水旱災害防御信息化的實踐與思考

王 為

（水利部水旱災害防御司，北京 100053）

2020 年我國發(fā)生了 1998 年以來最嚴重的汛情。長江、黃河等六大江河共發(fā)生 21 次編號洪水，共有 836 條河流發(fā)生超警戒以上洪水，其中：269 條河流發(fā)生超保證洪水，78 條河流發(fā)生超歷史洪水。各級水利部門堅決貫徹落實黨中央、國務院的決策部署，積極踐行“兩個堅持、三個轉變”防災減災救災理念，立足監(jiān)測預報預警、水工程調度、搶險技術支撐“三項職責”，把超標洪水、水庫失事、山洪災害作為防汛領域的“三大風險”進行重點防范，通過科學調度、主動防控，有力應對了罕見江河洪水和暴雨山洪等災害，實現了“超標洪水不打亂仗，標準內洪水不出意外，水庫不因工作不到位造成垮壩失事，山洪災害不出現群死群傷”的“四不”目標，為經濟社會發(fā)展和做好“六穩(wěn)”工作、落實“六?！比蝿仗峁┝税踩Ｕ?。

信息化對水旱災害防御工作的支撐與服務，主要體現在雨水情監(jiān)測、洪水預報預警及水工程調度決策支持等方面。在 2020 年的水旱災害防御工作中，水利部成立雨水情監(jiān)測預報和水工程調度 2 個專班，密切監(jiān)視汛情，滾動預測預報，及時發(fā)布洪水、山洪預警，科學精細地實施水工程防洪聯合調度，發(fā)揮了巨大的防災減災效益。

1 水旱災害防御信息化在防汛抗洪中發(fā)揮了重要作用

1.1 水文監(jiān)測信息是水旱災害防御決策的重要依據

水文是水旱災害防御的“尖兵”“耳目”和“參謀”，水旱災害防御離不開水文監(jiān)測分析。特別是近年來，水文信息的監(jiān)測、傳輸能力有了很大的提高，為水旱災害防御決策提供了強大的信息支持：

1）報汛信息方面。2020 年全國報汛站總量達 12 萬余處，報汛信息總量達15.62 億條，分別較1998 年增加近 40 和 200 倍。

2）傳輸效率方面。水文數據基本實現逐小時采集，必要時可達分鐘級采集，測站信息收集整理后傳輸到水利部的時間由 1998 年的 2 個多 h 縮短至15 min 以內。

3）新技術應用方面。在 2020 年防洪中遙感、無人機、視頻等先進技術和裝備得到廣泛應用，其中：利用衛(wèi)星，連續(xù)開展鄱陽湖、洞庭湖、巢湖、蒙洼蓄洪區(qū)等區(qū)域的洪水遙感監(jiān)測共 52 次，總面積達 6.83萬 km2，并分析洪水動態(tài)變化和受影響區(qū)域情況；依托水利一張圖，綜合展示和分析研判水利設施、防洪保護對象、地形地貌、經濟社會等背景信息，以及實時水情、視頻監(jiān)控、遙感監(jiān)測等實況信息和重要斷面的預報信息。

1.2 滾動會商研判是水旱災害防御決策的重要支撐

根據各江河洪水特性和邊界條件，水利部汛前下達了預測預報任務，督促指導各級水文部門做好防范“三大風險”的技術支撐準備，組織開展水文測報演練。汛期，完善“專班預報、聯合會商、滾動訂正”的洪水預報工作機制，創(chuàng)新建立預報 3 d（第 1～3 d）、預測 3 d（第 4～6 d）、展望 3 d（第 7～9 d）的漸進式模式。同時，加密與中國氣象局及水利部流域管理機構、相關省（自治區(qū)、直轄市）水文部門的聯合會商，滾動修正預報成果，提高洪水預報精度，延長預見期。根據預測預報成果，科學研判汛情態(tài)勢和發(fā)展趨勢，提前做出有針對性地防御部署和水工程調度安排，提前向預報可能發(fā)生暴雨洪水的地區(qū)派出工作組、督查組，指導督促相關地區(qū)做好防范應對。滾動會商研判為提前做好“防”的工作奠定了基礎。

