流域防洪“四預(yù)”關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

Research and application of key technologies of the “forecast, early-warning, rehearsal and plan” for basin flood control

何健，肖堯軒，劉國慶，王在艾，趙牧晨

（1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，210029，南京；2.水利部珠江水利委員會(huì)珠江水利綜合技術(shù)中心，510611，廣州；3.水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院，210029，南京；4.湖南省水利水電科學(xué)研究院，410007，長沙；5.中國長江三峽集團(tuán)有限公司，430010，武漢）

摘要：流域防洪“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）是數(shù)字孿生流域建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，是提升流域防洪減災(zāi)能力、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要手段。在智慧水利體系和數(shù)字孿生流域技術(shù)框架下，設(shè)計(jì)了流域防洪“四預(yù)”通用業(yè)務(wù)流程框架，建立了預(yù)案執(zhí)行驅(qū)動(dòng)的預(yù)報(bào)結(jié)果滾動(dòng)調(diào)整、預(yù)警信息動(dòng)態(tài)更新、預(yù)演干預(yù)對(duì)象調(diào)整的動(dòng)態(tài)互饋機(jī)制；構(gòu)建了“三道防線”驅(qū)動(dòng)的流域洪水預(yù)報(bào)調(diào)度技術(shù)框架，支撐滾動(dòng)預(yù)報(bào)和正反向預(yù)演；研究了由核心智能體和方案匹配、方案評(píng)估、自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化輔助智能體組成的“1+4”多智能體系統(tǒng)架構(gòu)，提出了流域防洪預(yù)案自學(xué)習(xí)自優(yōu)化智能決策新模式。成果可為流域防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化、雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”建設(shè)應(yīng)用、水利行業(yè)大模型研發(fā)提供支撐。

關(guān)鍵詞：流域防洪；“四預(yù)”；“三道防線”；預(yù)報(bào)調(diào)度一體化；多智能體決策

作者簡介：何健，高級(jí)工程師，主要從事水文情報(bào)預(yù)報(bào)方面工作。

基金項(xiàng)目：廣西壯族自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目“平陸運(yùn)河全生命周期數(shù)字孿生平臺(tái)技術(shù)研究及示范應(yīng)用”（桂科AA23062053）；江蘇省水利科技項(xiàng)目“城市極端暴雨綜合風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”（2023008）；水利部重大科技項(xiàng)目“基于數(shù)字孿生的百色水利樞紐工程安全運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目”（SKS-2022158）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.07.003

隨著全球氣候變化影響日益顯著，極端天氣事件頻發(fā)重發(fā)，水旱災(zāi)害的復(fù)雜性和不確定性顯著增加，對(duì)國家水安全構(gòu)成嚴(yán)峻威脅。習(xí)近平總書記關(guān)于網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國的重要思想和關(guān)于治水重要論述，強(qiáng)調(diào)利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段提升水利治理能力的重要性。水利部高度重視數(shù)字孿生水利建設(shè)，將其作為發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力、推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展、保障國家水安全的實(shí)施路徑之一。流域防洪“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）是數(shù)字孿生流域建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，是提升流域防洪減災(zāi)能力、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要手段。在智慧水利體系和數(shù)字孿生流域技術(shù)框架下，緊扣流域防洪業(yè)務(wù)，錨定“四預(yù)”目標(biāo)，開展流域防洪“四預(yù)”關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，為數(shù)字孿生水利建設(shè)探索可復(fù)制、可推廣的技術(shù)思路與實(shí)現(xiàn)路徑，具有現(xiàn)實(shí)的借鑒和指導(dǎo)意義。

