防洪“四预”基本技术要求解读

胡健伟，孔祥意，赵兰兰，朱 冰

（水利部信息中心，北京 100053）

0 引言

国家“十四五”规划纲要明确提出“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”[1]。水利部高度重视智慧水利建设，将推进智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的最显著标志和六条实施路径之一，提出“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”[2]。水利业务“四预”是智慧水利建设的重要组成部分，是数字孪生流域建设的出发点和落脚点，也是检验数字孪生流域建设成果的主要标准[3]。《水利业务“四预”基本技术要求（试行）》重点针对是什么、建什么、怎么建等问题，提出了水利业务“四预”功能的主要内容、技术要求等。流域防洪是水利“2 +N”业务中最为关键的业务，防洪“四预”功能也相对成熟，本文以防洪业务为例进行“四预”功能解读。

1 “四预”关系

防洪业务中预报、预警、预演、预案四者环环相扣，层层递进。其中，预报是基础，对水位、流量、水量、地下水位、墒情、泥沙、冰情、水质、台风暴潮、淹没影响、位移形变等水安全要素进行预测预报，提高预报精度，延长预见期，为预警工作赢得先机；预警是前哨，及时把预警信息直达水利工作一线和受影响区域的社会公众，安排部署工程巡查、工程调度、人员转移等工作，提高预警时效性、精准度，为启动预演工作提供指引；预演是关键，合理确定水利业务应用的调度目标、预演节点、边界条件等，在数字孪生流域中对典型历史事件场景下的水利工程调度进行精准复演，确保所构建的模型系统准确，对设计、规划或未来预报场景下的水利工程运用进行模拟仿真，具备“正向”“逆向”功能，及时发现问题，科学制定和优化调度方案；预案是目的，依据预演确定的方案，考虑水利工程最新工况、经济社会情况，确定工程调度运用、非工程措施和组织实施方式，确保预案的可操作性[4-6]。“四预”关系图如图1 所示。

2 预报

根据业务需求，遵循客观规律，在总结分析典型历史事件和及时掌握现状的基础上，采用基于机理揭示和规律把握、数理统计和数据挖掘技术等数学模型方法，对水安全要素发展趋势做出不同预见期（短期、中期、长期等）的定量或定性分析，提高预报精度、延长预见期。

防洪预报主要分以下 3 个环节：

1）明确预报任务。明确预报任务指明确预报对象及预报要素的精度和预见期，不同预报对象对预报要素精度和预见期的要求不一，必须在开展预报工作之前进行分析确定，如堤防的水位、水库的入流和库水位等，短期洪水预报需要精准，中长期要能把握趋势。

2）编制预报方案。编制预报方案是防洪预报的关键基础环节，包括了收集资料、构建预报拓扑、选择模型、率定参数和评定方案等内容[7]。收集资料是指基于数据底板，获取能反映历史演变客观规律的系列和重要特征资料，充分考虑监测站网密度和信息报送情况，对所收集的资料要进行质量控制，一般要求不少于 10 a，满足可靠性、一致性、代表性的要求；构建预报拓扑是指以流域或区域为单元，以水文测站、水利工程、影响区域等为节点构建的河系预报结构，预报拓扑要具有上下游、左右岸的水力联系；选择模型是指针对不同的预报拓扑关系，从水利专业模型平台中选择基于机理揭示和规律把握、数理统计和数据挖掘技术等数学模型方法，应充分考虑模型的适应性，发挥多种模型嵌套融合作用，进行多模型方法参证分析；率定参数是指根据历史资料率定模型参数，也可以直接通过物理特性确定，参数率定应采用智能优选和人工优选相结合的方式，参数应进行敏感性、合理性、可靠性分析，并将最新资料实时滚动纳入模型参数确定；评定方案是指选择合适的指标进行方案精度评定，要选用未参与参数率定的洪水资料进行评定，洪峰水位（流量）、峰现时间、洪量等要素应使用合格率指标评定，等级分为甲、乙、丙三级，乙级以上的方案可进行作业预报。

3）洪水作业预报。洪水作业预报要依托洪水预报系统，提高作业预报效率，预报结果要依据《全国洪水作业预报工作管理办法》（办水文〔2018〕152 号）进行会商，集思广益，最后按相关规定正式发布预报结果。预报系统应具备自动预报、人机交互、多模型选择、多方案参证等功能，应具有界面友好、响应速度快、运行稳定可靠等特点。预报会商要充分吸纳各方意见，减少预报不确定性。成果发布依据相关规定，及时将预报成果报送有关部门，并按照职责权限向社会统一发布。

防洪预报紧扣“降雨—产流—汇流—演进”预报环节，要点在延长预见期、提高预报精度、提升作业预报效率等方面。通过加强气象水文、预报调度耦合，建立以流域为单元的短中长期预报体系，延长洪水预见期；建立洪水预报模型参数在线率定机制，实时滚动分析已发生洪水的预报规律，提高洪水预报精度；洪水预报系统的河系预报模式是提升作业预报效率的关键。

3 预警

根据水利工作和社会公众的需求，制定水灾害风险指标和阈值，拓宽预警信息发布渠道，使预警信息及时直达水利工作一线，为采取工程巡查、工程调度、人员转移等响应措施提供指引；使预警信息及时直达受影响区域的社会公众，为提前采取防灾避险措施提供信息服务。

防洪预警主要分为以下 3 个环节：

1）明确预警任务。明确预警任务主要指针对行业和社会预警，分清预警对象，确定不同预警渠道和指南，面向行业的预警要预在前，为行业的处置赢得时间；面向社会的预警要预在准，为社会公众做好应对指导。