1.3 準確預報分析是水旱災害防御決策的成功前提

準確的預測預報是做好洪水防范應對的前提，特別是水工程的防洪調度，更與洪水預報密不可分。經過多年努力，截至 2020 年底，水利部承擔的預報斷面增加到 255 處，基本覆蓋國家防洪調度所需的大江大河和主要支流及重點水庫等；全國水文部門預報斷面增加到 1 610 處，作業(yè)預報范圍涉及1 000 多條河流。

汛期，水利部針對汛情形勢組建了長江、淮河、太湖等流域的洪水預測預報專班，與水工程調度專班共同做好水工程防洪調度。在防御淮河流域洪水過程中，針對降雨強度大、河道水位快速上漲的嚴峻形勢，增加王家壩等重要斷面的監(jiān)測頻次，每 6 min 報告 1 次水位和流量，準確預報其最高水位將突破保證水位并繼續(xù)上漲，可能超過分洪閘堰頂高程；根據預報結果，提前做好蒙洼蓄洪區(qū)運用準備，科學及時做出啟用決策，有序應對，保障了防洪安全[1]。

1.4 科學精細調度是水旱災害防御成效的重要保障

水工程調度是水旱災害防御的重要手段和有效措施，直接影響到防御工作全局，在水利信息化的支撐下，水工程調度技術不斷進步，水平不斷提高，發(fā)揮的效益日益顯著。

水利部組織修訂完善重要江河湖泊、重點水庫等的防御洪水和洪水調度方案，探索開展流域水工程防災聯合調度，努力提高水工程調度的科學性和精細化水平。特別是長江流域開展了以三峽水庫為核心的長江干支流水庫群聯合調度研究與實踐，在水旱災害防御中發(fā)揮了重要作用：

1）長江流域納入聯合調度的水工程數量已經達到 101 座，包括骨干水庫、蓄滯洪區(qū)、重要排澇泵站和引調水工程等，覆蓋全流域，統(tǒng)籌考慮防洪、供水、生態(tài)、發(fā)電、航運等各方面需求，初步建立了流域水庫群聯合調度機制。

2）長江防洪預報調度系統(tǒng)匯集 3 萬多個報汛站點信息，協同 31 個干支流預報調度體系 849 個預報節(jié)點、近 100 個調度對象，基于大數據和智能計算等先進科學技術，每 3～5 min 就能生成 1 套調度分析方案。

在應對長江流域洪水過程中，水利部長江水利委員會利用長江防洪預報調度系統(tǒng)，科學調度上中游水庫群，合計攔蓄洪水超過 490 億 m3，其中三峽水庫攔蓄 254 億 m3，將洪水平穩(wěn)有序地釋放到水庫下游，實現了對蓮花塘站水位的厘米級控制，避免了城陵磯附近蓄滯洪區(qū)和荊江分洪區(qū)的運用。

據統(tǒng)計，2020 年全國共有 4 042 座次大中型水庫參與防洪調度，共攔蓄洪水 1 780 億 m3，減淹城鎮(zhèn) 1 334 個次、耕地 227.7 萬 hm2，避免轉移人員2 213 萬人次[2–4]。

1.5 及時精準預警是減少人員傷亡的重要舉措

在密切監(jiān)測、滾動預報的基礎上，及時向防汛相關責任人和受威脅區(qū)域人員發(fā)布預警，提醒做好防范工作和轉移避險準備，能夠有效避免和減少洪澇災害造成的人員傷亡。主要措施如下：

1）汛期，水利部向相關部門和各級人民政府提供多種水文預報預警服務產品，基于水情預警匯集平臺，通過電視、廣播等傳統(tǒng)媒體和微信等新媒體及時向社會發(fā)布洪水預警信息。據統(tǒng)計，2020 年共發(fā)布1 184 條河流 1 933 個斷面作業(yè)預報 35.07 萬站次，向社會發(fā)布水情預警 1 956 次。

