黄河防汛会商预演系统设计及“四预”功能构建研究

杜 文，张梦初，段丹丹

(1.黄河水利委员会 信息中心，河南 郑州 450003； 2.河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450064)

0 引 言

国家“十四五”规划纲要明确提出推进构建智慧水利体系，以流域为单元，提升水情测报和智能调度能力。国家“十四五”新型基础设施建设规划要求推动大江大河大湖数字孪生、智慧化模拟和智能业务应用建设。当前，随着云计算、大数据、人工智能技术快速发展，水利发展向数字化、网络化、智能化转变的技术条件已经基本具备。水利部提出了推进智慧水利建设，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为途径，全面推进算据、算法、算力建设，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[1]。

当前，促进黄河流域生态保护和高质量发展已上升为国家战略，提出让黄河成为造福人民的幸福河的总体目标[2]。国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》明确提出强化对水文、气象、地灾、雨情、凌情、旱情等状况的动态监测和科学分析，搭建综合数字化平台，建设智慧黄河，加强防洪减灾、排水防涝等公共设施建设，增强其抵御自然灾害能力的工作要求。

受连续强降雨影响，2021年9月下旬至10月上旬，黄河接连出现3次编号洪水，秋汛期间降雨过程长，雨量大，水库河道水位高[3]，支流渭河、汾河、伊洛河、沁河均发生有实测资料以来同期最大洪水。秋汛期间，黄河水利委员会(以下简称“黄委”)已通过水旱灾害信息化系统，有效支撑了各级水旱灾害防御单位防汛业务工作，但同时也暴露出了“四预”支撑能力不足的问题。针对2021年黄河秋汛工作中暴露出的工作短板，黄委明确提出了建设黄河防汛会商预演系统的工作目标，在已有“黄河一张图”基础上，搭建数字孪生黄河数据底板，进一步提升“四预”能力，实现对黄河流域降雨、洪水预报、水库调度、洪水演进、洪水淹没等水旱灾害防御工作的实时预警、预报分析、调度决策、精准化预案和数字化仿真模拟。

1 系统总体设计

按照水利部数字孪生流域和“四预”工作要求，以黄委防汛会商工作为业务支撑目标，构建黄河防汛会商预演系统。黄河防汛会商预演系统是数字孪生黄河智慧应用的重要组成部分，系统框架由基础设施、云平台、数字孪生平台、智慧应用、网络安全体系以及技术标准与保障体系组成。

通过基础设施实现对系统各类监测信息的感知采集，主要包括黄委采集感知网和黄委水利信息网。采集感知网是在黄委已有水利监测体系基础上，充分利用智能感知技术和通信技术，从航天、航空、地面、地下、水下等空间维度，对点、线、面等尺度范围涉水对象属性及其环境状态进行监测和智能分析，是系统获取全面、真实、客观与动态水利数据的渠道。水利信息网包括黄委工控网、水利业务网、电子政务内网(非涉密域)等网络资源设施，可支撑保障系统各类基础、空间、监测、监视和业务等信息网络传输和通信。基于黄河水利委员会现有的私有云和数据存储体系，为系统运行提供可靠的算力支撑。数字孪生平台是系统运行的服务支撑，利用物联网、大数据、人工智能、虚拟仿真等技术，以时空数据为底座、水利模型为核心、水利知识为驱动，对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程进行数字化映射与智慧化模拟，实现对黄委水旱灾害防御会商工作中，各类相关水利对象和业务工作环节的同步仿真、虚实交互，为系统实现精准化决策目标提供算法、数据和功能服务，包含数据底板、通用支撑、模型平台和知识平台等建设内容。流域智慧应用包括流域防洪、水资源管理与调配、N项治黄业务智慧应用。黄河防汛会商预演系统是流域防洪领域先试先行的数字孪生应用。基于信息基础设施和数字孪生平台提供的算据、算法与算力资源，实现系统预报、预警、预演和预案能力。网络安全体系依托黄委现有网络安全软硬件资源，为系统建设提供安全管理、防护、监督等方面的支撑。依据黄河防汛会商工作场景特点，制定规范和指导系统建设，为系统运行建设提供实施指南和管理规范。

系统根据降雨预报和水工程上游来水预报，调用模型平台和知识平台服务对水库与蓄滞洪区等水工程进行动态调度。针对生成的不同调度方案，对水工程下游水文断面洪水过程进行预报，并对来水、蓄水、调水、演进等洪水变化过程进行预演，为黄委防汛会商工作提供气象预报、水雨情实时监测、水雨情预报预警、水工程调度、洪水演进、洪水淹没、工程出险抢险、防汛工作部署等多维度、全方位的会商决策支撑。系统总体框架如图1所示。

