江西省小流域智慧防汛体系建设思路探讨

王小笑，李亚琳

（江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

通过近些年的河道整治，大江大河防洪工程的标准得到逐步提高，防御洪水的能力得到进一步增强，虽然当前国家正在开展中小河流、重点山洪沟治理等一系列防护工程项目建设，但总体来说，小流域防洪工程标准还普遍偏低。小流域洪水灾害在全流域洪涝灾害损失中所占比例日益增大，且诱发的滑坡、泥石流等山洪灾害造成的危害愈来愈重，损失愈来愈大[1]。如何解决小流域的防洪问题，已成为当前防汛工作关注的重点之一。

江西省位于长江中下游南岸，境内水系发达，河流众多，流域面积 10 km2以上河流有 3 771 条。由于地形地质条件相对复杂，气候条件特殊，降水时空分布不均等因素，江西省境内极易形成局部强降雨，导致山丘区中小河流山洪灾害爆发，降雨后几小时即成灾受损，经常给山丘区群众造成很大的损失。

江西省从 2007 年起启动山洪灾害防御工作，陆续开展了包括监测预警平台、自动监测系统、无线预警系统、群测群防体系、山洪灾害调查评价及重点山洪沟防洪治理等在内的山洪灾害防治项目建设，在近年全省山洪灾害防御工作中，发挥了重大作用，使江西省山洪灾害防治能力有了显著提升。然而小流域山洪灾害防治任务依然艰巨，绝大多数的人员伤亡多出现在小流域山洪灾害，而从总体上看，小流域洪水还缺乏一个完整、系统、科学的防治体系，小流域的洪水预报精度不高，防护对象预警指标宽泛，应急体系建立不够完善，没有从“监测—传输—数据处理—预报—预警—响应”全过程的处理手段支撑现代小流域防洪工作的精细化和细致化，满足从传统方式转变为现代化防汛工作的新要求。

“智慧”一词最早来源于 2009 年 IBM 首席执行官提出的智慧地球，提出把传感器装备到人们生活中的各种物体中，并且连起来，形成物联网，并通过云计算将物联网整合起来，实现网上数字地球与人类社会和物理系统的整合[2]。在物联网、云计算、移动互联网等发展的推动下，水利行业数字化水平和程度得以不断提高[3]。按照信息化发展进程，防汛信息化的发展也将沿着数字、“互联网 +”和智慧防汛的进程不断推进，而小流域智慧防汛建设以防洪减灾过程中较为关注的流域作为单元，利用新一代的智能传感、传输等技术，集合流域模型，通过云计算、大数据分析等，实现雨情、水情信息的快速收集和传递，将小流域洪水监测预报预警和应急体系关联起来，形成小流域智慧防汛体系，以实现小流域山洪灾害防治的智慧化管理。

1 小流域智慧防汛体系建设总体框架

江西省小流域智慧防汛围绕“会下多少雨，会涨多少水，影响哪些人，实现有效应对”的总体思路，通过开展小流域基础数据获取、水雨情信息采集传输、小流域洪水预报、洪水风险分析、预警信息及应急响应等主要工作，构建小流域洪水监测预报预警和应急体系，实现监测技术现代化、数据采集自动化、信息资源共享化、管理决策智能化，初步建立“实时汛情监视—防洪形势分析—洪水预报—防洪调度—预警信息及应急响应”的防汛业务一体化智能决策体系。小流域“智慧防汛”体系建设总体框架图如图1 所示。

图1 小流域智慧防汛体系建设总体框架图

2 小流域智慧防汛体系建设内容

2.1 基础数据收集获取

基础数据是小流域智慧防汛体系建设的数据支撑，通过收集小流域的基础地理信息、水文和社会经济数据、历史洪水灾害资料、构筑物及工程调度资料，开展小流域山洪灾害调查工作，以全面、准确地查清流域内山洪灾害的区域和防治区内的人口等分布情况。并运用无人机遥感技术，开展流域内主要危险区、水库坝址、重点城镇核心区的航测任务，获取 0.2 m 分辨率遥感影像数据，提取小流域DEM 数据，生成正射影像图，制作小流域三维模型，为小流域洪水动态模拟提供辅助。

2.2 水雨情信息采集

在流域范围内增设适当的雨量站，可以反映降水量的空间变化，也可与流量测站配套，提供降水径流分析所需的降水量资料；增设适当的水位站，可研究暴雨洪水、产流、汇流及其他规律，控制断面水文情势变化。此外，为提高洪水预报精度，延长预见期，可引入更多的降雨信息，有效途径是在洪水预报模型中耦合气象数值预报结果，提早获取即将发生的降雨信息。气象信息监视主要包括云图、雷达图、气象数值预报等。

