强化“四预”助力太湖流域防汛智慧化

张 莹，陈 赟，王 奇

（太湖流域管理局水文局（信息中心），200434，上海）

党的十八大以来，习近平总书记着眼于党和国家事业发展全局，提出“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路。 2021 年3 月11日，十三届全国人大四次会议表决通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》，其中明确提出构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力。 水利部党组高度重视智慧水利建设，提出智慧水利是新阶段水利高质量发展的显著标志和六条实施路径之一，要加快构建具有“四预”（预报、预警、预演、预案）功能的智慧水利体系。

水利部太湖流域管理局（以下简称“太湖局”）深入贯彻党中央、国务院和水利部党组决策部署，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总要求，以服务和保障长三角一体化高质量发展为目标，以实现流域管理场景化“四预”功能为抓手，持续推进太湖流域超标特大洪水风险预警等智慧水利先行先试项目，不断优化太湖流域预报调度一体化系统，“四预”工作取得显著成效。

一、数字孪生“四预”功能成效及经验

为提升水旱灾害防御能力，全力推动数字孪生太湖建设，实现“四预”功能，太湖局结合实际对预报调度一体化系统进行优化完善。 在2021 年汛前、梅雨期、“烟花”台风防御期间，太湖局利用预报调度一体化系统“四预”功能成果，多次组织预演不同水雨情背景下，流域水利工程不同调度方式下太湖和地区河网水位变化过程及地区淹涝情况，为流域工程调度决策提供支撑，2021 年梅雨期洪水预报合格率达100%。 “烟花”台风和盛夏连阴雨期间，开展洪水淹涝预报13期，加密滚动预报苏州、嘉兴、平望等站点过程最高水位，并将太湖和河网水位预报发送至相关地市水利部门，为地方，特别是长三角示范区防汛决策提供了有力支撑。

1.完善算据，超前预报

基于多源数据融合技术，获取底板数据和业务化数据。太湖局共有直管水文水资源监测站 （断面）200 余处（包括各类水文测站63 处），通过报汛信息交换系统，共享流域片省份3 350 处水文测站报讯数据， 获取水情、气象、工情、灾情等监测数据；通过高空卫星遥感影像获取地形三维可视化数据并生成DEM（数字高程）模型；通过三维无人机航拍形成三维倾斜摄影成果生成精细化建模数据。初步建成流域水利感知网，为精准预报提供了基础数据源支撑。

加强数据处理，建设水文水资源监测数据汇集中心7 处。 以可视化配置方式完成多源多态异构数据源的灵活接入，支持以实时同步、离线同步、数据推送、数据API（应用程序编程接口）方式实现结构化、非结构化数据源之间的数据交互和数据同步。业务数据通过Web Service（网络服务）接口方式获取，采用数据驱动、ETL（数据的抽取、转换、存储）等方式进行数据传输； 统一数据服务接口， 针对应用程序服务调用和数据交换，提供统一Web Service 的服务调用， 或基于RestFul 架构进行服务调用；采用分布式架构、前后端分离模式， 考虑国产化要求， 以JAVA、Python、Matlab 等软件进行数据库及算法开发。

面对2021 年“烟花”台风期间风暴潮洪“四碰头”的极不利形势，滚动开展水文预报，提前一天精准预报太湖流域重要调度指标站——平望站将突破历史纪录0.12 m，最终结果与预报结论完全一致。

2.协同防汛，及时预警

在“烟花”“灿都”等台风影响期，利用预报调度一体化系统“预警”模块将流域重要河网代表站水位涨退预测成果第一时间发送至省市水利、水文部门，确保流域安全度汛。

台风“烟花”影响期间，太湖局及时滚动开展太湖、各水利分区代表站以及太浦河、望虞河重要调度站的水位预报，并将成果第一时间发送至上海、江苏、浙江3 省（市）水利、水文部门，以及苏州、无锡、常州、镇江、嘉兴、湖州6 地市水文部门，提醒重点区域加强防范；加密滚动预警，累计发布各类预报272 期，发送水情预报短信次数7 956 次； 发送水情预警短信条数3.29 万条，水雨工情等信息约8.6 万余条。

7 月27 上午，示范区太浦河关键控制断面平望水位超历史，且气象局预报平望后期仍有持续强降雨，防汛形势十分严峻， 太湖局开展分析研判，预报平望站将于28 日7—9 时再次刷新历史纪录，达到4.45 m，并第一时间发布预警，为苏州市防汛指挥决策争取了宝贵时间。

