強(qiáng)化“四預(yù)”助力太湖流域防汛智慧化

張 瑩，陳 赟，王 奇

（太湖流域管理局水文局（信息中心），200434，上海）

黨的十八大以來(lái)，習(xí)近平總書(shū)記著眼于黨和國(guó)家事業(yè)發(fā)展全局，提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路。 2021 年3 月11日，十三屆全國(guó)人大四次會(huì)議表決通過(guò)了《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，其中明確提出構(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。 水利部黨組高度重視智慧水利建設(shè)，提出智慧水利是新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志和六條實(shí)施路徑之一，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。

水利部太湖流域管理局（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“太湖局”）深入貫徹黨中央、國(guó)務(wù)院和水利部黨組決策部署，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”總要求，以服務(wù)和保障長(zhǎng)三角一體化高質(zhì)量發(fā)展為目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)流域管理場(chǎng)景化“四預(yù)”功能為抓手，持續(xù)推進(jìn)太湖流域超標(biāo)特大洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等智慧水利先行先試項(xiàng)目，不斷優(yōu)化太湖流域預(yù)報(bào)調(diào)度一體化系統(tǒng)，“四預(yù)”工作取得顯著成效。

一、數(shù)字孿生“四預(yù)”功能成效及經(jīng)驗(yàn)

為提升水旱災(zāi)害防御能力，全力推動(dòng)數(shù)字孿生太湖建設(shè)，實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”功能，太湖局結(jié)合實(shí)際對(duì)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化完善。 在2021 年汛前、梅雨期、“煙花”臺(tái)風(fēng)防御期間，太湖局利用預(yù)報(bào)調(diào)度一體化系統(tǒng)“四預(yù)”功能成果，多次組織預(yù)演不同水雨情背景下，流域水利工程不同調(diào)度方式下太湖和地區(qū)河網(wǎng)水位變化過(guò)程及地區(qū)淹澇情況，為流域工程調(diào)度決策提供支撐，2021 年梅雨期洪水預(yù)報(bào)合格率達(dá)100%。 “煙花”臺(tái)風(fēng)和盛夏連陰雨期間，開(kāi)展洪水淹澇預(yù)報(bào)13期，加密滾動(dòng)預(yù)報(bào)蘇州、嘉興、平望等站點(diǎn)過(guò)程最高水位，并將太湖和河網(wǎng)水位預(yù)報(bào)發(fā)送至相關(guān)地市水利部門(mén)，為地方，特別是長(zhǎng)三角示范區(qū)防汛決策提供了有力支撐。

1.完善算據(jù)，超前預(yù)報(bào)

基于多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，獲取底板數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)化數(shù)據(jù)。太湖局共有直管水文水資源監(jiān)測(cè)站 （斷面）200 余處（包括各類(lèi)水文測(cè)站63 處），通過(guò)報(bào)汛信息交換系統(tǒng)，共享流域片省份3 350 處水文測(cè)站報(bào)訊數(shù)據(jù)， 獲取水情、氣象、工情、災(zāi)情等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；通過(guò)高空衛(wèi)星遙感影像獲取地形三維可視化數(shù)據(jù)并生成DEM（數(shù)字高程）模型；通過(guò)三維無(wú)人機(jī)航拍形成三維傾斜攝影成果生成精細(xì)化建模數(shù)據(jù)。初步建成流域水利感知網(wǎng)，為精準(zhǔn)預(yù)報(bào)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源支撐。

加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理，建設(shè)水文水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯集中心7 處。 以可視化配置方式完成多源多態(tài)異構(gòu)數(shù)據(jù)源的靈活接入，支持以實(shí)時(shí)同步、離線同步、數(shù)據(jù)推送、數(shù)據(jù)API（應(yīng)用程序編程接口）方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)同步。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過(guò)Web Service（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)）接口方式獲取，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、ETL（數(shù)據(jù)的抽取、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)）等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸； 統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)接口， 針對(duì)應(yīng)用程序服務(wù)調(diào)用和數(shù)據(jù)交換，提供統(tǒng)一Web Service 的服務(wù)調(diào)用， 或基于RestFul 架構(gòu)進(jìn)行服務(wù)調(diào)用；采用分布式架構(gòu)、前后端分離模式， 考慮國(guó)產(chǎn)化要求， 以JAVA、Python、Matlab 等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)及算法開(kāi)發(fā)。

面對(duì)2021 年“煙花”臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)暴潮洪“四碰頭”的極不利形勢(shì)，滾動(dòng)開(kāi)展水文預(yù)報(bào)，提前一天精準(zhǔn)預(yù)報(bào)太湖流域重要調(diào)度指標(biāo)站——平望站將突破歷史紀(jì)錄0.12 m，最終結(jié)果與預(yù)報(bào)結(jié)論完全一致。

2.協(xié)同防汛，及時(shí)預(yù)警

在“煙花”“燦都”等臺(tái)風(fēng)影響期，利用預(yù)報(bào)調(diào)度一體化系統(tǒng)“預(yù)警”模塊將流域重要河網(wǎng)代表站水位漲退預(yù)測(cè)成果第一時(shí)間發(fā)送至省市水利、水文部門(mén)，確保流域安全度汛。