當(dāng)前數(shù)字孿生流域建設(shè)取得階段性進(jìn)展，流域防洪“四預(yù)”應(yīng)用場(chǎng)景成果相對(duì)較多，但仍存在不少亟須研究和解決的問題，主要表現(xiàn)在防洪“四預(yù)”流程需要進(jìn)一步通用化、規(guī)范化、精細(xì)化，“三道防線”預(yù)報(bào)預(yù)警作用需要進(jìn)一步發(fā)揮，正算反演過程交互能力、模擬效率需要進(jìn)一步提升，“四預(yù)”中預(yù)案功能應(yīng)用效果需要進(jìn)一步夯實(shí)等方面。重點(diǎn)針對(duì)以上問題，以流程優(yōu)化配置為核心內(nèi)容，構(gòu)建流域防洪“四預(yù)”通用流程體系，通過流程驅(qū)動(dòng)預(yù)報(bào)、預(yù)演、預(yù)案相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究，明確“三道防線”驅(qū)動(dòng)的流域洪水預(yù)報(bào)、流域防洪“正向—反向—正向”預(yù)演、流域防洪預(yù)案功能自優(yōu)化智能決策等關(guān)鍵技術(shù)框架，保障“四預(yù)”業(yè)務(wù)流程、核心功能與關(guān)鍵技術(shù)的相互匹配和相互支撐；最后聚焦三峽工程、洞庭湖流域等典型工程、典型流域，通過流程移植和技術(shù)應(yīng)用，對(duì)防洪“四預(yù)”通用流程體系、關(guān)鍵技術(shù)體系的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。

流域防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)流程優(yōu)化

1.業(yè)務(wù)流程總體框架

防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)中的預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案四者既環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)，也存在隨預(yù)案執(zhí)行過程的動(dòng)態(tài)變化反饋邏輯。這些業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)是建立在“三道防線”監(jiān)測(cè)與模型預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，對(duì)防汛起到輔助會(huì)商決策的智能支撐作用。反饋邏輯主要體現(xiàn)在隨著工程調(diào)度信息的更新，預(yù)報(bào)結(jié)果會(huì)滾動(dòng)調(diào)整，預(yù)警信息會(huì)動(dòng)態(tài)更新，預(yù)演的目標(biāo)和干預(yù)對(duì)象隨之發(fā)生變化。防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)流程框架如圖所示。

流域防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)流程框架

實(shí)況是對(duì)“三道防線”監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)接入與全面呈現(xiàn)；預(yù)報(bào)是對(duì)水文、水動(dòng)力、洪水風(fēng)險(xiǎn)要素的提前預(yù)判；預(yù)警是對(duì)不同水利對(duì)象各類預(yù)警信息及時(shí)發(fā)布提醒；預(yù)演是對(duì)流域防洪場(chǎng)景進(jìn)行“正向—反向—正向”調(diào)度優(yōu)化推演；預(yù)案是對(duì)水利工程調(diào)度運(yùn)用與組織實(shí)施的動(dòng)態(tài)執(zhí)行；會(huì)商是對(duì)實(shí)況信息的綜合態(tài)勢(shì)分析與防洪“四預(yù)”結(jié)果的科學(xué)運(yùn)用。

2.“三道防線”支撐風(fēng)險(xiǎn)要素預(yù)報(bào)

預(yù)報(bào)是防洪“四預(yù)”的首個(gè)核心業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)。以“三道防線”為基礎(chǔ)，結(jié)合感知與模型聯(lián)合模擬同化技術(shù)，形成從傳統(tǒng)水文水動(dòng)力要素預(yù)報(bào)向風(fēng)險(xiǎn)要素預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變的核心流程。該流程包括“三道防線”接入、利用模型的自動(dòng)預(yù)報(bào)任務(wù)配置、作業(yè)預(yù)報(bào)及成果發(fā)布等階段。

（1）監(jiān)測(cè)要素與模型接入

加密監(jiān)測(cè)站網(wǎng)與預(yù)報(bào)要素，提高預(yù)見期與預(yù)報(bào)精度。在構(gòu)建現(xiàn)代化的雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”體系基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加密監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，并接入降雨預(yù)報(bào)模型、產(chǎn)匯流水文模型和洪水演進(jìn)水動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)要素的同步加密與增加。通過逐級(jí)延伸洪水演進(jìn)傳導(dǎo)預(yù)報(bào)，有效提高洪水預(yù)報(bào)精度和應(yīng)急響應(yīng)速度。

