，使系統達到等保2.0的要求。

圖1 平臺總體框架

5.2 匯集融合數據資源

按照水利信息資源標準規(guī)范和統一數據要求，對接省級數據資源目錄，梳理形成嘉興市基礎數據資源目錄和業(yè)務數據資源目錄，并建設數據庫和數據管理平臺，對目前嘉興市已建平臺的數據資源(基礎數據、監(jiān)測數據、業(yè)務數據、主題數據和元數據)進行初始化和匯聚，利用數據倉庫技術，構建數據治理、數據安全、質量管理模塊，實現數據抽取、匯聚、清洗轉換、數據編碼入庫。

其中監(jiān)測數據庫除匯集了嘉興市域內水雨情工情數據外，還接入了湖州市11個水位監(jiān)測點數據、杭州6個水位監(jiān)測點數據以及省外(太湖流域周邊)8個水位流量監(jiān)測點數據。

5.3 構建智慧水利大腦

智慧水利大腦主要包括水利模型和應用支撐，為應用層提供統一的數據服務，合理高效分配信息，構建開放、共享的開發(fā)環(huán)境，豐富“小前臺、大中臺”的應用生態(tài)，提升平臺整體的服務質量。實現各種業(yè)務工作流程的界面化配置和管理。

采用大數據、人工智能、水利數學模型等技術，依托嘉興市水管理平臺和嘉興市政務云平臺，構建嘉興市杭嘉湖平原河網地區(qū)模型和人工智能模型。對數學模型進行服務封裝，通過微服務架構，提供實時、高效、精準的計算分析服務，支撐預測預報、智能分析、調度模擬、方案優(yōu)選等功能應用[14]。

嘉興市杭嘉湖平原河網地區(qū)模型包括降雨產匯流、河網水動力、工程調度、防洪預報、風險評估等模型，覆蓋范圍包含浙西區(qū)、杭嘉湖區(qū)，西至含浙西及杭嘉湖山丘區(qū)，北至太湖及太浦河一線，東至杭嘉湖分區(qū)界，南至杭州灣。構建嘉興智慧水利大腦，提供嘉興防洪、水資源、水環(huán)境、工程調度等方面智能分析功能，對嘉興地區(qū)降雨、河湖水位、工程運用、洪澇災害等歷史資料進行大數據訓練學習，建立河湖水位變化、城市水環(huán)境變化與各影響因子的關系，并通過對模型進行持續(xù)訓練，完善降雨徑流、水量模型機理和功能，提升嘉興平原河網地區(qū)水循環(huán)模擬水平，滿足新形勢下嘉興及周邊地區(qū)水流運動情況智能模擬及精度要求。

在基礎要素建模方面，采用基于高分一號遙感衛(wèi)片開展杭嘉湖地區(qū)下墊面解譯，實現土地利用數據的收集整理，概化河道725條，其中，縣級以上河道137條(市級河道26條)；概化河道總長度達4880 km，平均斷面密度達1.5個/km；概化面積1 km2以上圩外湖泊共53個；總湖泊面積約118.4 km2，概化782座圩區(qū)，面積2194.9 km2，概化閘泵工程74座。并對區(qū)域范圍內的河湖取水口位置及規(guī)模進行概化，接入嘉興、平湖、王江涇等20個實時雨量站點，接入洞庭西山、米市渡等邊界水位站，接入澉浦、乍浦、鹽官3個外潮位邊界站點，接入區(qū)域內部代表水位站點23個，接入太浦閘站的實時流量。

5.4 開發(fā)綜合業(yè)務應用

水災害防御決策調度一體化平臺業(yè)務應用主要包括綜合監(jiān)視、預測預報、預案預演、指揮調度、搶險支持，工程管理和移動服務7大功能模塊。

(1)綜合監(jiān)視：依托數據倉庫和應用支撐，建立集成嘉興市及周邊區(qū)域的各種氣象、水情(水位、潮位、水量)、工情等信息的實時監(jiān)視、綜合數據查詢、分析等功能，為嘉興市、各區(qū)縣相關人員提供實時防汛、防臺、災害預警監(jiān)視服務，實現對水災害防御相關信息的綜合監(jiān)視和告警(圖2)。

