嘉兴市水灾害防御决策调度一体化平台研究

李 鹏，陈 杭，柳 涛

(1.上海协济科技有限公司，上海 200433； 2.嘉兴市水利局，浙江 嘉兴 314001)

1 引言

为贯彻“十六字治水方针”，落实国家“十四五”规划纲要的要求，水利部将智慧水利建设作为推动新时期水利高质量发展的重要实施路径。

2021年10～11月份，水利部陆续发布了《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》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》等系列文件，提出以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，加快构建智慧水利体系[1]。

水灾害防御信息化系统作为智慧水利建设的重要内容，取得了长足的发展，水利部牵头建设了国家防汛抗旱指挥系统、中小河流水文监测系统、山洪灾害监测预警系统等项目，为夺取历次抵抗洪涝、台风、干旱等灾害的胜利提供了支撑[2]。利用信息化手段辅助制定水灾害防御调度方案、为合理调度工程提供依据，能够提升水灾害防御能力[3]。信息化作为重要的非工程措施，主要作用体现在水雨情监测、预报预警及调度决策支持等方面[4]。构建集信息采集、智能调度、调度决策于一体的水灾害防御系统，成为提升水灾害防御能力的重要途径[5，6]。

近年来，嘉兴市洪涝灾害频发，且影响范围大，危害严重，水灾害防御任务艰巨，对信息化系统建设提出了更高的要求[7]，因此为进一步深化水灾害防御信息化建设，提升水灾害防御能力，提出在满足水利部智慧水利建设[8]和浙江省水利数字化改革[9，10]等政策要求的基础上，结合嘉兴市水利现状，以信息化建设推进水灾害防御决策调度机制改革为目标，构建水灾害防御决策调度一体化平台，为提升市域层面水灾害防御水平，更好地守住底线、保障民生提供有力支撑[11]。

2 区域概况与需求分析

2.1 区域概况

嘉兴市位于浙江省东北部、杭嘉湖平原腹部地带。东临上海市和东海，南靠杭州湾和钱塘江，西接杭州市和湖州市，北与江苏省苏州市接壤，陆域总面积4223 km2。嘉兴市下设南湖区、秀洲区，辖嘉善、海盐两个县及平湖、海宁、桐乡3个县级市。

嘉兴市域为太湖东南的浅碟形洼地，地势低平，一般田面高程为3.2～3.6 m(吴淞高程，下同)，最低仅为2.8 m。全市河湖密布，属典型平原河网地区，河道总长1.38万km(其中溇浜占总长的35%左右)，河道分布密度为3.5 km/km2。

嘉兴市河网水体自然流向为西南流向东北，区域受梅雨与台风影响较大，北部受太湖洪水下泄、西部有湖州德清大闸等分洪、东部受黄浦江潮位顶托、南部受钱塘江潮位等因素影响，防洪排涝工程调度十分复杂，水灾害防御任务繁重。

2.2 需求分析

(1)嘉兴市水利部门业务需求。 及时掌握本地降雨、水位监测及预报情况，了解周边地区杭州、湖州山区来水，了解下游上海境内黄浦江潮位顶托作用对嘉兴排水影响，充分发挥工程能力，实现与流域区域的统筹调度[12]。

(2)县(市、区)水利部门业务需求。 及时了解自身及周边区域降雨、水情和工情，准确预报代表站点、骨干河道、引排水量，掌握市级及周边地区拟采取的调度措施，及时反馈县(市、区)调度信息。

(3)社会公众服务需求。 完善信息服务平台，丰富信息服务产品，实现水情、险情等信息的及时推送，提供水雨情预警、防汛防台知识、灾情上报等社会公众服务。

3 建设目标

按照“需求牵引，应用至上”的建设原则，突出一体化、全方位、制度重塑、流程再造[13]，运用新一代信息化技术，强化物理流域与数字流域之间交互和深度融合，建立以流域防洪为重点的预报、预警、预演、预案“四预”体系，聚焦水灾害防御方面的痛点、难点问题，依托一体化智慧水利大脑，迭代升级水灾害防御决策支持系统的智慧化应用场景，推动市域水灾害防御体系的整体优化，保障嘉兴水安全，为嘉兴的幸福河湖建设提供支持(图1)。

