珠江水旱灾害防御“四预”平台建设与应用

安 雪，杨 跃，王井腾，田茂春，潘璀林，赖 杭

（珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510611）

0 引言

根据水利部《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》《“十四五”智慧水利建设规划》《智慧水利建设顶层设计》及《水利部关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》[1-4]，要求各流域机构率先开展数字孪生流域建设先行先试工作。珠江水利科学研究院牵头，联合珠江水利委员会（以下简称珠江委）水文局、设计公司、技术中心，充分整合委内资源，贯彻落实《“十四五”数字孪生建设总体方案》及《数字孪生西江（干流大藤峡以下至思贤滘河段）建设先行先试实施方案》[5]，开展先行先试建设工作。

对照《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》《水利业务“四预”功能基本技术要求》[6-7]等相关要求，结合珠江委已初步建立的珠江流域水旱灾害防御指挥系统总体框架，攻克重点技术，开发珠江水旱灾害防御“四预”平台[8]（以下简称“四预”平台），并应用于珠江流域防汛、抗旱工作。

1 “四预”平台简介

“四预”平台作为数字孪生珠江先行先试实施过程中形成的成果，按照智慧水利、数字孪生流域建设要求，以水旱灾害防御预演业务需求为出发点和落脚点，率先在西江流域试点，以北盘江、柳江、郁江、桂江、贺江骨干水系为建设范围。基于珠江委内信息，搭建水旱灾害防御相关数据底板，构建模型和知识平台，研究水利三维可视化仿真、模型管理及服务等技术，开发“四预”平台。平台按照业务方向分为防汛“四预”和抗旱“四预” 2 个部分，按照功能可分为“四情”态势感知、分级分类智能预警、多维多尺度场景全链条预演、智能预案生成等模块，为珠江流域水旱灾害防御工作提供支撑。平台总体框架如图1 所示。

图1 平台总体框架图

2 “四预”平台功能

2.1 平台功能设计思路

针对珠江流域防汛、抗旱 2 个业务应用的需求，在防汛方面，“四预”平台汇集流域雨情、水情、工情、险情、灾情等信息，以及流域预报、水库群调度、重点河段淹没等模型，实现流域雨水汛情动态监控和专业水利模型统一管理，并按照“降雨—产流—汇流—演进”“流域—干流—支流—断面”“总量—洪峰—过程—调度”“技术—料物—队伍—组织” 4 个链条[9]，结合预报、预警、预演、预案 4 个环节，运用大数据、人工智能、倾斜摄影建模等技术，模拟分析重要河段大、中、微不同尺度洪水演进与淹没实景，实现调度方案自动生成、人工调优与联动预演，优选最佳调度方案，生成洪水防御预案。

在抗旱业务应用支撑方面，平台汇集雨水情、咸情、水库蓄水动态、水厂运行状况等信息，集成中长期预报调度等多种模型，滚动预测预报旱情、咸情变化态势，结合抗旱保供水“三道防线”，滚动调度预演，多要素智能预警，不断优化联合调度方案和抗旱会商决策流程。

2.2 “四情”监控

在水利部部本级及流域一张图基础上构建 L2 级数据底板，汇集流域内雨水情测站、水库和堤防等工程的监测数据，以及险情、灾情上报信息，实时更新流域“四情” （防汛涉及雨情、水情、险情、灾情；抗旱涉及流域雨水情、河道来水、水库蓄水、咸情及当地供水）数据；采用图、表、颜色、闪烁等结合的方式，时间上展示过去、现在、未来情况，空间上展示流域、区域、站点情况，结合多时空和关联等分析技术，支撑洪水期间快速研判水位涨落、超警、超汛等态势，在抗旱期间迅速掌控咸潮上溯情况，明晰流域的防洪形势和重点。“四情”监控页面如图2 所示。

图2 “四情”监控页面

2.3 预报功能

为快速准确地预报流域洪水、旱情及咸情发展态势，“四预”平台采用水利模型管理及服务技术，集成新安江、TOPMODEL 分布式水文、经验、中长期降雨数值预报、数理统计等多种模型，实现模型与应用系统解耦，提高模型的共享复用能力。基于中国气象局、欧洲中期天气预报中心等多种降雨预报源进行滚动与交互式精细预报，结合前期洪水过程提取对应产汇流和洪水演进参数，对模型参数进行人工交互率定，提高洪水预报精度。抗旱预报结合中长期河系水文预报方案，主要通过降雨输入，预报河道断面来水，为上游补水精细调度和河道来水合理利用提供技术支撑。

