2020年长江洪水监测预报预警

程 海 云

(长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010)

2020年7～8月长江发生流域性大洪水，其中长江干流发生5次编号洪水。长江中下游莲花塘至大通江段洪峰水位列有实测记录以来的第2～5位，马鞍山至镇江江段潮位超历史，鄱阳湖发生流域性超历史大洪水；上游支流岷江发生超历史洪水，沱江、涪江、嘉陵江发生超保证洪水；干流朱沱至寸滩江段发生超保证洪水，寸滩站洪峰水位超1981年实测最高水位(0.21 m)，三峡水库出现建库以来最大入库流量。长江委水文局精心监测、准确预报、及时预警，为2020年长江流域防汛工作取得全面胜利提供了有效支撑。

1 长江洪水测报体系

经过多年探索研究，长江委水文局逐渐建立了“驻巡结合、巡测优先、测报自动、应急补充”的水文测验管理服务体系[1]。通过水文测验方式方法改革、水文监测信息化建设等技术创新工作，形成了水文要素感知立体化、监测自动化及数据处理信息化的水文测验技术支撑体系[2]。基于PDCA原理，严格控制水文测报产品实现过程，确保水文测报产品质量，构建了科学的质量控制体系[3]。

1.1 水文测验管理体系

“驻巡结合、巡测优先、测报自动、应急补充”的水文测验管理体系借鉴了欧美巡测理念，体现了中国特色。该体系既能提供更高精度和更实时的水文监测成果，又可更广泛地收集水文信息，满足社会各方面的需要。特别是针对我国自然灾害频繁，人口众多的特点，水文应急监测是水文测验管理体系的有效补充。

1.2 水文测验技术支撑体系

(1) 建立了较为完善的空天地水雨情立体感知体系。长江水利委员会水文局不断优化监测站网布局，在重庆、汉口、南京、上海等地设立了8个外业勘测局，负责水文监测业务的具体实施，多年来在长江干流及重要支流已建成较完备的监测网络，实时监控长江水雨情。同时，与流域内各省市水文部门、气象部门、水库管理部门互联互通，信息共享。目前，长江流域已拥有集雷达、水文报汛站、气象站、水利工程站等空天地于一体的流域全覆盖水雨情立体感知体系。

(2) 形成了自动化程度较高的实时监测体系。水位、雨量、水温、蒸发等观测要素已全部实现自动采集、存贮、传输。泥沙测验实现了光学、声学等快速和在线测量。流量测验方面，渡河能力显著增强。从主要依靠水文测船、水文缆道，到无人船、无人机等多种方式补充，提升了安全保障。测验手段提档升级，实现从主要采用流速仪法、浮标法，到声学多普勒测流、声学时差法测流、视觉影像测流、扫描式雷达测流、单点雷达测流等类声光电手段兼用，自动化水平显著提高。

(3) 构建了信息化水平较高的水文数据处理体系。建成了全国通用的水文资料整编平台，实现了网络整编与分布式整编，水文资料整编实现了日清月结。伴随着人工智能、大数据技术的应用，长江水文监测的智能化水平正明显提升，致力于机器学习、深度学习与传统业务的深度融合，在测次智能布设、水位流量关系辅助定线及相应流量报汛等方面取得进展。

水文局水文测验一体化技术支撑体系框架如图1所示。

图1 长江水文测验技术一体化支撑体系框架Fig.1 Framework of hydrology test technology integrated support system for Yangtze River

1.3 质量控制体系

基于ISO质量管理体系，实行日清月结、按月(年中、年度)整编，进一步控制了产品的质量和时效性，并按GB/T 19001—2016/ISO 9001∶2015《质量管理体系要求》和水文局《质量管理体系文件》等要求，对水文测验产品实现严格控制，确保水文测验产品质量。汛期坚持实行24 h值班制度，密切监视水雨沙情的变化，及时按照要求调整测验布置、实时测报水雨沙信息。图2为水文局水文测验质量控制体系框架。

2 长江洪水预报预警

洪水预报预警是防洪减灾重要的非工程措施。长江流域水系发达，支流众多，水利工程复杂，防洪压力大，预报预警难度高。经过探索与实践，长江委水文局逐步形成了水文气象无缝耦合渐进式预报技术路线，建立了河库(湖)联动、有序连续演算的预报调度一体化工作框架，完善了洪水预报预警机制。

2.1 水文气象无缝耦合渐进式预报技术

为适应预报调度目标多样化的需要，开展了不同预见期的水文气象预报。按照预见期长短，分为短期(1～3 d)、中期(4～10 d)、延伸期(旬)及长期预报(月、季、年)。随着预见期增长，预报的不确定性变大。短中期预报通常为水文气象要素定量预报，延伸期预报是对未来天气过程趋势性分析，两者结合是防汛抗旱实时调度决策的主要依据。长期预报为预报要素的趋势性预测，是水库群联合调度、水资源优化配置的重要参考。

