河南鄭州市防洪“五預(yù)”系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

李 匡 郭曉麒 柴福鑫 朱吉生 張 震

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心（水旱災(zāi)害防御中心），北京 100038；3.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 450046；4.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)有限公司，北京 100036）

0 引 言

2021年，水利部提出推進(jìn)智慧水利建設(shè)，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求[1-3]，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線(xiàn)，構(gòu)建數(shù)字孿生流域，開(kāi)展智慧化模擬，支撐精準(zhǔn)化決策，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的智慧水利體系[4-6]。

河南鄭州“7·20”特大暴雨導(dǎo)致城市內(nèi)澇、河流洪水、山洪滑坡等多災(zāi)并發(fā)，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。全市因?yàn)?zāi)死亡失蹤380 人，占全省因?yàn)?zāi)死亡失蹤人數(shù)的95.5%[7]?！逗幽相嵵荨?·20”特大暴雨災(zāi)害調(diào)查報(bào)告》指出鄭州市防洪預(yù)警發(fā)布、搶險(xiǎn)救援、科技支撐、應(yīng)急指揮、社會(huì)動(dòng)員等能力存在短板。因此，有必要運(yùn)用現(xiàn)代信息化技術(shù)手段，實(shí)時(shí)感知水情、雨情，并和省級(jí)、其他市縣級(jí)系統(tǒng)及氣象信息系統(tǒng)互聯(lián)互通，做到提前判斷可能的洪澇災(zāi)害，加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)措施，減少因自然災(zāi)害造成的人民群眾生命財(cái)產(chǎn)損失。

為落實(shí)河南省政府預(yù)報(bào)、預(yù)判、預(yù)警、預(yù)案、預(yù)演“五預(yù)”措施，貫通雨情、水情、工情、險(xiǎn)情、災(zāi)情“五情”信息，圍繞監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警、水工程調(diào)度、防洪搶險(xiǎn)技術(shù)支撐3 項(xiàng)職能，落實(shí)鄭州市委、市政府“7·20”特大暴雨災(zāi)害調(diào)查報(bào)告整改和災(zāi)后重建工作專(zhuān)題會(huì)上的指示精神，聚焦鄭州市防洪總體目標(biāo)，立足新發(fā)展階段，貫徹新發(fā)展理念，補(bǔ)齊信息化和感知系統(tǒng)總體架構(gòu)短板，基于鄭州市智慧水利一期項(xiàng)目建設(shè)成果，以現(xiàn)有軟硬件環(huán)境為基礎(chǔ)，構(gòu)建包含監(jiān)測(cè)感知、基礎(chǔ)設(shè)施、支撐平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)的鄭州防洪“五預(yù)”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鄭州市防洪預(yù)報(bào)、預(yù)判、預(yù)警、預(yù)演及預(yù)案的智能化、智慧化管理，提升鄭州市防洪管理與決策水平。

1 鄭州市防洪體系

鄭州市是河南省省會(huì)、中原城市群核心城市，國(guó)務(wù)院批復(fù)確定的中國(guó)中部地區(qū)重要的中心城市、國(guó)家重要的綜合交通樞紐，也是國(guó)家31個(gè)重點(diǎn)防洪城市之一，防洪安全至關(guān)重要。鄭州市地跨黃河、淮河兩大流域，大小河流共124條，100 km2以上河流共28條。影響鄭州市主城區(qū)防洪安全的主要是外河黃河、內(nèi)河賈魯河水系。鄭州市黃河段防洪依托黃河流域防洪工程體系，依靠現(xiàn)有堤防工程以保障鄭州城市防洪安全，現(xiàn)狀滿(mǎn)足規(guī)劃的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。賈魯河干支流等城市內(nèi)河，按照防洪排澇韌性城市建設(shè)的要求，流域和區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展要求，生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求，以及洪水情勢(shì)變化，依托流域和區(qū)域防洪減災(zāi)體系，統(tǒng)籌各類(lèi)措施，形成了“西蓄、東疏、南截、北分、中調(diào)”的防洪總體格局（圖1）。