4 总体架构

按照水利部和浙江省水利厅的标准和要求，结合嘉兴市水利信息化建设现状，采用SOA体系架构的设计思想，提出了“4+3”的总体架构。“4”是指基础设施、数据资源、水利大脑和业务应用，“3”是指政策制度体系、标准规范体系和安全保障体系(图1)。

5 主要建设任务

充分利用已建的感知体系、数据资源和应用系统，深化业务流程再造和业务模式创新，搭建嘉兴市本级、两区三市两县一体化统筹调度的水灾害防御应用场景。

水灾害防御决策调度一体化平台的主要建设任务包括整合完善基础设施体系、汇集融合数据资源、构建智慧水利大脑和开发综合业务应用。

5.1 整合完善基础设施体系

充分利用已建的水情、雨情、工情和视频等感知监测设备，扩大监测范围、丰富监测类别、创新监测手段，形成监测全面、安全可靠的水利智能感知体系。其中包括在杭嘉湖南排工程、城防工程、海塘、圩区等工程建设的64个雨量、水位、潮位、24个流量自动监测点、20个重点水利工程工情采集点、1500个重点部位部署视频监测点和水文监测站点193处,水文监测站点实时监测要素涵盖水位、雨量、潮位、流量等。

系统部署于嘉兴市政务云，由政务云提供基础运行环境，通过政务专网连通省级和区县政务云网络。依托市政务云的安全防护体系，使系统达到等保2.0的要求。

图1 平台总体框架

5.2 汇集融合数据资源

按照水利信息资源标准规范和统一数据要求，对接省级数据资源目录，梳理形成嘉兴市基础数据资源目录和业务数据资源目录，并建设数据库和数据管理平台，对目前嘉兴市已建平台的数据资源(基础数据、监测数据、业务数据、主题数据和元数据)进行初始化和汇聚，利用数据仓库技术，构建数据治理、数据安全、质量管理模块，实现数据抽取、汇聚、清洗转换、数据编码入库。

其中监测数据库除汇集了嘉兴市域内水雨情工情数据外，还接入了湖州市11个水位监测点数据、杭州6个水位监测点数据以及省外(太湖流域周边)8个水位流量监测点数据。

5.3 构建智慧水利大脑

智慧水利大脑主要包括水利模型和应用支撑，为应用层提供统一的数据服务，合理高效分配信息，构建开放、共享的开发环境，丰富“小前台、大中台”的应用生态，提升平台整体的服务质量。实现各种业务工作流程的界面化配置和管理。

采用大数据、人工智能、水利数学模型等技术，依托嘉兴市水管理平台和嘉兴市政务云平台，构建嘉兴市杭嘉湖平原河网地区模型和人工智能模型。对数学模型进行服务封装，通过微服务架构，提供实时、高效、精准的计算分析服务，支撑预测预报、智能分析、调度模拟、方案优选等功能应用[14]。

嘉兴市杭嘉湖平原河网地区模型包括降雨产汇流、河网水动力、工程调度、防洪预报、风险评估等模型，覆盖范围包含浙西区、杭嘉湖区，西至含浙西及杭嘉湖山丘区，北至太湖及太浦河一线，东至杭嘉湖分区界，南至杭州湾。构建嘉兴智慧水利大脑，提供嘉兴防洪、水资源、水环境、工程调度等方面智能分析功能，对嘉兴地区降雨、河湖水位、工程运用、洪涝灾害等历史资料进行大数据训练学习，建立河湖水位变化、城市水环境变化与各影响因子的关系，并通过对模型进行持续训练，完善降雨径流、水量模型机理和功能，提升嘉兴平原河网地区水循环模拟水平，满足新形势下嘉兴及周边地区水流运动情况智能模拟及精度要求。

