贺兰山东麓山洪防御管理应用系统.pdf

贺兰山东麓山洪防御管理应用系统 贺兰山东麓山洪防御管理应用系统率先在省区实现流域级防洪“四预”功能,贯彻数字孪生流域建设理念,系统在汛期已试运行。GPU 并行算法提升二维水动力模型计算效率 10 倍以上,实现分钟级结果渲染呈现。模型云平台提供模型的系统集成和调用服务,实现模型的在线调用和计算。1 建设背景贺兰山横亘于宁夏平原北、西部,是宁夏和内蒙古自治区重要的自然分界,也是护佑宁夏平原免受腾格里沙漠和乌兰布和沙漠侵袭的天然屏障。地处贺兰山以东、黄河以西的宁夏平原是自治区生产要素和经济活动最为集中的地区,也是宁夏沿黄经济区的核心组成部分。贺兰山东麓自然发育山洪沟道较多,沟短坡陡,暴雨多发,严重的暴雨洪水灾害直接影响区域防洪安全,历来是自治区防汛工作的重中之重。贺兰山东麓洪水灾害频发,流域防洪体系暴露的短板和隐患始终影响着区域经济社会的和谐稳定发展以及人民群众的生命和财产安全。贺兰山东麓山洪防御管理应用系统围绕贺兰山东麓青铜峡银川石嘴山段现状23 个防洪体系内开展,旨在构建一个集先进性、科学性、实用性、可靠性、灵活性于一体的山洪防御管理应用系统,为灾害事件的高效、精准应对和决策提供先进、有效的支撑。本系统围绕“预报、预警、预演、预案”这一思路开展建设,即在预报上根据降雨情况滚动预测洪水发生过程,分析不同量级暴雨洪水影响等级,在预警上结合先期预报结果,预判风险范围和等级,提前发布预警,前置预警关口,预演上模拟天气滚动预报、实时降雨和洪水动态演进过程,核定预警指标,划定风险范围和等级,预案上根据预演结果完善调度方案和预案。2 建设内容本系统建设按照数字化场景,智慧化模拟,精准化决策的实施路径,围绕“四预”核心功能展开。数字化场景上,通过机载雷达航摄获取了滑石沟至麻黄沟范围内山前洪积扇平原区、部分河湖及平原区的数字高程,总面积约3923.6km2。一方面为水文分析和水动力模型构建提供基础数据支撑,另一方面为三维虚拟仿真模型搭建以及模型结果的三维表现提供依据。智慧化模拟上,一是针对贺兰山东麓沟道多、拓扑关系复杂、产汇流过程影响因子较多等特征,通过数据获取、清洗、整理、标准化封装等工作,构建了适用本地的分布式洪水预报模型,实现了各子区域从降雨到产汇流全过程的预报;同时完成了模型封装,实现了降雨数据、站点坐标、各类参数等的动态传输与调整;二是基于高精度下垫面地形数据,利用平面二维浅水方程,构建了自主研发的洪水演进模型,可根据实际入流情况、闸门开度等设定工况,进行洪水演进模拟。同时针对洪水演进模型网格数量级巨大、计算时间长等难点特征,利用 GPU 加速技术提升二维水动力方程实时计算速度;三是结合集成的人口、村庄、耕地等社会经济数据,构建了洪水52数字孪生黄河影响分析模型,可根据洪水预演分析沟道和拦洪库洪水演进情况,研判风险范围和等级,实现 淹 没 区 洪 水 灾 害 损 失 实 时 评 估 的功能。基于以上高精度地形及模型,研发了贺兰山东麓山洪防御管理应用系统,一级开发、多级部署,系统分为综合业务展示、监测、预报、预警、预演、预案、系统设置和移动端小程序等八项子系统。实现滑石沟至麻黄沟范围内“四预”可视化应用,提升决策指挥水平和管理效能。3 关键技术(1)流域级数字化场景搭建技术。利用机载雷达航摄获取了应用范围内的高精度下垫面地形数据,同时融合集成了雨、水、工情监测数据,为贺兰山东麓水文分析和水动力模型构建提供基础数据支撑。融合多元地理空间数据和 BIM 模型,实现不同精度数据在不同缩放等级下的无缝对接,构建了贺兰山东麓数字化场景。(2)旱区洪水预报技术。针对贺兰山东麓沟道多、拓扑关系复杂、产汇流过程影响因子较多等特征,通过数据获取、清洗、整理、标准化封装等工作,构建了适用旱区的分布式洪水预报模型,实现了各子区域从降雨到产汇流全过程的预报。(3)基于 GPU 并行算法的洪水演进模拟技术。基于高精度下垫面地形数据,利用平面二维浅水方程,构建了自主研发的洪水演进模型,可根据实际入流情况、闸门开度等设定工况,进行洪水演进模拟。同时针对洪水演进模型网格数量级巨大、计算时间长等难点特征,利用 GPU 加速技术提升二维水动力方程实时计算速度。(4)洪水影响分析实时评估技术。结合集成的人口、村庄、耕地等社会经济数据,及导洪堤、过水路面、桥梁、泄洪沟道特征断面等数据,构建了洪水影响分析模型,可根据洪水预演分析沟道和拦洪库洪水演进情况,研判风险范围和等级,实现淹没区洪水灾害损失实时评估的功能。4 建设成效相关技术在贺兰山东麓山洪防御管理应用系统建设中得到全面应用,应用范围覆盖贺兰山东麓滑石沟至麻黄沟之间的 23 个防洪体系。汛期已经在使用单位宁夏回族自治区水旱灾害防御中心和水文水资源监测预警中心等部门投入试运行,提升了山洪防御工作人员的业务能力和水平,产生了一定的经济效益和社会效益,得到使用部门的一致认可。经济效益方面,借助于数字孪生技术手段,能够第一时间对建设范围内各山洪沟道借助于实时洪水预报、预警、预演、预案等,更为直观地掌握洪水演变特点,预字当头,为提高贺兰山东麓防洪能力、有效保护人民安全、减少财产损失提供支持。社会效益方面,系统建设为防洪、防灾减灾等工作提供了全面、及时、准确、科学的技术手段和方法,更大限度地保护了人民群众的生命财产安全,并有利于社会环境的安定,为国家经济发展和现代化建设提供基础保障,可以促进宁夏数字治水事业的发展,形成可复制可推广的山洪防御“四预”解决方案。【供稿:黄科院 刘启星】62 治黄科技信息2023 年第 5 期