泗河“四预”智慧防洪系统建设构建与应用

孟 迎

(济宁市水利事业发展中心,山东 济宁 272000)

习近平总书记在党的十九大上明确提出建设以“数字中国”为目标的创新发展方向，全国水旱灾害防御工作会议也明确要求坚持科技引领和数字赋能，提高防洪智慧管理水平，建立覆盖全域的洪涝灾害管理系统，强化预报、预警、预演、预案措施，为推进防洪减灾工作提供智慧化决策支持。当前，以云计算、大数据、物联网、数字映射、数字孪生、仿真模拟、人工智能等为代表的信息新技术日益成为创新驱动的先导力量，高新技术与防洪减灾工作的融合逐步深入，也将重塑洪涝灾害管理模式，促使防汛抗洪工作发生新的变革。

泗河流域覆盖面积近济宁市面积的一半，是济宁市的经济中心，也是经济增长最快的地区，流域内有大中型河道3条，大型水库2座，中型水库5座，小型水库117座，总库容3.81亿m3；有大中型闸22座，塘坝684座，涉及7县135万亩耕地和86万居民，且区内既有历史古城、文化名城和重要的交通枢纽，又有众多的厂矿企业和重要设施，一旦遇到洪涝灾害，损失巨大。泗河是流域内主要的季节性山洪河道，在历史上洪涝灾害频繁，防汛地理条件较差，经过几十年的建设，虽然已初步形成了比较完整的防洪体系，但在监测预报、研判预警、信息共享、预案推演等智慧化防洪能力方面仍有较大的缺陷，极大地影响了智慧防洪工作的开展，而打破这一困局的根本方法，就是通过运用互联网、大数据、人工智能等新技术，以水利数字基础设施、数据资源体系为支撑，以数字映射、数字孪生为核心，以仿真模拟应用为重点，建设泗河数字流域，加强实时雨情水情信息的监测和分析研判，完善洪涝灾害预警发布机制，开展可视化模拟预演，细化完善洪水调度方案和超标洪水防御预案，大力推进高新技术与防洪减灾工作深度融合，实现预报、预警、预演、预案智慧化，提高智慧防洪能力。

1 泗河数字流域“四预”智慧化建设方面的优势

济宁市在泗河数字流域“四预”智慧化建设方面做了大量的工作，在山东省率先完成了市级防汛调度系统和水利信息化综合服务平台，流域内曲阜市、邹城市等地区构建了中小河流山洪灾害视频监控系统、山区水库信息化监测平台和河长制管理平台，初步建立起了洪涝灾害防御系统。

1.1 数字化采集体系初具规模

依托河长制湖长制、中小河流水文监测、山洪灾害监控及水库信息化监测等重点建设项目，济宁市成立了水利大数据中心，建成了覆盖市、县两级水务部门的水利数据内网，实现了省、市、县三级数字化信息的互联互通，泗河流域建成了雨水情水文站230处、墒情站8处、水土保持监测站2处及560处视频监测点，全流域3条主要河道、226条中小河道、600余段堤防、106座水库、22座水闸、652座塘坝的数字化信息采集工作已初步完成。

1.2 数字化数据资源不断丰富

通过水利数据中心和各级业务系统的建设，泗河流域数字化信息数据资源不断丰富，可以为监测预报、研判预警、信息共享、预案推演等多个业务应用系统和应急管理、指挥调度等部门提供数据服务，实现了历史数据和实时数据的共享交换。

1.3 数字化应用系统成果丰硕

重点地区洪水风险图系统、河长制管理平台、山洪灾害防治系统等项目初步形成了覆盖县级以上水务部门的防洪指挥调度体系，洪涝灾害防御系统通过构建完整统一的灾害数据库和业务应用，能够满足日常工作中对雨情、水情、工情等信息监测报送、预报预警的需求，扩大了灾害信息服务范围；利用地理信息系统建设了洪涝灾害防御一张图，将相关的业务数据在一张图上进行展示，提高了洪涝灾害监测预警能力。

