▲雄安新區起步區防洪大堤? 攝/李先明

2023年防汛關鍵期，海河流域出現強降雨過程，海河發生“23·7”流域性特大洪水。水利部門推進水利部數字孿生平臺應用，強化預報、預警、預演、預案（“四預”）措施，為防洪工程體系的科學精細調度提供了超前精準技術支撐，為打贏海河“23·7”流域性特大洪水防御戰提供了堅實保障。

01?雨情水情分析：2023年7月28日至8月1日，受第5號臺風“杜蘇芮”北上與冷空氣交綏影響，海河流域出現大范圍長歷時強降雨過程，22條河流發生超警以上洪水，8條河流發生有實測資料以來最大洪水，其中永定河、大清河發生特大洪水，子牙河發生大洪水，北運河、漳衛河發生較大洪水，海河發生“23·7”流域性特大洪水。本次洪水主要呈現以下特點：降水范圍廣、總量大。

本次強降雨過程累計面雨量400mm、250mm、100mm以上籠罩面積分別為1.1萬km2、6.5萬km2、16.8萬km2，分別占海河流域總面積的3.5%、20.4%、52.8%，過程降雨總量初步計算達494億m3，流域面平均雨量為155.3mm。本次“23·7”洪水強降雨過程累計雨量、強降雨覆蓋范圍、降水總量超過“21·7”和“96·8”洪水，小于“63·8”洪水。

▲“23·7”與歷史強降雨過程對比

暴雨時空集中、強度大：本次強降雨過程主要集中在大清河、子牙河系滹沱河滏陽河、永定河系官廳山峽區間。7月29日20時至8月2日7時，北京市83h降雨量達到常年全年降雨量的60%，最大小時雨量為北京豐臺區千靈山站111.8mm，超過2012年“7·21”暴雨洪水。

洪水并發、量級大：海河流域五大水系22條河流發生超警以上洪水，海河流域發生1963年以來的最大洪水，也是60年來發生的第1次流域性特大洪水。海河“23·7”流域性特大洪水與“63·8”流域性特大洪水、“96·8”流域性大洪水對比情況如下。

▲歷史洪水對比情況

洪水漲勢猛、演進快：本次洪水過程中，永定河盧溝橋樞紐流量自7月31日13時1030m3/s漲至14時30分最大過閘流量4650m3/s，1.5h內流量漲幅高達3620m3/s，官廳水庫至盧溝橋區間（集水面積1800km2）雨峰洪峰間隔僅3小時50分鐘；大清河系大石河的漫水河水文站流量自7月31日9時1440m3/s漲至11時20分洪峰流量5300m3/s，2小時20分鐘內流量漲幅高達3860m3/s，漫水河以上區間（集水面積653km2）雨峰洪峰間隔僅2小時20分鐘。

徑流總量大、地下水回補多：本次洪水過程徑流總量初步估計約200億m3，截至9月11日，海河流域淺層地下水平均埋深較本次強降雨過程前平均上升1.30m，地下水蓄變量已增加109.1億m3。

02?精準建構數字孿生海河：

汛前依托國家重點研發計劃“多尺度流域水資源和水利設施遙感監測應用示范”“面向環境治理與災害防治的高性能計算應用平臺”，基于全國水利一張圖構建“數字孿生流域”，洪水期間積極利用衛星遙感、無人機、視頻監控等多種技術手段，開展“天空地”多源信息融合工作，完善模型平臺，強化防洪“四預”措施，有力支撐流域防洪指揮決策。

獲取算據，豐富數據底板：

一是匯集更新基礎數據。利用激光雷達、傾斜攝影等構建海河流域高精度地理空間數據底板。匯聚更新海河流域2214條河流、28處國家蓄滯洪區、155座重點大中型水庫、2160km堤防等基礎數據。逐一復核完善海河流域884座水庫與測站關系，實現蓄滯洪區范圍內堤防、口門、進退洪閘、安全區等8類對象和428路視頻監測點關聯。開展水庫54項重要指標一致性自動比對，分析水位及庫容等特征值問題數據，建立與水庫管理單位、水庫責任人的快速校核應急機制。針對8處啟用蓄滯洪區，快速響應更新293項指標，增加實時運用、受災影響統計數據。開發蓄滯洪區“一張圖”，對海河流域28處國家蓄滯洪區蓄洪能力、工程設施、安全設施、監測預警、運用補償等12類數據進行展示，重點對本次啟用的8個蓄滯洪區內24處安全區、33處進退洪口門（包括安全區及安全臺空間位置、面積、居住人口、轉移安置規劃人口、臨時轉入人口、建設狀態等6項重要指標及口門空間位置分布、工程控制類型、啟用方式、口門寬度、進洪水位、進洪控制站、設計進退洪流量和調度規則等10項關鍵指標）開發專題分析功能，為蓄滯洪區科學運用提供支撐。

