珠江水旱灾害防御“四预”平台建设与应用.pdf

第4期2023年8 月D0I:10.19364/j.1674-9405.2023.04.003水利信息化Water Resources Informatization珠江水旱灾害防御“四预”平台建设与应用NO.4Aug.2023安雪，杨跃,王井腾，田茂春，潘璀林，赖杭（珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州510 6 11）摘要：数字李生珠江先行先试建设以数字李生技术为支撑，基于珠江流域管理需求，率先开展水旱灾害防御业务应用建设。结合珠江委当前信息化现状，对照“四预”相关技术要求，深入分析目前珠江流域水旱灾害防御业务应用仍存在的预演能力不足问题。为解决该难题，开展水利三维可视化仿真、模型管理及服务等技术研究，搭建水旱灾害防御相关数据底板，构建模型和知识平台，开发具有“四情”态势感知、分级分类智能预警、多维多尺度场景全链条预演的珠江水旱灾害防御“四预”平台，为珠江流域水旱灾害防御工作提供支撑。关键词：数字李生；水旱灾害防御；四预；三维可视化；模型管理及服务中图分类号：TP391.98；P3 3 80引言根据水利部关于大力推进智慧水利建设的指导意见“十四五”智慧水利建设规划智慧水利建设顶层设计及水利部关于开展数字李生流域建设先行先试工作的通知1-4，要求各流域机构率先开展数字李生流域建设先行先试工作。珠江水利科学研究院牵头，联合珠江水利委员会（以下简称珠江委）水文局、设计公司、技术中心，充分整合委内资源，贯彻落实“十四五”数字李生建设总体方案及数字李生西江（干流大藤峡以下至思贤滘河段）建设先行先试实施方案5,开展先行先试建设工作。对照数字李生流域建设技术大纲（试行）水利业务“四预”功能基本技术要求6-刀等相关要求，结合珠江委已初步建立的珠江流域水旱灾害防御指挥系统总体框架，攻克重点技术，开发珠江水旱灾害防御“四预”平台8 （以下简称“四预”平台），并应用于珠江流域防汛、抗旱工作。1“四预”平台简介“四预”平台作为数字李生珠江先行先试实施过程中形成的成果，按照智慧水利、数字李生流域建设要求，以水旱灾害防御预演业务需求为出发点和落脚点，率先在西江流域试点，以北盘江、柳江、郁江、桂江、贺江骨干水系为建设范围。基于珠江委内信收稿日期：2 0 2 3-0 2-19基金项目：水利部重大科技项目（SKS-2022143)作者简介：安雪（19 9 1一），女，吉林桦甸人，硕士，工程师，主要从事水利信息化方面的研究工作。E-mail：5147 3 58 18 q.c o m文献标识码：A文章编号：16 7 4-9 40 5(2 0 2 3)0 4-0 0 14-0 6息，搭建水旱灾害防御相关数据底板，构建模型和知识平台，研究水利三维可视化仿真、模型管理及服务等技术，开发“四预”平台。平台按照业务方向分为防汛“四预”和抗旱“四预”2 个部分，按照功能可分为“四情”态势感知、分级分类智能预警、多维多尺度场景全链条预演、智能预案生成等模块，为珠江流域水旱灾害防御工作提供支撑。平台总体框架如图1所示。2“四预”平台功能2.1平平台功能设计思路针对珠江流域防汛、抗旱2 个业务应用的需求，在防汛方面，“四预”平台汇集流域雨情、水情、工情、险情、灾情等信息，以及流域预报、水库群调度、重点河段淹没等模型，实现流域雨水汛情动态监控和专业水利模型统一管理，并按照“降雨一产流一汇流一演进”“流域一干流一支流一断面”“总量一洪峰一过程一调度”“技术一料物一队伍一组织”4个链条,结合预报、预警、预演、预案4个环节，运用大数据、人工智能、倾斜摄影建模等技术，模拟分析重要河段大、中、微不同尺度洪水演进与淹没实景，实现调度方案自动生成、人工调优与联动预演，优选最佳调度方案，生成洪水防御预案。在抗旱业务应用支撑方面，平台汇集雨水情、咸情、水库蓄水动态、水厂运行状况等信息，集成中长第4期安雪等：珠江水旱灾害防御“四预”平台建设与应用15业务应用“四情”态势感知来水预报防洪调度水资源调度智能可视化模型模型模拟仿真引擎数字数数据引擎李生平网络安全体字李生流台防洪调度水情、雨情、域工程信息、雷达图、调度传播时间、系方案等监测感知信息充分汇集水文站点监测、地基础设施理空间数据、取水户等业务数据和基础数据江河湖泊物理（河道、水库、蓄滞流域洪区等自然对象）期预报调度等多种模型，滚动预测预报旱情、咸情变化态势，结合抗旱保供水“三道防线”，滚动调度预演，多要素智能预警，不断优化联合调度方案和抗旱会商决策流程。