圖2 綜合監(jiān)視功能界面

(2)預報預警：強化對嘉興洪水變化規(guī)律研究，基于嘉興智慧水利大腦專業(yè)分析模型，利用浙江省氣象部門的中長期和短期氣象預報數據，開展實況模擬、洪水預報等分析計算，建立實用的水災害預測預警體系。對嘉興及周邊地區(qū)代表站水位、引排水量、易澇點及易澇區(qū)域、重要堤段及圩區(qū)風險進行全面的預報與預警。在洪水預報場景中，實現全市骨干河道和主要水文站未來24～72 h洪水預報。在預報調度一體化場景中，洪水預報計算環(huán)節(jié)充分考慮南排工程、城防工程及其他水利工程的調度設定，以預報信息和風險分析為基礎，提升洪水預報調度一體化能力。

(3)預演預案：在預報預警分析成果的基礎上，模擬預報降雨、設計降雨及歷史相似降雨等多種場景，進行工程調度模擬、工程防御能力分析、城市實時洪水風險分析。在洪水調度場景中，依據主要水文站點水位預報成果、骨干河道沿程水位變化，以及市域洪水風險評估，實現流域大洪水統籌調度、風險可控，對杭嘉湖嘉興地區(qū)的防洪排澇態(tài)勢的計算分析，并按照維持工控不變、調度規(guī)則調度、歷史相似條件調度、人工設置等不同調度方案進行模擬預測，形成各類工程調度預案及相應的預演場景，并對不同調度模式下的調度效果進行分析，對防洪形勢作出判斷，實現市域內重要水利工程的調度模擬和優(yōu)化方案推薦，增強調度決策的主動性(圖3)。

圖3 水災害防御預報調度一體化流程

(4)指揮調度：實現調度指令的數字化、流程化管理，按照水災害防御組織體系下發(fā)到相應的單位、部門與人員，并動態(tài)查看調度指令的執(zhí)行情況。通過平臺建設重塑指揮調度工作流程，實現指揮調度更科學、更精準、更高效。

(5)搶險支持：根據不同區(qū)域出現的不同類型的險情災情，提供嘉興市全域的搶險隊伍、搶險物資的分布情況，并提供搶險的專業(yè)技術支撐和搶險專家推薦。在工程險情處置場景中，迭代建設搶險方案智能場景應用，運用多種通信手段，實現險情遠程會診、實時會商和可視化指揮。在物資聯儲聯調場景中，實現搶險資源科學管控，動態(tài)更新搶險物資設備、搶險專家隊伍分布，自動配置搶險資源，實現省市縣資源共享共用。

(6)工程管理：按照“一數一源、動態(tài)管理、分級負責”的原則對南排工程、城防工程、堤防等水利工程對象進行全要素管理，重點工程實現三維實景展示，按照工程運行管理業(yè)務流程再造和業(yè)務模式創(chuàng)新的思路，將日常調度運行、工程檢查、隱患處理、維修養(yǎng)護等事項進行數字化、流程化在線管理，做到管理有遵循、任務事項可追溯、工作有留痕[14]。并依托水利智慧大腦提供的智能模擬分析功能，為南排工程、城防工程的精準預測、精細調度、統籌調度、科學調度提供決策支撐。

(7)移動服務：面向治理端(“浙政釘”)，構建嘉興市防洪減災在線移動應用，主要包含水雨情監(jiān)測預報預警、工程搶險、防汛值班等功能。面向服務端(“浙里辦”)，構建“嘉水在線”數字化移動應用。按照“互聯網+水災害防御”新思維，為市民提供便捷防汛公共服務。

6 平臺亮點

6.1 場景化

面向政府部門、閘站管理機構、社會公眾等不同對象，建立長山閘、獨山樞紐等重點工程的三維模型，實現遙感影像、傾斜攝影、視頻圖像三圖融合，構建面向重要對象的數字孿生場景，全方位、多角度展示物理世界水利基礎信息和動態(tài)信息，利用智慧水利大腦，開展水位、流量及工程運行的預測分析，形成工程運行調度預案并反饋給物理世界，實現物理世界與孿生場景的互相映射、實時聯動，提供沉浸式體驗服務。