图2 水文测验质量控制体系框架Fig.2 Framework of quality control system for hydrology test

为了解决预见期与精度的矛盾，采用短中长期相结合、水文气象相耦合、逐日滚动、实时修正的渐进式预报模式(见图3)。由于水文气象预报具有不确定性，可通过延伸期预报提早发现暴雨洪水过程，并适时采取相应的调度准备措施，过程临近后可通过短中期预报精准的描述未来数日内的暴雨洪水演变形势，以便开展精细化调度，提高调度灵活性，达到变中求稳的效果。目前，长江委水文局已形成以大气科学理论为基础，以雷达、卫星等各种大气探测资料为前提，以数值预报为运算核心，结合预报员经验综合分析判断的综合性降雨预报流程。借助无缝隙预见期降雨预报，耦合水文水力学模型，开展长江流域干支流重要控制性站点及水利工程的短期、中期、延伸期以及长期水文预报。通过无缝耦合渐进式预报，减少了预报的不确定性，显著提升了预报精度和预见期。2007年以后，长江流域水文气象预报精度不断提高，尤以5～7 d预见期预报精度提高最为明显[4]。

2.2 预报调度一体化技术

洪水预报和水库调度是一个紧密联系的整体，洪水预报通过对未来一段时间内的来水预测来指导水库调度决策，水库调度后改变了来水边界条件，从而相应影响洪水预报分析成果。

图3 无缝隙渐进式预报业务体系框架Fig.3 Seamless progressive forecast system framework

长江流域水利工程众多，水利工程建成后运行，逐渐改变河流天然状态，如何在实时洪水预报中考虑众多水工程的合理运用，提高预报精度，并实现工程运行条件下多阻断河系洪水连续演进计算，是一项技术难题。同时，通过洪水预报对水利工程实时调度决策进行支撑，开展预报调度嵌套分析也具有较大难度[5]。

经过多年来预报调度实践，逐步形成了长江洪水预报调度一体化技术体系。按空间位置与水力联系构建河系、水工程和防洪对象的拓扑关系概化图，建立预报调度计算体系，配合模型库、调度规则调用和调度演算约束[6]，对降水预报、降雨径流、洪水演进及调度各模型做无缝耦合处理，实现河系的河库(湖)联动、有序连续演算的预报调度一体化[5]，如图4所示。

2018年以来，水文局连续承担了水利部组织的1981,1998年和1954年历史典型大洪水调度演练的相关工作，负责水文模拟计算、调度方案分析制作、会商汇报等。在长江防洪预报调度系统[7]的基础上，构建了耦合40座控制性水库群、42座蓄滞洪区及流域主要控制站的预报调度一体化模型工具(见图5)，取得较好的应用效果。

图4 预报调度一体化演进示意Fig.4 Process of integration of flood forecast and reservoir regulation

2.3 长江水情预警发布机制

为规范水情预警发布工作，长江防汛抗旱总指挥部办公室于2013年印发了《长江水情预警发布管理办法(试行)》[8]。水情预警由水文机构通过广播、电视、报纸、网络等媒体统一向影响范围内社会发布。洪水、枯水两类水情预警级别由低到高依次为蓝色、黄色、橙色、红色。

随着信息社会发展、技术进步及需求增加，长江洪水预报预警服务产品及范围逐步扩大，服务对象从原来各级防汛部门、航运及施工部门、水库管理部门等逐步向企事业单位、社会公众拓展，预报预警服务方式也从原来的纸质、邮件、传真等逐步扩展为WEB网络、短信、电子邮件、手机APP、微信公众号等；服务产品也更加灵活多样，有长江流域各区短中期降水预报、长江流域延伸期降雨试验预报、汛期长江流域旱涝趋势预测、秋汛期(9～10月)三峡水库及丹江口水库入库流量分析预测、枯水期长江流域水雨情分析预报、长江干支流主要控制站洪水预报、长江流域水雨情综合分析、长江流域重要水雨情报告、长江汛情简报、长江水资源预测等[9]。

图5 长江流域洪水预报调度一体化体系Fig.5 Integrated flood forecast and regulation system for the Yangtze River Basin

