陰 悅 霍風(fēng)霖 潘興瑤 陸 璐 陳 超 馬占川 郝 皓 季明鋒 高 強(qiáng) 李永坤

（1.北京市水務(wù)應(yīng)急中心；2.北京市涼水河管理處；3.北京市密云水庫管理處；4.北京市水文總站；5.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院）

國家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出“構(gòu)建智慧水利體系，以流域?yàn)閱卧嵘闇y報(bào)和智能調(diào)度能力”，水利部提出要加快構(gòu)建具有“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）功能的智慧水利體系。北京市水務(wù)局落實(shí)水利部、市委、市政府相關(guān)工作要求，按照北京市“十四五”時(shí)期智慧城市發(fā)展行動(dòng)綱要，強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，重視措施落地，于2021年組織編制完成《北京市智慧水務(wù)1.0總體設(shè)計(jì)方案（2021—2023年）》，重構(gòu)水旱災(zāi)害防御、“取供用排”協(xié)同監(jiān)管、水務(wù)綜合服務(wù)三大核心應(yīng)用，先行開展水旱災(zāi)害防御應(yīng)用場景建設(shè)，并納入2021 年汛后水務(wù)設(shè)施水毀修復(fù)及能力提升實(shí)施方案，重點(diǎn)任務(wù)包括水文監(jiān)測感知補(bǔ)短板、內(nèi)澇防治物聯(lián)感知、五大流域水文預(yù)報(bào)模型升級(jí)、北京城市洪澇模擬模型建完善、水旱災(zāi)害防御平臺(tái)升級(jí)改造等。

北京“四預(yù)”體系基本情況

（1）雨水情監(jiān)測預(yù)報(bào)“三道防線”。北京市目前通過與氣象資源共享，形成由氣象衛(wèi)星和測雨雷達(dá)、雨量站、水文站組成的雨水情監(jiān)測預(yù)報(bào)“三道防線”體系。①采用風(fēng)云和葵花系列氣象衛(wèi)星提供的大范圍云圖及水汽圖成果，提前研判降水趨勢；借助氣象部門X 波和S 波段雷達(dá)共同組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)短臨降水云團(tuán)追蹤預(yù)報(bào)范圍擴(kuò)大覆蓋至北京市及外圍區(qū)域，提升了日常值守監(jiān)視和重大天氣過程降雨態(tài)勢研判能力。②共享整合全市和關(guān)聯(lián)區(qū)域雨量站實(shí)現(xiàn)降水信息高效共享。③建成水文站120 個(gè)、監(jiān)測設(shè)施184 套，覆蓋流域面積50 km2以上全部108條河流的水文監(jiān)測體系。

（2）洪水預(yù)報(bào)預(yù)警。為提升流域洪水、城市內(nèi)澇、山洪預(yù)警預(yù)報(bào)能力和防洪排澇調(diào)度預(yù)演智能化水平，北京市歷經(jīng)十余年研發(fā)積累，構(gòu)建完成以水文水動(dòng)力學(xué)模型為核心引擎，系統(tǒng)支撐流域洪水、山洪、城市積水內(nèi)澇預(yù)報(bào)預(yù)警工作的“北京模型”體系。其中洪水預(yù)報(bào)主要采用集總+分布式的洪水預(yù)報(bào)模型，是在北京歷史洪水預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突A(chǔ)上，逐步增加改進(jìn)新安江模型、陜北模型等集總式水文模型和柵格新安江、基于物理下墊面特征的分布式水文模型，并不斷優(yōu)化，形成了符合北京下墊面條件的洪水預(yù)報(bào)模型。構(gòu)建了以地理網(wǎng)格空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以五大水系流域劃分為單元，基于水文機(jī)理精細(xì)模擬全流域產(chǎn)匯流、演進(jìn)過程，實(shí)現(xiàn)了預(yù)報(bào)模型與氣象數(shù)據(jù)深度耦合。洪水預(yù)報(bào)覆蓋全市80 個(gè)水庫和164 條河流，流域面積50 km2以上的108 條河流洪水預(yù)報(bào)全覆蓋，流域面積20 km2以上河流覆蓋率達(dá)69%。預(yù)見期延長至12 h 以上，并支持滾動(dòng)預(yù)報(bào)。洪水預(yù)警按照洪水嚴(yán)重級(jí)別劃分為藍(lán)、黃、橙、紅4 級(jí)，采用“監(jiān)測預(yù)警+預(yù)報(bào)預(yù)警”模式，預(yù)警發(fā)布分為社會(huì)公眾和行業(yè)內(nèi)部兩種形式。近年北京市依托“三大運(yùn)營商”、電臺(tái)電視臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，不斷擴(kuò)大預(yù)警覆蓋范圍，提高預(yù)警信息發(fā)布的靶向性和時(shí)效性，確保預(yù)警信息直達(dá)一線、直達(dá)相關(guān)責(zé)任人、直達(dá)受影響區(qū)域人員。

