胡健偉，孔祥意，趙蘭蘭，朱 冰

（水利部信息中心，北京 100053）

0 引言

國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出“構(gòu)建智慧水利體系，以流域?yàn)閱卧嵘闇y(cè)報(bào)和智能調(diào)度能力”[1]。水利部高度重視智慧水利建設(shè)，將推進(jìn)智慧水利建設(shè)作為推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的最顯著標(biāo)志和六條實(shí)施路徑之一，提出“要加快構(gòu)建具有‘四預(yù)’（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）功能的智慧水利體系”[2]。水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”是智慧水利建設(shè)的重要組成部分，是數(shù)字孿生流域建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，也是檢驗(yàn)數(shù)字孿生流域建設(shè)成果的主要標(biāo)準(zhǔn)[3]?！端麡I(yè)務(wù)“四預(yù)”基本技術(shù)要求（試行）》重點(diǎn)針對(duì)是什么、建什么、怎么建等問(wèn)題，提出了水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”功能的主要內(nèi)容、技術(shù)要求等。流域防洪是水利“2 +N”業(yè)務(wù)中最為關(guān)鍵的業(yè)務(wù)，防洪“四預(yù)”功能也相對(duì)成熟，本文以防洪業(yè)務(wù)為例進(jìn)行“四預(yù)”功能解讀。

1 “四預(yù)”關(guān)系

防洪業(yè)務(wù)中預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案四者環(huán)環(huán)相扣，層層遞進(jìn)。其中，預(yù)報(bào)是基礎(chǔ)，對(duì)水位、流量、水量、地下水位、墑情、泥沙、冰情、水質(zhì)、臺(tái)風(fēng)暴潮、淹沒(méi)影響、位移形變等水安全要素進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，提高預(yù)報(bào)精度，延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期，為預(yù)警工作贏得先機(jī)；預(yù)警是前哨，及時(shí)把預(yù)警信息直達(dá)水利工作一線和受影響區(qū)域的社會(huì)公眾，安排部署工程巡查、工程調(diào)度、人員轉(zhuǎn)移等工作，提高預(yù)警時(shí)效性、精準(zhǔn)度，為啟動(dòng)預(yù)演工作提供指引；預(yù)演是關(guān)鍵，合理確定水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的調(diào)度目標(biāo)、預(yù)演節(jié)點(diǎn)、邊界條件等，在數(shù)字孿生流域中對(duì)典型歷史事件場(chǎng)景下的水利工程調(diào)度進(jìn)行精準(zhǔn)復(fù)演，確保所構(gòu)建的模型系統(tǒng)準(zhǔn)確，對(duì)設(shè)計(jì)、規(guī)劃或未來(lái)預(yù)報(bào)場(chǎng)景下的水利工程運(yùn)用進(jìn)行模擬仿真，具備“正向”“逆向”功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，科學(xué)制定和優(yōu)化調(diào)度方案；預(yù)案是目的，依據(jù)預(yù)演確定的方案，考慮水利工程最新工況、經(jīng)濟(jì)社會(huì)情況，確定工程調(diào)度運(yùn)用、非工程措施和組織實(shí)施方式，確保預(yù)案的可操作性[4-6]。“四預(yù)”關(guān)系圖如圖1 所示。

2 預(yù)報(bào)

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，遵循客觀規(guī)律，在總結(jié)分析典型歷史事件和及時(shí)掌握現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采用基于機(jī)理揭示和規(guī)律把握、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等數(shù)學(xué)模型方法，對(duì)水安全要素發(fā)展趨勢(shì)做出不同預(yù)見(jiàn)期（短期、中期、長(zhǎng)期等）的定量或定性分析，提高預(yù)報(bào)精度、延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期。

防洪預(yù)報(bào)主要分以下 3 個(gè)環(huán)節(jié)：

1）明確預(yù)報(bào)任務(wù)。明確預(yù)報(bào)任務(wù)指明確預(yù)報(bào)對(duì)象及預(yù)報(bào)要素的精度和預(yù)見(jiàn)期，不同預(yù)報(bào)對(duì)象對(duì)預(yù)報(bào)要素精度和預(yù)見(jiàn)期的要求不一，必須在開展預(yù)報(bào)工作之前進(jìn)行分析確定，如堤防的水位、水庫(kù)的入流和庫(kù)水位等，短期洪水預(yù)報(bào)需要精準(zhǔn)，中長(zhǎng)期要能把握趨勢(shì)。

