重庆市智慧洪水灾害防御研究

詹小国，王迪友，谢 非，邓 晶

（长江勘测规划设计研究院长江信达软件技术（武汉）有限责任公司，湖北 武汉 430010）

0 引言

重庆市洪水防御既要考虑上游来水情况，也要考虑下游顶托影响；既要考虑本地山洪的影响，还要考虑来源于嘉陵江、乌江、金沙江等过境洪水的影响，防洪条件复杂，防汛形势严峻。山区地带江河洪水猛涨猛落，极易引发滑坡和泥石流等地质灾害。因此，对重庆市的防汛管理必须增长预见期，进行长距离洪水推演、水库群联合调度模拟，以提供精准的预报和调度方案，更应该积极采用大数据、人工智能等技术为决策提供技术支持[1]，进行智慧洪水灾害防御。

智慧洪水灾害防御主要包括洪水预报、推演、调度，以及风险评估、应急管理等，其中最核心的是洪水预报和调度。目前，在洪水预报、推演、调度及应急管理等方面还存在以下缺陷：

1）洪水预报和调度方面。主要问题是作为预报和调度支撑的数据较为缺乏[2]。随着地理信息技术的成熟，分布式水文模型一度应用得比较多，但对于数据资料缺乏的地区仍捉襟见肘[3-4]。新安江水文模型在国内应用特别广泛，随着多年使用经验和数据的积累，预报精度相对较高，其他水文模型的应用则相对少得多，模型组合或服务开发刚刚起步。洪水调度以单目标和工程居多，考虑多目标和工程的少。

2）洪水推演方面。河道洪水推演以马斯京根等水文模型为主，水力学模型应用较少。

3）应急处置方面。一般以文档的方式查看应急方案，还没有实现由系统根据水情自动匹配推送应急预案，也没有实现采用大数据分析技术根据水情自动匹配推送历史洪水信息[5]。

在国内，通过全国防汛抗旱指挥系统一期和二期的建设，各流域机构和部分省市（包括重庆市）在国家系统的基础上重点建设了与调度相关的功能模块，并利用这些模块进行了多个水工程的联合调度。但这些功能模块主要是为日常管理服务的，预报只是应用来自预报系统的预报成果，更多的是对预报成果进行管理，与预报系统的协同程度不高；也没有集成水库大坝的实时工情于一个系统中进行调度；由于没有进行数据资源整合和聚合，洪水灾害防御缺乏来自历史、其他部门的数据支撑；没有将多种模型进行集成形成模型库和服务，模型组合预报和洪水推演开展不多。重庆市在洪水灾害防御信息化建设方面也存在着类似的问题，预报成果由长江水利委员会上游水文水资源局和重庆市水文监测总站提供，本来很紧密关联的信息被人为分散在不同的系统中。同时，对于很多基础信息和诸如水库大坝安全监测的信息、防洪薄弱环节、洪水风险图等也没有整合共享，因此建设重庆市智慧洪水灾害防御系统是非常必要的。

1 总体框架及建设内容

重庆市智慧洪水灾害防御分三期进行建设，在水利部提出的智慧水利总体架构上提出重庆市智慧洪水灾害防御总体架构[6]，架构图如图 1 所示。

图1 重庆市智慧洪水灾害防御总体架构图

重庆市智慧洪水灾害防御总体架构为“5 +N”，“5”指 1 张水利感知网、1 套数据传输网、1 朵云、1 个大脑、1 套信息安全与标准规范保障体系，“N”指应用体系由N个应用构成。

水利感知是指利用感知设备、技术手段和方法，动态监测和实时采集江河湖泊水系、防洪工程设施、防洪管理活动三大类防洪感知对象的业务特征及事件信息，汇集导航定位、卫星和无人机遥感、视频等监测观测数据，形成物联传感和分析数据。

1 套传输网包括互联网、水利信息网和电子政务网，1 朵云包括专有云和公共云。

1 个水利大脑包括智慧使能平台、应用支撑平台和数据资源池。智慧使能平台包括水文水力学、洪灾损失评估等模型在内的水利模型，学习算法、机器感知和知识图谱。数据资源池包括数据汇集、治理和服务，其中数据汇集是指通过资源整合共享的方式共享来自上下级、本级系统中的数据，包括防汛抗旱指挥系统（一、二期）、水利普查、防洪工程、山洪灾害、中小河流、水资源监控能力（一、二期）、空间等的数据，从感知网传送过来的数据，以及来自其他部门系统中的数据，如与国土部门共享地质灾害数据，与气象部门共享气象数据，等等。