（3）預(yù)演。北京市水旱災(zāi)害防御綜合指揮平臺(tái)作為北京市防洪排澇指揮決策的重要支撐，通過多年迭代優(yōu)化，匯集了五大流域、16個(gè)區(qū)及水庫、積水點(diǎn)、山洪溝道等防御對象信息，通過融合精細(xì)化氣象預(yù)報(bào)信息和北京模型分析，構(gòu)建全市洪澇態(tài)勢、大中型水庫、流域洪水、城區(qū)內(nèi)澇、山洪溝道、調(diào)度預(yù)演等專題數(shù)字化場景，實(shí)現(xiàn)雨水情監(jiān)視統(tǒng)析、洪澇風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、洪澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警、洪澇過程預(yù)演調(diào)度等主要功能。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了16 座大中型水庫的調(diào)洪演算，基于水庫滾動(dòng)入庫洪水預(yù)報(bào)、水庫水位庫容關(guān)系和水庫水位泄流關(guān)系，實(shí)現(xiàn)按規(guī)程調(diào)度和人工設(shè)定調(diào)度的水庫調(diào)度預(yù)演，根據(jù)預(yù)演結(jié)果持續(xù)優(yōu)化水庫調(diào)度方案，調(diào)度結(jié)果與房屋、村莊、道路、設(shè)施等重要承災(zāi)體信息進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)預(yù)演，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)研判與統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合搶險(xiǎn)物資和隊(duì)伍布控情況，科學(xué)指導(dǎo)防洪排澇工作，有效貫通“流域-干流-支流-斷面”及“總量-洪峰-過程-調(diào)度”的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度鏈條。

（4）預(yù)案。水旱災(zāi)害防御預(yù)案體系包括水旱災(zāi)害防御應(yīng)急預(yù)案、流域洪水防御方案、山洪災(zāi)害防御預(yù)案、積水內(nèi)澇防御預(yù)案、旱災(zāi)防御預(yù)案5 類。2022 年為進(jìn)一步規(guī)范北京市防洪排澇應(yīng)急響應(yīng)工作程序和應(yīng)急響應(yīng)行動(dòng)，保證防洪排澇工作有力有序有效進(jìn)行，最大限度減少人員傷亡和災(zāi)害損失，在《北京市水務(wù)局水旱災(zāi)害防御應(yīng)急預(yù)案（試行）》的基礎(chǔ)上進(jìn)行修訂，形成了《北京市防洪排澇應(yīng)急預(yù)案》。專項(xiàng)預(yù)案包括水庫、河道防御洪水方案，蓄滯洪區(qū)調(diào)度運(yùn)用預(yù)案，山洪災(zāi)害、積水內(nèi)澇、旱災(zāi)防御預(yù)案，涵蓋標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)、超標(biāo)準(zhǔn)“兩級(jí)”，重點(diǎn)聚焦水利工程體系科學(xué)精細(xì)調(diào)度，推進(jìn)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化。以流域?yàn)閱卧?，加?qiáng)氣象預(yù)測和洪水預(yù)報(bào)的疊加分析與融合，分析不同量級(jí)降雨情景下產(chǎn)生的洪峰流量及峰現(xiàn)時(shí)間、入庫洪量、水庫最高水位及出現(xiàn)時(shí)間，預(yù)演水庫、河道重要斷面的洪水演進(jìn)過程，形成基于預(yù)報(bào)的洪水調(diào)度模式，支撐北京市水旱災(zāi)害防御工作。