2）制定预警指标。制定预警指标指针对不同的水文要素制定不同等级的阈值，如有堤防的预警区域一般采用水位，北方河流一般采用流量，山洪可采用时段降雨量指标，水库可采用入库流量或洪量指标等；预警由低至高依次为蓝色、黄色、橙色、红色 4 个等级[8]；阈值指标可以采用单站或多站组合进行制定。

3）规范预警发布。预警发布要有规范的流程，特别是要制定预警发布管理办法，对发布的单位、时间、流程，以及预警指标、内容等进行规范；预警内容一般包括实况和预报的雨水情信息，应明确简洁、通俗易懂，特别是社会预警要让社会公众不仅了解洪水情况，而且明白如何应对；预警要按照制定的流程和管理办法进行发布，特别是要线上线下结合、传统与信息化结合，确保预警信息送达需要预警的每一个人。

防洪预警的要点是及时将预警信息直达水旱灾害防御工作一线、直达受影响区域社会公众。预警信息直达防御工作一线后，要及时采取工程巡查、工程调度、人员转移等响应措施；直达受影响区域社会公众的预警信息要有预警指南，指导社会公众做好应对工作。

4 预演

在数字孪生流域中对典型历史事件、设计、规划或未来预报场景下的水利工程调度进行模拟仿真，正向预演出风险形势和影响，逆向推演出水利工程安全运行限制条件，及时发现问题，迭代优化方案，制定防风险措施。

防洪预演主要包括以下 3 个环节：

1）构建预演场景。构建预演场景首先根据确定保护对象及防护标准，确定要纳入调度场景的水文测站，以及水库、堤防、闸坝、蓄滞洪区等防洪工程作为预演节点，每个预演节点都具有边界条件，包括洪水预报的边界条件，以及河道、堤防、水库、蓄滞洪区等防洪控制节点的控制运用指标。

2）模拟仿真。模拟仿真指基于数据底板的信息进行模拟计算和仿真可视化，数据底板不仅包括基础和地理空间信息，还包括调度目标和节点相关的气象水文、经济社会、堤防水库蓄滞洪区等工程资料[9]；模拟计算主要是基于数据底板和预演场景的调度目标、节点、边界条件等，对洪水过程进行模拟计算，正向前瞻性预演出工情险情灾情，逆向可推演水利工程运用的安全水位、调度过程等，通过预演发现问题、评估风险，实现工程调度的迭代优化；仿真可视化是利用模拟仿真引擎和可视化模型，对预报预演的洪水发展变化和水利工程调度运用过程进行可视化、动态展示，通过全时空、轻量化的方式实现数字孪生流域模拟过程和流域物理过程高保真。

3）制定和优化调度方案。这是预演的目的，即在问题发现、风险评估、迭代优化的基础上，考虑防洪工程最新的运行工况、经济社会情况等，确定最佳方案，及时采取防风险措施，确定调度方案要借鉴历史调度案例，充分考虑专家经验，统筹协调上下游、左右岸、干支流的关系，发挥防洪体系整体效益。

防洪预演要点在于正向、逆向预演和轻量化展示。基于数字孪生流域，正向预演是通过输入条件的变化，预演出不同的结果，提前发现风险或问题；逆向预演是指在给定安全边界的条件下，推演出可以进行工程调度的边界条件；轻量化展示是数字孪生流域三维展示和分析的关键，可以为会商决策提供直观的比选依据，确保调度方案安全、合理、可行。

5 预案

依据预演确定的方案，考虑水利工程最新工况、经济社会情况，确定水利工程运用次序、时机、规则，制定非工程措施，落实调度机构、权限及责任，明确信息报送流程及方式等，确保预案的可操作性。

预案主要包括以下 3 个部分[9]：

1）工程调度运用。工程调度运用主要是明确河道堤防、水库及蓄滞洪区等水利工程的运用次序，时机，规则等，合理利用堤防、分洪道、水闸、泵站、水库、蓄滞洪区等工程措施，充分发挥河道的水库蓄滞洪区的行洪与调蓄作用。

2）非工程措施制定。非工程措施制定包括值班值守、防汛物料设备配置、查险抢险人员配备、技术专家队伍组建、受影响人员转移等措施，应提前预置储备防洪物料及设备，确保运输、调用及供应过程应及时和通畅；人员转移避险措施应实行就近就便原则，确保人员安全；水利工程巡查防守措施应到位，确保及时发现和处理险情。

3）组织实施。包括落实责任和信息报送等，防洪工程调度方案提出、审批、报备、实施，以及工程巡查、调度、人员转移等各环节应明确责任主体和组织实施单位，并将各环节的信息分类表述、分级报送，确保执行有序、信息畅通。

预案的要点在执行，通过有序的组织实施将防洪工程运用和非工程措施进行有机组合，确保预案的可操作性。

6 结语

凡事预则立不预则废。防洪“四预”的重心是预，目的是提前做好准备，打有准备的防洪之仗。即通过预报，提前发现洪水风险；通过预警，提前感知洪水风险；通过预演，提前深入分析洪水及其带来的风险；通过预案，提前做好应对洪水和风险的准备。防洪“四预”的建设需要体现“预”字当先，各项功能围绕“预”进行建设，本文件的解读为防洪“四预”的建设提供借鉴参考，各地及各类防洪工作各有特点，应依据自身要求做好“四预”建设。