巢湖流域防洪治理調(diào)度綜合平臺(tái)設(shè)計(jì)

倪 晉，虞邦義，顧李華，施 奇

（1.安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，233000，蚌埠；2.水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，233000，蚌埠；3.安徽省水文局，230041，合肥）

巢湖是我國(guó)五大淡水湖之一，是長(zhǎng)江中下游重要的生態(tài)濕地，也是引江濟(jì)淮的調(diào)蓄場(chǎng)所和南北航運(yùn)的重要通道，在水資源供給、洪水調(diào)控、發(fā)展航運(yùn)、氣候調(diào)節(jié)和生物多樣性保護(hù)方面發(fā)揮著重要作用。巢湖流域同樣是安徽省最具活力的重要經(jīng)濟(jì)板塊，是省會(huì)合肥所在地和長(zhǎng)三角城市群副中心，在安徽省和長(zhǎng)三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略中處于重要地位。

防洪是巢湖治理的首要任務(wù)。受特殊的氣候、地形和江湖關(guān)系影響，巢湖上承山洪沖擊、下受江洪頂托，湖區(qū)峰高浪大，蓄泄矛盾尖銳，飽受洪水威脅。1949年以后，巢湖流域約每4年出現(xiàn)一次較嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。2020年梅雨期，巢湖流域出現(xiàn)了有記錄以來(lái)的最大洪水，湖區(qū)及主要支流堤防全線告急。雖然在多方努力下抗洪救災(zāi)取得最終勝利，但230處圩口潰決、幾十萬(wàn)群眾疏散轉(zhuǎn)移，也給經(jīng)濟(jì)社會(huì)造成了較大的沖擊。面對(duì)突出的洪澇問(wèn)題，需要綜合施策以全面提升流域的整體防洪水平。

2020年8月19日，習(xí)近平總書記親臨巢湖察看水勢(shì)水情，提出巢湖是安徽人民的寶貝，是合肥最美麗動(dòng)人的地方，一定要把巢湖治理好，把生態(tài)濕地保護(hù)好，讓巢湖成為合肥最好的名片。為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記重要講話精神，安徽省將巢湖防洪綜合治理列入全省災(zāi)后重建“四啟動(dòng)一建設(shè)”任務(wù)，謀劃了一批基礎(chǔ)性、樞紐性重大治理工程。但是，作為重要的非工程措施，巢湖流域水利信息化建設(shè)還比較滯后，防洪管理存在若干薄弱環(huán)節(jié)。為此，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等前沿技術(shù)為依托，構(gòu)建集治理與調(diào)度為一體的信息化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)防洪要素的數(shù)字化和防洪活動(dòng)的智能化，為定量化、精細(xì)化的工程設(shè)計(jì)、建設(shè)及調(diào)度管理提供全過(guò)程的決策支持。

一、流域防洪治理工程

按照“蓄泄兼籌，以泄為主”治理方針，通過(guò)“上攔、下排、邊分、固堤”四大類措施，對(duì)巢湖流域防洪體系進(jìn)行全方位升級(jí)，補(bǔ)齊排洪不暢通、蓄洪不安全、堤防不達(dá)標(biāo)等短板弱項(xiàng)?！吧蠑r”：加固董鋪等病險(xiǎn)水庫(kù)，新建豐樂(lè)河鳳凰臺(tái)、東河口，杭埠河天倉(cāng)等中型水庫(kù)，增強(qiáng)攔蓄山區(qū)洪水能力；“下排”：建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)裕溪河、牛屯河排洪通道，新建裕溪河口對(duì)江排洪泵站，增強(qiáng)自排、抽排能力，化解流域洪水“關(guān)門淹”痼疾；“邊分”：新建（續(xù)建）十八聯(lián)圩等10處生態(tài)蓄洪區(qū)，充分發(fā)揮其行蓄洪及生態(tài)保護(hù)功能；“固堤”：加固環(huán)巢湖岸線、主要支流及重點(diǎn)圩口堤防，確保重點(diǎn)城市、區(qū)域防洪安全。巢湖流域防洪綜合治理工程布局見(jiàn)圖1。