（2）自動(dòng)預(yù)報(bào)配置

增加數(shù)據(jù)同化效率與預(yù)報(bào)場(chǎng)景，形成集合預(yù)報(bào)多類成果。考慮“三道防線”實(shí)測(cè)降雨與預(yù)報(bào)降雨的融合，接入氣象水文實(shí)時(shí)庫，同步驅(qū)動(dòng)模型計(jì)算引擎。通過配置預(yù)見期與預(yù)報(bào)頻率，實(shí)現(xiàn)實(shí)況數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同化與初始場(chǎng)自動(dòng)校正。自動(dòng)預(yù)報(bào)模型庫考慮配置多種邊界組合場(chǎng)景，通過并行算法實(shí)現(xiàn)多預(yù)報(bào)模式的同步模擬，并輸出多類集合預(yù)報(bào)成果。

（3）作業(yè)預(yù)報(bào)制作

融合滾動(dòng)成果與預(yù)報(bào)方案，強(qiáng)化預(yù)報(bào)調(diào)度同步運(yùn)行。充分利用預(yù)報(bào)模型參數(shù)自率定功能，承接不同自動(dòng)預(yù)報(bào)模式熱啟動(dòng)狀態(tài)，縮短作業(yè)時(shí)間。考慮專家經(jīng)驗(yàn)和歷史相似案例，對(duì)多種預(yù)報(bào)方案進(jìn)行比較優(yōu)選。強(qiáng)化預(yù)報(bào)調(diào)度一體化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線互通，提高預(yù)報(bào)時(shí)效性。預(yù)報(bào)會(huì)商環(huán)節(jié)組織相關(guān)部門進(jìn)行聯(lián)合會(huì)商，形成綜合意見。成果發(fā)布環(huán)節(jié)及時(shí)將預(yù)報(bào)成果報(bào)送相關(guān)部門并向社會(huì)統(tǒng)一發(fā)布。

3.潛在洪水風(fēng)險(xiǎn)靶向預(yù)警

預(yù)警是防洪“四預(yù)”的第二個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)。以雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”體系為基礎(chǔ)，形成洪水靶向預(yù)警的核心流程，包括感知預(yù)報(bào)加密獲取、預(yù)警信息靶向發(fā)布、響應(yīng)措施精準(zhǔn)服務(wù)三個(gè)階段

（1）感知預(yù)報(bào)加密獲取

加強(qiáng)與模型耦合，增加預(yù)報(bào)對(duì)象并延伸預(yù)報(bào)要素。充分利用雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”體系，加密監(jiān)測(cè)感知站網(wǎng)密度，耦合模型提升預(yù)見期和預(yù)報(bào)精度。預(yù)報(bào)要素由傳統(tǒng)水文要素向水動(dòng)力、風(fēng)險(xiǎn)要素延伸擴(kuò)展，為預(yù)警工作贏得先機(jī)，并擴(kuò)大預(yù)警對(duì)象范圍。

（2）預(yù)警信息靶向發(fā)布

加強(qiáng)與多行業(yè)銜接，拓寬發(fā)布渠道并加快警情發(fā)布。制定水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和閾值，確定預(yù)警對(duì)象、范圍和等級(jí)。構(gòu)建動(dòng)態(tài)預(yù)警模式，及時(shí)將預(yù)警提示推送至一線人員和社會(huì)公眾。利用防洪“四預(yù)”系統(tǒng)預(yù)演功能進(jìn)行防汛會(huì)商，拓寬預(yù)警信息發(fā)布渠道。

（3）響應(yīng)措施精準(zhǔn)服務(wù)

加強(qiáng)與地方聯(lián)動(dòng)，科學(xué)制定響應(yīng)措施并動(dòng)態(tài)更新。加強(qiáng)超標(biāo)準(zhǔn)、極端洪水情景下的預(yù)案編制，確定啟用條件與程序。構(gòu)建動(dòng)態(tài)響應(yīng)業(yè)務(wù)流程，為采取響應(yīng)措施提供指引和信息服務(wù)。

4.“正向—反向—正向”預(yù)演

預(yù)演是防洪“四預(yù)”的第三個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)。以水文-水動(dòng)力耦合通用模型和數(shù)據(jù)底板支撐實(shí)例化模型為基礎(chǔ)，形成“正向—反向—正向”工程調(diào)度優(yōu)化迭代流程。