图1 黄河防汛会商预演系统架构Fig.1 Framework of the Yellow River flood control consultation and emulation system

2 建设任务

黄河防汛会商预演系统服务于黄河防汛会商工作，遵循水利部智慧水利建设总体要求，利用数字孪生技术，基于“黄河一张图”搭建黄河流域数据底板，收集黄河防汛工作中已有降水预报、洪水预报、防洪调度和洪水演进等模型的计算成果，为汛期黄委防汛抗旱会商工作提供具备“四预”功能的全方位、多视角、跨时空的决策支撑。系统建设任务主要分为数据底板、预警、预报、调度、预演与预案6个部分。

(1) 数据底板。在“黄河一张图”的基础上，建设黄河中下游重点河段、重点区域的二级数据底板，集成汇聚流域管理范围省区和工程管理单位基础数据、地理空间数据、监测数据、业务管理数据等成果。通过数据治理，为流域防汛会商工作提供标准化的数字化场景，满足河道洪水演进、水工程调度和洪水淹没分析等会商场景二三维一体化预演仿真需求。

(2) 预警。建立流域防汛综合预警库，汇聚融合国家预警信息发布中心气象预警数据。依据黄防总办〔2016〕10号《黄河水情预警发布管理办法》文件，搭建黄河防汛水情动态预警规则引擎。根据阈值指标，实时动态生成黄河流域河道主要水文测站水情预警信息。在“黄河一张图”开发的统一数据底板基础上，动态监视跟踪流域气象与水情预警信息。

(3) 预报。集成已有流域降雨预报、河道中短期洪水预报模型，实现对流域降雨落区和降雨强度的中短期精准预报，对自然径流条件下河道水文断面洪水过程进行动态演算。系统与水工程调度模型进行交互，实现对不同工程调度方案实施后，下游主要河道水文断面洪水预报的演算。

(4) 调度。集成黄河中下游水工程调度模型，实现对三门峡、小浪底、故县、陆浑等黄河中下游重要水库工程、北金堤与东平湖两个蓄滞洪区内，不同洪水量级调度方案的动态调度。可通过控制水库下泄策略和调控水库下游目标测站流量策略，动态编制水库调度方案。通过水库调度方案对比，提供对最优化调度方案的决策建议。

(5) 预演。基于“黄河一张图”二三维一体化场景，对来水预报、水工程调度和河道洪水演进的场景进行仿真预演，计算在黄河下游主槽及滩地内洪水的水深与流速变化过程，判断典型水文断面(水文站洪水演进变化过程和可能上滩及淹没地区的范围)。

(6) 预案。结合黄河中下游主要水工程运行状况、工程及河道周边地区经济社会发展现状等，对预演结果进行分析评估，根据分析评估结果动态调整水工程运行、应急调度、人员防灾避险等应对措施，科学合理制定水工程运行和调度等黄河防洪方案，有效提高预案的科学性和可操作性。

3 业务流程分析

黄河防汛会商预演系统核心功能在于实现对黄河中下游河道来水预报、工程调度和洪水演进过程的预演，主要包括水雨情监视及预报、水工程调度和洪水演进3个业务流程。

水雨情监视及预报指的是对气象及水雨情实况的监视、气象及降雨情况的预报和对河道洪水发展变化情况的预报。通过气象和洪水预报两类模型进行动态演算，其中洪水预报模型通过调用气象预报模型和水工程调度模型成果进行调整计算。具体来说，气象模型主要包括欧洲中心、中央气象台和黄委水文局人工预报调算模型成果。洪水预报模型基于水情实况、气象预报模型中的降雨实况和预报成果，利用原有黄河洪水预报系统中马斯京根、新安江等模型，对自然条件下黄河中下游主要水文断面的洪峰流量与峰现时间进行预测。当降雨预报发生改变或通过水工程对河道洪水进行控制后，洪水预报模型可根据降雨预报修正值或水工程调度成果，对洪水预报结果进行动态调整。

水工程调度环节实现对水库及蓄滞洪区的实时调度。调度模型包括单库调度和库群规则调度。单库调度模型包括完全自由敞泄、维持汛限水位敞泄、进出库平衡和泄流过程控制四类调度策略。库群规则调度模型可根据经验模型预置的调度算法插值，实现对多个水库与蓄滞洪区等水工程的联合调度演算。水库调度方案包括对黄河中下游主要水库出入库、库水位和蓄水量变化过程的预测，以及对东平湖和北金堤两个蓄滞洪区水位、蓄水量和退水过程的预测。水工程调度运用后，可将结果反馈给洪水预报模型，实现对水工程下游水文断面洪水预报结果的动态更新。