圖1 鄭州市主城區(qū)防洪總體布局圖

2 防洪“五預(yù)”系統(tǒng)總體架構(gòu)

防洪“五預(yù)”平臺(tái)總體架構(gòu)由監(jiān)測(cè)感知、基礎(chǔ)設(shè)施、支撐平臺(tái)和防洪“五預(yù)”應(yīng)用系統(tǒng)組成（圖2），其中監(jiān)測(cè)感知包括水情感知、工情監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)等；基礎(chǔ)設(shè)施依據(jù)鄭州市政務(wù)外網(wǎng)、政務(wù)云和數(shù)據(jù)中臺(tái)等，新建防洪應(yīng)用支撐平臺(tái)，支撐平臺(tái)包括防洪數(shù)據(jù)底板、數(shù)字孿生支撐平臺(tái)、水利模型平臺(tái)、水利知識(shí)平臺(tái)、應(yīng)用基礎(chǔ)支撐等；防洪“五預(yù)”應(yīng)用系統(tǒng)包括防洪預(yù)報(bào)、防洪預(yù)判、防洪預(yù)警、防洪預(yù)演、防洪預(yù)案、防洪“五預(yù)”移動(dòng)應(yīng)用等。

圖2 防洪“五預(yù)”系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.1 監(jiān)測(cè)感知

依托已建水利監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，完善構(gòu)建全市智慧水利監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)。在“7·20”特大暴雨受災(zāi)嚴(yán)重的14 座水庫(kù)、重要河道斷面等重要部位建設(shè)監(jiān)測(cè)感知站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)防洪重點(diǎn)部位監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。推進(jìn)涉水要素全域感知，通過(guò)水情監(jiān)測(cè)、工情監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)的建設(shè)，構(gòu)建多層次監(jiān)測(cè)感知體系。“五預(yù)”系統(tǒng)共建設(shè)完成水情監(jiān)測(cè)站28 處，其中多點(diǎn)雷達(dá)水情監(jiān)測(cè)點(diǎn)23 處，單點(diǎn)雷達(dá)水情監(jiān)測(cè)點(diǎn)5 處；建設(shè)完成工情監(jiān)測(cè)10 處，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制和工情數(shù)據(jù)采集；建設(shè)視頻監(jiān)測(cè)31 處，每個(gè)水情監(jiān)測(cè)點(diǎn)各建設(shè)1處，鋼閘壩、常莊水庫(kù)、尖崗水庫(kù)各1處。

2.2 支撐平臺(tái)

2.2.1 防洪數(shù)據(jù)底板

基于“一數(shù)一源”原則，在梳理鄭州市現(xiàn)有數(shù)據(jù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，匯聚洪水、干旱、水利工程運(yùn)行管理等業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)、監(jiān)測(cè)、空間、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源。按照數(shù)據(jù)使用目的和分級(jí)分類(lèi)管理的要求，規(guī)劃建設(shè)數(shù)據(jù)資源池。以信息資源全生命周期管理和開(kāi)放共享為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)鄭州市各類(lèi)水利數(shù)據(jù)的融合匯聚、數(shù)據(jù)治理、統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享。

2.2.2 數(shù)字孿生支撐平臺(tái)

融合物聯(lián)感知操控、5G 通信、無(wú)人機(jī)、傾斜攝影、虛擬融合互動(dòng)、遙感影像分析、數(shù)字化表達(dá)、模型分析等技術(shù)，通過(guò)遙感衛(wèi)星或無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取高分辨率的數(shù)字高程模型（DEM）地圖和遙感圖片，綜合運(yùn)用多種三維建模技術(shù)建立各種水文設(shè)施和水利工程的三維立體圖，對(duì)鄭州市重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化映射，建設(shè)數(shù)字鄭州市天、空、地、水基數(shù)字孿生中心，實(shí)現(xiàn)物理河流與數(shù)字底座之間的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)信息交互和深度融合，保持兩者的同步性、孿生性。