2）編制預(yù)報(bào)方案。編制預(yù)報(bào)方案是防洪預(yù)報(bào)的關(guān)鍵基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，包括了收集資料、構(gòu)建預(yù)報(bào)拓?fù)?、選擇模型、率定參數(shù)和評(píng)定方案等內(nèi)容[7]。收集資料是指基于數(shù)據(jù)底板，獲取能反映歷史演變客觀規(guī)律的系列和重要特征資料，充分考慮監(jiān)測(cè)站網(wǎng)密度和信息報(bào)送情況，對(duì)所收集的資料要進(jìn)行質(zhì)量控制，一般要求不少于 10 a，滿足可靠性、一致性、代表性的要求；構(gòu)建預(yù)報(bào)拓?fù)涫侵敢粤饔蚧騾^(qū)域?yàn)閱卧?，以水文測(cè)站、水利工程、影響區(qū)域等為節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的河系預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)，預(yù)報(bào)拓?fù)湟哂猩舷掠?、左右岸的水力?lián)系；選擇模型是指針對(duì)不同的預(yù)報(bào)拓?fù)潢P(guān)系，從水利專業(yè)模型平臺(tái)中選擇基于機(jī)理揭示和規(guī)律把握、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等數(shù)學(xué)模型方法，應(yīng)充分考慮模型的適應(yīng)性，發(fā)揮多種模型嵌套融合作用，進(jìn)行多模型方法參證分析；率定參數(shù)是指根據(jù)歷史資料率定模型參數(shù)，也可以直接通過(guò)物理特性確定，參數(shù)率定應(yīng)采用智能優(yōu)選和人工優(yōu)選相結(jié)合的方式，參數(shù)應(yīng)進(jìn)行敏感性、合理性、可靠性分析，并將最新資料實(shí)時(shí)滾動(dòng)納入模型參數(shù)確定；評(píng)定方案是指選擇合適的指標(biāo)進(jìn)行方案精度評(píng)定，要選用未參與參數(shù)率定的洪水資料進(jìn)行評(píng)定，洪峰水位（流量）、峰現(xiàn)時(shí)間、洪量等要素應(yīng)使用合格率指標(biāo)評(píng)定，等級(jí)分為甲、乙、丙三級(jí)，乙級(jí)以上的方案可進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)。

3）洪水作業(yè)預(yù)報(bào)。洪水作業(yè)預(yù)報(bào)要依托洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提高作業(yè)預(yù)報(bào)效率，預(yù)報(bào)結(jié)果要依據(jù)《全國(guó)洪水作業(yè)預(yù)報(bào)工作管理辦法》（辦水文〔2018〕152 號(hào)）進(jìn)行會(huì)商，集思廣益，最后按相關(guān)規(guī)定正式發(fā)布預(yù)報(bào)結(jié)果。預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)具備自動(dòng)預(yù)報(bào)、人機(jī)交互、多模型選擇、多方案參證等功能，應(yīng)具有界面友好、響應(yīng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。預(yù)報(bào)會(huì)商要充分吸納各方意見(jiàn)，減少預(yù)報(bào)不確定性。成果發(fā)布依據(jù)相關(guān)規(guī)定，及時(shí)將預(yù)報(bào)成果報(bào)送有關(guān)部門，并按照職責(zé)權(quán)限向社會(huì)統(tǒng)一發(fā)布。

防洪預(yù)報(bào)緊扣“降雨—產(chǎn)流—匯流—演進(jìn)”預(yù)報(bào)環(huán)節(jié)，要點(diǎn)在延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期、提高預(yù)報(bào)精度、提升作業(yè)預(yù)報(bào)效率等方面。通過(guò)加強(qiáng)氣象水文、預(yù)報(bào)調(diào)度耦合，建立以流域?yàn)閱卧亩讨虚L(zhǎng)期預(yù)報(bào)體系，延長(zhǎng)洪水預(yù)見(jiàn)期；建立洪水預(yù)報(bào)模型參數(shù)在線率定機(jī)制，實(shí)時(shí)滾動(dòng)分析已發(fā)生洪水的預(yù)報(bào)規(guī)律，提高洪水預(yù)報(bào)精度；洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的河系預(yù)報(bào)模式是提升作業(yè)預(yù)報(bào)效率的關(guān)鍵。

3 預(yù)警

根據(jù)水利工作和社會(huì)公眾的需求，制定水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和閾值，拓寬預(yù)警信息發(fā)布渠道，使預(yù)警信息及時(shí)直達(dá)水利工作一線，為采取工程巡查、工程調(diào)度、人員轉(zhuǎn)移等響應(yīng)措施提供指引；使預(yù)警信息及時(shí)直達(dá)受影響區(qū)域的社會(huì)公眾，為提前采取防災(zāi)避險(xiǎn)措施提供信息服務(wù)。