臺(tái)風(fēng)“煙花”影響期間，太湖局及時(shí)滾動(dòng)開(kāi)展太湖、各水利分區(qū)代表站以及太浦河、望虞河重要調(diào)度站的水位預(yù)報(bào)，并將成果第一時(shí)間發(fā)送至上海、江蘇、浙江3 ?。ㄊ校┧⑺牟块T(mén)，以及蘇州、無(wú)錫、常州、鎮(zhèn)江、嘉興、湖州6 地市水文部門(mén)，提醒重點(diǎn)區(qū)域加強(qiáng)防范；加密滾動(dòng)預(yù)警，累計(jì)發(fā)布各類(lèi)預(yù)報(bào)272 期，發(fā)送水情預(yù)報(bào)短信次數(shù)7 956 次； 發(fā)送水情預(yù)警短信條數(shù)3.29 萬(wàn)條，水雨工情等信息約8.6 萬(wàn)余條。

7 月27 上午，示范區(qū)太浦河關(guān)鍵控制斷面平望水位超歷史，且氣象局預(yù)報(bào)平望后期仍有持續(xù)強(qiáng)降雨，防汛形勢(shì)十分嚴(yán)峻， 太湖局開(kāi)展分析研判，預(yù)報(bào)平望站將于28 日7—9 時(shí)再次刷新歷史紀(jì)錄，達(dá)到4.45 m，并第一時(shí)間發(fā)布預(yù)警，為蘇州市防汛指揮決策爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間。

3.完善模型，精準(zhǔn)預(yù)演

持續(xù)優(yōu)化太湖流域水文水動(dòng)力模型、淹澇模型，開(kāi)發(fā)了突發(fā)水污染模擬模型、藍(lán)藻AI（人工智能）識(shí)別模型、流域風(fēng)暴潮模型等，構(gòu)建了集水量、水質(zhì)、淹澇、藍(lán)藻等多個(gè)模型高度耦合的太湖流域模型群，實(shí)現(xiàn)了多維度、多時(shí)空尺度的仿真模擬。 對(duì)太湖流域水量水質(zhì)預(yù)警模型進(jìn)行了完善與開(kāi)發(fā)，更新完善流域下墊面、河道湖泊、 水利工程及其調(diào)度運(yùn)行規(guī)程、污染源及水文水環(huán)境等基礎(chǔ)資料，顯著提升了流域模型的精度、密度與細(xì)度，實(shí)現(xiàn)了多元素水循環(huán)全過(guò)程耦合的大型平原河網(wǎng)水量水質(zhì)模型精準(zhǔn)模擬，以及從傳統(tǒng)的水位、流量預(yù)報(bào)拓展到洪水淹澇風(fēng)險(xiǎn)、水質(zhì)、藍(lán)藻預(yù)測(cè)預(yù)警。預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)速度大幅提升，水位流量預(yù)報(bào)計(jì)算時(shí)間從2 h 縮短到2 min，洪水淹澇預(yù)報(bào)計(jì)算時(shí)間由1 d 縮短到5 min， 主汛期洪水預(yù)報(bào)合格率達(dá)到90%以上。

在臺(tái)風(fēng)影響期間，基于太湖流域預(yù)報(bào)調(diào)度一體化系統(tǒng)“預(yù)演”模塊，累計(jì)開(kāi)展各類(lèi)預(yù)演30 余次。 利用流域預(yù)報(bào)調(diào)度一體化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)預(yù)演流域骨干水利工程不同調(diào)度方式下的太湖和地區(qū)河網(wǎng)水位變化過(guò)程及地區(qū)淹澇情況，為流域骨干工程調(diào)度決策提供了支撐。

4.構(gòu)建知識(shí)庫(kù)，完善預(yù)案

在預(yù)報(bào)調(diào)度一體化系統(tǒng)“預(yù)案”模塊中嵌入了自2013 年以來(lái)的防汛會(huì)商記錄，同時(shí)制定了包括太湖調(diào)度控制水位、洪水調(diào)度基本原則、水量調(diào)度基本原則、 非常措施基本原則、骨干水利工程調(diào)度原則、主要城市防洪工程調(diào)度原則等系列調(diào)度規(guī)則。

通過(guò)與“預(yù)報(bào)”“預(yù)警”“預(yù)演”模塊關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)在自動(dòng)綜合分析區(qū)域代表站水位、流量、干支流水質(zhì)控制指標(biāo)、水利工程實(shí)際、 水雨情信息的基礎(chǔ)上，根據(jù)水旱災(zāi)害防御形勢(shì)、工程調(diào)度的效果和存在的風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)展多方案比選，提示調(diào)度方案或相應(yīng)級(jí)別的預(yù)案并支持應(yīng)急處置措施的自動(dòng)推薦，為防洪調(diào)度，水量調(diào)度，應(yīng)急調(diào)度等調(diào)度決策提供支撐。