3 2020年长江流域性大洪水监测预报预警实践

2020年7～8月长江发生流域性大洪水，防汛形势十分严峻。期间，分布在长江干支流不同河段的高场、富顺、小河坝、北碚、寸滩、宜昌、城陵矶、汉口、九江、湖口、大通11个大洪水监测控制性节点，对其完整地进行了水位、流量、泥沙等水文要素全过程施测。以流量监测为例，在5次编号洪水期间，采用ADCP、流速仪、浮标及电波流速仪等多种方法相互补充的模式，共实测流量480次，其中ADCP、流速仪、浮标及电波流速仪测次占比分别为57%，36%，5%，2%，各控制站流量测次分布如图6所示。利用北斗卫星系统的短报文功能，有力保障了汛期恶劣的自然条件和网络环境下关键水文信息传输。上游特大洪水期间，干流寸滩、支流涪江小河坝等水文站利用扫描式雷达、点式雷达等新型非接触式监测设备开展了高洪测验，比测结果显示均具有较高精度。寸滩站扫描式雷达监测流量与流速仪、ADCP相比，相对误差在6%之内。悬移质含沙量测验采用光学浊度仪现场测验，颗粒分析使用了激光粒度分析仪快速分析，大幅提高了泥沙测验的时效性。在测验过程中，新技术设备的使用也出现了一些问题，如8月19日寸滩站由于江水含沙过大量，ADCP无法正常工作。

基于长江水文监测管理平台，采用移动互联技术，将测验、计算、校审、分析处理、存储等全部功能整合到手机APP中，实现了全业务流程链的在线管理化，大幅提高工作效率。所有测验数据自动存储在各类专业数据库中，并通过高速网络实现了快速转发与共享，保证水情数据采集的时效性和易访问性。水雨情信息在20 min内到达流域水文预报中心，在30 min内到达水利部，为上级防汛决策提供及时、准确的水文信息支撑。依托自主研发的全国通用水文资料整编平台，实现了洪水监测资料整编的日清月结。

在2020年长江流域性大洪水的预报预警过程中，水文局基于预报调度一体化平台，采用短中长期相结合、水文气象相耦合、逐日滚动、实时修正的渐进式预报模式，开展预报预警工作，取得了较好的效果。通过短中期降雨预报能够较为准确地预测出强降雨的量级与落区。通过延伸期预报，最长可提前18 d预判出强降雨过程。考虑预见期降雨，长江干支流主要控制站的洪水预报(过程和洪峰)精度和预见期进一步提升，基本能够提前4～10 d预报出流域将发生明显涨水过程。尤其在4，5号洪水过程期间，提前6 d预报将发生4号洪水，提前7 d预报将发生5号洪水，精准预报出三峡水库入库洪峰流量，预报误差仅3.3%，1.3%；提前2～5 d预报中下游各站超警戒水位时间，提前2～4 d预报莲花塘站超保证水位时间，其中莲花塘站多次洪水过程的洪峰水位误差在0.01～0.07 m。

图6 各控制站流量测次分布Fig.6 Flow measurement distribution of hydrologic stations

在2020年长江流域性大洪水期间，长江委水文局发布长江干支流主要控制站洪水预报94期；发布洪水预警35次，其中洪水蓝色预警1次，洪水黄色预警13次，洪水橙色预警17次，洪水红色预警4次；发布8次编号洪水，其中长江干流洪水编号5次，嘉陵江干流洪水编号2次，乌江干流洪水编号1次。同时，发布预报预警相关微信公众号36期，累计阅读量约32万人次。

4 结语与展望

长江委水文局监测预报预警工作经受住了2020年长江流域性大洪水的考验，为长江洪水防御工作提供了强有力支撑，但也暴露出部分短板亟需补齐。随着5G、人工智能、大数据等技术的发展和成熟，其在各行各业的应用优势日益凸显。水文气象监测预报预警领域具有实时性、重现性、多源海量数据基础等，在新技术新方法的应用方面具有广阔的舞台。

水文监测方面，尽管当前测验手段较多、技术进步很大，但针对漂浮物多、流速大、高含沙量等特殊水情的测验而言，监测能力仍显不足。加大非接触式新仪器应用研究，将机器学习、深度学习等新兴技术与传统水文测验业务相融合，在测次智能布设、水位流量关系辅助定线及相应流量报汛等方面的研究工作有待进一步加深。

洪水预报方面，长江流域水文气象短期预报已经具有较高精度，但是1～3 d预见期对于长江这种长河系、大面积、多阻断(水利工程)、复杂江湖关系的流域来说仍显不足，适当延长水文气象预报预见期，并能保证足够精度，才能够更加充分地发挥水利工程联合调度的效益。鉴于此，一方面需继续加强水文气象耦合关键技术及人类活动影响下的水文预报技术等基础研究，从理论层面减小预见期与精度的矛盾；另一方面基于人工智能的预报调度技术研究，基于大数据的综合预报调度平台建设在延长水文气象预报预见期，提高预报精度方面的价值也值得进一步去探索。

洪水预警方面，当前预警体制机制已经建立，但预警内容复杂繁琐，预警的社会认知程度尚浅，预警发布方式略显传统。今后需进一步完善预警内容形式，使其更加通俗易懂；加大预警知识宣传力度，普及预警基本概念；依托大数据平台实现预警智能精准推送，扩大预警使用价值。

说 明

本文2020年水文要素的统计分析源自报汛数据。