防洪“四預(yù)”基本技術(shù)要求解讀

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，以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力”[1]。水利部高度重視智慧水利建設(shè)，將推進智慧水利建設(shè)作為推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的最顯著標志和六條實施路徑之一，提出“要加快構(gòu)建具有‘四預(yù)’（預(yù)報、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)點和落腳點，也是檢驗數(shù)字孿生流域建設(shè)成果的主要標準[3]?！端麡I(yè)務(wù)“四預(yù)”基本技術(shù)要求（試行）》重點針對是什么、建什么、怎么建等問題，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)”功能也相對成熟，本文以防洪業(yè)務(wù)為例進行“四預(yù)”功能解讀。

1 “四預(yù)”關(guān)系

防洪業(yè)務(wù)中預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案四者環(huán)環(huán)相扣，層層遞進。其中，預(yù)報是基礎(chǔ)，對水位、流量、水量、地下水位、墑情、泥沙、冰情、水質(zhì)、臺風(fēng)暴潮、淹沒影響、位移形變等水安全要素進行預(yù)測預(yù)報，提高預(yù)報精度，延長預(yù)見期，為預(yù)警工作贏得先機；預(yù)警是前哨，及時把預(yù)警信息直達水利工作一線和受影響區(qū)域的社會公眾，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)警時效性、精準度，為啟動預(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、預(yù)演節(jié)點、邊界條件等，在數(shù)字孿生流域中對典型歷史事件場景下的水利工程調(diào)度進行精準復(fù)演，確保所構(gòu)建的模型系統(tǒng)準確，對設(shè)計、規(guī)劃或未來預(yù)報場景下的水利工程運用進行模擬仿真，具備“正向”“逆向”功能，及時發(fā)現(xiàn)問題，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)濟社會情況，確定工程調(diào)度運用、非工程措施和組織實施方式，確保預(yù)案的可操作性[4-6]?！八念A(yù)”關(guān)系圖如圖1 所示。

2 預(yù)報

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掌握現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采用基于機理揭示和規(guī)律把握、數(shù)理統(tǒng)計和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等數(shù)學(xué)模型方法，對水安全要素發(fā)展趨勢做出不同預(yù)見期（短期、中期、長期等）的定量或定性分析，提高預(yù)報精度、延長預(yù)見期。

防洪預(yù)報主要分以下 3 個環(huán)節(jié)：

1）明確預(yù)報任務(wù)。明確預(yù)報任務(wù)指明確預(yù)報對象及預(yù)報要素的精度和預(yù)見期，不同預(yù)報對象對預(yù)報要素精度和預(yù)見期的要求不一，必須在開展預(yù)報工作之前進行分析確定，如堤防的水位、水庫的入流和庫水位等，短期洪水預(yù)報需要精準，中長期要能把握趨勢。

2）編制預(yù)報方案。編制預(yù)報方案是防洪預(yù)報的關(guān)鍵基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，包括了收集資料、構(gòu)建預(yù)報拓撲、選擇模型、率定參數(shù)和評定方案等內(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)測站網(wǎng)密度和信息報送情況，對所收集的資料要進行質(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)報拓撲是指以流域或區(qū)域為單元，以水文測站、水利工程、影響區(qū)域等為節(jié)點構(gòu)建的河系預(yù)報結(jié)構(gòu)，預(yù)報拓撲要具有上下游、左右岸的水力聯(lián)系；選擇模型是指針對不同的預(yù)報拓撲關(guān)系，從水利專業(yè)模型平臺中選擇基于機理揭示和規(guī)律把握、數(shù)理統(tǒng)計和數(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)進行敏感性、合理性、可靠性分析，并將最新資料實時滾動納入模型參數(shù)確定；評定方案是指選擇合適的指標進行方案精度評定，要選用未參與參數(shù)率定的洪水資料進行評定，洪峰水位（流量）、峰現(xiàn)時間、洪量等要素應(yīng)使用合格率指標評定，等級分為甲、乙、丙三級，乙級以上的方案可進行作業(yè)預(yù)報。