“四預(yù)”在流域性特大洪水防洪調(diào)度中的應(yīng)用

2023 年7 月29 日至8 月2 日，北京市受2305 號(hào)臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”殘余環(huán)流與副熱帶高壓、2306 號(hào)臺(tái)風(fēng)“卡努”水汽輸送、地形綜合作用影響，出現(xiàn)極端強(qiáng)降雨過程。本次降雨具有持續(xù)時(shí)間長、累計(jì)雨量大、極端性強(qiáng)等特點(diǎn)，降雨過程持續(xù)83 h，降雨總量多年罕見，全市平均降雨量達(dá)331 mm，歷史排名第1，比歷史排名第2 的場次降雨量230 mm（1925 年）多44%，達(dá)到多年平均年降雨量585 mm的57%，多個(gè)站點(diǎn)降雨量突破歷史極值，超1 000 mm 以上的有3 個(gè)站點(diǎn)，超700 mm 以上的51 個(gè)站點(diǎn)。西部沿太行山一帶降雨尤其明顯，房山區(qū)平均降雨量627.1 mm，門頭溝區(qū)平均降雨量565.3 mm，遠(yuǎn)超全市多年平均降雨量，位列各區(qū)平均降雨量的第1 和第2 位。本次降雨導(dǎo)致北京市大清河、永定河、潮白河、北運(yùn)河出現(xiàn)明顯漲水情況，其中大清河、永定河洪水達(dá)到編號(hào)級(jí)別，大清河流域拒馬河張坊發(fā)生超30年一遇洪水，大石河漫水河發(fā)生超200年一遇洪水，永定河流域盧溝橋發(fā)生超50年一遇洪水，清水河、漫水河斷面均出現(xiàn)歷史最大洪水。本次降雨過程中預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案有力支撐了北京市防洪調(diào)度實(shí)施，大中型水庫共攔蓄洪水2.73 億m3，有效發(fā)揮了水庫削峰攔洪作用，河道安全下泄洪水，實(shí)現(xiàn)了“保安全、多蓄水”的目標(biāo)，助推了預(yù)報(bào)調(diào)度一體化能力提升。

（1）預(yù)報(bào)預(yù)警過程。自7月27日起按照3 h、6 h、12 h滾動(dòng)預(yù)測洪水，對全市18座主要大中型水庫及164條河流開展預(yù)報(bào)。在“23·7”流域性特大洪水全過程共發(fā)布7期預(yù)報(bào)，其中雨前發(fā)布4期。共發(fā)布洪水預(yù)警5次，其中大清河流域先后發(fā)布洪水藍(lán)色、黃色及紅色預(yù)警，永定河流域先后發(fā)布洪水藍(lán)色、橙色預(yù)警，北運(yùn)河流域發(fā)布洪水橙色預(yù)警。根據(jù)雨前洪水預(yù)報(bào)，提前36 h實(shí)施水庫、河道、湖泊預(yù)泄騰容調(diào)度，騰出蓄洪空間1 855 萬m3。其中永定河流域齋堂水庫提前24 h實(shí)施預(yù)泄，增加蓄水庫容334萬m3。

通過預(yù)報(bào)預(yù)警復(fù)盤分析，從洪水預(yù)見期方面看，預(yù)報(bào)發(fā)布頻次基本能夠滿足防洪調(diào)度要求；從預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度方面看，對比流域干流雨前預(yù)報(bào)和實(shí)測洪水過程，就永定河流域而言，預(yù)報(bào)降水量比實(shí)際降水量偏少26%～29%，因此預(yù)報(bào)洪峰較實(shí)際洪峰偏少較多，尚不能滿足預(yù)報(bào)調(diào)度一體化要求，還必須結(jié)合監(jiān)測降雨，滾動(dòng)預(yù)測后期來水情況，相機(jī)調(diào)整防洪調(diào)度措施。