2 存在的主要问题

2.1 智能化预报水平不高，不能满足数字流域防洪需求

数字流域防洪是一项系统性工程，需统筹上下游、左右岸，精准监测预报降雨、科学研判洪水演变、妥善安排洪水出路，对信息汇聚、综合研判和仿真展示等方面的数字化水平具有较高要求。从现有的预报功能上来看，业务应用多以展示查询、统计分析、信息服务等功能为主，存在预测精度不高、预见期不长、预见性不足、对防洪要素利用情况掌握不全、分析不深、应对防洪突发问题不及时等现象，无法满足防洪预报需求。

2.2 预警研判发布体系功能单一，不能满足防洪业务需求

目前预警研判发布体系功能单一，仍停留在依靠专家经验的单一因子研判水平，对防洪预警支持能力不高；虽有预警发布平台，但未构建体系化的专业预警模型，未能形成数字化预警体系，中长期趋势预警水平较低，不能满足防洪业务需求。

2.3 预案数字化模型化水平较低，不能满足防洪智慧化需求

预案编制和优化工作中数字化水平较低，不少业务仍采用传统处理方式，未能将海量数据形成数字化数据资源，数据来源共享、业务流程逻辑及指标应用协同仍处于内部单循环状态；单一水库防洪调度模型虽已建立，但“应用孤岛”现象还普遍存在，距离“对象全覆盖、过程全在线”的模型化目标仍存在一定的差距，预案优化不能满足防洪智能化需求。

2.4 抢险避险预演方式陈旧，不能满足疫情防控需求

抢险避险预演仍已传统的人员集中演练为主，方式陈旧单一，没有生成数字化转移路线，没有建立动态推演、动态跟踪、动态管理的可视化预演系统及反馈机制，无法满足现阶段疫情防控要求。

3 加快“四预”智慧化建设的措施与途径

3.1 建立智能化监测分析预报系统，提升预报水平

3.1.1建设数字流域地图，提升监测信息分级显示能力

基于流域一张图，结合空间地理信息，整合共享水利、气象等部门水雨情监测和视频监控信息，实现对实时降雨、实时水位、报汛流量的在线跟踪定位和检索式查询，同时在GIS地图上快速定位并以图层、表格、站点、区域分级显示。优化监测站网布局，加强流域性、区域性、极端气候雨水情监测，动态监视各个水情站点，以图表方式展示实时水库、河道、闸坝和湖区水情及最新的降雨信息，并在地图上对超警站点、河段或区域进行分级显示，实现逐小时动态更新水雨情信息和实时监测水位信息。当出现水库水位超过汛限、河流水位超警、闸上闸下发生超保证水位和降雨达到规定量级时，实现信息自动警报提醒，提高实时水雨情信息采集与水文情报准确性和时效性，为政府防汛指挥部门制定的防洪预案提供数据支撑。

3.1.2通过数学建模和动态模拟，提升洪水分析仿真可视化水平

洪水分析仿真可视化按不同维度、不同场景、不同业务要求，采用无人机航拍，通过资料收集、像控点测量、内业建模，构建重点河段实景三维模型，从宏观到微观、从流域到工程实现顺畅切换，融合重要水雨情、工情、险情、调度等业务数据，在流域尺度空间地理模型、倾斜摄影实景模型、BIM模型、数值计算模型中实现一体可视化展示。基于河道洪水演进分析的需求，采用河网水动力洪水演进模型，对泗河、白马河、洸府河3条河道编制洪水演进方案，并对河网进行数学建模和动态模拟，通过模型模拟生成由点至线、由静态至动态的洪水演进时空分布过程，并将洪水演进的时空变化动态过程在实景三维模型进行实时的三维化、可视化、智能化、动态化展示，展现特定量级或实测洪水在流域的实际演进情况和洪水条件下河道沿线重要保护对象的动态淹没情况，结合防汛需求，利用现有历史数据库查询当前洪水水位对应的暴雨的频率、重现期和洪水流量等重要水文参数，计算不同设计频率的暴雨量级，分流域、区域形成水雨情分析报告，从而为预警预报、辅助决策和防灾减灾提供更好的技术支撑。