二是加強“天空地”立體化監測。洪水期間，強化“天空地”監測，交換匯集1874個常規報汛站點、280個應急監測站點共計雨水情信息142萬余條。獲取12顆衛星遙感影像101景，接入級聯視頻10797路，調取20架次無人機航攝照片49張、視頻49個、全景影像17個，共計實時采集非結構化信息681GB。匯聚多源立體監測信息，有效彌補地面常規監測網絡水毀缺測難題，7月31日8時至11時，永定河系官廳山峽區間突降局地暴雨，三家店水文站以上部分雨量站和水文站報汛中斷時，利用氣象衛星和測雨雷達對空中雨進行外推臨近預報。基于多源信息空間融合的洪水預報系統，成功預報三家店水文站將于8月1日出現2000m3/s左右的第二次洪峰流量。加強多源信息融合驗證，確保險情信息準確可靠，8月2日11時，通過蘭溝洼蓄滯洪區衛星遙感影像，初步解譯判定白溝河右堤西茨村附近出現長度約90m的缺口；8月2日12時，經無人機全景影像詳細判斷白溝河東茨村左堤搶筑的月牙堤存在潰口，潰口外東茨村受淹，白溝河西茨村南側存在約90m長缺口，白溝河內洪水外流淹沒村莊和農田，白溝河右堤存在2個缺口，蘭溝洼蓄滯洪區西茨村村莊和農田受淹。通過水利部視頻級聯集控平臺級聯接入北京水利監視點位2044路、河北省8753路視頻監視點位，有效彌補水文測站水毀情況下的洪水水情估算，7月31日，調閱盧溝橋攔河閘和分洪閘監視視頻，支撐盧溝橋樞紐下泄流量調度決策；8月1日至2日，調閱河北廊坊沿永定河視頻監視點，跟蹤洪水行進過程，支撐永定河泛區啟用決策。

優化算法，構建模型平臺：

一是研發水利專業、智能識別和可視化模型。研發了新安江、API（應用程序接口）、馬斯京根、動態蓄超、地貌單位線、一維水動力學、二維水動力學、超額水量分配和庫群補償調度等42個模型并實現微服務化部署，依托模型平臺前處理工具、模型編排、并行計算等，初步具備預報方案快速構建、模型參數在線率定、多家模式集合預報、洪水實時動態演進、正向逆向推演計算等關鍵“四預”功能，集成全國七大流域95條主要江河1296套洪水預報方案，其中海河流域洪水預報方案240套，構建海河流域東淀、永定河等8個蓄滯洪區洪水演進方案。研發構建水利業務遙感、視頻、音頻等智能識別模型，支撐河湖管理、水利工程運行、應急突發水事件等常態化管理和應急處置。基于水利專業模型計算結果驅動可視化渲染，搭建自然背景、流場動態、水利工程、機電設備等可視化模型，在數字場景中實現模擬仿真展示。

二是構建模擬仿真引擎。利用知識圖譜構建海河流域9772個自然匯流和人工設施相結合的斷面上下游拓撲關系，基于圖數據庫快速生成任意預報節點拓撲關系概化圖，支撐河系洪水預報、庫群聯合調度和蓄滯洪區洪水演進。建成水利部本級模擬仿真引擎，具備模型注冊和發布、模型編排、模型實例化等功能。模型注冊和發布方面，集成上述42個水利專業模型；模型編排方面，通過可視化流程編排工具實現模型的可視化構建；模型實例化方面，提供一系列模型前處理工具（網格剖分工具、斷面處理工具、任意子流域劃分工具等）。實現模型前處理、模型構建、模型計算、成果展示的全流程建模，提升水利專業模型構建、管理、監控和共享服務的能力。

