新一代信息技术在黄河治理中的应用研究

王小远 ，寇怀忠

（1. 河南瑞达信息技术有限公司，河南 郑州 450004；2. 水利部黄河水利委员会信息中心，河南 郑州 450003）

云计算、大数据、数字孪生、物联网等新一代信息技术，创造了层出不穷的新业态新模式，催生了一大批数字重点产业。利用这些最新成果，创新防汛业务流程和业务模式，建设覆盖河道、滩区、防洪工程，为各级防汛机构服务的水利大数据体系，研究开发防御洪水、防汛料物、异地会商、防汛指挥调度等智慧应用系统，是应对黄河治理新阶段新挑战的有效措施。

1 运用新技术增强防洪工程感知能力

现阶段黄河发生大洪水的可能性依然存在，下游槽高、滩低、堤根洼的“二级悬河”态势严峻。黄河防洪工程存在短板，高村以上 299 km 游荡性河势未得到完全控制，横河和斜河直冲大堤危及堤防、控导、险工安全时有发生，部分引黄涵闸等穿堤建筑物存在安全隐患，影响堤防整体安全[1]。黄河巡堤查险主要靠人工，存在 3 个方面不足：1）不能全天候巡查所有坝岸；2）大水期间，巡查密度大，消耗体力大；3）水下根石松动走失很难巡查发现。

解决这几方面难题，对重要险工、控导等水利工程进行省力省时全天候无盲区监测观测，发现险情抢早抢小，物联网技术的感知优势就有了用武之地。例如在根石里面埋设传感器，通过无线和有线（水下）2 种方式把根石的走失、偏移、下蛰所产生的位移情况，发送到布设在附近的接收装置，再经由传输网络送到监控中心，发出告警/预警，一线班组值守人员收到告警/预警信息，再到现场开展查勘、报告、抢险等作业。同时利用布设在坝岸上的视频采集系统锁定发生位移的位置，监控中心可以实时远程观测预警部位的坝岸情况，自动抓拍视频，留存图像或视频资料，方便以后随时调用。视频采集系统还可以和自记水尺相结合，抓拍读取水位数据，传输到各级防汛管理部门，收到实时监控水位的效果。河道工程坝岸险情监测预警报警系统降低了人工巡堤查险劳动强度，全天候无盲区探测坝岸的安全状态，为指挥中心做出抢险决策提供准确、实时、科学的信息支持，具有很高的实用性和推广价值。

2 运用新技术提升暴雨洪水监测预警能力

黄河干流暴雨洪水监测预警能力不足，河道工程和险情视频监测点覆盖面窄、数量少，防汛信息采集自动化程度低。漫滩洪水流路，淹没水深、范围等，没有有效的监测手段。建设暴雨洪水监测预警系统，全面提升预报、预警、预演、预案能力，实现黄河下游洪水灾害防御的智能化管理，是黄河下游防洪的重中之重。

2.1 构建暴雨洪水预报系统是基础

暴雨洪水预报系统开发的重点是加强与气象、水文和防汛等部门的联系，加强雨水情信息的监测和分析研判，提高预报的精准度，延长预见期，为防洪调度迁安救护赢得宝贵时间。

暴雨洪水预报系统分为气象和洪水预报 2 种模块，前者主要是精细化未来降雨预报分析，为后者提供数据驱动[2]。该系统可接入我国气象部门自主研发的 GRAPES-MESO，欧洲气象中心的 ECMWF 和美国国家环境预报中心的 GFS、多普勒雷达影像等数据，并收集黄河干流雨量站点观测数据辅助提高预报精度。可查询云图、雷达图、风、气压等天气实况，预报黄河干流河道、水库等洪水防御关注对象的未来降雨过程和特征值，以等值面、降雨等级比例分布图、降雨网格等形式展示。洪水预报模块以实时雨水情、历史洪水、地理空间、气象等数据库信息资源为基础，依托计算机网络环境，遵循统一的技术架构，建立可共享的洪水预报模型库，为防洪减灾、会商决策提供依据。涵盖历史资料处理、预报方案构建、模型参数率定、预报方案管理、实时作业预报等功能。建成的暴雨洪水预报自动提取精细化降雨预报分析模块的降雨预报结果，自动计算未来降雨的最大和最小可能过程，最终得出黄河干流河道洪水演进预报结果。