2.4 预警功能

在防汛期间，“四预”平台动态跟踪暴雨落区及强度变化，根据实时水情和预报结果，结合水库、河道、堤防等工程指标数据，自动研判流域（面）、干支流（线）、断面（点）超警超限情况，结合现状防御能力进行判别分析，按照点—线—面一张图分级展示预警信息，明晰流域薄弱环节，采用短信、电话、简报等方式及时发出预警信息，实现分级分类预警，确保预警信息直达一线。

在抗旱期间，“四预”平台根据实时水情、咸情和来水预报结果，结合取淡概率、氯化物含量、蓄水量等指标数据，对河口氯化物含量超标、取淡概率保证水平、水库蓄水、取水等情况判别分析，明晰流域取水缺口与取淡风险，结合地图定位闪烁与表格统计方式及时发出预警信息，提前通知水厂、航运、泵站管理站等部门，提早做好抗旱保供水准备。

2.5 预演功能

基于可视化平台和流域防洪高保真数字化场景，运用水利三维可视化预演技术，实现珠江流域防洪数字化场景构建，综合当前流域水情和未来洪水发展态势，按照“总量—洪峰—过程—调度”链条，从流域大尺度、区域中尺度、城镇/工程微尺度场景对洪水不同工况下的调度方案进行滚动预演，微尺度场景预演页面如图3 所示。抗旱场景平台可在大尺度上预演流域调水进展，实现天、地、河、库、管可视化全过程精细化模拟，高效渲染预演珠江河口咸潮三维分布等场景。同时系统提供方案对比功能，对比不同调度方案下防洪目标的洪峰削减程度、淹没影响、社会经济损失等指标，分析调度成效，优选调度方案，为调度决策提供参考依据。

2.6 预案功能

在预案方面，充分利用超标准洪水防御预案、水工程运用方案、调度业务规则、历史情景模式、珠江流域枯水期调度方案等已有知识，构建各水利要素间的知识关联关系，结合“四预”平台调度预演环节优选的工程调度方案，将调度方案预演结果与多种方案智能关联，对洪水防御预案中的对策措施进行智能优化，按照“技术—料物—队伍—组织”全链条给予科学精准指导。

3 “四预”平台建设思路及关键技术

3.1 “四预”平台建设思路

目前珠江委已初步建立了珠江流域水旱灾害防御指挥系统总体框架，但对照数字孪生流域和防汛抗旱“四预”建设技术要求，仍然存在以下问题：

1） 预报模型可复用性差，水利模型和系统深度绑定，模型难以替换，迭代更新时效性差。

2） 预演能力不足[10]，主要表现在：会商还停留在线下的人工分析和经验判断阶段，决策支持能力较弱，预演效率低，缺乏预演所需要的三维可视化场景，预演效果不直观，与“四预”要求的物理流域映射和智能化模拟相差较远。

3） 系统功能还停留在管理模式和流程的简单复制阶段，未实现流程优化再造和管理模式创新，预报体系不健全，尚未实现全过程预警，预警未直达一线，预演流程繁琐，预案尚未实现电子化和预案推荐。

因此，为健全“四预”应用，完善水旱灾害防御业务流程，在可视化模型方面研发了水利三维可视化仿真技术，在数字模拟仿真引擎方面研发了水利模型管理及服务技术，在“2 +N”业务应用方面重新梳理了“四预”业务关键环节和流程。

3.2 “四预”平台建设关键技术

3.2.1 水利三维可视化预演关键技术

针对目前应急会商等业务场景仍存在线下人工分析环节、决策支持能力较弱、预演效率和仿真度难以平衡的问题，提出了基于开源 GIS + 游戏引擎技术的可视化融合解决方案，研发了适用于国产环境的水利三维可视化预演技术和适应多模型的洪水高速渲染技术，并构建了场景加载快、预演场景丰富、适用于国产化环境下的可视化仿真平台，支撑动态预演实现。运用该技术，实现珠江流域防洪数字化场景构建，综合研判当前流域水情和未来洪水发展态势，对西北江洪水不同工况下的调度方案进行滚动预演。

3.2.2 水利预报等多模型管理及服务技术

针对目前水利专业模型与系统深度绑定，模型之间存在难以替换、不能复用、管理维护困难等问题，提出预报调度模型集成标准体系，研发水利模型管理服务引擎，实现模型的全过程标准化管理[11]。基于分布式架构两级部署、数据库混合存取方案、任务调度算法等完成模型计算管理，提高了预报等模型的共享能力及集成开发效率。计算资源智能调配技术路线如图4 所示。