圖1 巢湖流域防洪綜合治理工程布局

二、平臺(tái)架構(gòu)及系統(tǒng)功能

1.總體框架

充分利用流域現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、調(diào)度等水利信息化成果，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，構(gòu)建防洪信息綜合平臺(tái)。該平臺(tái)采用“四橫二縱”體系結(jié)構(gòu)，“二縱”為水利業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障體系，“四橫”為感知層、數(shù)據(jù)層、支持層和應(yīng)用層。平臺(tái)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺(tái)總體架構(gòu)

感知層：通過(guò)流域內(nèi)已布設(shè)的各類監(jiān)測(cè)站點(diǎn)獲取雨情、水情、工情等數(shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)際需求，充實(shí)站點(diǎn)數(shù)量、優(yōu)化站網(wǎng)布局，實(shí)現(xiàn)對(duì)小型水庫(kù)、中小河流、中型以上泵站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全覆蓋。在擴(kuò)大感知范圍的同時(shí)，充分利用高精度X波段雷達(dá)、無(wú)人機(jī)、遙控船、衛(wèi)星、高清視頻監(jiān)控等技術(shù)手段，進(jìn)一步提升信息監(jiān)測(cè)智能化水平。

數(shù)據(jù)層：對(duì)感知層采集的多源異構(gòu)信息進(jìn)行數(shù)字化，結(jié)合數(shù)據(jù)的基本特點(diǎn)，按照基礎(chǔ)地理、水利工程、雨情水情、經(jīng)濟(jì)社會(huì)等專題進(jìn)行組織管理。利用安徽省水利大數(shù)據(jù)中心對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，通過(guò)數(shù)據(jù)清洗、時(shí)空尺度轉(zhuǎn)換等步驟，形成面向防洪主題的數(shù)字底板，為數(shù)字化場(chǎng)景建模和專業(yè)模型計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

支持層：由水系統(tǒng)模型、GIS（地理信息系統(tǒng)）和水利云平臺(tái)組成。水系統(tǒng)模型為工程效果評(píng)估、洪水預(yù)報(bào)、水工程聯(lián)合調(diào)度提供專業(yè)的計(jì)算引擎；GIS技術(shù)通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)接口為系統(tǒng)提供地圖信息服務(wù)和空間展示框架；安徽省水利云平臺(tái)為各種專業(yè)模型提供算力支持。

應(yīng)用層：將數(shù)字巢湖一張圖、治理規(guī)劃設(shè)計(jì)與水工程調(diào)度三大應(yīng)用融為一體，通過(guò)情景模擬和在線計(jì)算實(shí)現(xiàn)治理方案評(píng)估及洪澇預(yù)警預(yù)報(bào)等功能。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于ArcGIS Server產(chǎn)品技術(shù)訪問(wèn)空間數(shù)據(jù)和發(fā)布地圖技術(shù)。采用前后端分離的開(kāi)發(fā)技術(shù)，后端將復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯、各種分析算法、專業(yè)化要求較高的水系統(tǒng)模型相交互，數(shù)據(jù)庫(kù)操作通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的接口實(shí)現(xiàn)。前端開(kāi)發(fā)則著重考慮用戶體驗(yàn)的提升、界面排版的合理性、功能使用的便捷性。程序編碼采用C#語(yǔ)言，后端開(kāi)發(fā)采用Microsoft Visual Studio.Net平臺(tái)，對(duì)模型軟件的邊界設(shè)置、計(jì)算引擎、計(jì)算結(jié)果解析進(jìn)行封裝。前端開(kāi)發(fā)采 用Vue框架+Node.js+WebGIS技術(shù)，可高效地構(gòu)建用戶界面框架，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)和功能需求。