此外，可在重点防治区受山洪灾害影响较大的集镇、村落、重点河段、中小型水库等重要部位，或转移避险的关键场所和道路节点，布设视频智能监控系统，自动获取实时水位信息，直观掌握实时水情信息及周边群众转移情况。

2.3 洪水预报

通过划分水文响应单元，对计算流域进行产汇流分析，以实时监测、历史、工程、气象预报等数据信息资源为基础，建立预报模型库与方案库。采用分布式预报模型，对预报断面的洪峰水位、峰现时间、洪水过程线、洪量等洪水要素进行实时预报，必要时还应考虑水库的联合调度。小流域洪水预报框架如图2 所示。

图2 小流域洪水预报框架图

2.4 洪水风险分析

通过对小流域水文、地质、工程、经济社会及调查评价成果等数据的调查统计，分析小流域暴雨洪水特征，给出小流域防治区内沿河村落、集镇、城镇等防灾对象的现状防洪能力，危险区等级划分及预警指标等成果。结合分析成果，建立暴雨洪水与防护对象关联，形成小流域断面水位与防护对象人口分布、高程对应关系，获得灾害防御应急预案成果数据，建立小流域暴雨洪水防护体系。

此外，如要进行洪水淹没分析及损失评估，可结合水文学法、一维和二维水力学模型等方法编制洪水风险图，包含洪水的到达时间、最大的流速、水深分布和洪水的淹没时间等要素[4]。获取某一时刻洪水淹没范围和水深分布，通过受淹耕地、居民地面积，以及受淹交通干线（省级以上公路、铁路）里程、受影响重点单位数量及 GDP 等统计值，结合当地社会经济、交通设施等数据，综合评估洪水淹没损失。洪水风险分析框架如图3 所示。

2.5 预警及应急响应

根据降雨及预报调度情况，确定当前雨量和水位预警级别，对可能产生洪灾影响的防护对象进行预警，雨量预警通过分析不同预警时段的临界雨量得出，水位预警通过分析临界水位得出。预警发布可通过短信平台、预警广播、手机 App、微信公众号、LED 电子屏等多种渠道进行，依据预警级别确定对应的响应级别，预警发布后，应急响应自动启动，确定人员及物资调配情况，通过迅速、高效地组织实施进行人员避险，保障人身安全。

图3 洪水风险分析框架图

2.6 防汛云服务平台搭建

随着物联网、云技术的逐步成熟，物联网设备接入也由以往的初步实现设备和系统对接阶段，逐步转向设备统一接入云端并在云端做应用管理的阶段[5]。在前期的基础工作上，利用云计算和云存储技术，以 GIS 服务、水文学模型与算法、数据库服务等为支撑，搭建小流域防汛云服务平台，实现数据的汇聚处理，并在此基础上结合 GIS 服务，预报和调度的模型算法，开展小流域洪水预警预报与应急响应、动态模拟三维展示及洪水预警响应手机 App 三部分系统建设，将小流域暴雨洪水预报、洪水淹没过程及转移安置路线通过可视化手段展现在小流域三维虚拟场景中，将这些信息以文字、图片、视频图像、语音等多种方式实时推送到流域内沿河居民的移动终端设备中，实现小流域防汛云服务、智慧化管理。

3 结语

小流域山洪灾害属于危机管理的范畴，一般具有毁灭性、突发性、伴生性、因果性、循环性等特点[6]。当前，大江大河防汛工作往往能做到有的放矢，心中有数；但面对小流域防汛，由于其具有洪峰高、历时短、难预报、难预防等特点，往往束手无策。小流域突发性洪水预报及响应是目前防洪减灾工作中突出的难点。本研究提出的小流域智慧防汛体系作为重要的非工程措施，充分利用先进的水利信息科学技术，实现雨情、水情信息的快速收集和传递，将小流域洪水监测预报预警和应急体系关联起来，提升小流域洪水预报预警信息化水平和精度，实现监测技术现代化，数据采集自动化，信息资源共享化，管理决策智能化，做到“如有降雨，准确预报，发出预警，做好应对，转移安置”的科学预报预警流程，切实保障山丘区人民群众的生命和财产安全。小流域智慧防汛体系作为“山洪灾害防御体系”的升级版，可以有效解决以往小流域防汛上的诸多难题，将对小流域洪水灾害管理水平及应对突发洪水灾害事件的能力得到有效提升。