2.2 构建暴雨洪水预警系统发挥前哨的作用

黄河干流洪水灾害智能预警系统，以实时监测降雨和气象精细化降雨预报数据为驱动，提前准确预判洪水灾害风险，完善预警发布机制和途径，确保预警信息全覆盖，使有关部门和人员及时获取预警信息，提前做好避险防范工作。

暴雨洪水预警系统基于气象预报及黄河干流上下边界水文预报成果，结合水文水动力学模型，实现对黄河干流范围内的洪水预警。针对沿河村落、集镇和城镇等具体防灾对象开展洪水灾害分析和预警。开发洪水灾害风险预报预警模型，进行实时分析计算，实现洪水整体形势和各沿河村落当前基础信息、降雨详情、预警信息和分析的查询展示。采用数据可视化技术，基于数字孪生建立三维河道流场风险预报预警数据成果，可视化显示不同等级预警落河村落情况，为更深入地观察和分析洪水灾害风险实时情况提供支持[3]。

2.3 构建暴雨洪水预演系统发挥参谋的作用

开发建设暴雨洪水预演系统，可以对洪水演进、会商决策、撤退路线、影响分析、方案选择等进行模拟推演，及时发现防洪工程和滩区的薄弱环节，以便做出科学的防洪调度决策。

暴雨洪水预演系统综合运用三维 GIS 技术和虚拟现实数字孪生等技术，在三维场景基础上，根据数学模型计算的结果信息构建三维河面，利用纹理映射技术原理将水流的表现效果、速度矢量信息等叠加到水层上[4]，实现河道内水流演进过程的动态显示，从而实现不同流量过程的仿真，直观展现局部水流形态和冲刷情况。洪水演进模型拟采用水文学和水力学相互验证，根据河道内防洪对象的分布，以及支流汇入和不同河段河道地形差异对模型参数的影响，将河道划分为若干断面分段进行洪水预演，产汇流模型计算的成果作为洪水演进模型的边界条件，模拟在水库不同下泄流量条件下的河道洪水演进过程。根据二维数学模型计算成果，基于河道数字孪生场景，分析展示在不同方案预演过程中可能造成的洪水影响区域。再根据方案预演计算结果，集成社会经济人口、居民村落分布等相关数据，展示任一村落在不同方案演进情况下的安全撤退路线。

暴雨洪水预演系统还能够对主要洪水要素和过程进行对比展示，包括与历史、多年平均、设计典型洪水等对比，从洪峰量和发生时间等多方面对方案预演结果进行总体评估。

2.4 构建洪水预案系统实现辅助决策的目的

根据预报预警的不同灾害等级，依据不同方案预演结果的评估，开发具有可视化和可操作性的防洪预案，辅助做出具备科学性、有效性和指导性的抗御洪水决策。

洪水预案系统根据预报和应急预警信息提示，自动提醒防汛部门启动相应应急预案，召开会商研判，提醒应急管理部门做好应急抢险救灾准备。洪水预案系统主要由应急预警、响应、指挥等模块组成。应急预警模块重点是加强实时雨水情监测，建立与气象、水文等部门联系机制，及时收集整理气象、水文和农业等部门对重大灾害性天气的联合监测会商评估结果[5]。应急响应模块包括应急通信提供、现场信息上传、抢险队位置定位等功能，通过抢险人员上传的文字说明或图片信息等及时掌握现场情况。在指挥中心的决策者根据监测和现场人员反馈信息作出分析研判，下达应急抢险任务。抢险队的位置采用 GPS 定位服务获取，并在 Web 端系统的地图上标定，方便随时调遣。暴雨洪水预演系统的结果导入洪水预案系统，给出预淹没区人员撤离的最佳路线，确保人员生命安全。