3.完善模型，精准预演

持续优化太湖流域水文水动力模型、淹涝模型，开发了突发水污染模拟模型、蓝藻AI（人工智能）识别模型、流域风暴潮模型等，构建了集水量、水质、淹涝、蓝藻等多个模型高度耦合的太湖流域模型群，实现了多维度、多时空尺度的仿真模拟。 对太湖流域水量水质预警模型进行了完善与开发，更新完善流域下垫面、河道湖泊、 水利工程及其调度运行规程、污染源及水文水环境等基础资料，显著提升了流域模型的精度、密度与细度，实现了多元素水循环全过程耦合的大型平原河网水量水质模型精准模拟，以及从传统的水位、流量预报拓展到洪水淹涝风险、水质、蓝藻预测预警。预测预报速度大幅提升，水位流量预报计算时间从2 h 缩短到2 min，洪水淹涝预报计算时间由1 d 缩短到5 min， 主汛期洪水预报合格率达到90%以上。

在台风影响期间，基于太湖流域预报调度一体化系统“预演”模块，累计开展各类预演30 余次。 利用流域预报调度一体化系统动态预演流域骨干水利工程不同调度方式下的太湖和地区河网水位变化过程及地区淹涝情况，为流域骨干工程调度决策提供了支撑。

4.构建知识库，完善预案

在预报调度一体化系统“预案”模块中嵌入了自2013 年以来的防汛会商记录，同时制定了包括太湖调度控制水位、洪水调度基本原则、水量调度基本原则、 非常措施基本原则、骨干水利工程调度原则、主要城市防洪工程调度原则等系列调度规则。

通过与“预报”“预警”“预演”模块关联，系统在自动综合分析区域代表站水位、流量、干支流水质控制指标、水利工程实际、 水雨情信息的基础上，根据水旱灾害防御形势、工程调度的效果和存在的风险开展多方案比选，提示调度方案或相应级别的预案并支持应急处置措施的自动推荐，为防洪调度，水量调度，应急调度等调度决策提供支撑。

5.筑牢防线，构建太湖流域安全防护体系

在信息科技赋能的同时也面对更加复杂的安全风险， 防御难度增加，影响损失加剧。 太湖局结合等保2.0 的标准和要求， 依托能力提升项目成果，构建了涵盖基础防护、监测分析和响应恢复的水利网络安全防护体系，实现了对多源数据进行关联分析； 建设完善统一身份认证服务，统一密码服务等统一基础安全服务，构建安全情报中心，建设包括安全数据采集、安全大数据平台、安全威胁感知应用在内的网络安全威胁感知系统；完善密码基础设施、推进商用密码应用，对水利关键信息基础设施进行安全防护，对关键信息进行数据加密、链路加密、身份认证；建立数据存储容灾机制、数据访问安全加固，提升数据防篡改能力； 定期开展安全排查，排除风险隐患，加强监测预警，严格值班值守，完善应急预案，充分利用水利网络安全信息通报机制，执行“零报告制度”，确保水利行业网络安全。

二、数字孪生建设存在的困难及思考

数字孪生流域建设处于前期试点阶段，与长三角一体化高质量发展的要求相比仍存在许多不足。

一是已有水文测站（断面）监测能力不足，与水文水资源全量程、全要素监测要求相比，监测手段比较传统，监测要素不全；流域部分新的热点焦点区域尚未布设测站，已建设的水文测站尚未对流域重要水体和热点区域进行全覆盖。 鉴于先行先试时间有限，下一步将充分利用已有的监测体系， 不能满足数据要求的部分，首先考虑通过共享方式，从有关省市收集， 并统筹水文现代化规划、其他信息化建设成果，及时接入相关数据。

二是模型精细度不高。 当前模型计算效率、成果分析和平台展示等能力还不足以支撑数字孪生流域，距离多维度、多尺度时空精细化模拟及展示有较大差距；模型中下垫面、水利工程等概化信息均为2015 年左右调查资料，亟须动态滚动更新。 下一步将围绕业务应用需求，重点从产汇流模拟机理及参数、洪水发生全生命周期预测模拟分析、 实时预报调度、突发水污染应急预测等方面，结合原型观测和物理模型，进一步优化完善模型机理及参数指标，提升数学模型智慧化应用与服务水平。

三是预案模块仅完成了部分调度规则和方案预案的数字化，专家经验库建设还停留在探索阶段， 尚未形成场景化应用。 下一步将收集整理太湖流域参与防洪调度或者应急水量调度的水库、河道、水闸、泵站等的洪水或枯水预报方案、 洪水调度方案、应急水量调度方案等，接入已有防洪调度预案数字化成果，梳理近年新的防洪调度预案和专家经验并初步形成防洪调度预案库和专家经验库。

三、结 语

太湖流域位于长江三角洲的核心地区，是“一带一路”与长江经济带的重要交汇地带， 是我国大中城市最密集、经济总量规模最大、最具有发展潜力的地区之一，在国家现代化建设大局和全方位开放格局中具有举足轻重的战略地位。利用信息化手段提升流域治理管理科学化、精细化水平，加强支撑水旱灾害防御能力的数字孪生建设对长三角一体化高质量发展至关重要。