2）提前 24 h 在水利行業(yè)內發(fā)布強降雨過程預報預警，開展暴雨雷達短臨預警，及時發(fā)布未來 1～3 h 地市級強降雨預警信息；水旱災害防御部門根據短臨預警，點對點提醒相關單位做好防范應對。

3）各級水利部門充分發(fā)揮山洪災害監(jiān)測預警平臺和群測群防體系作用，向相關責任人和轄區(qū)內社會公眾發(fā)送預警信息。2020 年全國共發(fā)布 16.9 萬次縣級山洪災害預警，向 661.8 萬名防汛責任人發(fā)送預警信息 4 173.4 萬條，啟動預警廣播 47.1 萬次，并通過三大電信運營商向受山洪威脅區(qū)域內的所有人員累計發(fā)送預警短信 4.67 億條，為基層人民政府及時組織危險區(qū)群眾按照“方向對、跑得快”的要領轉移避險提供了先機，山洪災害死亡人數較近20 a 的平均值大幅降低。

2 水旱災害防御信息化存在的短板

當前，水旱災害防御信息化還存在以下短板：

1）監(jiān)測預報能力尚需提高。盡管我國水文監(jiān)測站點有 12 萬余處，但與發(fā)達國家相比，數量仍然不足，特別是部分中小河流、小型水庫還存在空白，部分站網布局不合理，相當一部分水文站自動化程度低，設施老化。南方江河洪水預報水平總體不錯，但北方河流多年未發(fā)生大洪水，流域邊界條件和下墊面等均發(fā)生了很大變化，已有預報模型已難以真實反映流域洪水特性。此外，局地突發(fā)強降雨引發(fā)的中小河流洪水和山洪災害的監(jiān)測預報能力還不能滿足防御工作要求。

2）水工程調度仍存在薄弱環(huán)節(jié)。有的江河還沒有完整的防洪調度方案，或現有方案的可操作性較差；絕大多數水庫調度方案或汛期調度運用計劃沒有隨著防洪調度目標的變化而進行修訂。除長江流域外，其它江河缺乏完整的水工程聯合調度方案，流域水工程聯合調度的理念和技術還有待深入研究及推廣應用。水工程調度的信息化、智能化程度不高，部分江河還停留在由人主導的經驗調度水平上。兼顧供水、發(fā)電、航運、生態(tài)等多目標的調度方案比較缺乏，多目標綜合調度手段和模式仍待探索。尚未實現各類水工程預報調度一體化，先進信息技術對調度決策的支持不夠。

3）預警發(fā)布機制有待完善。預警發(fā)布機制仍需進一步優(yōu)化，預警時效性有待增強，發(fā)布渠道仍以廣播、電視等傳統(tǒng)媒體為主，新媒體運用不足，覆蓋范圍還有盲區(qū)。山洪災害預警指標設定不夠精準，預警信息的發(fā)送對象主要以相關防汛責任人為主，通過三大電信運營商向社會公眾發(fā)送預警短信的機制還有一些省份沒有落實到位。社會公眾對洪水預警的認知程度還不足。

4）新技術應用程度不夠。當前現代信息技術發(fā)展迅速，但監(jiān)測預報預警和水工程調度的現代化程度總體不高。一些站點的水文監(jiān)測仍以人工監(jiān)測為主，自動監(jiān)測技術運用不夠，針對漂浮物多、流速大、含沙量高等特殊水情的監(jiān)測能力仍顯不足[5]?？仗斓匾惑w化多要素全覆蓋的水文測報體系還需要完善，衛(wèi)星、雷達等遙感和視頻監(jiān)控技術的應用還有待研究推廣，利用無人機等技術進行巡堤查險還處在探索階段，大數據、云計算、人工智能等先進技術在水工程調度決策過程中的應用還不足。

3 水旱災害防御信息化發(fā)展的思考

3.1 加強監(jiān)測站網建設

監(jiān)測站點是水情信息采集傳輸的基礎，須從以下方面加強監(jiān)測站網建設：

1）進一步完善水文站網規(guī)劃，優(yōu)化站網布局，加強水文監(jiān)測設施建設，提高江河湖庫水文站網的覆蓋率，補齊中小河流、小型水庫監(jiān)測預報預警設施的空白。