研究开发黄河暴雨洪水灾害防御的预报预警预演预案系统，在黄河治理管理实践活动中实现数字化场景、智慧化模拟、精准化决策[6]，有效保障人民的生命财产安全，社会效益巨大。预报系统是基础，预警系统是前哨，预演系统是手段，预案系统是目的，四者环环相扣、循环反馈，体现治黄的系统性、整体性。

3 运用 5G 技术建设防汛通信和计算机网络系统

信息化基础设施建设滞后严重阻碍黄河治理现代化进程。在黄河河道和滩区，黄河通信专网基础设施老旧，计算机网络系统更新缓慢，运营商公网覆盖不足，带宽不够。一旦突发暴雨洪水紧急状态，不能满足应急抢险需要，信息化基础设施建设亟待加强。

5G 技术拥有大连接、毫秒级低延时、G 比特级高速率的特点，能够提供超高清（3D）视频、增强现实、虚拟现实等功能[7]。利用 5G 技术，对防汛通信系统和计算机网络系统改造升级，保障防汛广域网和局域网高速、稳定、安全运行，满足各级用户网络接入的性能和安全需求，是当前急用先行、行之有效的措施。可以在各级防汛部门配置核心交换设备改造骨干网络系统，在各级防汛指挥中心部署高性能路由器，覆盖整个办公区域，并实现集中管理。运用 5G 技术改造后的防汛通信和计算机网络系统，拥有大带宽、低时延、超高清视频等强大功能，充分满足各级防汛机构政务办公和开展业务的需求。在黄河沿岸堤防滩区，可以和沿河公网运营商合作，加密 5G 基站建设，达到 5G 信号全覆盖，满足沿河的一线班组和各类采集感知系统的信息传输需求。例如黄河防洪演练时，沿河设置 5G + 无人机视频转播系统，有了 5G 信号的赋能，就可以充分发挥无人机侦察范围广、飞行效率高、不受地形限制等独特优势，把各个河段的洪水演进、漫滩、水位线情况实时观测，录像和拍照，视频直播到指挥中心的大屏幕上。演练总指挥长可以在指挥中心会议室里，实时查看洪水演进、漫滩水位等情况，随时会商，及时决策。

4 运用新技术赋能治黄业务管理现代化实例

目前，黄河防汛巡河查险报险、观测滩岸坍塌等还主要依靠人工手段，防汛物资仓储管理停留在手工纸质记录薄阶段，移动应用手机端开发没有得到广泛应用，黄河防汛业务智慧应用还有差距。运用新一代信息技术，研究开发智慧应用系统，是黄河治理高质量发展的必然选择。

4.1 某省黄河河务局电子政务办公系统

该省包括省级、地市和县级黄河河务局三级机构，相应电子政务办公系统包括省市县三级防汛机构政务公文流转、办公信息的上传下达、工作动态、防汛简报、引水日报发布，以及事项审批、会议管理、督查督办、移动办公应用等综合协同办公服务等，实现行政办公统一化、公文电子化、流程标准化、管理规范化。电子政务办公系统在省级黄河河务局集中部署服务器、服务器虚拟化软件、磁盘阵列。通过计算机网络平台，构建包含多台服务器、磁盘阵列、云管理平台，虚拟机备份系统的云计算平台，所有信息存储在“云”中，计算、存储和数据处理均可以在其中完成。“云”操作对各级用户是透明的，各种资源透过虚拟化形成虚拟化资源提供给用户使用，用户只要能接入到“云”，则可以从“云”获得丰富的服务和充足的资源。云管理平台实现在云上运行应用软件，协调各个服务器工作。该电子政务办公系统服务省市县三级 102 家防汛单位，用户数量达 5 000 余人，很大程度提升了办公效率、降低工作强度、节约了行政成本。