2.2“四情”监控在水利部部本级及流域一张图基础上构建L2级数据底板，汇集流域内雨水情测站、水库和堤防等工程的监测数据，以及险情、灾情上报信息，实时更新流域“四情”（防汛涉及雨情、水情、险情、灾情；抗旱涉及流域雨水情、河道来水、水库蓄水、咸情及当地供水）数据；采用图、表、颜色、闪烁等结合的方式，时间上展示过去、现在、未来情况，空间上展示流域、区域、站点情况，结合多时空和关联等分析技术，支撑洪水期间快速研判水位涨落、超警、超汛等态势，在抗旱期间迅速掌控咸潮上溯情况，明晰流域的防洪形势和重点。“四情”监控页面如图2 所示。2.3预报功能为快速准确地预报流域洪水、旱情及咸情发展态势，“四预”平台采用水利模型管理及服务技术，集成新安江、TOPMODEL分布式水文、经验、中长期降雨珠江水旱灾害防御“四预”平台多模型交互式预报分类分级靶向预警模型平台模型模型模型数据底板数据汇集数据治理数据资源池基础、监测、业务管理、跨行业共享、地理空间等数据现有系统数据来水预报水资源监控预报降雨、取水口、取工程基础资DEM,DOM,实测降雨、水单位、电料、工程运DLG等子证照等用资料、无预报图等人机影像等通信网络升级流域与委属外单位之间的网络、IPv6示范性部署和应用治理管理活动对象水利工程（龙滩、岩滩、大藤峡、（大藤峡在建工程等百色、老口等水库，供建筑物）水水库，取水泵站等）图1平台总体框架图数值预报、数理统计等多种模型，实现模型与应用系统解耦，提高模型的共享复用能力。基于中国气象局、欧洲中期天气预报中心等多种降雨预报源进行滚动与交互式精细预报，结合前期洪水过程提取对应产汇流和洪水演进参数，对模型参数进行人工交互率定，提高洪水预报精度。抗旱预报结合中长期河系水文预报方案，主要通过降雨输入，预报河道断面来水，为上游补水精细调度和河道来水合理利用提供技术支撑。2.4预警功能在防汛期间，“四预”平台动态跟踪暴雨落区及强度变化，根据实时水情和预报结果，结合水库、河道、堤防等工程指标数据，自动研判流域（面）、干支流(线）、断面（点）超警超限情况，结合现状防御能力进行判别分析，按照点-线-面一张图分级展示预警信息，明晰流域薄弱环节，采用短信、电话、简报等方式及时发出预警信息，实现分级分类预警，确保预警信息直达一线。在抗旱期间，“四预”平台根据实时水情、咸情和来水预报结果，结合取淡概率、氯化物含量、蓄水量等指标数据，对河口氯化物含量超标、取淡概率保证水多维多尺度预演知识平台水利知识水利知识引擎数据挖掘数据服务数据模型监督管理其他工程信息基础环境完善机房环境，补充高性能计算资源，拓宽存储空间，满足数据底板要求影响区（西江干流大藤峡至思贤滘）优化推荐预案水利水利数据网络模型模型保障体衣系16水利信息化2023(4)日常会商 抗早调度防讯调度图层控制行政区划二级流域三级流域降雨实况V过去2 4h(逐日)过去48 h（逐日）过去7 2 h(逐日)过去2 4h(累积）过去48 h(累积）过去7 2 h(累积）峰雨预报未来2 4h（逐日）未来48 h(逐日)未来7 2 h（(透日)未来2 4h(累积）未来48 h(累积）未来7 2 h(累积）三维场晨田水库图滑口堤防图例小雨1010-25中雨25-50大雨50-100黑雨100-250大鼎雨250-400特大鼎雨400特大暴雨平、水库蓄水、取水等情况判别分析，明晰流域取水缺口与取淡风险，结合地图定位闪烁与表格统计方式及时发出预警信息，提前通知水厂、航运、泵站管理站等部门，提早做好抗旱保供水准备。2.5预演功能基于可视化平台和流域防洪高保真数字化场景，运用水利三维可视化预演技术，实现珠江流域防洪数字化场景构建，综合当前流域水情和未来洪水发展态势，按照“总量一洪峰一过程一调度”链条，从日带会商抗早调安防讯调度1朋层控制珠江水旱灾害防御四预平台珠江流域过去2 4h（逐日）降水图2022年0 6 月2 1日0 8 时至2 0 2 2 年0 6 月2 2 日0 8 时贵州省云南晋图2“四情”监控页面流域大尺度、区域中尺度、城镇/工程微尺度场景对洪水不同工况下的调度方案进行滚动预演，微尺度场景预演页面如图3 所示。抗旱场景平台可在大尺度上预演流域调水进展，实现天、地、河、库、管可视化全过程精细化模拟，高效煊染预演珠江河口咸潮三维分布等场景。同时系统提供方案对比功能，对比不同调度方案下防洪目标的洪峰削减程度、淹没影响、社会经济损失等指标，分析调度成效，优选调度方案，为调度决策提供参考依据。珠江水旱灾害防御四预平台彤响市县天然演练9 8.6 西北加大15%演进时间：19 9 8-0 6-2 8 0 3:0 0需求牵引，应用至上四情监控广东省清远市英德市桥鱼湾广东省清远市英德市东.广西桂林市恭城县栗木.