2）加強水文測報新技術、新設備的應用，廣泛采用新一代通信技術、智能終端，充分利用大數據、云計算、物聯網、遙感遙測、視頻監(jiān)測等新科技，推動水文信息測報的智能化發(fā)展，提升水情信息采集、傳輸、處理等方面的能力。

3）繼續(xù)加強山洪災害防治工作，不斷完善監(jiān)測預警系統(tǒng)和群測群防體系，提升山洪災害防御能力。

3.2 提高預測預報預警能力

預測預報預警能力的提升有賴于先進技術的應用和發(fā)布機制的完善，須從以下方面提高預測預報預警能力：

1）進一步加強與氣象部門的合作，提高暴雨等災害性天氣的監(jiān)測預報預警水平。

2）積極開展洪水預報理論研究和系統(tǒng)研發(fā)，推進預報關鍵技術研究，特別是在北方河流洪水預報、中小河流洪水早期預警等問題上有所突破。

3）研究提出極端降水、超標洪水、山洪轉移等方面的預警指標，完善江河洪水、暴雨山洪等的預警發(fā)布機制，強化新媒體的應用，拓展發(fā)布渠道，力求預警信息廣泛傳播，充分覆蓋。

4）加大預警知識的宣傳力度，促進預警信息更好地服務于社會公眾。

3.3 提升水工程防洪調度水平

我國防洪工程體系不斷完善，對水工程調度的科學化和精細化要求越來越高，須從以下方面提升水工程防洪調度水平：

1）進一步編制完善江河洪水、水工程防洪調度方案和超標洪水防御預案，細化優(yōu)化調度措施，提高針對性和可操作性；重點研究水庫、水閘、分洪河道、蓄滯洪區(qū)、泵站等防洪工程的聯合運用，形成“攔、分、蓄、滯、排”多種工程措施的強大合力。

2）在確保防洪安全的前提下，開展兼顧供水、生態(tài)、發(fā)電、泥沙、航運等多目標的調度，充分發(fā)揮水工程的綜合效益。

3）推進水工程防災聯合調度系統(tǒng)建設，建成覆蓋七大流域的水工程防災聯合預報調度體系，實現預報調度一體化。

4）繼續(xù)完善水工程聯合調度監(jiān)督管理體制機制，安全規(guī)范科學調度水工程，有效發(fā)揮防洪減災作用。

3.4 強化水工程防洪調度信息化支撐

在推進水工程防洪聯合和多目標等調度的前提下，涉及的工程數量和考慮的效益需求越來越多，迫切需要現代信息技術的有力支撐。須從以下方面強化水工程防洪調度信息化支撐：

1）進一步構建水工程調度規(guī)則庫和雨情、水情、工情、災情數據庫，以及預警發(fā)布、工程調度、人員轉移、險情搶護等決策信息數據庫。

2）充分研究人工智能、大數據、云計算、物聯網、區(qū)塊鏈等先進技術的應用，全面提升水工程調度的業(yè)務信息分析與處理能力，達到全流域洪水預報和工程調度成果的自動計算、生成、輸出、比選，推動由人主導的經驗調度向計算機推送結合人機互動的智慧調度轉變，不斷提高水工程聯合調度的現代化水平[6]。

4 結語

當前，我國經濟社會發(fā)展已邁入新時代，對做好水旱災害防御工作、保障防洪和供水安全提出了新的更高的要求。隨著時代發(fā)展、科技進步，水旱災害防御離不開現代化和信息化的支撐?！笆奈濉焙徒窈笠粋€時期，針對水旱災害防御信息化的短板和薄弱環(huán)節(jié)，需要進一步健全與經濟社會發(fā)展相適應的水旱災害防御信息化技術體系，廣泛采用大數據、物聯網、5G、人工智能等前沿技術，努力補齊信息化在監(jiān)測預報預警和水工程調度等方面的不足，不斷提升信息化對水旱災害防御的支持和服務能力，全面提高水旱災害防御現代化水平。