江西省小流域智慧防汛體系建設(shè)思路探討

王小笑，李亞琳

（江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

通過近些年的河道整治，大江大河防洪工程的標(biāo)準(zhǔn)得到逐步提高，防御洪水的能力得到進(jìn)一步增強(qiáng)，雖然當(dāng)前國家正在開展中小河流、重點(diǎn)山洪溝治理等一系列防護(hù)工程項(xiàng)目建設(shè)，但總體來說，小流域防洪工程標(biāo)準(zhǔn)還普遍偏低。小流域洪水災(zāi)害在全流域洪澇災(zāi)害損失中所占比例日益增大，且誘發(fā)的滑坡、泥石流等山洪災(zāi)害造成的危害愈來愈重，損失愈來愈大[1]。如何解決小流域的防洪問題，已成為當(dāng)前防汛工作關(guān)注的重點(diǎn)之一。

江西省位于長江中下游南岸，境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，河流眾多，流域面積 10 km2以上河流有 3 771 條。由于地形地質(zhì)條件相對復(fù)雜，氣候條件特殊，降水時(shí)空分布不均等因素，江西省境內(nèi)極易形成局部強(qiáng)降雨，導(dǎo)致山丘區(qū)中小河流山洪災(zāi)害爆發(fā)，降雨后幾小時(shí)即成災(zāi)受損，經(jīng)常給山丘區(qū)群眾造成很大的損失。

江西省從 2007 年起啟動山洪災(zāi)害防御工作，陸續(xù)開展了包括監(jiān)測預(yù)警平臺、自動監(jiān)測系統(tǒng)、無線預(yù)警系統(tǒng)、群測群防體系、山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)及重點(diǎn)山洪溝防洪治理等在內(nèi)的山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目建設(shè)，在近年全省山洪災(zāi)害防御工作中，發(fā)揮了重大作用，使江西省山洪災(zāi)害防治能力有了顯著提升。然而小流域山洪災(zāi)害防治任務(wù)依然艱巨，絕大多數(shù)的人員傷亡多出現(xiàn)在小流域山洪災(zāi)害，而從總體上看，小流域洪水還缺乏一個(gè)完整、系統(tǒng)、科學(xué)的防治體系，小流域的洪水預(yù)報(bào)精度不高，防護(hù)對象預(yù)警指標(biāo)寬泛，應(yīng)急體系建立不夠完善，沒有從“監(jiān)測—傳輸—數(shù)據(jù)處理—預(yù)報(bào)—預(yù)警—響應(yīng)”全過程的處理手段支撐現(xiàn)代小流域防洪工作的精細(xì)化和細(xì)致化，滿足從傳統(tǒng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化防汛工作的新要求。

“智慧”一詞最早來源于 2009 年 IBM 首席執(zhí)行官提出的智慧地球，提出把傳感器裝備到人們生活中的各種物體中，并且連起來，形成物聯(lián)網(wǎng)，并通過云計(jì)算將物聯(lián)網(wǎng)整合起來，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上數(shù)字地球與人類社會和物理系統(tǒng)的整合[2]。在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動互聯(lián)網(wǎng)等發(fā)展的推動下，水利行業(yè)數(shù)字化水平和程度得以不斷提高[3]。按照信息化發(fā)展進(jìn)程，防汛信息化的發(fā)展也將沿著數(shù)字、“互聯(lián)網(wǎng) +”和智慧防汛的進(jìn)程不斷推進(jìn)，而小流域智慧防汛建設(shè)以防洪減災(zāi)過程中較為關(guān)注的流域作為單元，利用新一代的智能傳感、傳輸?shù)燃夹g(shù)，集合流域模型，通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等，實(shí)現(xiàn)雨情、水情信息的快速收集和傳遞，將小流域洪水監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警和應(yīng)急體系關(guān)聯(lián)起來，形成小流域智慧防汛體系，以實(shí)現(xiàn)小流域山洪災(zāi)害防治的智慧化管理。

1 小流域智慧防汛體系建設(shè)總體框架

江西省小流域智慧防汛圍繞“會下多少雨，會漲多少水，影響哪些人，實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)對”的總體思路，通過開展小流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取、水雨情信息采集傳輸、小流域洪水預(yù)報(bào)、洪水風(fēng)險(xiǎn)分析、預(yù)警信息及應(yīng)急響應(yīng)等主要工作，構(gòu)建小流域洪水監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警和應(yīng)急體系，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)代化、數(shù)據(jù)采集自動化、信息資源共享化、管理決策智能化，初步建立“實(shí)時(shí)汛情監(jiān)視—防洪形勢分析—洪水預(yù)報(bào)—防洪調(diào)度—預(yù)警信息及應(yīng)急響應(yīng)”的防汛業(yè)務(wù)一體化智能決策體系。小流域“智慧防汛”體系建設(shè)總體框架圖如圖1 所示。