防洪預(yù)警主要分為以下 3 個(gè)環(huán)節(jié)：

1）明確預(yù)警任務(wù)。明確預(yù)警任務(wù)主要指針對(duì)行業(yè)和社會(huì)預(yù)警，分清預(yù)警對(duì)象，確定不同預(yù)警渠道和指南，面向行業(yè)的預(yù)警要預(yù)在前，為行業(yè)的處置贏得時(shí)間；面向社會(huì)的預(yù)警要預(yù)在準(zhǔn)，為社會(huì)公眾做好應(yīng)對(duì)指導(dǎo)。

2）制定預(yù)警指標(biāo)。制定預(yù)警指標(biāo)指針對(duì)不同的水文要素制定不同等級(jí)的閾值，如有堤防的預(yù)警區(qū)域一般采用水位，北方河流一般采用流量，山洪可采用時(shí)段降雨量指標(biāo)，水庫(kù)可采用入庫(kù)流量或洪量指標(biāo)等；預(yù)警由低至高依次為藍(lán)色、黃色、橙色、紅色 4 個(gè)等級(jí)[8]；閾值指標(biāo)可以采用單站或多站組合進(jìn)行制定。

3）規(guī)范預(yù)警發(fā)布。預(yù)警發(fā)布要有規(guī)范的流程，特別是要制定預(yù)警發(fā)布管理辦法，對(duì)發(fā)布的單位、時(shí)間、流程，以及預(yù)警指標(biāo)、內(nèi)容等進(jìn)行規(guī)范；預(yù)警內(nèi)容一般包括實(shí)況和預(yù)報(bào)的雨水情信息，應(yīng)明確簡(jiǎn)潔、通俗易懂，特別是社會(huì)預(yù)警要讓社會(huì)公眾不僅了解洪水情況，而且明白如何應(yīng)對(duì)；預(yù)警要按照制定的流程和管理辦法進(jìn)行發(fā)布，特別是要線上線下結(jié)合、傳統(tǒng)與信息化結(jié)合，確保預(yù)警信息送達(dá)需要預(yù)警的每一個(gè)人。

防洪預(yù)警的要點(diǎn)是及時(shí)將預(yù)警信息直達(dá)水旱災(zāi)害防御工作一線、直達(dá)受影響區(qū)域社會(huì)公眾。預(yù)警信息直達(dá)防御工作一線后，要及時(shí)采取工程巡查、工程調(diào)度、人員轉(zhuǎn)移等響應(yīng)措施；直達(dá)受影響區(qū)域社會(huì)公眾的預(yù)警信息要有預(yù)警指南，指導(dǎo)社會(huì)公眾做好應(yīng)對(duì)工作。

4 預(yù)演

在數(shù)字孿生流域中對(duì)典型歷史事件、設(shè)計(jì)、規(guī)劃或未來(lái)預(yù)報(bào)場(chǎng)景下的水利工程調(diào)度進(jìn)行模擬仿真，正向預(yù)演出風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)和影響，逆向推演出水利工程安全運(yùn)行限制條件，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，迭代優(yōu)化方案，制定防風(fēng)險(xiǎn)措施。

防洪預(yù)演主要包括以下 3 個(gè)環(huán)節(jié)：

1）構(gòu)建預(yù)演場(chǎng)景。構(gòu)建預(yù)演場(chǎng)景首先根據(jù)確定保護(hù)對(duì)象及防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，確定要納入調(diào)度場(chǎng)景的水文測(cè)站，以及水庫(kù)、堤防、閘壩、蓄滯洪區(qū)等防洪工程作為預(yù)演節(jié)點(diǎn)，每個(gè)預(yù)演節(jié)點(diǎn)都具有邊界條件，包括洪水預(yù)報(bào)的邊界條件，以及河道、堤防、水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)等防洪控制節(jié)點(diǎn)的控制運(yùn)用指標(biāo)。

2）模擬仿真。模擬仿真指基于數(shù)據(jù)底板的信息進(jìn)行模擬計(jì)算和仿真可視化，數(shù)據(jù)底板不僅包括基礎(chǔ)和地理空間信息，還包括調(diào)度目標(biāo)和節(jié)點(diǎn)相關(guān)的氣象水文、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、堤防水庫(kù)蓄滯洪區(qū)等工程資料[9]；模擬計(jì)算主要是基于數(shù)據(jù)底板和預(yù)演場(chǎng)景的調(diào)度目標(biāo)、節(jié)點(diǎn)、邊界條件等，對(duì)洪水過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，正向前瞻性預(yù)演出工情險(xiǎn)情災(zāi)情，逆向可推演水利工程運(yùn)用的安全水位、調(diào)度過(guò)程等，通過(guò)預(yù)演發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)工程調(diào)度的迭代優(yōu)化；仿真可視化是利用模擬仿真引擎和可視化模型，對(duì)預(yù)報(bào)預(yù)演的洪水發(fā)展變化和水利工程調(diào)度運(yùn)用過(guò)程進(jìn)行可視化、動(dòng)態(tài)展示，通過(guò)全時(shí)空、輕量化的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域模擬過(guò)程和流域物理過(guò)程高保真。