（1）正向預(yù)演

干預(yù)工程規(guī)則調(diào)度，推演現(xiàn)狀工程體系下洪水風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)與影響。承接預(yù)報(bào)功能中當(dāng)前滾動(dòng)預(yù)報(bào)方案，模擬現(xiàn)狀工程體系下洪水風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)與影響。若存在洪水警情或險(xiǎn)情，干預(yù)模型邊界條件庫或調(diào)度規(guī)則庫，優(yōu)化調(diào)度對(duì)象與執(zhí)行方案。

（2）反向預(yù)演

設(shè)置調(diào)度目標(biāo)約束，推演現(xiàn)狀工程體系下最優(yōu)動(dòng)態(tài)調(diào)度方案。在明確控制斷面調(diào)度目標(biāo)條件下，通過建立多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型或構(gòu)建干預(yù)模型調(diào)度規(guī)則的調(diào)度方案集，采用人工智能算法優(yōu)化聯(lián)合調(diào)度，解決超額洪水量再分配、調(diào)度方案最優(yōu)化問題。

（3）正向預(yù)演

基于最優(yōu)調(diào)度方案，推演現(xiàn)狀與應(yīng)急狀態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)與影響。正向推演流域洪水最優(yōu)化調(diào)度防御過程，掌握關(guān)注斷面水文水動(dòng)力特征、堤防安全及漫溢風(fēng)險(xiǎn)狀況。考慮超標(biāo)準(zhǔn)洪水情景下的人工干預(yù)場(chǎng)景，增設(shè)預(yù)防潰口、加高擋水防線的臨時(shí)應(yīng)急工程，推演洪水對(duì)下游的影響。

5.動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度執(zhí)行預(yù)案

預(yù)案是防洪“四預(yù)”的最終目的。預(yù)案功能包括水利工程調(diào)度運(yùn)用、非工程措施制定、組織實(shí)施等。根據(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，明確規(guī)定各類水利工程的具體運(yùn)用方式。非工程措施制定包括值班值守、物料設(shè)備配置、查險(xiǎn)搶險(xiǎn)人員配備等應(yīng)對(duì)措施。組織實(shí)施包括落實(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、權(quán)限和職責(zé)，明確信息報(bào)送內(nèi)容、方式和要求，在預(yù)演的基礎(chǔ)上，可以有效增加準(zhǔn)備時(shí)間，實(shí)現(xiàn)預(yù)案執(zhí)行過程的動(dòng)態(tài)化、科學(xué)化和精準(zhǔn)化。

流域防洪“四預(yù)”關(guān)鍵技術(shù)研究

1.“三道防線”驅(qū)動(dòng)的流域洪水預(yù)報(bào)技術(shù)

（1）基于“三道防線”的多源降雨融合

降雨是“降雨—產(chǎn)流—匯流—演進(jìn)”鏈條的首要環(huán)節(jié)，是預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”流程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子。傳統(tǒng)洪水預(yù)報(bào)基于“落地雨”，預(yù)見期不超過流域匯流時(shí)間；氣象水文耦合洪水預(yù)報(bào)從“云中雨”出發(fā)，降雨預(yù)報(bào)的精度和預(yù)見期直接影響洪水預(yù)報(bào)的精度和預(yù)見期。“三道防線”提供了氣象衛(wèi)星、測(cè)雨雷達(dá)、雨量站等多種來源，實(shí)測(cè)、估測(cè)、外推等多種類型，以及時(shí)空尺度、預(yù)見期、精度各不相同的降雨監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。在“三道防線”建設(shè)背景下，構(gòu)建多源降雨融合方案（見下圖），充分發(fā)揮氣象衛(wèi)星覆蓋范圍廣、雷達(dá)時(shí)空分辨率高、數(shù)值模式預(yù)見期長、雨量站精度高的優(yōu)勢(shì)，為洪水預(yù)報(bào)滾動(dòng)提供時(shí)空精度最優(yōu)、預(yù)見期無縫銜接的降雨監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)輸入，是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)延長洪水預(yù)見期與提高洪水預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度有效統(tǒng)一的可行路徑。融合過程以當(dāng)前時(shí)刻分為實(shí)測(cè)降雨融合和預(yù)報(bào)降雨融合。在自動(dòng)預(yù)報(bào)和作業(yè)預(yù)報(bào)流程中，可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求和雨情發(fā)展趨勢(shì)靈活選用“實(shí)測(cè)融合”“預(yù)報(bào)融合”“實(shí)測(cè)融合+預(yù)報(bào)融合”作為降雨輸入。融合降雨以網(wǎng)格形式呈現(xiàn)，便于進(jìn)一步處理成流域洪水預(yù)報(bào)計(jì)算單元所需的面雨量。