在基础要素建模方面，采用基于高分一号遥感卫片开展杭嘉湖地区下垫面解译，实现土地利用数据的收集整理，概化河道725条，其中，县级以上河道137条(市级河道26条)；概化河道总长度达4880 km，平均断面密度达1.5个/km；概化面积1 km2以上圩外湖泊共53个；总湖泊面积约118.4 km2，概化782座圩区，面积2194.9 km2，概化闸泵工程74座。并对区域范围内的河湖取水口位置及规模进行概化，接入嘉兴、平湖、王江泾等20个实时雨量站点，接入洞庭西山、米市渡等边界水位站，接入澉浦、乍浦、盐官3个外潮位边界站点，接入区域内部代表水位站点23个，接入太浦闸站的实时流量。

5.4 开发综合业务应用

水灾害防御决策调度一体化平台业务应用主要包括综合监视、预测预报、预案预演、指挥调度、抢险支持，工程管理和移动服务7大功能模块。

(1)综合监视：依托数据仓库和应用支撑，建立集成嘉兴市及周边区域的各种气象、水情(水位、潮位、水量)、工情等信息的实时监视、综合数据查询、分析等功能，为嘉兴市、各区县相关人员提供实时防汛、防台、灾害预警监视服务，实现对水灾害防御相关信息的综合监视和告警(图2)。

图2 综合监视功能界面

(2)预报预警：强化对嘉兴洪水变化规律研究，基于嘉兴智慧水利大脑专业分析模型，利用浙江省气象部门的中长期和短期气象预报数据，开展实况模拟、洪水预报等分析计算，建立实用的水灾害预测预警体系。对嘉兴及周边地区代表站水位、引排水量、易涝点及易涝区域、重要堤段及圩区风险进行全面的预报与预警。在洪水预报场景中，实现全市骨干河道和主要水文站未来24～72 h洪水预报。在预报调度一体化场景中，洪水预报计算环节充分考虑南排工程、城防工程及其他水利工程的调度设定，以预报信息和风险分析为基础，提升洪水预报调度一体化能力。

(3)预演预案：在预报预警分析成果的基础上，模拟预报降雨、设计降雨及历史相似降雨等多种场景，进行工程调度模拟、工程防御能力分析、城市实时洪水风险分析。在洪水调度场景中，依据主要水文站点水位预报成果、骨干河道沿程水位变化，以及市域洪水风险评估，实现流域大洪水统筹调度、风险可控，对杭嘉湖嘉兴地区的防洪排涝态势的计算分析，并按照维持工控不变、调度规则调度、历史相似条件调度、人工设置等不同调度方案进行模拟预测，形成各类工程调度预案及相应的预演场景，并对不同调度模式下的调度效果进行分析，对防洪形势作出判断，实现市域内重要水利工程的调度模拟和优化方案推荐，增强调度决策的主动性(图3)。

图3 水灾害防御预报调度一体化流程

(4)指挥调度：实现调度指令的数字化、流程化管理，按照水灾害防御组织体系下发到相应的单位、部门与人员，并动态查看调度指令的执行情况。通过平台建设重塑指挥调度工作流程，实现指挥调度更科学、更精准、更高效。

(5)抢险支持：根据不同区域出现的不同类型的险情灾情，提供嘉兴市全域的抢险队伍、抢险物资的分布情况，并提供抢险的专业技术支撑和抢险专家推荐。在工程险情处置场景中，迭代建设抢险方案智能场景应用，运用多种通信手段，实现险情远程会诊、实时会商和可视化指挥。在物资联储联调场景中，实现抢险资源科学管控，动态更新抢险物资设备、抢险专家队伍分布，自动配置抢险资源，实现省市县资源共享共用。

(6)工程管理：按照“一数一源、动态管理、分级负责”的原则对南排工程、城防工程、堤防等水利工程对象进行全要素管理，重点工程实现三维实景展示，按照工程运行管理业务流程再造和业务模式创新的思路，将日常调度运行、工程检查、隐患处理、维修养护等事项进行数字化、流程化在线管理，做到管理有遵循、任务事项可追溯、工作有留痕[14]。并依托水利智慧大脑提供的智能模拟分析功能，为南排工程、城防工程的精准预测、精细调度、统筹调度、科学调度提供决策支撑。

(7)移动服务：面向治理端(“浙政钉”)，构建嘉兴市防洪减灾在线移动应用，主要包含水雨情监测预报预警、工程抢险、防汛值班等功能。面向服务端(“浙里办”)，构建“嘉水在线”数字化移动应用。按照“互联网+水灾害防御”新思维，为市民提供便捷防汛公共服务。

