珠江防汛“四预”平台建设及应用

王井腾，孙祥鹏，张文明，薛娇，田茂春

（1.水利部珠江水利委员会珠江水利科学研究院，510611，广州；2.水利部珠江水利委员会，510611，广州；3.水利部珠江水利委员会水文局，510611，广州；4.中水珠江规划勘测设计有限公司，510611，广州）

水利部珠江水利委员会大力推进数字孪生流域建设，把珠江防汛“四预”平台（以下简称“四预”平台）作为先行先试工作中防灾业务应用的首个建设内容，在珠江流域防汛工作中发挥了重要作用。

一、“四预”平台简介

“四预”平台汇集流域“雨情、水情、工情、险情、灾情”等信息和流域预报模型、水库群调度模型以及重点河段淹没模型等，实现流域雨水汛情动态监控和专业水利模型统一管理，并按照“降雨—产流—汇流—演进”“流域—干流—支流—断面”“总量—洪峰—过程—调度”“技术—料物—队伍—组织”四个链条，结合“预报、预警、预演、预案”四个环节，运用大数据、人工智能、倾斜摄影建模等技术模拟分析重要河段大、中、微不同尺度洪水演进与淹没实景，实现调度方案自动生成、人工调优与联动预演，优选提出最佳调度方案，生成洪水防御预案。平台技术路线见图1。

图1 珠江防汛“四预”平台技术路线图

二、主要功能及关键技术

1.“四情”智能监控

（1）系统功能

“四预”平台汇集流域“雨情、水情、险情、灾情”四情信息，多维度多时空展示流域“四情”动态，明晰流域雨水汛情。雨情方面，汇集过去—现在—未来流域降雨信息，动态显示雨情变化趋势，并叠加流域内各降雨分区，自动推荐并高亮显示暴雨中心区域，实时分析暴雨中心量级、位置变化，同时考虑降雨预报的不确定性，人工修正暴雨中心位置和暴雨量级，模拟预演极端降雨条件下防洪形势。水情方面，实时监控河道站、水库站、闸坝等水工程监测信息，结合警戒水位（流量）、汛限水位等特征指标，实现对流域—干流—支流—断面多层次风险管控和监管清单内大中型水库调度运用监管。险情、灾情方面，动态建立流域险情、灾情管理台账，及时掌握流域内险情、灾情信息，畅通一线信息直达决策中心通道。同时运用智能框选分析功能，实现对流域、行政区、自定义区域等类型的重点地区智能统计分析，基于水库、堤防等水利工程现状，突出分析重点区域和重点工程洪水风险，明晰关注区域洪水风险承载能力和洪水风险。

（2）关键技术1：“四情”信息智能查询

基于水利知识图谱技术，建立与业务职能、工作任务、主题场景强关联的知识库，为实现防洪领域知识的快速检索、定位和可视化提供数据支撑。同时基于国产化地图服务空间查询、智能算法分析等技术，通过行政区划、流域选择，或自定义框选区域，结合数据底板中各类数据和暴雨中心风险区，自动识别最大风险区域并统计分析该范围内各类水利对象的预警信息、实时监测信息，动态监控流域“四情”。

（3）关键技术2：暴雨中心落区自定义修正

基于空间大数据并行计算方法对流域实测和多源预报降雨数据融合，结合专家经验和预报需求对暴雨中心落区和量级进行时空上的人为干预和修正，减少降雨不确定性影响，提高洪水预报精度；利用空间转置、平移、叠加等技术实现降雨过程空间平移分析，重新进行洪水预报、调度作业，为提早防范极端降雨事件和构建超标洪水预演场景提供快速、灵活、精准的降雨修正方法。技术路线见图2。

图2 暴雨中心落区自定义修正技术路线图

2.多源多模型交互预报

（1）系统功能

“四预”平台在汇集欧洲中心、中央气象台等多模式降雨预报源基础上结合专家经验优选预报源，确保降雨预报精度；采用模型平台和并行计算技术集成新安江模型、TOPMODEL模型、经验模型等多种预报模型，结合洪水预报方案多模型滚动计算流域产流、汇流过程，实时演进计算流域干支流、上下游重要断面多套洪水预报结果，精准监测预报“降雨—产流—汇流—演进”各环节，明晰流域降雨产流来源、洪水生成、演进各环节发展态势，精细把握洪水发生、发展全过程。同时基于前期场次洪水中模型参数和暴雨中心、量级等边界条件变化情况，人工修正预报模型参数和输入边界，结合专家经验人工交互滚动预报，优选推荐预报结果，提高洪水预报精度和延长预见期，实现实时洪水滚动预报、交互式精细化预报和洪水预报结果优选，为科学制定防御方案、超前做好应对准备提供有力支撑。