应用层为图 1 中的智能防洪调度系统，主要功能模块包括洪水预报等 10 个模块，形成防洪调度会商决策全过程全链条式的综合系统。智慧洪水灾害防御系统与防汛抗旱指挥系统的关系如下：防汛抗旱指挥系统定位于防汛抗旱的日常管理，主要实现对防汛抗旱信息管理、信息服务和会商决策支持，主要用户为防汛抗旱管理人员；智慧洪水灾害防御系统内容更为全面，除整合集成防汛抗旱指挥系统数据外，还提供具体洪水预报、推演、调度、风险分析，以及灾情评估、应急研判等具体调度决策的过程性功能，为防汛管理人员提供具体的技术支撑，并为防汛人员提供直观形象的三维展示，如洪水推演、淹没分析等。另外，为使水库调度更契合防洪工程安全的实际，开发水库大坝工程安全评估系统能为防汛调度决策提供更加全面的智能分析支撑。

用户层是系统的最终使用者，包括重庆市水利局及下属机构的工作人员、社会公众，以及对项目有接口或数据需求的其他应用系统使用者，机构改革后，还包括应急管理部门的人员。

2 技术路线及建设成果

目前重庆市智慧洪水灾害防御一期（以下简称一期）的建设内容已全部完成，通过试运行，在汛期发挥了较好作用，即将竣工验收。

重庆市智慧洪水灾害防御系统是建立在大量数据资源的整合和建设基础上的，整合了山洪灾害非工程措施、防汛抗旱指挥系统（一、二期）、中小河流水文监测、水库信息化管理系统等多个重庆市现有系统中的数据，形成了社会经济、水文气象、水雨情、工情监测、大坝安全监测、视频、基础地理、水利基础地理、三维模型等九大数据库，入库数据近 6 000 万条。而且整编了包括 1∶50 000，1∶10 000，1∶2 000 等不同范围的监测站点、水利工程、重要监测断面、重点场镇、防洪应急管理 POI（信息点）、防洪应急疏散路线等专题数据，还购置和处理了 0.5，2.0 m 分辨率的遥感影像，对易受灾的重点场镇的土地利用进行了解译。

一期建设的范围是：长江朱沱到寸滩，乌江彭水以下，嘉陵江亭子口以下，涪江射洪以下，琼江安居以下，渠江罗渡溪以下，共 6 个流域 43 条河流。

取得的成果包括以下几个方面：

1）洪水预报方案编制及系统开发。首先根据重庆市的气象气候特征、流域水系分布和水文特性、遥测站网建设、历史降雨径流资料统计等相关情况，以及流域的下垫面条件，在整合山洪灾害非工程措施、中小河流水文监测预报预警模型及成果的基础上，选择适应重庆市流域特性的洪水预报模型，主要是新安江和 API 模型；然后根据预报对象断面的地理位置和站网布设情况合理划分流域预报子单元，并结合产汇流原理逐单元率定水情预报模型参数；最后根据参数率定及检验情况，完成重庆市各流域预报对象断面的水情预报方案编制。一期建设共完成 6 条河流 49 个预报分区的水情预报模拟。

2）河道洪水演进。对于具有丰富水文资料的河流，采用水文学洪水演进方法；若河段为建库后的库区，建库后库区的洪水传播特性变化较大，且观测资料时间较短，采用水动力学模型进行洪水演进。一期建设，在 14 个河段采用水文学模型演进进行模拟，包括马斯京根、汇流曲线、滞时演进等，在 5 个河段采用一维水动力学模型进行模拟。

3）洪水调度。洪水调度是在防洪形势分析的基础上，将洪水风险图、实时洪水淹没计算等成果叠加到地理信息图层上，并进一步结合实时监测、视频监控、移动巡查等数据信息，依据调度预案或会商决策成果进行洪水调度。一期建设对重庆市内116 座水库 40 多类参数进行了规则化和数字化，同时对水库调度相关方案形成近 10 个洪水调度规程模型。

4）水库回水计算。水库回水计算方法主要有非恒定流和简化法 2 类计算法。本项目采用简化计算法进行回水计算，通过试算自下而上逐河段计算，进而求得整个库区的回水线。一期建设完成了对三峡和草街 2 个水库的回水计算分析。三峡坝前演算至朱沱水文站，全长 685 km，划分 140 个断面。