3）制定和優(yōu)化調(diào)度方案。這是預(yù)演的目的，即在問(wèn)題發(fā)現(xiàn)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、迭代優(yōu)化的基礎(chǔ)上，考慮防洪工程最新的運(yùn)行工況、經(jīng)濟(jì)社會(huì)情況等，確定最佳方案，及時(shí)采取防風(fēng)險(xiǎn)措施，確定調(diào)度方案要借鑒歷史調(diào)度案例，充分考慮專家經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)上下游、左右岸、干支流的關(guān)系，發(fā)揮防洪體系整體效益。

防洪預(yù)演要點(diǎn)在于正向、逆向預(yù)演和輕量化展示。基于數(shù)字孿生流域，正向預(yù)演是通過(guò)輸入條件的變化，預(yù)演出不同的結(jié)果，提前發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)或問(wèn)題；逆向預(yù)演是指在給定安全邊界的條件下，推演出可以進(jìn)行工程調(diào)度的邊界條件；輕量化展示是數(shù)字孿生流域三維展示和分析的關(guān)鍵，可以為會(huì)商決策提供直觀的比選依據(jù)，確保調(diào)度方案安全、合理、可行。

5 預(yù)案

依據(jù)預(yù)演確定的方案，考慮水利工程最新工況、經(jīng)濟(jì)社會(huì)情況，確定水利工程運(yùn)用次序、時(shí)機(jī)、規(guī)則，制定非工程措施，落實(shí)調(diào)度機(jī)構(gòu)、權(quán)限及責(zé)任，明確信息報(bào)送流程及方式等，確保預(yù)案的可操作性。

預(yù)案主要包括以下 3 個(gè)部分[9]：

1）工程調(diào)度運(yùn)用。工程調(diào)度運(yùn)用主要是明確河道堤防、水庫(kù)及蓄滯洪區(qū)等水利工程的運(yùn)用次序，時(shí)機(jī)，規(guī)則等，合理利用堤防、分洪道、水閘、泵站、水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)等工程措施，充分發(fā)揮河道的水庫(kù)蓄滯洪區(qū)的行洪與調(diào)蓄作用。

2）非工程措施制定。非工程措施制定包括值班值守、防汛物料設(shè)備配置、查險(xiǎn)搶險(xiǎn)人員配備、技術(shù)專家隊(duì)伍組建、受影響人員轉(zhuǎn)移等措施，應(yīng)提前預(yù)置儲(chǔ)備防洪物料及設(shè)備，確保運(yùn)輸、調(diào)用及供應(yīng)過(guò)程應(yīng)及時(shí)和通暢；人員轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)措施應(yīng)實(shí)行就近就便原則，確保人員安全；水利工程巡查防守措施應(yīng)到位，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理險(xiǎn)情。

3）組織實(shí)施。包括落實(shí)責(zé)任和信息報(bào)送等，防洪工程調(diào)度方案提出、審批、報(bào)備、實(shí)施，以及工程巡查、調(diào)度、人員轉(zhuǎn)移等各環(huán)節(jié)應(yīng)明確責(zé)任主體和組織實(shí)施單位，并將各環(huán)節(jié)的信息分類表述、分級(jí)報(bào)送，確保執(zhí)行有序、信息暢通。

預(yù)案的要點(diǎn)在執(zhí)行，通過(guò)有序的組織實(shí)施將防洪工程運(yùn)用和非工程措施進(jìn)行有機(jī)組合，確保預(yù)案的可操作性。

6 結(jié)語(yǔ)

凡事預(yù)則立不預(yù)則廢。防洪“四預(yù)”的重心是預(yù)，目的是提前做好準(zhǔn)備，打有準(zhǔn)備的防洪之仗。即通過(guò)預(yù)報(bào)，提前發(fā)現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)預(yù)警，提前感知洪水風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)預(yù)演，提前深入分析洪水及其帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)預(yù)案，提前做好應(yīng)對(duì)洪水和風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)備。防洪“四預(yù)”的建設(shè)需要體現(xiàn)“預(yù)”字當(dāng)先，各項(xiàng)功能圍繞“預(yù)”進(jìn)行建設(shè)，本文件的解讀為防洪“四預(yù)”的建設(shè)提供借鑒參考，各地及各類防洪工作各有特點(diǎn)，應(yīng)依據(jù)自身要求做好“四預(yù)”建設(shè)。