5.筑牢防線，構(gòu)建太湖流域安全防護(hù)體系

在信息科技賦能的同時(shí)也面對(duì)更加復(fù)雜的安全風(fēng)險(xiǎn)， 防御難度增加，影響損失加劇。 太湖局結(jié)合等保2.0 的標(biāo)準(zhǔn)和要求， 依托能力提升項(xiàng)目成果，構(gòu)建了涵蓋基礎(chǔ)防護(hù)、監(jiān)測(cè)分析和響應(yīng)恢復(fù)的水利網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析； 建設(shè)完善統(tǒng)一身份認(rèn)證服務(wù)，統(tǒng)一密碼服務(wù)等統(tǒng)一基礎(chǔ)安全服務(wù)，構(gòu)建安全情報(bào)中心，建設(shè)包括安全數(shù)據(jù)采集、安全大數(shù)據(jù)平臺(tái)、安全威脅感知應(yīng)用在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅感知系統(tǒng)；完善密碼基礎(chǔ)設(shè)施、推進(jìn)商用密碼應(yīng)用，對(duì)水利關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行安全防護(hù)，對(duì)關(guān)鍵信息進(jìn)行數(shù)據(jù)加密、鏈路加密、身份認(rèn)證；建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容災(zāi)機(jī)制、數(shù)據(jù)訪問(wèn)安全加固，提升數(shù)據(jù)防篡改能力； 定期開(kāi)展安全排查，排除風(fēng)險(xiǎn)隱患，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警，嚴(yán)格值班值守，完善應(yīng)急預(yù)案，充分利用水利網(wǎng)絡(luò)安全信息通報(bào)機(jī)制，執(zhí)行“零報(bào)告制度”，確保水利行業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全。

二、數(shù)字孿生建設(shè)存在的困難及思考

數(shù)字孿生流域建設(shè)處于前期試點(diǎn)階段，與長(zhǎng)三角一體化高質(zhì)量發(fā)展的要求相比仍存在許多不足。

一是已有水文測(cè)站（斷面）監(jiān)測(cè)能力不足，與水文水資源全量程、全要素監(jiān)測(cè)要求相比，監(jiān)測(cè)手段比較傳統(tǒng)，監(jiān)測(cè)要素不全；流域部分新的熱點(diǎn)焦點(diǎn)區(qū)域尚未布設(shè)測(cè)站，已建設(shè)的水文測(cè)站尚未對(duì)流域重要水體和熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋。 鑒于先行先試時(shí)間有限，下一步將充分利用已有的監(jiān)測(cè)體系， 不能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)要求的部分，首先考慮通過(guò)共享方式，從有關(guān)省市收集， 并統(tǒng)籌水文現(xiàn)代化規(guī)劃、其他信息化建設(shè)成果，及時(shí)接入相關(guān)數(shù)據(jù)。

二是模型精細(xì)度不高。 當(dāng)前模型計(jì)算效率、成果分析和平臺(tái)展示等能力還不足以支撐數(shù)字孿生流域，距離多維度、多尺度時(shí)空精細(xì)化模擬及展示有較大差距；模型中下墊面、水利工程等概化信息均為2015 年左右調(diào)查資料，亟須動(dòng)態(tài)滾動(dòng)更新。 下一步將圍繞業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，重點(diǎn)從產(chǎn)匯流模擬機(jī)理及參數(shù)、洪水發(fā)生全生命周期預(yù)測(cè)模擬分析、 實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度、突發(fā)水污染應(yīng)急預(yù)測(cè)等方面，結(jié)合原型觀測(cè)和物理模型，進(jìn)一步優(yōu)化完善模型機(jī)理及參數(shù)指標(biāo)，提升數(shù)學(xué)模型智慧化應(yīng)用與服務(wù)水平。

三是預(yù)案模塊僅完成了部分調(diào)度規(guī)則和方案預(yù)案的數(shù)字化，專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)建設(shè)還停留在探索階段， 尚未形成場(chǎng)景化應(yīng)用。 下一步將收集整理太湖流域參與防洪調(diào)度或者應(yīng)急水量調(diào)度的水庫(kù)、河道、水閘、泵站等的洪水或枯水預(yù)報(bào)方案、 洪水調(diào)度方案、應(yīng)急水量調(diào)度方案等，接入已有防洪調(diào)度預(yù)案數(shù)字化成果，梳理近年新的防洪調(diào)度預(yù)案和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)并初步形成防洪調(diào)度預(yù)案庫(kù)和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)。

三、結(jié) 語(yǔ)

太湖流域位于長(zhǎng)江三角洲的核心地區(qū)，是“一帶一路”與長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要交匯地帶， 是我國(guó)大中城市最密集、經(jīng)濟(jì)總量規(guī)模最大、最具有發(fā)展?jié)摿Φ牡貐^(qū)之一，在國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)大局和全方位開(kāi)放格局中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位。利用信息化手段提升流域治理管理科學(xué)化、精細(xì)化水平，加強(qiáng)支撐水旱災(zāi)害防御能力的數(shù)字孿生建設(shè)對(duì)長(zhǎng)三角一體化高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要。