5）水库溃坝模拟。以草街水库作为溃坝模拟对象，以坝址为界分上游和下游段。上游段上边界采用东津沱来水，下边界采用坝址溃坝洪水流量；下游段上边界采用坝址溃坝洪水流量，下边界采用磁器口断面水位。溃坝方式为瞬时全溃的一维水动力正、反向传播。

6）洪水风险评估。首先根据地形图将淹没区分割成多个网格，然后按单个网格计算洪水淹没水深、最大流速、到达时间等洪水淹没特征，将社会经济资料按空间关系展布在单个格网上，进行洪灾损失评估，绘制研究区域不同方案洪水风险图。洪水风险评估包括：水位-时间、流量-时间、流速-时间过程线，任意时刻洪水淹没范围、水深，洪水累计淹没时间等。一期建设利用二维水动力学模型模拟了北碚朝阳街道 18 km2共 6 万多个网格的洪水淹没及灾情评估，计算了每个网格的淹没水深、历时及到达时间等，动态绘制了洪水风险图。目前已完成的洪水风险分析和灾情评估子系统实现了模型管理、洪水淹没计算和灾情评估功能。

7）大坝安全评估。大坝安全监测的内容主要包括变形、渗流及压力等。结合各类监测值的预警分析，为水库大坝的运行管理和应急调度与处置提供基础数据及数据分析模型。应用阈值法、异常数据处理等算法，对采集的数据进行整编分析；通过结构、渗流、时序、相关、回归等专业分析功能，实现水库安全的提前预判。一期完成了重庆市境内2 座水库的监测成果汇集和安全评估，对 2 座水库的安全监测进行了动态分析和预警。

8）防汛预案智能研判。防汛预案智能研判是将防汛预案进行数字化、规则化，并与实时监测的水位或流量挂接起来，实现动态告警，及时提醒启动预案。一期实现了部分重点防洪场镇的应急预案响应等级和措施智能研判。在监测信息异常情况发生后，例如水位达到设定水位，根据异常情况和预案规定的标准确定响应级别，启动应急预案。完成的功能包括会商准备、防汛形势分析、会商决策、预案管理、预案研判和应急响应。

9）三维模拟仿真。一期建设了洪水演进展示与查询、洪水淹没展示、洪灾损失评估成果展示、应急标绘，以及其他水利专题展示等功能模块。可实现在三维场景中对河道断面的洪水水位、流量过程查询，实现河道洪峰动态演示；实现淹没范围、水深、时间查询，以及淹没动态展示；将淹没计算结果与土地及房屋等经济数据进行叠加并展示灾情；提供应急预案信息的查询及应急指挥信息标注。

10）河道断面测量。测量范围包括重庆市境内嘉陵江、渠江、涪江和琼江，测量断面共计 120 个；对重庆市水利局现有系统的数据按照面向对象模型进行了整合，产生近亿条数据记录。

3 结语

本研究综合运用洪水预报、优化调度与大数据和人工智能技术，将水利行业技术与先进信息技术进行深度融合，提出集实时洪水预报等于一体的流域洪水过程全链条闭环模拟分析方案和功能体系，取得了较好的效果。重庆市智慧洪水灾害防御系统建设的模型组合及服务、预报调度全过程方案和功能体系，不仅对重庆市的洪水灾害防御有重要的意义和作用，而且可推广应用到其他类似地区。目前，以重庆市智慧洪水灾害防御系统研究成果为基础的长江流域水工程联合调度平台方案正在编制，全国及其他流域的水工程防灾联合调度系统实施方案的编制也在全面开展。今后还需通过重庆市智慧洪水灾害防御二、三期的建设，在下列方面进行补充和完善：1）扩大洪水预报、推演、调度和洪水风险范围，使其扩展到全市；2）整合共享来自国土部门的地质灾害数据和气象部门的更精确的气象数据，将山洪、滑坡和泥石流等地质灾害结合在一起进行综合防御；3）建立洪水灾害防御网格，以网格形式对数据和已编制好的洪水防御方案进行空间组织，使得防御更加精准；4）利用新技术，如大数据分析、人工智能等技术，结合数据本身的特点及其间的关联性，通过机器学习、文本学习、数据挖掘等技术手段，建设与防汛密切相关的机器学习模型，以行业语义库为基础，强化内容分析、知识图谱等功能，提供防洪方案模拟仿真，辅助生成调度方案，为综合调度的管理和决策开辟新的道路。