大站镇广东省清远市英德市大.广东省清远市连州市丰.河道水情重要站点O超警站点(（10 3)?水库水情重要水库北江中下游较咋日新增4处超汛：减少11处超汛；面雨量：40.6 mm水库名称小海江卷子口水座金田川江水库乐昌峡(上)江口龙道南水长洲签村海痘大藤魅擦花道当前位置最大浦没面人关247.1237.5231.5230.3213.0超汛水库（47)当前水位超汛限水位入库流量265.3612.86263.811.883.110.4271.218.21152.68.119.835.33362.222.92218.222.7221.552.45141.392.3949.82.2170.731.99预报管理2424242424详情详情流域199西江流城196西江流城10.3西江流城67.7西江流城1690北江流城3260西江流城4910西江流城286北江流城25800西江流城北江流域26600西江流城402韩江流城Q口地形高彭响区城地名男江段桂平市平414R3面甩km，人口万人班地万hmGDP百万元促段夜彩人口海设圳地授失GDP943102.1442228:0439.7024252.487615.351926.78影响区域右岸授防355.5327430.342.778798.4011302520105口江口流没统计平南豆城图3微场景预演页面湖江好水面线醇县水拉站返回流域视角第4期2.6预案功能在预案方面，充分利用超标准洪水防御预案、水工程运用方案、调度业务规则、历史情景模式、珠江流域枯水期调度方案等已有知识，构建各水利要素间的知识关联关系，结合“四预”平台调度预演环节优选的工程调度方案，将调度方案预演结果与多种方案智能关联，对洪水防御预案中的对策措施进行智能优化，按照“技术一料物一队伍一组织”全链条给予科学精准指导。3“四预”平台建设思路及关键技术3.1“四预”平台建设思路目前珠江委已初步建立了珠江流域水旱灾害防御指挥系统总体框架，但对照数字李生流域和防汛抗旱“四预”建设技术要求，仍然存在以下问题：1）预报模型可复用性差，水利模型和系统深度绑定，模型难以替换，迭代更新时效性差。2）预演能力不足10 ，主要表现在：会商还停留在线下的人工分析和经验判断阶段，决策支持能力较弱，预演效率低，缺乏预演所需要的三维可视化场景，预演效果不直观，与“四预”要求的物理流域映射和智能化模拟相差较远。3）系统功能还停留在管理模式和流程的简单复制阶段，未实现流程优化再造和管理模式创新，预报体系不健全，尚未实现全过程预警，预警未直达一线，预演流程繁琐，预案尚未实现电子化和预案推荐。因此，为健全“四预”应用，完善水旱灾害防御业务流程，在可视化模型方面研发了水利三维可视化仿真技术，在数字模拟仿真引擎方面研发了水利模型管理及服务技术，在“2+N”业务应用方面重新梳理了安雪等：珠江水旱灾害防御“四预”平台建设与应用17“四预”业务关键环节和流程。3.2“四预”平台建设关键技术3.2.1水利三维可视化预演关键技术针对目前应急会商等业务场景仍存在线下人工分析环节、决策支持能力较弱、预演效率和仿真度难以平衡的问题，提出了基于开源GIS+游戏引擎技术的可视化融合解决方案，研发了适用于国产环境的水利三维可视化预演技术和适应多模型的洪水高速煊染技术，并构建了场景加载快、预演场景丰富、适用于国产化环境下的可视化仿真平台，支撑动态预演实现。运用该技术，实现珠江流域防洪数字化场景构建，综合研判当前流域水情和未来洪水发展态势，对西北江洪水不同工况下的调度方案进行滚动预演。3.2.2水利预报等多模型管理及服务技术针对目前水利专业模型与系统深度绑定，模型之间存在难以替换、不能复用、管理维护困难等问题，提出预报调度模型集成标准体系，研发水利模型管理服务引擎，实现模型的全过程标准化管理 。基于分布式架构两级部署、数据库混合存取方案、任务调度算法等完成模型计算管理，提高了预报等模型的共享能力及集成开发效率。计算资源智能调配技术路线如图4所示。3.2.3“四预业务流程优化提升按照“需求牵引，数字赋能，能力提升，应用至上”要求，“四预”平台在防汛指挥系统二期的基础上建立健全并优化了预报、预警、预演、预案的业务流程。