珠江水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”平臺建設(shè)與應(yīng)用

安 雪，楊 躍，王井騰，田茂春，潘璀林，賴 杭

（珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611）

0 引言

根據(jù)水利部《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計》及《水利部關(guān)于開展數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試工作的通知》[1-4]，要求各流域機(jī)構(gòu)率先開展數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試工作。珠江水利科學(xué)研究院牽頭，聯(lián)合珠江水利委員會（以下簡稱珠江委）水文局、設(shè)計公司、技術(shù)中心，充分整合委內(nèi)資源，貫徹落實《“十四五”數(shù)字孿生建設(shè)總體方案》及《數(shù)字孿生西江（干流大藤峽以下至思賢滘河段）建設(shè)先行先試實施方案》[5]，開展先行先試建設(shè)工作。

對照《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”功能基本技術(shù)要求》[6-7]等相關(guān)要求，結(jié)合珠江委已初步建立的珠江流域水旱災(zāi)害防御指揮系統(tǒng)總體框架，攻克重點技術(shù)，開發(fā)珠江水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”平臺[8]（以下簡稱“四預(yù)”平臺），并應(yīng)用于珠江流域防汛、抗旱工作。

1 “四預(yù)”平臺簡介

“四預(yù)”平臺作為數(shù)字孿生珠江先行先試實施過程中形成的成果，按照智慧水利、數(shù)字孿生流域建設(shè)要求，以水旱災(zāi)害防御預(yù)演業(yè)務(wù)需求為出發(fā)點和落腳點，率先在西江流域試點，以北盤江、柳江、郁江、桂江、賀江骨干水系為建設(shè)范圍。基于珠江委內(nèi)信息，搭建水旱災(zāi)害防御相關(guān)數(shù)據(jù)底板，構(gòu)建模型和知識平臺，研究水利三維可視化仿真、模型管理及服務(wù)等技術(shù)，開發(fā)“四預(yù)”平臺。平臺按照業(yè)務(wù)方向分為防汛“四預(yù)”和抗旱“四預(yù)” 2 個部分，按照功能可分為“四情”態(tài)勢感知、分級分類智能預(yù)警、多維多尺度場景全鏈條預(yù)演、智能預(yù)案生成等模塊，為珠江流域水旱災(zāi)害防御工作提供支撐。平臺總體框架如圖1 所示。

圖1 平臺總體框架圖

2 “四預(yù)”平臺功能

2.1 平臺功能設(shè)計思路

針對珠江流域防汛、抗旱 2 個業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求，在防汛方面，“四預(yù)”平臺匯集流域雨情、水情、工情、險情、災(zāi)情等信息，以及流域預(yù)報、水庫群調(diào)度、重點河段淹沒等模型，實現(xiàn)流域雨水汛情動態(tài)監(jiān)控和專業(yè)水利模型統(tǒng)一管理，并按照“降雨—產(chǎn)流—匯流—演進(jìn)”“流域—干流—支流—斷面”“總量—洪峰—過程—調(diào)度”“技術(shù)—料物—隊伍—組織” 4 個鏈條[9]，結(jié)合預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案 4 個環(huán)節(jié)，運用大數(shù)據(jù)、人工智能、傾斜攝影建模等技術(shù)，模擬分析重要河段大、中、微不同尺度洪水演進(jìn)與淹沒實景，實現(xiàn)調(diào)度方案自動生成、人工調(diào)優(yōu)與聯(lián)動預(yù)演，優(yōu)選最佳調(diào)度方案，生成洪水防御預(yù)案。

在抗旱業(yè)務(wù)應(yīng)用支撐方面，平臺匯集雨水情、咸情、水庫蓄水動態(tài)、水廠運行狀況等信息，集成中長期預(yù)報調(diào)度等多種模型，滾動預(yù)測預(yù)報旱情、咸情變化態(tài)勢，結(jié)合抗旱保供水“三道防線”，滾動調(diào)度預(yù)演，多要素智能預(yù)警，不斷優(yōu)化聯(lián)合調(diào)度方案和抗旱會商決策流程。