3.2.3 “四预”业务流程优化提升

按照“需求牵引，数字赋能，能力提升，应用至上”要求，“四预”平台在防汛指挥系统二期的基础上建立健全并优化了预报、预警、预演、预案的业务流程。在预报方面，实现了多模型交互预报，提高了预报精度，延长了预见期；在预警方面，结合流域、区域和城镇各级关注对象，以及灾前、灾中、灾后不同阶段的预警需要，梳理预警内容和指标，并基于移动基站精准定位和短信智能发布技术，实现靶向精准预警；在预演方面，基于水利三维可视化预演、水利预报多模型管理服务等技术，根据总量—洪峰—过程—调度各环节业务需求，以及流域（宏观）、区域（中观）、城镇/工程（微观）不同空间尺度，对多种工况下的调度方案进行模拟预演；在预案方面，平台可进行方案比选，并推荐最优调度方案。

4 “四预”平台应用成效

4.1 珠江流域洪水防御

珠江“2022.6”特大洪水期间，珠江委运用“四预”平台集成流域预报、水库群调度及重点河段淹没等模型，基于预报预警信息，模拟分析重要河段大、中、微不同尺度洪水演进和淹没实景，实现调度方案自动生成、人工调优与联动预演，根据预演最优方案生成洪水防御预案，优化了防汛会商决策流程，为应对流域特大洪水提供科学高效的决策支撑，保障了人民群众的生命安全。

2022 年 5 月 25—30 日、6 月 2—9 日、6 月 10—14 日，珠江流域先后发生 3 场强降雨过程，受其影响，西江先后发生 3 次编号洪水，期间流域内多个干支流河道站和水库站发生多次超警和超汛限水位过程，防汛形势严峻。在西江第 1，2，3 号洪水期间，珠江委应用“四预”平台实时监控流域雨水汛情，掌握流域防汛形势，生成不同调度方案并进行模拟预演，推荐最优调度方案。3 次编号洪水期间共发布降雨预报图192 张，发布洪水预报 224 站次，制作洪水调度方案 32 套，提前预判洪水量级，精准掌握洪水风险点，滚动优化洪水防御措施，有效应对了西江流域的 3 次编号洪水，确保了西江流域的防洪安全。

在西江第 4 次编号洪水期间，北江第 2 号洪水发展成特大洪水，暴雨洪水防御形势十分严峻。为做好暴雨洪水防御工作，珠江委运用“四预”平台实时监控流域雨水汛情，多模型交互滚动预测预报，分级分类预警，多尺度滚动预演调度方案，优选最佳调度方案，调度运用西江干支流水工程群进行拦洪、错峰、削峰，将西江洪水量级压减至西江干流堤防防洪标准之内，在“四预”平台支撑下，成功实现了西江、北江洪水错峰[12-13]。

4.2 珠江流域抗旱保供水

2020—2021 年，珠江流域中东部遭遇 60 a 一遇大旱，而东江、韩江的骨干水库蓄水量不到 20%。此外，受河道径流量减小、天文大潮叠加等不利气象因素的综合影响，咸潮影响范围不断扩大，珠海、中山等地主要取水口一度连续多日无法取淡。2021 年底珠江抗旱“四预”平台初步建成，为措施跑赢旱情、咸情发展速度提供支撑，抗旱期间值班人员通过“四预”平台时刻掌握当前形势，预报珠江三角洲盐度分布，模拟结果如图5 所示。

图5 珠江三角洲枯水期平面盐度分布模拟结果

珠江委运用“四预”平台汇集雨水情、咸情、水库蓄水动态、水厂运行状况等信息，集成中长期预报调度等多种模型，滚动预测预报旱情咸情变化态势，结合抗旱保供水“三道防线”，动态滚动调度预演，多要素智能预警，不断优化联合调度方案，精准调度补水，并优化防汛会商决策流程，确保了香港、澳门、金门供水安全，以及粤港澳大湾区及粤东、闽南地区 5 000 万名城乡居民用水安全。

5 结语

珠江水旱灾害防御“四预”平台作为数字孪生流域建设先行先试优秀应用案例，形成了一批具有先进性、自主性、安全性的技术成果，可为我国其他流域数字孪生建设提供参考，具有良好的推广价值。随着数字孪生流域建设的推进，防汛抗旱“四预”业务应用未来的工作主要包括以下几方面：结合水利模型的提升，提高预报的精度；结合新型信息化技术，增强预警能力，增加预警方式；建设更为全面的多元可视化场景，丰富预演效果；结合知识图谱的建设，提升预案推荐生成的效率。