2.主要功能

構(gòu)建數(shù)字巢湖一張圖，將治理和管理過(guò)程全要素信息集中起來(lái)進(jìn)行展示。展示信息包括流域內(nèi)河網(wǎng)、閘泵等基礎(chǔ)要素、雨水情實(shí)時(shí)信息，以及模型模擬的各類結(jié)果數(shù)據(jù)（水位、流量、含沙量、斷面變形等）?；谖⒎?wù)的應(yīng)用架構(gòu)，將一張圖系統(tǒng)拆分為防洪治理成效評(píng)估一張圖、洪水監(jiān)測(cè)預(yù)警一張圖、城市內(nèi)澇評(píng)估一張圖等多個(gè)微服務(wù)，以增強(qiáng)各項(xiàng)分析內(nèi)容的專業(yè)性。

構(gòu)建巢湖新老工程體系評(píng)估技術(shù)，優(yōu)化綜合治理工程布局。主要包括：①以巢湖近70年治理現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，對(duì)一系列治理工程成效進(jìn)行回顧性評(píng)估，揭示現(xiàn)狀防洪體系存在的問(wèn)題，找出整體制約性因素；②對(duì)四大類治理工程的效果及持久性進(jìn)行評(píng)估，為規(guī)劃設(shè)計(jì)階段工程技術(shù)方案比選提供依據(jù)；③對(duì)工程治理成效進(jìn)行后評(píng)估，結(jié)合治理時(shí)間線建立洪水變化規(guī)律與工程里程碑事件關(guān)系，為打造大湖治理典范提供宣傳、展示的窗口。

構(gòu)建環(huán)巢湖水工程實(shí)時(shí)調(diào)度平臺(tái)，及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，提高調(diào)度決策的科學(xué)性。利用雨情、水情等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，結(jié)合內(nèi)嵌的多種模型在線分析洪水情勢(shì)變化，實(shí)現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)價(jià)并直觀展示風(fēng)險(xiǎn)分布。綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷結(jié)果及專家意見(jiàn)，制定相應(yīng)的指揮調(diào)度方案，并評(píng)估其在實(shí)際場(chǎng)景中的運(yùn)用效果。同時(shí)，根據(jù)洪澇發(fā)展態(tài)勢(shì)，及時(shí)對(duì)輔助決策方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，確保調(diào)度方案的合理性。

3.算法庫(kù)設(shè)計(jì)

流域水系統(tǒng)模型是巢湖防洪信息綜合平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)支撐。通過(guò)定量化模擬，全面了解流域洪澇狀態(tài)和水情參數(shù)的時(shí)空分布，對(duì)開(kāi)展精準(zhǔn)有效的防洪減災(zāi)工作十分重要。目前，國(guó)外已經(jīng)涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的數(shù)值模擬工具，如英國(guó)Wallingford和Halcrow研制的ISIS模型、丹麥水力學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的MIKE FLOOD模型、澳大利亞WBM公司開(kāi)發(fā)的TUFLOW模型等。上述模型雖然功能強(qiáng)大，但均為商業(yè)化產(chǎn)品，二次開(kāi)發(fā)功能受限，難以滿足對(duì)計(jì)算核心自主可控的需求。

為解決國(guó)外商用軟件針對(duì)性差、源代碼不公開(kāi)、底層操控困難等“卡脖子”問(wèn)題。近年，安徽省水科院先后開(kāi)發(fā)出多閘壩流域的水量—水質(zhì)模型、弱沖積河流的泥沙數(shù)學(xué)模型等一系列數(shù)值計(jì)算程序，計(jì)算格式包括有限差分法和有限體積法，還引入曲線坐標(biāo)變換的同位網(wǎng)格技術(shù)對(duì)二維模型進(jìn)行邊界擬合，形成了適用于江淮地區(qū)河湖水系的模型算法庫(kù)。結(jié)合SWMM開(kāi)源模型代碼，以及安徽省水文局現(xiàn)有的各種水文API算法，能夠?yàn)樾畔⑵脚_(tái)的建設(shè)提供功能先進(jìn)、權(quán)限完整的計(jì)算引擎。