2.2 “四情”監(jiān)控

在水利部部本級及流域一張圖基礎(chǔ)上構(gòu)建 L2 級數(shù)據(jù)底板，匯集流域內(nèi)雨水情測站、水庫和堤防等工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及險情、災(zāi)情上報信息，實時更新流域“四情” （防汛涉及雨情、水情、險情、災(zāi)情；抗旱涉及流域雨水情、河道來水、水庫蓄水、咸情及當(dāng)?shù)毓┧?shù)據(jù)；采用圖、表、顏色、閃爍等結(jié)合的方式，時間上展示過去、現(xiàn)在、未來情況，空間上展示流域、區(qū)域、站點情況，結(jié)合多時空和關(guān)聯(lián)等分析技術(shù)，支撐洪水期間快速研判水位漲落、超警、超汛等態(tài)勢，在抗旱期間迅速掌控咸潮上溯情況，明晰流域的防洪形勢和重點。“四情”監(jiān)控頁面如圖2 所示。

圖2 “四情”監(jiān)控頁面

2.3 預(yù)報功能

為快速準(zhǔn)確地預(yù)報流域洪水、旱情及咸情發(fā)展態(tài)勢，“四預(yù)”平臺采用水利模型管理及服務(wù)技術(shù)，集成新安江、TOPMODEL 分布式水文、經(jīng)驗、中長期降雨數(shù)值預(yù)報、數(shù)理統(tǒng)計等多種模型，實現(xiàn)模型與應(yīng)用系統(tǒng)解耦，提高模型的共享復(fù)用能力?；谥袊鴼庀缶?、歐洲中期天氣預(yù)報中心等多種降雨預(yù)報源進(jìn)行滾動與交互式精細(xì)預(yù)報，結(jié)合前期洪水過程提取對應(yīng)產(chǎn)匯流和洪水演進(jìn)參數(shù)，對模型參數(shù)進(jìn)行人工交互率定，提高洪水預(yù)報精度?？购殿A(yù)報結(jié)合中長期河系水文預(yù)報方案，主要通過降雨輸入，預(yù)報河道斷面來水，為上游補(bǔ)水精細(xì)調(diào)度和河道來水合理利用提供技術(shù)支撐。

2.4 預(yù)警功能

在防汛期間，“四預(yù)”平臺動態(tài)跟蹤暴雨落區(qū)及強(qiáng)度變化，根據(jù)實時水情和預(yù)報結(jié)果，結(jié)合水庫、河道、堤防等工程指標(biāo)數(shù)據(jù)，自動研判流域（面）、干支流（線）、斷面（點）超警超限情況，結(jié)合現(xiàn)狀防御能力進(jìn)行判別分析，按照點—線—面一張圖分級展示預(yù)警信息，明晰流域薄弱環(huán)節(jié)，采用短信、電話、簡報等方式及時發(fā)出預(yù)警信息，實現(xiàn)分級分類預(yù)警，確保預(yù)警信息直達(dá)一線。

在抗旱期間，“四預(yù)”平臺根據(jù)實時水情、咸情和來水預(yù)報結(jié)果，結(jié)合取淡概率、氯化物含量、蓄水量等指標(biāo)數(shù)據(jù)，對河口氯化物含量超標(biāo)、取淡概率保證水平、水庫蓄水、取水等情況判別分析，明晰流域取水缺口與取淡風(fēng)險，結(jié)合地圖定位閃爍與表格統(tǒng)計方式及時發(fā)出預(yù)警信息，提前通知水廠、航運、泵站管理站等部門，提早做好抗旱保供水準(zhǔn)備。