图2 黄河防汛会商预演系统主要业务流程逻辑Fig.2 Consultation process of the Yellow River flood controlcon sultation and emulation system

洪水演进环节实现对洪水演进过程的仿真预演及对洪水引发洪灾情况的分析。通过预置不同洪水量级下水动力模型，对应洪水在黄河下游主槽及滩地内水深与流速变化演进的过程，对洪水演进过程中洪水淹没范围及灾情损失情况进行分析。根据洪水预报和水工程调度情况，采用插值法对自然条件下和不同水工程调度方案下河道洪水演进、洪水淹没及受灾情况进行快速动态计算及分析。黄河防汛会商系统主要业务流程逻辑如图2所示。

4 关键技术研究

4.1 数据底板构建技术研究

数据底板构建技术通过汇集整理相关基础、地理空间、监测、业务管理和跨行业共享数据，建设多维多尺度时空数据模型，将水利对象实体作为数据表达与分类组织的基本单元，以时空属性为纽带融合和重组各类数据，实现多级嵌套的时空数据底板[4]。在实施层面，以水利部L1级数据底板为基础，根据黄河流域防汛会商工作需要，汇聚流域自然地理、干支流水系、水利工程、经济社会信息，对物理流域全要素数据化映射[5]，基于“黄河一张图”构建下游小花区间流域L2级数据底板，以小浪底水库、东坝头治河工程为试点开展L3级数据底板建设。系统数据底板构建逻辑如图3所示。

图3 黄河防汛会商预演系统数据底板构建逻辑Fig.3 Logic process of building up the database board of the Yellow River flood control consultation and emulation system

4.2 洪水预报技术研究

近年来，伴随着系统科学的发展，洪水预报方法也逐渐从相关图、谢尔曼单位线、马斯京根法为代表的传统方法过渡到系统与传统方法相结合的不断创新过程[6]。目前，开展洪水预报的方法主要分为基于机理的水文模型、基于机器学习算法的数据驱动模型和基于规则的预测模型。在黄河防汛会商预演系统中采用的洪水预报模型主要包括基于机理的水文模型和基于机器学习算法的数据驱动模型。其中，基于机理的水文模型采用流域降雨产汇流模型和马斯京根流量演算等河道汇流模型。基于机器学习方法的数据驱动模型采用基于神经网络学习训练的河道洪水预测模型。

4.3 调度洪水实时演算算法

传统洪水预报模型在处理水工程调度下游水文断面洪水预报时，计算时间较长，无法满足防汛会商实时性决策需要，针对此问题提出了调度洪水实时演算算法。算法包括以下步骤。

(1) 根据黄河中下游某重点水库给定的调度过程，对该重点水库工程以下至某重点水文断面区间有关预报水文断面进行预报，并将洪水预报过程结果进行预置存储。水库出库至下游预报水文断面采用逐断面演算的方式，洪水演进模型采用马斯京根河道流量演算模型。

(2) 在调度洪水实时演算时，先将预置给定的水库出库过程进行河道洪水演进计算，计算出在下游各预报水文断面的洪水贡献，并将其流量过程作为计算基准。

(3) 水库出库实时调整时，按照调整的出库流量过程再次计算下游水文断面的流量过程。

(4) 对水库出库流量调整前后步骤(2)和(3)中流量过程进行差值计算。

(5) 将水库计算流量过程差值与对应预报水文断面的预置洪水预报过程进行叠加，进而计算出调整出库流量后各预报水文断面的计算流量过程。

4.4 规则引擎技术研究

规则引擎由规则库、工作内存和推理引擎三部分组成。规则库是对系统业务规则的定义集合，储存在关系型数据库和XML文件中。进行规则应用匹配时，在工作内存中动态产生推理引擎定义的逻辑。工作内存是规则引擎进行逻辑判定的生产环境，临时存储规则引擎产生匹配判断和推理推演时所需的待处理数据、规则缓存数据和计算参数数据。推理引擎是规则引擎的核心部件，由模式匹配器、冲突处理器和执行引擎3个部分组成。模式匹配器负责将规则库中定义的规则与工作内存中的待处理数据进行匹配和推理。冲突处理器负责处理模式匹配器上匹配的多个规则，按照对规则冲突时预先制定的执行逻辑进行仲裁，并选取最优化的匹配项。执行引擎负责将待处理数据按照模式匹配器和冲突处理器匹配或推理的规则进行执行，从而产生规则应用后的结果。