提升算力，夯實基礎設施：搭建高速并行計算環境，構建水利云平臺，建成12800核CPU、52TB內存的ARM資源池，運行虛擬機2000個，搭建58.3萬億次/s雙精度浮點計算的高性能計算集群，支撐每日2次全國范圍內的未來3天逐小時、3km×3km短期預報和1次未來5天逐3h、9km×9km中期預報制作以及大清河逐時精細化預報，縮短業務處理時間1.5h，縮短洪水作業預報時間30min。10min內完成海河流域主要江河240個預報斷面對象逐時自動洪水預報，半小時內完成東淀蓄滯洪區、永定河泛區等單個復雜蓄滯洪區20萬網格7天洪水演進計算。持續優化完善會商調度環境，每日通過視頻、藍信等連線會商5～6次，及時溝通水庫、堰閘等水工程對洪水預報的影響，特別是動態掌握蓄滯洪區啟用時間、水頭演進、滯蓄水量、淹沒范圍等調度運用狀態，為海河流域洪水防御提供算力和會商支撐。

03?強化防洪“四預”措施：

在應對海河“23·7”流域性特大洪水過程中，基于數字孿生流域，超前研判海河流域強降雨過程，滾動開展雨水情預測預報，及時發布暴雨洪水預警，逐日推演蓄滯洪區洪水演進動態，有力支撐預案滾動制定和執行。

強化氣象水文預報耦合，加密滾動預報，有效延長預見期、提高精準度：

一是強化降雨滾動預報。7月23日至25日，應用多家數值模式集成預報成果，提前3至5天預報海河流域強降雨過程的范圍和強度；7月26日至27日，利用中期預報成果，連續滾動強降雨過程預報；7月28日，應用水利精細化區域降水預報模式短期預報成果，每日兩次滾動發布強降雨過程定量化預報；7月31日，永定河盧溝橋攔河閘調度決策關鍵時刻，利用氣象衛星和測雨雷達對空中雨進行逐分鐘30m網格精細化監測，根據衛星雷達外推臨近的預報成果，對未來3～12h官廳山峽降雨作出較為準確的預報。

二是強化降雨洪水預報耦合。依托多源空間信息融合洪水預報系統，構建漳衛南運河、子牙河、大清河、永定河、北三河等五大水系240個預報節點的洪水預報方案，涵蓋151個水文站、74個水庫站、15個堰閘站，輸入降水數值預報模式的預報成果，銜接降雨產流匯流模型，系統自動獲取實時雨水情及工情數據，逐時自動作業預報，實現從落地雨洪水預報向空中雨洪水預報、從洪水預報向洪水預演的轉變。提前一周對流域性暴雨洪水情勢作出研判，提前5天預報永定河、大清河將發生編號洪水和預判可能啟用6個蓄滯洪區。

三是強化洪水滾動預報。跟蹤洪水發展，在線提取調整模型參數，洪水關鍵期每隔2h滾動制作洪水預報，每天通過視頻、電話、藍信與海委水文局和北京、天津、河北、山西、河南等省份水文部門連線會商5～6次，累計制作發布150條河流278個站洪水預報2671站次，提前1天精準預報子牙河系滹沱河黃壁莊水庫最大入庫流量及北運河北關閘樞紐、白溝河東茨村水文站、大清河新蓋房樞紐、獨流減河進洪閘、衛河劉莊閘等重要斷面洪峰流量（水位）。關鍵期洪水作業預報精度達80.6%，較以往平均精度65%提高15%。

強化監測預警，預警信息直達防御一線：

一是加強基于氣象衛星和測雨雷達的監測預警。基于中國風云四號和日本葵花9號兩顆靜止軌道氣象衛星多個紅外通道遙感數據，自動分析識別多種強對流云團，并外推預測其運動軌跡，對海河流域未來3h強對流云團覆蓋的地市自動發送臨近強降雨風險預警信息；采用海河11部天氣雷達組網拼圖混合掃描反射率產品，通過預報員人工分析外推，對未來3h內海河流域可能發生強降雨的地市進行臨近暴雨風險預警，強降雨過程期間通過藍信累計發布氣象衛星和天氣雷達臨近強降雨預警184次，涉及3272地市次，信息直達防御一線人員。利用河北雄安試點區4部相控陣測雨雷達監測和自動外推預報產品，對試點區覆蓋范圍未來2h內可能發生強降雨的鄉鎮進行臨近暴雨風險自動預警，強降雨過程期間通過藍信累計發布測雨雷達臨近強降雨風險預警1873次，涉及6100鄉鎮次，信息直達防御一線人員。