2.5 預(yù)演功能

基于可視化平臺和流域防洪高保真數(shù)字化場景，運用水利三維可視化預(yù)演技術(shù)，實現(xiàn)珠江流域防洪數(shù)字化場景構(gòu)建，綜合當(dāng)前流域水情和未來洪水發(fā)展態(tài)勢，按照“總量—洪峰—過程—調(diào)度”鏈條，從流域大尺度、區(qū)域中尺度、城鎮(zhèn)/工程微尺度場景對洪水不同工況下的調(diào)度方案進(jìn)行滾動預(yù)演，微尺度場景預(yù)演頁面如圖3 所示?？购祱鼍捌脚_可在大尺度上預(yù)演流域調(diào)水進(jìn)展，實現(xiàn)天、地、河、庫、管可視化全過程精細(xì)化模擬，高效渲染預(yù)演珠江河口咸潮三維分布等場景。同時系統(tǒng)提供方案對比功能，對比不同調(diào)度方案下防洪目標(biāo)的洪峰削減程度、淹沒影響、社會經(jīng)濟(jì)損失等指標(biāo)，分析調(diào)度成效，優(yōu)選調(diào)度方案，為調(diào)度決策提供參考依據(jù)。

2.6 預(yù)案功能

在預(yù)案方面，充分利用超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御預(yù)案、水工程運用方案、調(diào)度業(yè)務(wù)規(guī)則、歷史情景模式、珠江流域枯水期調(diào)度方案等已有知識，構(gòu)建各水利要素間的知識關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)合“四預(yù)”平臺調(diào)度預(yù)演環(huán)節(jié)優(yōu)選的工程調(diào)度方案，將調(diào)度方案預(yù)演結(jié)果與多種方案智能關(guān)聯(lián)，對洪水防御預(yù)案中的對策措施進(jìn)行智能優(yōu)化，按照“技術(shù)—料物—隊伍—組織”全鏈條給予科學(xué)精準(zhǔn)指導(dǎo)。

3 “四預(yù)”平臺建設(shè)思路及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 “四預(yù)”平臺建設(shè)思路

目前珠江委已初步建立了珠江流域水旱災(zāi)害防御指揮系統(tǒng)總體框架，但對照數(shù)字孿生流域和防汛抗旱“四預(yù)”建設(shè)技術(shù)要求，仍然存在以下問題：

1） 預(yù)報模型可復(fù)用性差，水利模型和系統(tǒng)深度綁定，模型難以替換，迭代更新時效性差。

2） 預(yù)演能力不足[10]，主要表現(xiàn)在：會商還停留在線下的人工分析和經(jīng)驗判斷階段，決策支持能力較弱，預(yù)演效率低，缺乏預(yù)演所需要的三維可視化場景，預(yù)演效果不直觀，與“四預(yù)”要求的物理流域映射和智能化模擬相差較遠(yuǎn)。

3） 系統(tǒng)功能還停留在管理模式和流程的簡單復(fù)制階段，未實現(xiàn)流程優(yōu)化再造和管理模式創(chuàng)新，預(yù)報體系不健全，尚未實現(xiàn)全過程預(yù)警，預(yù)警未直達(dá)一線，預(yù)演流程繁瑣，預(yù)案尚未實現(xiàn)電子化和預(yù)案推薦。

因此，為健全“四預(yù)”應(yīng)用，完善水旱災(zāi)害防御業(yè)務(wù)流程，在可視化模型方面研發(fā)了水利三維可視化仿真技術(shù)，在數(shù)字模擬仿真引擎方面研發(fā)了水利模型管理及服務(wù)技術(shù)，在“2 +N”業(yè)務(wù)應(yīng)用方面重新梳理了“四預(yù)”業(yè)務(wù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)和流程。

3.2 “四預(yù)”平臺建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 水利三維可視化預(yù)演關(guān)鍵技術(shù)