3.1.3建立模块化结构的洪水预报模型库，提高河道洪水预报精度

高效精准的洪水预报分析需要完善的数据资源支撑，要对水情特征信息进行整理、提取和入库，建立适配泗河流域水文特征的数据处理模型，对特征信息进行智能化挖掘，实现其可靠性、一致性和代表性；针对泗河、白马河、洸府河流域内山区、平原等不同下垫面和资料条件，根据水库调度和洪水演进分析，科学构建新安江模型、半分布式模型、马斯京根演算、水动力模型、地貌单位线等多种模型算法，在优化数据质量的基础上，融合更全面的实时水雨情、流域下垫面、工程调度信息，建立完全模块化结构的洪水预报模型库，将泗河流域河道断面洪水预报方案数字化，在洪水预报时提供多种可靠、准确的对比数据；为防汛形势研判和洪水分析仿真可视化提供基础数据的同时，新增不同工况下的洪水预报方案，定时自动生成初步预报成果，实行多源信息融合的多方案分级预报制度，滚动开展洪水预报，实现短期和长期预报、定量和定性预报的结合，强化洪水自动预报和实时交互预报功能，提高河道洪水预报精度；

3.2 加快建设防汛形势研判及预警发布数字化体系

3.2.1构建数字化综合研判体系，提高综合研判水平

通过构建多类型防洪减灾数字化综合研判体系，实现跨市县、跨部门数据共享，实现从依靠专家经验的单一因子研判向多维度、多因素、多场景的综合研判的转变。汛前基于流域一张图，利用水文水动力模型和GIS空间分析能力，结合流域内水利工程安全情况、在建水利工程情况、汛前检查、河道形势、水库蓄水能力、气象中长期预测与水文中长期趋势预测等方面的分析，综合评估上中下游各段的防洪形势变化及薄弱环节，结合基础流域监测数据与洪水预报模块，形成防汛研判报告，明确重点防御对象，对水雨情进行趋势预警；汛期利用洪水预报模型和干流洪水演进模型，模拟洪水路线、洪峰到达时间，在不同水位、流量情形下，研判流域内小型水库风险、病险水库风险、工程度汛风险、堤防漫堤风险、洪水淹没风险，提供综合分析结果，为工程调度、应急抢险、人员转移提供智慧化预警支持。

3.2.2构建防汛体系化专业预警模型，提升智慧化预警发布能力

构建全天候在线运行的防汛体系化专业预警模型，按河流、预警等级、时间范围、站点、预警状态及发布范围等要素，检索历史上发布的预警信息，实现历史洪水预警信息查询，并从当前状态预警向预报预警拓展。将已有山洪预警相关数据可视化展示，展示全流域预警启动分布、实时短信发送、沿河村落分布等关联信息，向同级和下一级防汛指挥机构及其成员单位发布专业预警；通过防汛网站、微信公众号、短信等手段统一发布社会公众预警，并依据洪水预测预报变化情况，适时更新或解除，为各级决策提供更全面的参考。

3.3 建设完善模型化智慧数字预案系统

依据泗河流域洪涝防御预案构建模型化智能数字预案系统，将防洪预案进行树形结构分解，转化为数据块进行存储和组合，实现预案编制的数字化、模型化和智慧化。

3.3.1加强防洪要素数字化建设

根据流域内西苇、尼山、尹城、龙湾套、华村、贺庄等6座大中型水库及相关河道现有的运行计划、调度规程、防洪预案等资料，解析各水库防洪要素并进行数字化，搜集整理上述水库及相关防洪控制点的基本资料，为水库调度提供基础数据支撑。以此为基础，建立泗河流域多库多工程联调联控体系和流域联合调度指挥模型，充分发挥预案编制决策支持功能，进一步提高水利工程防灾减灾作用。