在预报方面，实现了多模型交互预报，提高了预报精度，延长了预见期；在预警方面，结合流域、区域和城镇各级关注对象，以及灾前、灾中、灾后不同阶段的预警需要，梳理预警内容和指标，并基于移动基站精准100%806040200水文模型水动力调度模型AI模型模型CPUGPU内存水文模型调度模型水动力模型AI模型服务器4水文服务器1模型调度服务器2模型效率提升12%水动力服务器3模型AI模型服务器1服务器2服务器3服务器4平均计算时长CPU占用权重内存占用权重GPU占用权重图4计算资源智能调配技术路线图计算任务1计算任务2匹配匹配服务节点N服务节点K18定位和短信智能发布技术，实现靶向精准预警；在预演方面，基于水利三维可视化预演、水利预报多模型管理服务等技术，根据总量一洪峰一过程一调度各环节业务需求，以及流域（宏观）、区域（中观）、城镇/工程（微观）不同空间尺度，对多种工况下的调度方案进行模拟预演；在预案方面，平台可进行方案比选，并推荐最优调度方案。4“四预”平台应用成效4.1珠珠江流域洪水防御珠江“2 0 2 2.6”特大洪水期间，珠江委运用“四预”平台集成流域预报、水库群调度及重点河段淹没等模型，基于预报预警信息，模拟分析重要河段大、中、微不同尺度洪水演进和淹没实景，实现调度方案自动生成、人工调优与联动预演，根据预演最优方案生成洪水防御预案，优化了防汛会商决策流程，为应对流域特大洪水提供科学高效的决策支撑，保障了人民群众的生命安全。2022年5月2 53 0 日、6 月2 9 日、6 月10 14日，珠江流域先后发生3 场强降雨过程，受其影响，西江先后发生3 次编号洪水，期间流域内多个干支流河道站和水库站发生多次超警和超汛限水位过程，防汛形势严峻。在西江第1，2，3 号洪水期间，珠江委应用“四预”平台实时监控流域雨水汛情，掌握流域防汛形势，生成不同调度方案并进行模拟预演，推荐最优调度方案。3 次编号洪水期间共发布降雨预报图19 2 张，发布洪水预报2 2 4站次，制作洪水调度方案3 2 套，提前预判洪水量级，精准掌握洪水风险点，滚动优化洪水防御措施，有效应对了西江流域的3 次编号洪水，确保了西江流域的防洪安全。在西江第4次编号洪水期间，北江第2 号洪水发展成特大洪水，暴雨洪水防御形势十分严峻。为做好暴雨洪水防御工作，珠江委运用“四预”平台实时监控流域雨水汛情，多模型交互滚动预测预报，分级分水利信息化类预警，多尺度滚动预演调度方案，优选最佳调度方案，调度运用西江干支流水工程群进行拦洪、错峰、削峰，将西江洪水量级压减至西江干流堤防防洪标准之内，在“四预”平台支撑下，成功实现了西江、北江洪水错峰12-13 。4.2珠江流域抗旱保供水2020一2 0 2 1年，珠江流域中东部遭遇6 0 a一遇大旱，而东江、韩江的骨干水库蓄水量不到2 0%。此外，受河道径流量减小、天文大潮叠加等不利气象因素的综合影响，咸潮影响范围不断扩大，珠海、中山等地主要取水口一度连续多日无法取淡。2 0 2 1年底珠江抗旱“四预”平台初步建成，为措施跑赢旱情、咸情发展速度提供支撑，抗旱期间值班人员通过“四预”平台时刻掌握当前形势，预报珠江三角洲盐度分布，模拟结果如图5所示。珠江委运用“四预”平台汇集雨水情、咸情、水库蓄水动态、水厂运行状况等信息，集成中长期预报调度等多种模型，滚动预测预报旱情咸情变化态势，结合抗旱保供水“三道防线”，动态滚动调度预演，多要素智能预警，不断优化联合调度方案，精准调度补水，并优化防汛会商决策流程，确保了香港、澳门、金门供水安全，以及粤港澳大湾区及粤东、闽南地区50 0 0 万名城乡居民用水安全。N三水刘屋洲取水口马口一第三水厂盐度/%4888342286420864202023(4)博罗平岗泵站马角水闸图5珠江三角洲枯水期平面盐度分布模拟结果第4期5结语珠江水旱灾害防御“四预”平台作为数字李生流域建设先行先试优秀应用案例，形成了一批具有先进性、自主性、安全性的技术成果，可为我国其他流域数字李生建设提供参考，具有良好的推广价值。随着数字李生流域建设的推进，防汛抗旱“四预”业务应用未来的工作主要包括以下几方面：结合水利模型的提升，提高预报的精度；结合新型信息化技术，增强预警能力，增加预警方式；建设更为全面的多元可视化场景，丰富预演效果；结合知识图谱的建设，提升预案推荐生成的效率。参考文献：1中华人民共和国水利部.关于大力推进智慧水利建设的指导意见A.北京：中华人民共和国水利部，2 0 2 2：1-9.2中华人民共和国水利部.“十四五”智慧水利建设规划A.北京：中华人民共和国水利部，2 0 2 2：1-155.3中华人民共和国水利部.智慧水利建设顶层设计A.北京：中华人民共和国水利部，2 0 2 2：1-3 2.4水利部办公厅.水利部关于开展数字李生流域建设先行安雪等：珠江水旱灾害防御“四预”平台建设与应用19先试工作的通知R.北京：水利部办公厅，2 0 2 2：1-2 8.5中华人民共和国水利部.数字李生流域建设总体方案R.北京：中华人民共和国水利部,2 0 2 2：1-2 3 0.6中华人民共和国水利部.