針對目前應(yīng)急會商等業(yè)務(wù)場景仍存在線下人工分析環(huán)節(jié)、決策支持能力較弱、預(yù)演效率和仿真度難以平衡的問題，提出了基于開源 GIS + 游戲引擎技術(shù)的可視化融合解決方案，研發(fā)了適用于國產(chǎn)環(huán)境的水利三維可視化預(yù)演技術(shù)和適應(yīng)多模型的洪水高速渲染技術(shù)，并構(gòu)建了場景加載快、預(yù)演場景豐富、適用于國產(chǎn)化環(huán)境下的可視化仿真平臺，支撐動態(tài)預(yù)演實現(xiàn)。運用該技術(shù)，實現(xiàn)珠江流域防洪數(shù)字化場景構(gòu)建，綜合研判當(dāng)前流域水情和未來洪水發(fā)展態(tài)勢，對西北江洪水不同工況下的調(diào)度方案進(jìn)行滾動預(yù)演。

3.2.2 水利預(yù)報等多模型管理及服務(wù)技術(shù)

針對目前水利專業(yè)模型與系統(tǒng)深度綁定，模型之間存在難以替換、不能復(fù)用、管理維護(hù)困難等問題，提出預(yù)報調(diào)度模型集成標(biāo)準(zhǔn)體系，研發(fā)水利模型管理服務(wù)引擎，實現(xiàn)模型的全過程標(biāo)準(zhǔn)化管理[11]?；诜植际郊軜?gòu)兩級部署、數(shù)據(jù)庫混合存取方案、任務(wù)調(diào)度算法等完成模型計算管理，提高了預(yù)報等模型的共享能力及集成開發(fā)效率。計算資源智能調(diào)配技術(shù)路線如圖4 所示。

3.2.3 “四預(yù)”業(yè)務(wù)流程優(yōu)化提升

按照“需求牽引，數(shù)字賦能，能力提升，應(yīng)用至上”要求，“四預(yù)”平臺在防汛指揮系統(tǒng)二期的基礎(chǔ)上建立健全并優(yōu)化了預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的業(yè)務(wù)流程。在預(yù)報方面，實現(xiàn)了多模型交互預(yù)報，提高了預(yù)報精度，延長了預(yù)見期；在預(yù)警方面，結(jié)合流域、區(qū)域和城鎮(zhèn)各級關(guān)注對象，以及災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后不同階段的預(yù)警需要，梳理預(yù)警內(nèi)容和指標(biāo)，并基于移動基站精準(zhǔn)定位和短信智能發(fā)布技術(shù)，實現(xiàn)靶向精準(zhǔn)預(yù)警；在預(yù)演方面，基于水利三維可視化預(yù)演、水利預(yù)報多模型管理服務(wù)等技術(shù)，根據(jù)總量—洪峰—過程—調(diào)度各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)需求，以及流域（宏觀）、區(qū)域（中觀）、城鎮(zhèn)/工程（微觀）不同空間尺度，對多種工況下的調(diào)度方案進(jìn)行模擬預(yù)演；在預(yù)案方面，平臺可進(jìn)行方案比選，并推薦最優(yōu)調(diào)度方案。

4 “四預(yù)”平臺應(yīng)用成效

4.1 珠江流域洪水防御

珠江“2022.6”特大洪水期間，珠江委運用“四預(yù)”平臺集成流域預(yù)報、水庫群調(diào)度及重點河段淹沒等模型，基于預(yù)報預(yù)警信息，模擬分析重要河段大、中、微不同尺度洪水演進(jìn)和淹沒實景，實現(xiàn)調(diào)度方案自動生成、人工調(diào)優(yōu)與聯(lián)動預(yù)演，根據(jù)預(yù)演最優(yōu)方案生成洪水防御預(yù)案，優(yōu)化了防汛會商決策流程，為應(yīng)對流域特大洪水提供科學(xué)高效的決策支撐，保障了人民群眾的生命安全。