（2）預(yù)演過程?；凇傲饔?干流-支流-斷面”“總量-洪峰-過程-調(diào)度”的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度鏈條，建立流域預(yù)泄調(diào)度、臨近調(diào)度、監(jiān)測調(diào)度的漸進(jìn)式預(yù)報(bào)調(diào)度模式，補(bǔ)齊小重現(xiàn)期降雨洪水調(diào)度措施短板，支撐防洪與水資源的協(xié)同調(diào)度。

在“23·7”特大暴雨應(yīng)對過程中，通過北京市水旱災(zāi)害防御平臺(tái)對全市主要大中型水庫進(jìn)行調(diào)洪演算，動(dòng)態(tài)編制水庫多種不同調(diào)洪演算方案，為防洪調(diào)度決策起到支撐作用。在潮白河流域，模擬白河堡水庫來水情況，充分利用防洪庫容及后汛期汛限水位由592.6 m 提高至595 m 等有利條件，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)防洪、水資源等調(diào)度關(guān)系，利用平臺(tái)完成不同下泄流量情景下防洪調(diào)度演算，經(jīng)綜合研判，確定白河堡水庫調(diào)度開閘時(shí)間、下泄流量等，本次降雨共攔蓄洪水3 064 萬m3，攔洪率60%，實(shí)現(xiàn)洪水資源化，為后期為密云水庫補(bǔ)水等創(chuàng)造了條件。

由于水旱災(zāi)害防御平臺(tái)尚未搭建數(shù)字孿生流域場景，也沒有在數(shù)字孿生的框架和視角下建構(gòu)預(yù)報(bào)調(diào)度能力，導(dǎo)致針對實(shí)體對象的業(yè)務(wù)空間交互應(yīng)用、基于業(yè)務(wù)和時(shí)空的多維統(tǒng)計(jì)、孿生空間的交互式表達(dá)能力有較大欠缺，實(shí)際應(yīng)用時(shí)對于重要流域、水庫分析預(yù)測和防洪決策支撐能力存在短板。在實(shí)現(xiàn)防洪調(diào)度決策智能化、預(yù)演成果可視化、提高防御決策指揮的效率和精準(zhǔn)度方面還存在差距。

（3）預(yù)案運(yùn)用。預(yù)案是依據(jù)預(yù)演確定的方案，考慮水利工程最新工況、經(jīng)濟(jì)社會(huì)情況，確定水利工程運(yùn)用次序、時(shí)機(jī)、規(guī)則，制定非工程措施，落實(shí)調(diào)度機(jī)構(gòu)、權(quán)限及責(zé)任，明確信息報(bào)送流程及方式等，確保預(yù)案的可操作性。預(yù)案作為調(diào)度的重要依據(jù)，在“23·7”強(qiáng)降雨應(yīng)對中發(fā)揮了明顯的作用，預(yù)案運(yùn)用過程中重點(diǎn)把握預(yù)案中的調(diào)度措施，調(diào)度權(quán)限和責(zé)任，嚴(yán)格執(zhí)行國家、水利部、流域機(jī)構(gòu)及北京市有關(guān)規(guī)定，合理執(zhí)行調(diào)度過程。永定河流域的官廳水庫、齋堂水庫、盧溝橋樞紐等洪水調(diào)度方案，遵照國務(wù)院有關(guān)要求，按照洪水量級(jí)和指揮權(quán)限規(guī)定，9 次報(bào)請海河水利委員會(huì)和水利部批準(zhǔn)，充分體現(xiàn)水工程調(diào)度運(yùn)用服從防汛指揮機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一指揮這一原則。同時(shí)，在降雨應(yīng)對過程中也暴露出預(yù)案對精細(xì)化調(diào)度支撐還不夠，例如永定河流域滯洪水庫退水過程確定及退水閘啟閉時(shí)機(jī)有待明確，此外，滯洪水庫在“23·7”流域性洪水中屬首次運(yùn)用，攔河閘與分洪閘同時(shí)下泄量級(jí)差異、調(diào)度頻率等細(xì)節(jié)要求，在洪水調(diào)度的緊急關(guān)頭，給調(diào)度決策者帶來巨大壓力。