3）洪水作業(yè)預(yù)報。洪水作業(yè)預(yù)報要依托洪水預(yù)報系統(tǒng)，提高作業(yè)預(yù)報效率，預(yù)報結(jié)果要依據(jù)《全國洪水作業(yè)預(yù)報工作管理辦法》（辦水文〔2018〕152 號）進行會商，集思廣益，最后按相關(guān)規(guī)定正式發(fā)布預(yù)報結(jié)果。預(yù)報系統(tǒng)應(yīng)具備自動預(yù)報、人機交互、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、運行穩(wěn)定可靠等特點。預(yù)報會商要充分吸納各方意見，減少預(yù)報不確定性。成果發(fā)布依據(jù)相關(guān)規(guī)定，及時將預(yù)報成果報送有關(guān)部門，并按照職責權(quán)限向社會統(tǒng)一發(fā)布。

防洪預(yù)報緊扣“降雨—產(chǎn)流—匯流—演進”預(yù)報環(huán)節(jié)，要點在延長預(yù)見期、提高預(yù)報精度、提升作業(yè)預(yù)報效率等方面。通過加強氣象水文、預(yù)報調(diào)度耦合，建立以流域為單元的短中長期預(yù)報體系，延長洪水預(yù)見期；建立洪水預(yù)報模型參數(shù)在線率定機制，實時滾動分析已發(fā)生洪水的預(yù)報規(guī)律，提高洪水預(yù)報精度；洪水預(yù)報系統(tǒng)的河系預(yù)報模式是提升作業(yè)預(yù)報效率的關(guān)鍵。

3 預(yù)警

根據(jù)水利工作和社會公眾的需求，制定水災(zāi)害風(fēng)險指標和閾值，拓寬預(yù)警信息發(fā)布渠道，使預(yù)警信息及時直達水利工作一線，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)警信息及時直達受影響區(qū)域的社會公眾，為提前采取防災(zāi)避險措施提供信息服務(wù)。

防洪預(yù)警主要分為以下 3 個環(huán)節(jié)：

1）明確預(yù)警任務(wù)。明確預(yù)警任務(wù)主要指針對行業(yè)和社會預(yù)警，分清預(yù)警對象，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)的處置贏得時間；面向社會的預(yù)警要預(yù)在準，為社會公眾做好應(yīng)對指導(dǎo)。

2）制定預(yù)警指標。制定預(yù)警指標指針對不同的水文要素制定不同等級的閾值，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，山洪可采用時段降雨量指標，水庫可采用入庫流量或洪量指標等；預(yù)警由低至高依次為藍色、黃色、橙色、紅色 4 個等級[8]；閾值指標可以采用單站或多站組合進行制定。

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，對發(fā)布的單位、時間、流程，以及預(yù)警指標、內(nèi)容等進行規(guī)范；預(yù)警內(nèi)容一般包括實況和預(yù)報的雨水情信息，應(yīng)明確簡潔、通俗易懂，特別是社會預(yù)警要讓社會公眾不僅了解洪水情況，而且明白如何應(yīng)對；預(yù)警要按照制定的流程和管理辦法進行發(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)警信息送達需要預(yù)警的每一個人。

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

4 預(yù)演

在數(shù)字孿生流域中對典型歷史事件、設(shè)計、規(guī)劃或未來預(yù)報場景下的水利工程調(diào)度進行模擬仿真，正向預(yù)演出風(fēng)險形勢和影響，逆向推演出水利工程安全運行限制條件，及時發(fā)現(xiàn)問題，迭代優(yōu)化方案，制定防風(fēng)險措施。