二是加強“一省一單”水庫風險預警。逐日發布未來24h內25mm和50mm降雨區內省（市）轄鄉鎮及水庫預警，直達防御一線人員，共覆蓋河流5807條次、水庫2263座次、責任人5318人次，為確保水庫防洪安全提供了有力支撐。

三是強化水情預警社會發布。組織水利部海河水利委員會及北京、天津、河北、山西共向社會發布98次洪水預警，其中包括藍色預警40次、黃色預警30次、橙色預警19次、紅色預警9次，為水利部7月28日14時40分啟動水旱災害防御Ⅲ級應急響應、7月30日14時35分啟動水旱災害防御Ⅱ級應急響應提供了有力支撐。

實現蓄滯洪區洪水實時演進分析，有力支撐蓄滯洪區安全運用：

一是構建8處啟用蓄滯洪區二維水動力學演進模型。首次構建了大陸澤、寧晉泊、小清河分洪區、蘭溝洼、東淀、獻縣泛區、永定河泛區和共渠西等8處啟用蓄滯洪區的二維水動力學洪水演進模型，及時分析掌握蓄滯洪區進退洪運用情況。基于水利部數字孿生平臺，采用二維水動力學100～500m不規則網格，考慮堤防、分洪口門、安全區（臺）、閘門啟閉、自然漫溢、扒口潰口、進退洪設施等各種邊界條件，逐日推演洪水演進趨勢，準確掌握蓄滯洪區水頭演進、滯蓄水量、淹沒范圍、退洪歸槽等情況。提前3～4天準確預測東淀水頭演進過程和最大淹沒范圍，為蓄滯洪區安全運用和堤防防守提供有力支撐。

二是應用遙感監測產品調整計算邊界和模型參數。利用多源遙感衛星資源，逐日開展8個啟用蓄滯洪區的水體范圍和行進速度等解譯監測，匯集接入無人機采集的照片、視頻、全景影像、正射影像圖等數據，動態參證蓄滯洪區洪水水頭和淹沒變化，實時調整二維水動力學模型計算邊界和模型參數。8月1日至3日，根據永定河泛區衛星遙感影像解譯信息，及時補充堤防、分洪口門等水力學計算邊界條件；根據東淀蓄滯洪區衛星遙感影像解譯信息，動態調整水力學糙率、下滲率等模型參數。8月10日至12日，根據灘里干渠潰口衛星遙感和無人機監測結果，多次動態調整洪水演進計算邊界條件；根據蘭溝洼蓄滯洪區無人機拍攝的挖掘機扒口退洪照片，動態調整潰口寬度等水力學計算邊界條件。利用東淀洪水演進成果，提前4天研判作出“不啟用清南分洪區”決策部署，為東淀蓄滯洪區科學運用提供有力支撐。

三是綜合推演河道及蓄滯洪區洪水演進態勢。基于支撐洪水防御的高精度河流水系雨水情預報模型，無縫對接多源空間信息融合的洪水預報平臺，首次實現海河流域集氣象模式、水文模型、水力學模型、水庫調度模型等于一體的流域防洪“四預”功能。利用降雨數值預報模式成果計算得到水文斷面預報結果，作為邊界條件輸入蓄滯洪區洪水演進模型，計算蓄滯洪區洪水演進過程，逐網格逐時計算淹沒范圍及深度，預報進洪及退洪情況，成功預報獨流減河進洪閘洪峰流量、第六堡最高水位等洪水要素。提前9～30天準確預報永定河、蘭溝洼、東淀等蓄滯洪區退水時間，為蓄滯洪區居民返遷及運用補償工作提供有力支撐。