基于“三道防線”的多源降雨融合方案

①實(shí)測(cè)降雨融合技術(shù)

國家氣象信息中心在多源降雨融合方面的研究與應(yīng)用起步相對(duì)較早，從“地面-衛(wèi)星”二源融合到“地面-雷達(dá)-衛(wèi)星”三源融合，時(shí)空分辨率不斷提高，同時(shí)證實(shí)了融合降雨精度優(yōu)于任何單一來源降雨。參考國家氣象信息中心三源降雨融合技術(shù)框架，對(duì)氣象衛(wèi)星反演降雨、雷達(dá)估測(cè)降雨和雨量站實(shí)測(cè)降雨進(jìn)行融合，主要包括系統(tǒng)誤差訂正、背景場(chǎng)構(gòu)建、空間降尺度、三源降雨融合四個(gè)步驟。系統(tǒng)誤差訂正采用概率密度函數(shù)匹配法，一定程度上消除了衛(wèi)星、雷達(dá)降雨的系統(tǒng)誤差，訂正后的雷達(dá)、衛(wèi)星降雨保持了原來的空間分布形態(tài)，但量值上與雨量站更加接近。背景場(chǎng)構(gòu)建基于貝葉斯模型平均原理，以后驗(yàn)概率作為權(quán)重對(duì)衛(wèi)星、雷達(dá)降雨進(jìn)行加權(quán)平均，得到最接近雨量站降雨的背景場(chǎng)。空間降尺度引入更多來自雷達(dá)降雨的關(guān)鍵降雨細(xì)節(jié)（如強(qiáng)降雨中心等），利用比例訂正因子對(duì)背景場(chǎng)進(jìn)行空間降尺度，得到更高分辨率的背景場(chǎng)。三源降雨融合采用最優(yōu)插值，在高分辨率背景場(chǎng)基礎(chǔ)上，加上一定空間范圍內(nèi)雨量站降雨與背景場(chǎng)偏差的加權(quán)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星、雷達(dá)、雨量站三源降雨融合。最終的三源融合降雨覆蓋完整，保留了雷達(dá)降雨的高分辨率、雨量站降雨的高精度特征。

②預(yù)報(bào)降雨融合技術(shù)

氣象衛(wèi)星現(xiàn)階段側(cè)重于強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)覆蓋范圍內(nèi)強(qiáng)降雨風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等定性應(yīng)用，重點(diǎn)關(guān)注基于雷達(dá)外推和數(shù)值模式的預(yù)報(bào)降雨融合。融合過程的實(shí)質(zhì)是“取長補(bǔ)短”，按預(yù)見期可分為0~1h、1~6h、6h以上無縫銜接的三個(gè)階段。預(yù)見期0~1h完全采用雷達(dá)外推預(yù)報(bào)，主要是考慮到數(shù)值模式在起始階段預(yù)報(bào)誤差均較大，不及雷達(dá)外推預(yù)報(bào)效果好。預(yù)見期1~6h采用雷達(dá)外推預(yù)報(bào)與數(shù)值模式預(yù)報(bào)加權(quán)平均，雷達(dá)外推權(quán)重逐漸減少，數(shù)值模式權(quán)重逐漸增大，主要考慮到雷達(dá)外推預(yù)報(bào)能力隨預(yù)見期延長而迅速下降，而數(shù)值模式經(jīng)過預(yù)熱和同化，預(yù)報(bào)能力隨預(yù)見期延長而提高。動(dòng)態(tài)權(quán)重可以按照雷達(dá)外推、數(shù)值模式預(yù)報(bào)技巧評(píng)分賦值，也可采用正弦權(quán)重、雙曲正切權(quán)重、實(shí)時(shí)滾動(dòng)權(quán)重等方法計(jì)算確定。預(yù)見期6h以上完全采用數(shù)值模式預(yù)報(bào)，主要考慮到雷達(dá)外推預(yù)報(bào)6h以后已不具備參考價(jià)值，而包含動(dòng)力學(xué)過程的數(shù)值模式仍保持一定的預(yù)報(bào)能力。