防洪預(yù)演主要包括以下 3 個環(huán)節(jié)：

1）構(gòu)建預(yù)演場景。構(gòu)建預(yù)演場景首先根據(jù)確定保護對象及防護標準，確定要納入調(diào)度場景的水文測站，以及水庫、堤防、閘壩、蓄滯洪區(qū)等防洪工程作為預(yù)演節(jié)點，每個預(yù)演節(jié)點都具有邊界條件，包括洪水預(yù)報的邊界條件，以及河道、堤防、水庫、蓄滯洪區(qū)等防洪控制節(jié)點的控制運用指標。

2）模擬仿真。模擬仿真指基于數(shù)據(jù)底板的信息進行模擬計算和仿真可視化，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)度目標和節(jié)點相關(guān)的氣象水文、經(jīng)濟社會、堤防水庫蓄滯洪區(qū)等工程資料[9]；模擬計算主要是基于數(shù)據(jù)底板和預(yù)演場景的調(diào)度目標、節(jié)點、邊界條件等，對洪水過程進行模擬計算，正向前瞻性預(yù)演出工情險情災(zāi)情，逆向可推演水利工程運用的安全水位、調(diào)度過程等，通過預(yù)演發(fā)現(xiàn)問題、評估風(fēng)險，實現(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，對預(yù)報預(yù)演的洪水發(fā)展變化和水利工程調(diào)度運用過程進行可視化、動態(tài)展示，通過全時空、輕量化的方式實現(xiàn)數(shù)字孿生流域模擬過程和流域物理過程高保真。

3）制定和優(yōu)化調(diào)度方案。這是預(yù)演的目的，即在問題發(fā)現(xiàn)、風(fēng)險評估、迭代優(yōu)化的基礎(chǔ)上，考慮防洪工程最新的運行工況、經(jīng)濟社會情況等，確定最佳方案，及時采取防風(fēng)險措施，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，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)演要點在于正向、逆向預(yù)演和輕量化展示?；跀?shù)字孿生流域，正向預(yù)演是通過輸入條件的變化，預(yù)演出不同的結(jié)果，提前發(fā)現(xiàn)風(fēng)險或問題；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)濟社會情況，確定水利工程運用次序、時機、規(guī)則，制定非工程措施，落實調(diào)度機構(gòu)、權(quán)限及責任，明確信息報送流程及方式等，確保預(yù)案的可操作性。

預(yù)案主要包括以下 3 個部分[9]：

1）工程調(diào)度運用。工程調(diào)度運用主要是明確河道堤防、水庫及蓄滯洪區(qū)等水利工程的運用次序，時機，規(guī)則等，合理利用堤防、分洪道、水閘、泵站、水庫、蓄滯洪區(qū)等工程措施，充分發(fā)揮河道的水庫蓄滯洪區(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、查險搶險人員配備、技術(shù)專家隊伍組建、受影響人員轉(zhuǎn)移等措施，應(yīng)提前預(yù)置儲備防洪物料及設(shè)備，確保運輸、調(diào)用及供應(yīng)過程應(yīng)及時和通暢；人員轉(zhuǎn)移避險措施應(yīng)實行就近就便原則，確保人員安全；水利工程巡查防守措施應(yīng)到位，確保及時發(fā)現(xiàn)和處理險情。

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

預(yù)案的要點在執(zhí)行，通過有序的組織實施將防洪工程運用和非工程措施進行有機組合，確保預(yù)案的可操作性。

6 結(jié)語

凡事預(yù)則立不預(yù)則廢。防洪“四預(yù)”的重心是預(yù)，目的是提前做好準備，打有準備的防洪之仗。即通過預(yù)報，提前發(fā)現(xiàn)洪水風(fēng)險；通過預(yù)警，提前感知洪水風(fēng)險；通過預(yù)演，提前深入分析洪水及其帶來的風(fēng)險；通過預(yù)案，提前做好應(yīng)對洪水和風(fēng)險的準備。防洪“四預(yù)”的建設(shè)需要體現(xiàn)“預(yù)”字當先，各項功能圍繞“預(yù)”進行建設(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，應(yīng)依據(jù)自身要求做好“四預(yù)”建設(shè)。