圖1 小流域智慧防汛體系建設(shè)總體框架圖

2 小流域智慧防汛體系建設(shè)內(nèi)容

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集獲取

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是小流域智慧防汛體系建設(shè)的數(shù)據(jù)支撐，通過收集小流域的基礎(chǔ)地理信息、水文和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、歷史洪水災(zāi)害資料、構(gòu)筑物及工程調(diào)度資料，開展小流域山洪災(zāi)害調(diào)查工作，以全面、準(zhǔn)確地查清流域內(nèi)山洪災(zāi)害的區(qū)域和防治區(qū)內(nèi)的人口等分布情況。并運(yùn)用無人機(jī)遙感技術(shù)，開展流域內(nèi)主要危險(xiǎn)區(qū)、水庫壩址、重點(diǎn)城鎮(zhèn)核心區(qū)的航測任務(wù)，獲取 0.2 m 分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，提取小流域DEM 數(shù)據(jù)，生成正射影像圖，制作小流域三維模型，為小流域洪水動態(tài)模擬提供輔助。

2.2 水雨情信息采集

在流域范圍內(nèi)增設(shè)適當(dāng)?shù)挠炅空?，可以反映降水量的空間變化，也可與流量測站配套，提供降水徑流分析所需的降水量資料；增設(shè)適當(dāng)?shù)乃徽?，可研究暴雨洪水、產(chǎn)流、匯流及其他規(guī)律，控制斷面水文情勢變化。此外，為提高洪水預(yù)報(bào)精度，延長預(yù)見期，可引入更多的降雨信息，有效途徑是在洪水預(yù)報(bào)模型中耦合氣象數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，提早獲取即將發(fā)生的降雨信息。氣象信息監(jiān)視主要包括云圖、雷達(dá)圖、氣象數(shù)值預(yù)報(bào)等。

此外，可在重點(diǎn)防治區(qū)受山洪災(zāi)害影響較大的集鎮(zhèn)、村落、重點(diǎn)河段、中小型水庫等重要部位，或轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)的關(guān)鍵場所和道路節(jié)點(diǎn)，布設(shè)視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)，自動獲取實(shí)時(shí)水位信息，直觀掌握實(shí)時(shí)水情信息及周邊群眾轉(zhuǎn)移情況。

2.3 洪水預(yù)報(bào)

通過劃分水文響應(yīng)單元，對計(jì)算流域進(jìn)行產(chǎn)匯流分析，以實(shí)時(shí)監(jiān)測、歷史、工程、氣象預(yù)報(bào)等數(shù)據(jù)信息資源為基礎(chǔ)，建立預(yù)報(bào)模型庫與方案庫。采用分布式預(yù)報(bào)模型，對預(yù)報(bào)斷面的洪峰水位、峰現(xiàn)時(shí)間、洪水過程線、洪量等洪水要素進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，必要時(shí)還應(yīng)考慮水庫的聯(lián)合調(diào)度。小流域洪水預(yù)報(bào)框架如圖2 所示。

圖2 小流域洪水預(yù)報(bào)框架圖

2.4 洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

通過對小流域水文、地質(zhì)、工程、經(jīng)濟(jì)社會及調(diào)查評價(jià)成果等數(shù)據(jù)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，分析小流域暴雨洪水特征，給出小流域防治區(qū)內(nèi)沿河村落、集鎮(zhèn)、城鎮(zhèn)等防災(zāi)對象的現(xiàn)狀防洪能力，危險(xiǎn)區(qū)等級劃分及預(yù)警指標(biāo)等成果。結(jié)合分析成果，建立暴雨洪水與防護(hù)對象關(guān)聯(lián)，形成小流域斷面水位與防護(hù)對象人口分布、高程對應(yīng)關(guān)系，獲得災(zāi)害防御應(yīng)急預(yù)案成果數(shù)據(jù)，建立小流域暴雨洪水防護(hù)體系。