以?xún)A斜攝影建模構(gòu)建三維漫游模型、融入360°全景相機(jī)，構(gòu)建河流數(shù)字底座，實(shí)現(xiàn)“模型+實(shí)景”的全面展示。融入河流物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，包括目前已有和本次建設(shè)的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，按照1∶1 還原到三維漫游模型中，實(shí)現(xiàn)“模型+實(shí)景+數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)”的全面動(dòng)態(tài)模擬；對(duì)水閘及設(shè)備進(jìn)行全景漫游掃描，接入目前已經(jīng)建設(shè)和本次建設(shè)的視頻，實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)查看、實(shí)時(shí)重現(xiàn)河道。

2.2.3 水利模型平臺(tái)

水利模型平臺(tái)承載著各類(lèi)水文、水動(dòng)力、智能、調(diào)度等模型，同時(shí)遵照精細(xì)化時(shí)空變?cè)捶植际剿哪Ｐ徒ㄔO(shè)方案、水庫(kù)調(diào)度模型建設(shè)方案、一維河網(wǎng)模型建設(shè)方案、二維洪水演進(jìn)模型建設(shè)方案等，構(gòu)建相關(guān)模型計(jì)算方案，運(yùn)用并行計(jì)算框架實(shí)現(xiàn)各類(lèi)模型的并行計(jì)算，并以服務(wù)形式提供給了業(yè)務(wù)系統(tǒng)模塊來(lái)使用（圖3）。

圖3 水利模型平臺(tái)架構(gòu)圖

2.2.4 水利知識(shí)平臺(tái)

在水利部本級(jí)知識(shí)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，依托L2 級(jí)流域數(shù)據(jù)底板和部分L3 級(jí)數(shù)據(jù)底板，以知識(shí)圖譜和知識(shí)引擎為技術(shù)框架，構(gòu)建水利知識(shí)平臺(tái)。鄭州市防洪“五預(yù)”水利知識(shí)平臺(tái)匯聚了數(shù)據(jù)底板產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)、模型平臺(tái)的分析計(jì)算結(jié)果，通過(guò)水利知識(shí)引擎對(duì)近年來(lái)的重點(diǎn)區(qū)域重要調(diào)度專(zhuān)題事件相關(guān)資料進(jìn)行梳理，存儲(chǔ)歷史調(diào)度信息，包括：鄭州市域水網(wǎng)歷史水情、歷史降雨、歷史降雨預(yù)報(bào)、調(diào)度指令、調(diào)令執(zhí)行情況、河道水文站預(yù)報(bào)方案、水庫(kù)水文站預(yù)報(bào)方案、河系預(yù)報(bào)方案和中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)方案等信息。通過(guò)不同類(lèi)型信息流或者業(yè)務(wù)流進(jìn)行歸類(lèi)并形成套件，以支撐新業(yè)務(wù)場(chǎng)景的規(guī)則適配，應(yīng)對(duì)不斷變化的規(guī)則需求，規(guī)范和約束水利業(yè)務(wù)管理行為。實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)感知、預(yù)報(bào)預(yù)警、水利工程運(yùn)營(yíng)調(diào)度、方案決策等的智能分析，對(duì)關(guān)鍵詞語(yǔ)義、關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)流程、不合理措施、故障原因、規(guī)范流程等開(kāi)展知識(shí)分析，實(shí)現(xiàn)鄭州市防洪“五預(yù)”決策過(guò)程的知識(shí)服務(wù)，提高分析和決策效率。

2.2.5 應(yīng)用基礎(chǔ)支撐

針對(duì)鄭州市水利局信息化建設(shè)存在單項(xiàng)業(yè)務(wù)處于孤立發(fā)展?fàn)顟B(tài)、沒(méi)有統(tǒng)一的公共支撐平臺(tái)、形成“系統(tǒng)孤島”和業(yè)務(wù)分割問(wèn)題，需要通過(guò)整合各類(lèi)資源、構(gòu)建應(yīng)用基礎(chǔ)支撐環(huán)境，在業(yè)務(wù)應(yīng)用支撐層進(jìn)行整合共享，將各業(yè)務(wù)或業(yè)務(wù)間可通用的技術(shù)復(fù)用，改變傳統(tǒng)“單獨(dú)開(kāi)發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行”的建設(shè)模式，實(shí)現(xiàn)資源共享、信息互通和業(yè)務(wù)協(xié)同。