6 平台亮点

6.1 场景化

面向政府部门、闸站管理机构、社会公众等不同对象，建立长山闸、独山枢纽等重点工程的三维模型，实现遥感影像、倾斜摄影、视频图像三图融合，构建面向重要对象的数字孪生场景，全方位、多角度展示物理世界水利基础信息和动态信息，利用智慧水利大脑，开展水位、流量及工程运行的预测分析，形成工程运行调度预案并反馈给物理世界，实现物理世界与孪生场景的互相映射、实时联动，提供沉浸式体验服务。

6.2 一体化

按照嘉兴市水灾害防御工作要求，系统按照共建、共享、共用的原则，落实跨界、融合、协同的建设思路[15]，实现了数据一体化、应用一体化和服务一体化，为市县两级水旱灾害防御提供支持。

6.3 智慧化

基于智慧水利大脑，构建预报-预警-预演-预案全链条式的水灾害防御四预场景化应用，开展嘉兴全域引排水量、代表站点及主要河道圩区的水位预测预报，实现实时预报、动态预警和智慧模拟，进一步提高预报精度，为嘉兴市及各县(市、区)的水灾害防御提供科学的决策支持。

6.4 精准化

通过“四预”场景化模拟分析，结合人工经验判断，形成不同降雨条件下工程的调度推荐方案，基于工程的调度原则，精准实施南排工程及圩区工程的调度运用[16]，最大程度地发挥水利工程在水灾害防御中的调度作用。

7 应用效果

7.1 提升了水安全保障能力，减少社会经济损失

通过嘉兴市水灾害防御决策调度一体化平台建设，提高了对区域内水灾害监控和态势分析能力，实现洪水、水量变化情况的及时预报预警，增强嘉兴市水利局和各县市区的统筹调度，优化了区域一体化防洪除涝格局，增强了洪水风险统筹管控能力。通过嘉兴全域四预应用建设，提升了市县各级管理单位的灾害形势研判、业务流程管控、突发性水事件快速处置能力，保障嘉兴全域水安全。

7.2 实现水利工程科学化调度，提升防洪排涝效益

利用智慧水利大脑，模拟城防、南排等工程在多种组合运用下骨干河道的洪峰到达时间、水位变化过程及圩区淹没情况，并对调度效果进行分析。依据调度方案对比分析成果，结合专家经验研判，形成不同等级响应状态下的水灾害防御预案，指导水利工程科学化和精准化调度，提升水利工程防洪排涝效益。

7.3 实现多部门、多层级协同应用，提升业务管理能力

利用数字化手段，赋能防汛业务，实现业务流程再造，突破原有防汛调度体系，建立嘉兴市水利工程联合调度工作规则，按照“共建共享、互联互通”原则，建成覆盖市、县多级部门共用的水灾害防御决策调度一体化应用，实现业务管理流程化、调度指令数字化，提升业务管理能力。

8 结论与讨论

按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，运用大数据、物联网、云计算、移动互联、人工智能等先进技术，充分利用已建的感知体系、数据资源和应用系统，深化业务流程再造和业务模式创新，搭建流域、周边区域、嘉兴市本级、两区三市两县一体化统筹调度的跨区域、跨部门、跨层级的多跨水灾害防御应用场景，构建嘉兴市水灾害防御决策调度一体化平台，实现综合监视、预测预报、预案预演、指挥调度、抢险支持和移动服务等功能。全面提高了嘉兴市水旱灾害防御指挥调度水平，全面发挥了嘉兴市水利工程调度防洪减灾效益，全面增强了嘉兴市洪涝灾害风险应对管理能力，对推动水灾害防御区域一体化具有重要意义。同时，该平台在建模的精度、多跨应用深度等方面仍有待提升，下一步需更新完善下垫面、DEM、河道断面等基础资料，持续率定水文水动力模型，完善水量水质预测预报和分析评价模型，提升预测预报精度，支撑防洪、水资源、水环境多目标统筹调度，提升洪涝灾害防控、水资源调配和水环境提升的综合决策能力。