此外，如要進(jìn)行洪水淹沒分析及損失評估，可結(jié)合水文學(xué)法、一維和二維水力學(xué)模型等方法編制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，包含洪水的到達(dá)時(shí)間、最大的流速、水深分布和洪水的淹沒時(shí)間等要素[4]。獲取某一時(shí)刻洪水淹沒范圍和水深分布，通過受淹耕地、居民地面積，以及受淹交通干線（省級以上公路、鐵路）里程、受影響重點(diǎn)單位數(shù)量及 GDP 等統(tǒng)計(jì)值，結(jié)合當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)、交通設(shè)施等數(shù)據(jù)，綜合評估洪水淹沒損失。洪水風(fēng)險(xiǎn)分析框架如圖3 所示。

2.5 預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)

根據(jù)降雨及預(yù)報(bào)調(diào)度情況，確定當(dāng)前雨量和水位預(yù)警級別，對可能產(chǎn)生洪災(zāi)影響的防護(hù)對象進(jìn)行預(yù)警，雨量預(yù)警通過分析不同預(yù)警時(shí)段的臨界雨量得出，水位預(yù)警通過分析臨界水位得出。預(yù)警發(fā)布可通過短信平臺、預(yù)警廣播、手機(jī) App、微信公眾號、LED 電子屏等多種渠道進(jìn)行，依據(jù)預(yù)警級別確定對應(yīng)的響應(yīng)級別，預(yù)警發(fā)布后，應(yīng)急響應(yīng)自動啟動，確定人員及物資調(diào)配情況，通過迅速、高效地組織實(shí)施進(jìn)行人員避險(xiǎn)，保障人身安全。

圖3 洪水風(fēng)險(xiǎn)分析框架圖

2.6 防汛云服務(wù)平臺搭建

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)的逐步成熟，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入也由以往的初步實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)對接階段，逐步轉(zhuǎn)向設(shè)備統(tǒng)一接入云端并在云端做應(yīng)用管理的階段[5]。在前期的基礎(chǔ)工作上，利用云計(jì)算和云存儲技術(shù)，以 GIS 服務(wù)、水文學(xué)模型與算法、數(shù)據(jù)庫服務(wù)等為支撐，搭建小流域防汛云服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚處理，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合 GIS 服務(wù)，預(yù)報(bào)和調(diào)度的模型算法，開展小流域洪水預(yù)警預(yù)報(bào)與應(yīng)急響應(yīng)、動態(tài)模擬三維展示及洪水預(yù)警響應(yīng)手機(jī) App 三部分系統(tǒng)建設(shè)，將小流域暴雨洪水預(yù)報(bào)、洪水淹沒過程及轉(zhuǎn)移安置路線通過可視化手段展現(xiàn)在小流域三維虛擬場景中，將這些信息以文字、圖片、視頻圖像、語音等多種方式實(shí)時(shí)推送到流域內(nèi)沿河居民的移動終端設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)小流域防汛云服務(wù)、智慧化管理。

3 結(jié)語

小流域山洪災(zāi)害屬于危機(jī)管理的范疇，一般具有毀滅性、突發(fā)性、伴生性、因果性、循環(huán)性等特點(diǎn)[6]。當(dāng)前，大江大河防汛工作往往能做到有的放矢，心中有數(shù)；但面對小流域防汛，由于其具有洪峰高、歷時(shí)短、難預(yù)報(bào)、難預(yù)防等特點(diǎn)，往往束手無策。小流域突發(fā)性洪水預(yù)報(bào)及響應(yīng)是目前防洪減災(zāi)工作中突出的難點(diǎn)。本研究提出的小流域智慧防汛體系作為重要的非工程措施，充分利用先進(jìn)的水利信息科學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雨情、水情信息的快速收集和傳遞，將小流域洪水監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警和應(yīng)急體系關(guān)聯(lián)起來，提升小流域洪水預(yù)報(bào)預(yù)警信息化水平和精度，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)代化，數(shù)據(jù)采集自動化，信息資源共享化，管理決策智能化，做到“如有降雨，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，發(fā)出預(yù)警，做好應(yīng)對，轉(zhuǎn)移安置”的科學(xué)預(yù)報(bào)預(yù)警流程，切實(shí)保障山丘區(qū)人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。小流域智慧防汛體系作為“山洪災(zāi)害防御體系”的升級版，可以有效解決以往小流域防汛上的諸多難題，將對小流域洪水災(zāi)害管理水平及應(yīng)對突發(fā)洪水災(zāi)害事件的能力得到有效提升。