6.2 一體化

按照嘉興市水災害防御工作要求，系統按照共建、共享、共用的原則，落實跨界、融合、協同的建設思路[15]，實現了數據一體化、應用一體化和服務一體化，為市縣兩級水旱災害防御提供支持。

6.3 智慧化

基于智慧水利大腦，構建預報-預警-預演-預案全鏈條式的水災害防御四預場景化應用，開展嘉興全域引排水量、代表站點及主要河道圩區(qū)的水位預測預報，實現實時預報、動態(tài)預警和智慧模擬，進一步提高預報精度，為嘉興市及各縣(市、區(qū))的水災害防御提供科學的決策支持。

6.4 精準化

通過“四預”場景化模擬分析，結合人工經驗判斷，形成不同降雨條件下工程的調度推薦方案，基于工程的調度原則，精準實施南排工程及圩區(qū)工程的調度運用[16]，最大程度地發(fā)揮水利工程在水災害防御中的調度作用。

7 應用效果

7.1 提升了水安全保障能力，減少社會經濟損失

通過嘉興市水災害防御決策調度一體化平臺建設，提高了對區(qū)域內水災害監(jiān)控和態(tài)勢分析能力，實現洪水、水量變化情況的及時預報預警，增強嘉興市水利局和各縣市區(qū)的統籌調度，優(yōu)化了區(qū)域一體化防洪除澇格局，增強了洪水風險統籌管控能力。通過嘉興全域四預應用建設，提升了市縣各級管理單位的災害形勢研判、業(yè)務流程管控、突發(fā)性水事件快速處置能力，保障嘉興全域水安全。

7.2 實現水利工程科學化調度，提升防洪排澇效益

利用智慧水利大腦，模擬城防、南排等工程在多種組合運用下骨干河道的洪峰到達時間、水位變化過程及圩區(qū)淹沒情況，并對調度效果進行分析。依據調度方案對比分析成果，結合專家經驗研判，形成不同等級響應狀態(tài)下的水災害防御預案，指導水利工程科學化和精準化調度，提升水利工程防洪排澇效益。

7.3 實現多部門、多層級協同應用，提升業(yè)務管理能力

利用數字化手段，賦能防汛業(yè)務，實現業(yè)務流程再造，突破原有防汛調度體系，建立嘉興市水利工程聯合調度工作規(guī)則，按照“共建共享、互聯互通”原則，建成覆蓋市、縣多級部門共用的水災害防御決策調度一體化應用，實現業(yè)務管理流程化、調度指令數字化，提升業(yè)務管理能力。

8 結論與討論

按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，運用大數據、物聯網、云計算、移動互聯、人工智能等先進技術，充分利用已建的感知體系、數據資源和應用系統，深化業(yè)務流程再造和業(yè)務模式創(chuàng)新，搭建流域、周邊區(qū)域、嘉興市本級、兩區(qū)三市兩縣一體化統籌調度的跨區(qū)域、跨部門、跨層級的多跨水災害防御應用場景，構建嘉興市水災害防御決策調度一體化平臺，實現綜合監(jiān)視、預測預報、預案預演、指揮調度、搶險支持和移動服務等功能。全面提高了嘉興市水旱災害防御指揮調度水平，全面發(fā)揮了嘉興市水利工程調度防洪減災效益，全面增強了嘉興市洪澇災害風險應對管理能力，對推動水災害防御區(qū)域一體化具有重要意義。同時，該平臺在建模的精度、多跨應用深度等方面仍有待提升，下一步需更新完善下墊面、DEM、河道斷面等基礎資料，持續(xù)率定水文水動力模型，完善水量水質預測預報和分析評價模型，提升預測預報精度，支撐防洪、水資源、水環(huán)境多目標統籌調度，提升洪澇災害防控、水資源調配和水環(huán)境提升的綜合決策能力。