3.3.2构建模型化的防洪及会商预案

以各水库历史入库洪水过程线为输入，以各水库、防洪点水位、流量过程为输出，根据空间关系和水力联系，构建包含大中型水库工程与防洪控制点的防洪系统概化图。以单一水库防洪调度模型为基础，建立水库群联合防洪预案模型，充分利用流域洪水、水库库容和后续预报降雨的空间分布差异，实现水库群防洪库容的动态优化运用，挖掘流域防洪调度潜力，为编制水库防洪预案提供模型支撑。同时，针对防洪调度过程中复杂的水情、雨情、工情以及诸多不确定性风险因素，基于防洪预案可视化表达技术和人机交互机制，以快速、直观、全面的防洪预案仿真界面为依托，以基于水量平衡原理的调洪演算模型为核心，建立单一水库和库群的防洪会商预案。

3.3.3提高防洪预案智慧优化能力

在当前气象水文预报技术条件下，水库入库洪水预报存在较高的不确定性，当水库实际入库洪水与预报过程发生显著偏差时，水库(群)实际运行状况将与预案产生明显偏离。这就要求我们根据防汛形势研判结果，分析、确定流域主要水库工程防洪目标，采用流域重要节点和重要水库的洪水预报方案，结合水库控制运用条件、水库纳洪与泄洪能力，基于调度模型，以入库洪水过程为输入，进行单库或水库群防洪计算，通过洪水演进计算模拟水库-水库、水库-防洪点的水力联系、效益和风险指标，开展单座水库或水库群联合防洪预案的优化编制。同时，要实时监测采集流域水雨情、各工程与防洪点实时风险状态信息，动态对比呈现水库(群)防洪预案与实际运行过程，研判预案执行情况与防洪形势的变化情况，动态分析流域防洪形势，提高防洪预案智慧优化能力。

3.4 立足疫情现状，提高抢险避险可视化智慧预演水平

现场抢险避险是综合性很强的工作，为形成快速抢险避险路线图，要求通盘考虑防洪因素，对抢险避险技术预案进行结构化要素分解并进行预演，使抢险队伍和避险群众及时到位。由于新冠疫情的发生，传统的抢险避险预演因其人员聚集性的限制而无法进行，这就要求动态推演预判洪水淹没范围，对流域范围内的防汛仓库、抢险物资、抢险队伍及抢险专家进行数字化动态管理，基于流域一张图形成防汛抢险一张图，将防洪工程险情和抢险物资、抢险队伍、抢险专家有机关联，建立动态抢险资料专家库，预置各类各种险情的数字化抢险技术方案，根据出险的工程类别、险情种类及发生地位置匹配抢险专家、抢险物资、抢险队伍组织方案和调运方案，下达调令并数字化动态推演，通过对抢险避险要素的可视化预演，对物资队伍和抢险进展进行智慧跟踪，结合预案辨识防洪安置安全区域，确认淹没风险预警指标，对风险区域人员发出疏散警示，引导风险人群转移和现场救生，生成智慧化数字转移路线，建立智慧化动态管理及反馈机制。

4 结语

泗河数字流域“四预”智慧化系统建设以“数字中国”创新发展理念为指导，因地制宜，技管结合，在正确处理工程管理与技术创新的关系、统筹兼顾智能化建设和区域防洪要求上进行了深入探讨，采取了“智能监测、动态预报、综合研判、智慧预案”等有效措施，实现了泗河流域数字化建设和“四预”智慧化水平的协调发展和稳步提升，虽然在“仿真模拟、数字预演”等方面还需进一步细化，但仍然为山洪流域实现预报、预警、预演、预案智慧化提供了有益的借鉴，对于大力推进高新技术与防洪减灾工作深度融合，提高智慧防洪能力具有重要的指导意义。