4.2 某市黄河河务局防汛物资仓库仓储管理系统

该市级黄河河务局防汛物资仓库位于黄河沿岸，位置重要，防汛物资种类多，数量较大，进出库动态管理任务繁重。传统的防汛物资调用全靠人工，出库单、调拨单量大耗时耗力，效力低下，透明度差，管理人员对整个仓库存储情况不容易做到全面的了解，同时缺乏实时的跟踪管理，上级管理部门无法及时获知防汛物资的储备和消耗情况，影响及时补充，给防汛抢险工作带来严重威胁。该市级黄河河务局开发的防汛物资仓储管理系统，建立黄河干流防汛物资库，将黄河干流防汛物资信息叠加在智慧河务一张图上，展示黄河干流防汛物资的总体储备和分布情况。运用物联网技术，通过射频识别，给铅丝、麻绳、冲锋舟等各类防汛物资生成标签。仓管人员通过手持终端扫描出入存库的各类物资，自动生成出库单、入库单、盘存表等，可以自动登记入库货物信息，把入库信息写入货架标签，方便查询库存货物数量和位置等信息。防汛物资仓库仓储管理如图1 所示。

图1 防汛物资库存管理流程图

通过传输网络和管理平台互联，借助红外感应器、激光扫描器等设备跟踪防汛物资的存放位置和数量信息等，对防汛物资进行全方位的监管查询、统计分析、报表上报。上级管理部门能够全面掌控全河范围内防汛物资库存状况，紧急情况下即可精准下达调拨指令统一调配，提升防汛抢险效率。

4.3 某省黄河河务局智能巡河系统

该黄河河务局河道现有坝垛护岸 1 000 余道，河道整治工程 100 处，滚河防护工程 95 处。原来全部依靠人工巡查，耗工费时，监管盲区多。2021 年开发的智能巡河系统系统，基于人工巡堤（坝）查险的工作流程，实现对河道、滩区、工程的无盲区巡查，提高巡查和信息采集上报的工作效率，加强对巡查人员的监管。该系统通过 GIS 地图实时展示巡河查险人员的巡查轨迹位置，巡河人员发现水沟浪窝根石坍塌等问题，利用手机等设备，通过文字描述、语音录入、图片、小视频等实时上报。巡查管理主要实现对基层巡查人员的巡查日志、事件上报、巡查轨迹等进行实时呈现，综合查询，统计分析及巡查绩效考核等。系统解决了对人员的管理和对事件的处置，体现了防汛工作中“工防靠人防、人防靠科技”的思维趋向。

除以上应用系统外，正在开发研究的智慧应用系统还有黄河防洪工程一线遥控监测水位、网络舆情监测、水情实时监测及洪水分析、河道视频监视等系统[8]。运用新技术研究开发新的智慧应用系统，能够满足当前工作的急需，积累宝贵数据资源和数字化智慧化应用经验，在黄河治理管理现代化进程中必将发挥巨大推动作用。

5 结语

黄河治理的时代特征是生态保护和高质量发展，黄河治理面临的新问题也在不断变换。在 5G 时代，研究新一代信息技术在黄河治理管理中更大规模的应用，在治黄实践中具有重要的意义。本研究讨论了运用新一代信息技术增强防洪工程感知能力，提升黄河流域暴雨洪水监测预警能力，运用 5G 技术建设完备的防汛通信和计算机网络系统的现有方案和可行路径，并通过某省（市）级黄河河务局建设智慧应用系统的实例，进一步论证了建设智慧应用系统能够有力辅助工作实践，提高工作效率和质量。但也发现了应用中存在的问题，例如举例的智能巡河系统，还依赖于人工，未能做到节约人力并主动防御预警，系统开发的方向需要调整直至取代人力的方向。同时，全面推进算据、算法、算力建设[9]，构建起功能强大的智慧黄河，是有待进一步深入地研究课题，也是保障黄河长治久安的必然趋势。