依據預報預演結果滾動制定執行預案，充分發揮流域防洪工程體系綜合減災效益：

7月28日至8月4日，根據預報預演結果，以水庫、河道及堤防、蓄滯洪區等水工程為對象，滾動制定和執行預案，派出工作組（專家組）指導地方洪水防御工作。調度京津冀84座大中型水庫，充分攔洪削峰錯峰，累計攔蓄洪水超過28.5億m3；8座蓄滯洪區最大滯洪25.3億m3。京津冀組織22萬余人次上堤巡查，及時處置各類堤防險情131處。通過科學精細調度，避免了24個城鎮、751萬畝(1畝=1/15km2)耕地受淹，避免了462.3萬人轉移，充分發揮了流域防洪工程體系綜合減災效益，極大減輕了下游防洪壓力，最大程度減小了洪水災害損失，保障了人民群眾生命財產安全。

04 存在問題與改進建議：

通過復盤檢視發現，本次洪水應對過程中，還存在一些差距和不足，主要體現在：雨水情監測尚不能滿足洪水預報調度需求，數字孿生海河不能滿足“四預”需要，“四預”功能無法完全滿足防洪超前精準決策需求。對此，采取針對性、可操作性措施，盡快提升預報、預警、預演、預案能力。

加快構建雨水情監測預報“三道防線”，滿足洪水預報調度需求：

開展暴雨洪水調查工作，系統梳理海河流域“天空地”水文監測預報體系，建設覆蓋流域暴雨洪水集中來源區、山洪災害易發區的測雨雷達網，沿太行山、燕山山脈迎風坡及流域中下游平原區，加密雨量站、水文站，提檔升級測報設施設備，強化北斗衛星通信備份，配齊配強應急監測設施設備，確保特大洪水測得到、報得出。

加強數字孿生海河建設，滿足流域防洪“四預”需求：

加快數字孿生海河建設，利用激光雷達、傾斜攝影、水下地形測量的新型監測技術，完善更新永定河、大清河、子牙河等重要河系以及蓄滯洪區的高精度數據底板。持續完善水利專業模型，面向“供給、使用、管理”三側需求，構建自主可控的以河道、蓄滯洪區為重點的一維、二維耦合水動力洪水演進水利專業模型平臺，研發臨河房屋、采砂場、網箱養殖和水體等典型地物遙感AI識別模型；運用預訓練大模型等技術，建設水利知識庫、大語言模型等，提供對水利知識的自主學習、組織與優化、融合服務以及統一管理能力，建設知識模型平臺。建設集中統一的數據中心，同時加強異地備份中心建設，推進國家超算中心和東數西算樞紐算力資源的水利共享應用，優化升級水利云，增強高性能計算算力、AI算力，補充水利云平臺計算資源、數據庫資源，擴充存儲備份資源，提升現有數據存儲和應急恢復能力。

加強“四預”能力建設，滿足防洪超前精準決策需求：

推進建設數值降水預報與分布式水文預報等模型耦合的洪水早期預報預警系統。切實提高短臨、短期及中長期全時程全鏈條降雨洪水預報能力，特別是提高局地暴雨的監測預報能力和無資料或缺資料地區的洪水預報能力，總結提取暴雨洪水預報模型參數，推進實現中長期延長洪水預見期和短期提高洪水預報精準度的有效統一。針對水庫、河道及堤防、蓄滯洪區等水利防洪工程調度運用需求，大力推進水工程調度系統建設，努力提高全國重點防洪區域水利工程洪水預報演進調度業務能力，開展點線面洪水影響風險預報預警業務，實現防洪重點區域洪水預報調度全覆蓋，進一步完善氣象—水文—水力學—調度全鏈條洪水模擬推演功能。

05 結語：

防汛工作是水利部門義不容辭的責任，經濟社會高質量發展對洪水防御工作提出了更高要求。我們要始終秉持以人民為中心的發展思想，深入貫徹落實“兩個堅持、三個轉變”防災減災救災新理念，牢固樹立風險意識和底線思維，扎實推進數字孿生流域建設，數字賦能預報、預警、預演、預案能力，最大程度降低洪水風險，切實保障人民群眾生命財產安全。

來源 | 《中國水利》2023年第18期

作者 | 蔡陽（水利部信息中心主任）