3 防洪“五預(yù)”系統(tǒng)主要功能

3.1 防洪預(yù)報(bào)

對(duì)鄭州市14座中型水庫(kù)、主城區(qū)賈魯河及其13條支流285 km河道、80座閘壩、9座湖泊、金水河調(diào)洪工程、金水河分洪工程等建設(shè)防洪預(yù)報(bào)子系統(tǒng)。緊扣“降雨—產(chǎn)流—匯流—演進(jìn)”預(yù)報(bào)環(huán)節(jié)，耦合氣象水文預(yù)報(bào)，建立以流域?yàn)閱卧暮樗A(yù)報(bào)工作模式，延長(zhǎng)洪水預(yù)見(jiàn)期，主要模型有新安江模型、馬斯京根河道演算模型、一二維水動(dòng)力模型、水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型等。所有源頭流域和區(qū)間，采用降雨徑流模型進(jìn)行計(jì)算；市內(nèi)河道采用馬斯京根法加一二維水動(dòng)力模型的耦合方法進(jìn)行河道匯流分析。采用人工經(jīng)驗(yàn)和自動(dòng)優(yōu)選相結(jié)合的率定方法實(shí)時(shí)滾動(dòng)分析已發(fā)生洪水的規(guī)律，提高洪水預(yù)報(bào)精度。預(yù)報(bào)功能界面示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 預(yù)報(bào)功能界面示意圖

3.2 防洪預(yù)判

防洪預(yù)判子系統(tǒng)以納雨能力為參考，基于水庫(kù)水情和河道水情實(shí)時(shí)變化，對(duì)整體防洪形勢(shì)進(jìn)行研判，為防洪預(yù)警提供及時(shí)的支撐。主要功能包括水庫(kù)防洪預(yù)判和河道防洪預(yù)判。水庫(kù)防洪預(yù)判：通過(guò)水庫(kù)當(dāng)前水位、汛限水位、設(shè)計(jì)水位及當(dāng)前降雨及未來(lái)降雨情況，再根據(jù)水庫(kù)特征信息及庫(kù)容曲線(xiàn)變化情況，動(dòng)態(tài)計(jì)算水庫(kù)納雨能力與納洪能力，實(shí)現(xiàn)防洪自動(dòng)判別與預(yù)警。河道防洪預(yù)判：基于實(shí)時(shí)分析計(jì)算的數(shù)字流場(chǎng)，針對(duì)鄭州市重點(diǎn)關(guān)注河道，分析判別河道防汛態(tài)勢(shì)及未來(lái)的變化趨勢(shì)，動(dòng)態(tài)給出河道水面線(xiàn)及斷面水位變化情況，對(duì)河道警戒、保證水位進(jìn)行預(yù)警。預(yù)判功能界面示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 預(yù)判功能界面示意圖

3.3 防洪預(yù)警

防洪預(yù)警子系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)底板內(nèi)的多源融合數(shù)據(jù)，特別是水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)的數(shù)據(jù)融合成果，根據(jù)未來(lái)降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)或洪水預(yù)報(bào)結(jié)果、閾值指標(biāo)等信息進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別或問(wèn)題發(fā)現(xiàn)，提前進(jìn)行山洪或洪水預(yù)警，幫助水文監(jiān)測(cè)人員及相關(guān)的防汛指揮部門(mén)判斷洪水量級(jí)及其發(fā)展態(tài)勢(shì)，為采取應(yīng)急處置措施和社會(huì)公眾防災(zāi)避險(xiǎn)提供指引。預(yù)警功能界面示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 預(yù)警功能界面示意圖