（2）关键技术1：水利模型管理服务平台

针对当前水利模型难以统一接入使用、与系统深度绑定共享应用能力不足等问题，通过微服务技术开发、封装模型，并采用标准化规范统一模型接口，研发水利模型管理服务平台，实现对模型的集中统一管理、调用及提供相应接口支撑服务，同时提供模型调用业务支撑，为多模型交互计算提供保障。

（3）关键技术2：多用户多模型多方案并行优化计算技术

多用户多模型多方案并行计算基于多级分布式部署，采用中心节点组、模型计算节点组两级部署，采用任务调度算法监控各模型计算节点负载情况动态拓展计算资源，实现计算资源统一调配，提高模型效率。同时模型数据存取采用混合方案：结构化数据采用关系型数据库进行存储，并基于分布式集群部署以实现自动故障切换；非结构化数据采用分布式文件数据库进行存储，保证模型计算的高并发、高可靠、高吞吐率运行。模型调用效率计算对比效果见表1。

表1 模型调用效率对比

3.分级分类预警

“四预”平台整合水库、河道、堤防及山洪灾害风险区等对象预警指标体系，结合雨水情监测和预报结果，按照“流域—干流—支流—断面”各环节和“面—线—点”各层级，提前进行分级分类预警。在流域层面自动统计河道站超警、水库站超汛限、山洪灾害风险区域等情况，明晰流域“面”风险；结合洪水发展规律，实时监视干流、支流洪水变化和堤防安全，及时预警“线”风险；针对干支流关键控制性断面，统筹考虑流量、水位等特征值阈值，提早预警“点”风险；基于GIS地图、智能分析等技术，在一张图上分级分类展示预警信息，并通过空间围栏技术实现防洪对象的靶向精准预警，及时将预警信息定点、定位通知到预警对象，实现预警信息的精准覆盖，为提早应对风险隐患、及时采取有针对性的防御措施提供支撑。

4.多尺度多要素预演

（1）系统功能

“四预”平台整合流域高精度影像、三维倾斜摄影、BIM模型等数据，基于洪水预报调度成果，集成防洪调度模型、淹没模型及三维可视化等技术，构建浔江河段二三维可视化场景，分别从流域宏观尺度、区域中观尺度、城镇/工程微观尺度等不同空间尺度高保真预演展示。宏观尺度方面，根据洪水来源、洪水组成、洪峰传播及水库拦洪错峰等过程，研判分析可能出现超警的风险点、风险段和风险区；中观尺度方面，结合水库、堤防、闸门、泵站等工程运行状况，动态提取分析超警河段、漫堤溃堤洪水淹没范围、淹没历时、淹没影响、社会经济损失等要素指标；微尺度方面，结合高精度三维倾斜摄影模型，模拟城镇在洪水淹没过程中重点场所、重要设施、重要区域等淹没风险。通过洪水全过程多尺度多要素动态预演，模拟“洪量—洪峰—过程—调度”全过程，直观、动态地分层次展示流域内洪水超警超汛、漫溃堤淹没等过程。

（2）关键技术：流域仿真预演技术

随着三维仿真可视化技术的快速发展，三维技术在水利业务上的应用越来越广泛。“四预”平台运用三维模型分级建模及缓存自适应加载技术，建立二级缓存自适应加载机制，实现不同需求下精细化、轻量化数据的自适应快速加载，有效解决网络不稳定、三维场景数据量大、加载时间长等问题，提升仿真场景展示效果；采用洪水模拟逼真渲染技术，以流域一张图为数据支撑，建立珠江全流域数字化场景，对倾斜摄影模型、BIM、CIM、三维点云等数据进行集成与可视化，通过引擎驱动，以GPU Shader技术作为三维特效渲染手段，实现对洪水演进、淹没场景等的直观逼真表达。