模型的算法設(shè)計(jì)如圖3所示。產(chǎn)匯流模擬采用雙引擎配置：經(jīng)典的API算法可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的統(tǒng)一，便于驗(yàn)算已有水文成果和用于規(guī)劃設(shè)計(jì)；SWMM模型中RUNOFF模塊將城市下墊面分為不透水單元、有滯蓄庫(kù)容的不透水單元和無(wú)滯蓄庫(kù)容的不透水單元3個(gè)部分，每種響應(yīng)單元對(duì)應(yīng)特定的降雨蒸發(fā)和入滲補(bǔ)給過(guò)程，比較適用于大型城市化地區(qū)（合肥）降雨徑流水文過(guò)程的模擬。流域內(nèi)河道、湖泊、蓄洪區(qū)等河網(wǎng)元素，依據(jù)其水力學(xué)特征分別概化為不同維度。其中，針對(duì)巢湖湖區(qū)設(shè)計(jì)了兩種方法，一種是精細(xì)化二維模擬，通過(guò)直接求解淺水方程來(lái)反映支流來(lái)流、出湖調(diào)控及風(fēng)浪等因素對(duì)湖泊流場(chǎng)的影響，為評(píng)估治理方案實(shí)施效果提供情景模擬的工具；另一種為快速零維模擬，即不考慮湖區(qū)水流的空間差異，采用水量平衡的方法計(jì)算其蓄泄過(guò)程，以滿足預(yù)報(bào)時(shí)效性要求。采用SWMM模型中EXTRAN模塊對(duì)合肥市地下管網(wǎng)進(jìn)行模擬，該模型能夠適應(yīng)辮狀、環(huán)狀分布的管網(wǎng)，也能夠處理明滿流交替等復(fù)雜流態(tài)，在市政排水領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。城市地表采用基于DEM開(kāi)發(fā)二維擴(kuò)散波算法進(jìn)行模擬，能快速提供每個(gè)柵格點(diǎn)上的水深和流速，從而得到城市地表淹沒(méi)范圍及過(guò)程。

圖3 模型算法設(shè)計(jì)

將上述模塊組合，建立巢湖流域水文—水動(dòng)力—泥沙模擬算法庫(kù)，為治理工程布局和優(yōu)化調(diào)度提供高性能的計(jì)算支撐。治理方面：將河道一維和湖泊二維模型進(jìn)行耦合，開(kāi)展流域洪水精細(xì)化模擬，評(píng)估規(guī)劃治理工程的整體效果，解析各工程對(duì)整體效果的貢獻(xiàn)；將河道水流、泥沙模型進(jìn)行耦合，開(kāi)展長(zhǎng)歷時(shí)大尺度河床演變模擬，可明確回答裕溪河、牛屯河治理效果能否長(zhǎng)效維持的問(wèn)題，確保規(guī)劃提出的治理措施符合河道自身演變規(guī)律。調(diào)度方面：集成降雨徑流相關(guān)圖API模型、河道一維及湖區(qū)零維模型，實(shí)現(xiàn)流域洪水預(yù)報(bào)預(yù)警一體化仿真；耦合SWMM與城市地表漫流模型，實(shí)現(xiàn)合肥市主城區(qū)產(chǎn)匯流及積水過(guò)程的模擬分析，預(yù)測(cè)內(nèi)澇點(diǎn)的分布及發(fā)展趨勢(shì)。

三、結(jié) 語(yǔ)

圍繞巢湖防洪需求，設(shè)計(jì)了集信息監(jiān)測(cè)、情景模擬、方案評(píng)估、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、科學(xué)調(diào)度為一體綜合應(yīng)用平臺(tái)，提升了巢湖治理決策能力和管理運(yùn)用現(xiàn)代化水平。平臺(tái)開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)長(zhǎng)期持久的工作，需要不斷投入和技術(shù)提升。目前巢湖流域監(jiān)測(cè)信息主要依賴地面站網(wǎng)，隨著“北斗系統(tǒng)”、遙感空天地一體化等技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用，海量時(shí)空數(shù)據(jù)將為平臺(tái)提供更全面的信息支撐。另外，在機(jī)理模型基礎(chǔ)上，還需要引入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，提高洪澇模擬計(jì)算速度與適用性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能校正、調(diào)度方案智能推薦等突破，為全面建成數(shù)字孿生流域做好前期準(zhǔn)備。