3.4 防洪預(yù)演

防洪預(yù)演子系統(tǒng)利用高精度DEM 數(shù)據(jù)及專(zhuān)業(yè)水文數(shù)據(jù)，結(jié)合流域內(nèi)的河道斷面數(shù)據(jù)，防洪對(duì)象建筑物數(shù)據(jù)、地形勘測(cè)數(shù)據(jù)等，建立一二維耦合水動(dòng)力學(xué)模型。實(shí)時(shí)調(diào)度水庫(kù)出流數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入模型后，通過(guò)后端程序調(diào)用相關(guān)接口驅(qū)動(dòng)模型，后臺(tái)實(shí)時(shí)滾動(dòng)計(jì)算洪水演進(jìn)過(guò)程。依托于數(shù)字孿生平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與防洪預(yù)報(bào)系統(tǒng)的交互，進(jìn)行洪水實(shí)時(shí)推演，并顯示河道水面線(xiàn)變化情況和河道任一斷面的水位變化情況等，為后續(xù)的智慧決策與指揮調(diào)度提供客觀(guān)、可靠的決策依據(jù)。預(yù)演功能界面示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 預(yù)演功能界面示意圖

3.5 防洪預(yù)案

防洪預(yù)案子系統(tǒng)基于鄭州市防洪預(yù)案方案體系及模式，通過(guò)信息化手段，對(duì)預(yù)案方案進(jìn)行全方位管理，提供一套完整的數(shù)字化預(yù)案管理方案，實(shí)現(xiàn)預(yù)案模板規(guī)范化、預(yù)案任務(wù)流程化、預(yù)案責(zé)任明確化、預(yù)案資源可視化。快速明確突發(fā)水災(zāi)害等事件事前、事發(fā)、事中、事后的各個(gè)進(jìn)程中，誰(shuí)來(lái)做，怎樣做，何時(shí)做，以及用什么資源做等問(wèn)題。為指揮人員快速啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)程序提供支撐，為工程調(diào)度提供輔助決策。預(yù)案功能界面示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 預(yù)案功能界面示意圖

4 應(yīng)用成效

鄭州市防洪“五預(yù)”系統(tǒng)自2022年上線(xiàn)以來(lái)，在應(yīng)對(duì)汛期強(qiáng)降雨的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，通過(guò)計(jì)算分析，輸出防洪簡(jiǎn)報(bào)20余期。2023年，“五預(yù)”系統(tǒng)為防御2305號(hào)臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”提供了有力支撐。受臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”影響，鄭州市7 月28—30 日普降暴雨，累計(jì)降雨117 mm，其中28—29 日降雨量57.7 mm，29—30 日降雨量53.7 mm。鄭州市防汛抗旱指揮部7 月28 日18 時(shí)啟動(dòng)防汛Ⅳ級(jí)應(yīng)急響應(yīng)，于7 月29 日1 時(shí)30 分提升至Ⅲ級(jí)。按照鄭州市水利局工作部署，防洪“五預(yù)”系統(tǒng)項(xiàng)目組24 h值守，其間利用“五預(yù)”系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)滾動(dòng)預(yù)報(bào)、精細(xì)模擬預(yù)演分析研判河道水庫(kù)水情，進(jìn)一步提升了防汛會(huì)商決策能力，有效保障了鄭州市的防洪安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

鄭州市地處中原平原腹地，河流眾多、水系復(fù)雜，極易受洪水災(zāi)害的影響，又為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市，城市的快速發(fā)展增加了防洪壓力，一旦遭遇洪水災(zāi)害，易造成較大損失。因此，開(kāi)展鄭州市防洪“五預(yù)”系統(tǒng)建設(shè)意義重大。本文基于“五預(yù)”理念，從監(jiān)測(cè)感知和支撐平臺(tái)方面梳理了鄭州市防洪“五預(yù)”系統(tǒng)的總體架構(gòu)，從功能出發(fā)，介紹了防洪預(yù)報(bào)、預(yù)判、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“五預(yù)”模塊的主要功能。通過(guò)在實(shí)際應(yīng)對(duì)強(qiáng)降雨過(guò)程中的應(yīng)用，說(shuō)明本系統(tǒng)可為鄭州市防汛指揮提供技術(shù)和信息支撐，有效提高各級(jí)管理部門(mén)應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害等突發(fā)事件的能力。工程措施與非工程措施防洪“五預(yù)”系統(tǒng)相結(jié)合，可進(jìn)一步提升鄭州市防汛減災(zāi)的能力，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。