数字李生流域建设技术大纲(试行)A.北京：中华人民共和国水利部，2 0 2 2：1-2 3.7蔡阳，成建国，曾焱，等.加快构建具有“四预”功能的智慧水利体系J.中国水利，2 0 2 1(2 0)：2-5.8范光伟，王高丹，侯贵兵，等.数字李生珠江防洪“四预”先行先试建设思路.中国防汛抗旱，2 0 2 2，3 2（7)：24-29.9王井腾，孙祥鹏，张文明，等.珠江防汛“四预”平台建设及应用.中国水利，2 0 2 2（2 2)：3 9-42.10黄艳.数字李生长江建设关键技术与试点初探.中国防汛抗旱，2 0 2 2,3 2(2)：16-2 6.11田茂春，邹显勇，杨跃，等.水利模型管理服务平台设计及应用J.人民珠江，2 0 2 2,43（12)：113-119.12水利部珠江水利委员会.迎战珠江流域罕见水旱灾害纪实（上册）防洪篇M.北京：中国水利水电出版社，2023:164.13水利部珠江水利委员会.迎战珠江流域罕见水旱灾害纪实（下册）抗旱篇M.北京：中国水利水电出版社，2023:162.Development and application of four pre platform for Pearl River flood anddrought disaster preventionAN Xue,YANG Yue,WANG Jingteng,TIAN Maochun,PAN Cuilin,LAI Hang(Pearl River Water Resources Research Institute,Pearl River Water Resources Commission,Guangzhou 51061l,China)Abstract:With the support of digital twin technology and based on the management demands of the Pearl RiverBasin,digital twin Pearl River spearheads development of flood and drought disaster prevention services.Combinedwith the current information status of the Pearl River Committee and the relevant technical requirements of fourpre,this paper deeply analyzes the problem of insufficient“rehearsal in flood and drought disaster prevention inthe Pearl River Basin.In the view of that,the research on 3D visualization simulation technology,water conservancymodel management and service technology are carried out.The data base plate related to flood and drought disasterprevention is built,and the model platform and knowledge platform are constructed to develop the“four pre platformfor flood and drought disaster prevention in the Pearl River Basin,which has functions of four situations”awareness,intelligent warning based on classification,and multi-dimensional and multi-scale scenario whole-chain rehearsal,soas to provide support for flood and drought disaster prevention in the Pearl River Basin.Key words:digital twin;flood and drought disaster prevention;four pre;3D visualization;model management andservice(责任编辑：来冰华）