下一步水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”工作重點(diǎn)

（1）完善雨水情監(jiān)測“三道防線”體系，提高預(yù)報(bào)預(yù)警能力，解決調(diào)度盲區(qū)。“四預(yù)”工作中，預(yù)測預(yù)報(bào)是首要環(huán)節(jié)?；诋?dāng)前水旱災(zāi)害防御工作的現(xiàn)實(shí)需求，預(yù)測預(yù)報(bào)工作既要努力延長洪水預(yù)見期，也要提高洪水預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度。要同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)，僅靠傳統(tǒng)的水文監(jiān)測手段是不夠的，必須構(gòu)建現(xiàn)代化水文監(jiān)測預(yù)報(bào)體系。持續(xù)完善雨水情監(jiān)測預(yù)報(bào)“三道防線”,在第一道防線上要進(jìn)一步完善全市范圍內(nèi)X 波段測雨雷達(dá)并進(jìn)行組網(wǎng)協(xié)同觀測，實(shí)現(xiàn)北京市全域低空范圍內(nèi)連續(xù)無盲區(qū)的全覆蓋掃描。在第二道防線上要進(jìn)一步提高監(jiān)測感知能力，提升數(shù)據(jù)時(shí)效性和準(zhǔn)確性，加強(qiáng)數(shù)據(jù)匯聚和共享；在第三道防線上要進(jìn)一步補(bǔ)齊水文監(jiān)測感知短板，優(yōu)化站網(wǎng)體系，規(guī)范水文站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，豐富監(jiān)測手段，融合共享數(shù)據(jù)，全面提升水文站的防災(zāi)、監(jiān)測、通信和容災(zāi)能力。

（2）完善防洪調(diào)度預(yù)案體系，提高預(yù)案科學(xué)性和可操作性，解決調(diào)度誤區(qū)。根據(jù)本次極端暴雨中預(yù)案應(yīng)用情況，迭代更新防洪預(yù)案，重點(diǎn)針對永定河、潮白河、北運(yùn)河、大清河、薊運(yùn)河五大流域主要水庫及河道洪水調(diào)度預(yù)案、超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御預(yù)案、蓄滯洪區(qū)運(yùn)用預(yù)案，完善預(yù)報(bào)調(diào)度、權(quán)限責(zé)任等內(nèi)容，形成含流域工程、保護(hù)對象、突發(fā)事件等多情景、多維度流域性調(diào)度預(yù)案體系，逐步從單一洪水調(diào)度向流域性體系調(diào)度轉(zhuǎn)變，細(xì)化調(diào)度措施，進(jìn)一步明確調(diào)度關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)指標(biāo)，切實(shí)為流域性洪水調(diào)度提供可參考、可執(zhí)行的預(yù)案。

（3）提升防洪調(diào)度信息化水平，實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度，解決調(diào)度難區(qū)。智慧水利是現(xiàn)代信息技術(shù)在水利領(lǐng)域的應(yīng)用和創(chuàng)新，通過運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)手段，以數(shù)字孿生流域建設(shè)為主線，以數(shù)字孿生水利工程建設(shè)為切入點(diǎn)和突破口，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，以實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能為目的，開展數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試建設(shè)，提高防洪調(diào)度智能化水平，從以往經(jīng)驗(yàn)調(diào)度向系統(tǒng)調(diào)度轉(zhuǎn)變，提升改造現(xiàn)有平臺(tái)系統(tǒng)，突破以往靠人工計(jì)算模式，實(shí)現(xiàn)一鍵觸發(fā)式調(diào)度分析功能，通過系統(tǒng)平臺(tái)完成預(yù)測預(yù)報(bào)、洪水演進(jìn)、方案生成全要素分析過程，為跑贏洪水贏得更多時(shí)間。