5.优化推荐调度预案

（1）系统功能

“四预”平台运用模型管理服务平台，集成防洪调度模型、淹没模型等专业水利模型，根据下游控制断面洪水量级削减目标，结合上游水工程调蓄能力，实时计算不同调度方案下干支流重要控制断面洪水总量和洪峰量级变化，逐时段、逐河段正向动态演进各断面洪水过程和重点区域淹没情况，对比不同调度方案下防洪目标的洪峰削减程度、淹没影响、社会经济损失等情况，分析超警超汛、漫堤、淹没等洪水风险隐患，滚动优化调度方案，进行方案比选并推荐最优调度方案。

同时基于推荐调度方案，运用知识平台、大数据、人工智能算法等技术，结合防汛业务规则、调度方案、历史情景、专家经验等，构建洪水防御知识库，自动推荐堤防、水库等水工程巡查防守责任和物资、队伍、组织动员等抢险措施，明确风险隐患，落实落细洪水防御对策，从技术、料物、队伍、组织方面给予地方科学精准指导，有针对性地做好洪水防御支撑。

（2）关键技术1：复杂水情与工情下的多模型时空耦合计算技术

珠江流域水系复杂，水利工程众多，且不同水利工程对洪水调蓄能力与响应存在较大差别。因此，珠江流域洪水调度模型集成了满足不同水利工程计算需要的数理统计分析数学模型与机理模型。由于不同计算方法对时空尺度要求不同，这些方法在时间与空间上耦合是决定模型计算精度的关键因素。为此，采用了控制体积法和拓扑学两种技术手段，将不同方法物理方程在时间和空间进行离散，建立实体的空间联系与物理流网络图，研发了复杂水情与工情下的多模型时空耦合计算技术，解决了不同计算方法对时空尺度要求差异的问题，提高了防洪调度模型的计算精度。多模型时空耦合计算技术流程见图3。

图3 多模型时空耦合计算技术流程图

（3）关键技术2：水利知识图谱技术

结合超标准洪水防御预案、水工程运用方案、调度业务规则、历史情景等相关预案数据资料，针对结构化、半结构化和非结构化等类型数据，分别采用D2R技术和文本主谓宾三元组方法进行知识抽取。同时基于多特征的实体消歧、词典的属性对齐和贝叶斯分析的属性真值发现等技术，消除预案中各实体、关系、属性及其对象之间的歧义，并采用图数据库对预案知识进行存储，构建预案基础知识库。在预案基础知识库的基础上，结合预案知识库中各水利要素间的知识关系，采用知识关联深度检索及推理技术，明晰调度预演环节下对应工程调度方案以及不同河段、不同节点的洪水量级和风险隐患，对洪水防御预案中的对策措施、工程调度、堤防加固或弃守、人员转移等方案进行优化推荐。

图4 知识图谱构建技术流程

三、应用成效

2022年5月下 旬 至7月上 旬，珠江流域西江、北江接连发生7次编号洪水，北江第2号洪水发展成超100年一遇特大洪水。珠江委运用“四预”平台，实时监控流域雨水汛情，滚动开展洪水作业预报1.1万条，发布预警信息10.7万余条，通过精细调度流域干支流40余座水工程，科学拦洪、分洪、滞洪，有效减轻了西江、北江下游防洪压力，将西江、北江洪水量级均控制在西江、北江及珠江三角洲的主要堤防防洪标准以内，确保了广州、佛山、肇庆、江门、中山、珠海等粤港澳大湾区城市群防洪安全。

2022年入汛以来，珠江委提早部署“四预”平台24小时在线运行，共发布洪水作业预报1 322站次、洪水预警63次，发送预警信息25万余条，统筹上下游、左右岸、干支流调度大中型水库1 838座次，拦蓄洪量333.91亿m3，减淹城镇589座次、耕地604.13万亩（1亩=1/15 hm2），避免人员转移352万人次。通过“四预”平台实时监控、滚动预测预报、精细模拟预演和优化调度预案，进一步提升防汛会商决策能力，提升流域防洪统一调度、统一管理能力和水平，有效保障珠江流域防洪安全，为新阶段珠江水利高质量发展提供了可靠技术保障。