2022 年 5 月 25—30 日、6 月 2—9 日、6 月 10—14 日，珠江流域先后發(fā)生 3 場強(qiáng)降雨過程，受其影響，西江先后發(fā)生 3 次編號洪水，期間流域內(nèi)多個干支流河道站和水庫站發(fā)生多次超警和超汛限水位過程，防汛形勢嚴(yán)峻。在西江第 1，2，3 號洪水期間，珠江委應(yīng)用“四預(yù)”平臺實時監(jiān)控流域雨水汛情，掌握流域防汛形勢，生成不同調(diào)度方案并進(jìn)行模擬預(yù)演，推薦最優(yōu)調(diào)度方案。3 次編號洪水期間共發(fā)布降雨預(yù)報圖192 張，發(fā)布洪水預(yù)報 224 站次，制作洪水調(diào)度方案 32 套，提前預(yù)判洪水量級，精準(zhǔn)掌握洪水風(fēng)險點，滾動優(yōu)化洪水防御措施，有效應(yīng)對了西江流域的 3 次編號洪水，確保了西江流域的防洪安全。

在西江第 4 次編號洪水期間，北江第 2 號洪水發(fā)展成特大洪水，暴雨洪水防御形勢十分嚴(yán)峻。為做好暴雨洪水防御工作，珠江委運用“四預(yù)”平臺實時監(jiān)控流域雨水汛情，多模型交互滾動預(yù)測預(yù)報，分級分類預(yù)警，多尺度滾動預(yù)演調(diào)度方案，優(yōu)選最佳調(diào)度方案，調(diào)度運用西江干支流水工程群進(jìn)行攔洪、錯峰、削峰，將西江洪水量級壓減至西江干流堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，在“四預(yù)”平臺支撐下，成功實現(xiàn)了西江、北江洪水錯峰[12-13]。

4.2 珠江流域抗旱保供水

2020—2021 年，珠江流域中東部遭遇 60 a 一遇大旱，而東江、韓江的骨干水庫蓄水量不到 20%。此外，受河道徑流量減小、天文大潮疊加等不利氣象因素的綜合影響，咸潮影響范圍不斷擴(kuò)大，珠海、中山等地主要取水口一度連續(xù)多日無法取淡。2021 年底珠江抗旱“四預(yù)”平臺初步建成，為措施跑贏旱情、咸情發(fā)展速度提供支撐，抗旱期間值班人員通過“四預(yù)”平臺時刻掌握當(dāng)前形勢，預(yù)報珠江三角洲鹽度分布，模擬結(jié)果如圖5 所示。

圖5 珠江三角洲枯水期平面鹽度分布模擬結(jié)果

珠江委運用“四預(yù)”平臺匯集雨水情、咸情、水庫蓄水動態(tài)、水廠運行狀況等信息，集成中長期預(yù)報調(diào)度等多種模型，滾動預(yù)測預(yù)報旱情咸情變化態(tài)勢，結(jié)合抗旱保供水“三道防線”，動態(tài)滾動調(diào)度預(yù)演，多要素智能預(yù)警，不斷優(yōu)化聯(lián)合調(diào)度方案，精準(zhǔn)調(diào)度補(bǔ)水，并優(yōu)化防汛會商決策流程，確保了香港、澳門、金門供水安全，以及粵港澳大灣區(qū)及粵東、閩南地區(qū) 5 000 萬名城鄉(xiāng)居民用水安全。

5 結(jié)語

珠江水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”平臺作為數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試優(yōu)秀應(yīng)用案例，形成了一批具有先進(jìn)性、自主性、安全性的技術(shù)成果，可為我國其他流域數(shù)字孿生建設(shè)提供參考，具有良好的推廣價值。隨著數(shù)字孿生流域建設(shè)的推進(jìn)，防汛抗旱“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用未來的工作主要包括以下幾方面：結(jié)合水利模型的提升，提高預(yù)報的精度；結(jié)合新型信息化技術(shù)，增強(qiáng)預(yù)警能力，增加預(yù)警方式；建設(shè)更為全面的多元可視化場景，豐富預(yù)演效果；結(jié)合知識圖譜的建設(shè)，提升預(yù)案推薦生成的效率。