黄河防汛会商预演系统在预警的工作环节，需要对黄河中下游流域气象、水雨情等情况实时预警，对信息实时性要求较高。对于系统生产预警数据的需求，传统处理方法通过开发语言编制与预警阈值，对比程序控制脚本来实现。规则引擎技术对比传统开发技术，具备预警规则易于维护、实时处理能力强的特点。通过利用规则引擎对洪水预警规则进行系统化定义，根据系统重要水文断面(水位、流量)、水库(库水位)动态的预报数值，可实时自动产生重要水文断面、水库等水情预警信息。黄河防汛会商预演系统效果见图4。

图4 黄河防汛会商预演系统效果Fig.4 Design sketch of the Yellow River flood controlcon sultation and emulation system

5 系统建设成效

系统严格落实黄委党组工作要求，针对黄河防汛会商工作，基于水利部数字孪生流域技术框架，聚焦黄河流域中下游区域，对水雨工险情进行监测预警，对洪水预报、水工程调度方案、洪水演进和洪水风险情况进行计算机仿真预演，对洪水实况、历史洪水和预报结果进行分析展示。系统按照水利部“四预”的工作要求对黄委防汛会商工作进行了系统化的分析、组织和梳理，集成了流域监测、预警、预报、调度、演进、淹没、工程基础、遥感、视频等各类防汛相关基础、空间、监测及业务信息，为黄委防汛会商工作提供了可靠的信息化支撑工具。系统数据内容丰富，对比原有防汛会商相关应用，具有较强的数据资料查询能力。系统中流域数据底板汇聚了各类预报、预警、预演、预案相关数据资源。系统应用场景明确，功能实用，聚焦黄河中下游流域，达到了“四预”工作目标，贴合当前黄委防汛会商工作实际需求。

系统已于2022年4月上线试运行，6月底正式上线运行，目前是汛期黄委防汛会商工作的核心应用。系统试运行以来，运行稳定，实现了水雨情监视、水库调度方案、水雨情预报分析、数学模型计算、洪水演进情况等的在线查看，支撑了调度方案研判、工作安排部署、调度指令签发等各项会商调度工作全流程数字化办公，解决了以往会商中不同信息在不同业务系统间反复切换、数据资料不全、调度预案无法动态调算对比、洪水演进过程无法形象化展现等问题。系统投入使用后，有力支撑了2022年黄河防御大洪水调度演练和汛期黄委防汛会商工作，黄委防汛会商工作效率显著提升。

6 总结与展望

习近平主席在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上指出“黄河流域生态保护和高质量发展是重大国家战略”[7]。“黄河平，天下宁”，黄河水旱灾害安全防御工作是黄河高质量发展的基础。当前，中国经济社会发展已迈入新时代，对做好水旱灾害防御工作、保障防洪和供水安全提出了新的更高要求。随着时代发展、科技进步，水旱灾害防御离不开现代化和信息化的支撑[8]。对于水旱灾害防御工作，“智慧黄河规划”中明确要求整合已有资源，提升数字化、网络化水平，着力提升“四预”能力。黄河防汛会商预演系统作为2022年黄委重点督查督办建设任务，是水利部信息化“四预”总体工作要求在黄委的典型应用。系统服务于黄河汛期防汛会商工作，针对黄河防汛会商工作重点环节，可提供具备“预警、预报、预演、预案”功能的综合性会商决策支撑，进一步提升黄委水旱灾害防御现代化会商和管理工作能力。

本文探讨了水利信息化“四预”工作目标，提出了黄河防汛会商预演系统的建设任务。设计了系统总体框架，重点分析了黄河中下游河道来水预报、工程调度与洪水演进过程进行预演工作的逻辑和业务流程，详细讨论了系统在构建过程中存在的业务难点和技术解决方案，对相关数字孪生流域及“四预”信息化应用开发建设具有一定参考意义。

数字孪生流域及具备“四预”功能的信息化系统建设是庞大的水利行业性工程，涉及人工智能、大数据分析、5G、三维、BIM等多类高新尖信息化技术，对比传统水利信息化工程，具有建设及推广应用周期相对较长的特点。黄河防汛会商预演系统作为黄委“智慧水利”和“数字孪生流域”建设的先试先行任务，建设周期短、开发任务量大，配套管理机制后续需要不断完善。按照水利部“需求牵引，应用至上”的信息化系统建设要求，系统的实用性至关重要。为此，后续工作将紧密围绕水利部智慧水利和数字孪生流域建设总体要求，根据当前黄委防汛会商工作实际需要，在实用性上多加研究。根据系统应用情况进一步完善系统数据和功能短板，补充完善下游重点防洪工程偎水情况等成果，完善工情险情、淤地坝、水库基础信息等数据，优化水工程调度模型算法计算效率，不断优化系统“四预”功能，真正让系统做到实用、好用。