未來氣象衛(wèi)星外推由定性向定量發(fā)展，臨近預(yù)報(bào)降雨融合也可以從二源向三源深入；三個(gè)階段的劃分不是一成不變的，需根據(jù)各類型降雨預(yù)報(bào)技術(shù)的進(jìn)步適時(shí)調(diào)整；延長短臨、短中期降雨預(yù)報(bào)模型預(yù)見期和提高精準(zhǔn)度仍十分必要，如將氣象衛(wèi)星和雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同化融入數(shù)值模式背景場(chǎng)，開展降雨集合預(yù)報(bào)等。

（2）基于“三道防線”的預(yù)報(bào)調(diào)度一體化

洪水預(yù)報(bào)和防洪調(diào)度是防汛工作的重要技術(shù)支撐。預(yù)報(bào)以調(diào)度為邊界條件提前預(yù)知洪水，調(diào)度以預(yù)報(bào)為主要依據(jù)合理安排洪水，調(diào)度調(diào)整觸發(fā)預(yù)報(bào)滾動(dòng)更新，預(yù)報(bào)更新驅(qū)動(dòng)調(diào)度實(shí)時(shí)調(diào)整。從業(yè)務(wù)邏輯層面，預(yù)報(bào)與調(diào)度相輔相成、互饋互益，本就是一體的；而在實(shí)際業(yè)務(wù)層面，預(yù)報(bào)一般由水文部門進(jìn)行作業(yè)，調(diào)度則由水旱災(zāi)害防御部門組織實(shí)施，預(yù)報(bào)調(diào)度一體化機(jī)制主要依靠“離線”人工方式實(shí)現(xiàn)，兩者融合度還不夠。現(xiàn)階段，數(shù)字孿生水利建設(shè)大力推進(jìn)，為賦能預(yù)報(bào)調(diào)度一體化從“離線”走向“在線”帶來了機(jī)遇

數(shù)字孿生水利建設(shè)背景下的預(yù)報(bào)調(diào)度一體化，應(yīng)充分發(fā)揮雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”和數(shù)字孿生水利知識(shí)平臺(tái)的支撐能力。如下圖所示，“三道防線”通過“硬件”（氣象衛(wèi)星和測(cè)雨雷達(dá)、雨量站、水文站等）和“軟件”（降雨預(yù)報(bào)模型、產(chǎn)匯流水文模型、洪水演進(jìn)水動(dòng)力學(xué)模型等）耦合應(yīng)用，形成貫通“云雨水”、覆蓋“天空地水工”的完整監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)鏈條，是實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化在線的關(guān)鍵基礎(chǔ)。水利知識(shí)平臺(tái)通過定制訓(xùn)練，掌握了現(xiàn)有調(diào)度方案預(yù)案、歷史調(diào)度案例、調(diào)度經(jīng)驗(yàn)習(xí)慣、調(diào)度對(duì)象關(guān)聯(lián)關(guān)系等調(diào)度領(lǐng)域知識(shí)，具備了調(diào)度方案動(dòng)態(tài)生成能力，是實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化在線的智能核心。知識(shí)平臺(tái)依據(jù)“三道防線”提供的雨水情信息，對(duì)當(dāng)前防汛形勢(shì)進(jìn)行解析，推理生成推薦的預(yù)見期調(diào)度方案，驅(qū)動(dòng)水文水動(dòng)力學(xué)模型模擬預(yù)見期洪水過程。當(dāng)預(yù)演結(jié)果不符合預(yù)期調(diào)度目標(biāo)，請(qǐng)求知識(shí)平臺(tái)再次推薦預(yù)見期調(diào)度方案，以此循環(huán)；若符合預(yù)期則提交會(huì)商決策，形成正式調(diào)度方案。調(diào)度方案在執(zhí)行過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行效果評(píng)估，如無法達(dá)到預(yù)期調(diào)度目標(biāo)應(yīng)適時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)；對(duì)于執(zhí)行效果好的調(diào)度方案，應(yīng)反饋至知識(shí)平臺(tái)，進(jìn)一步增強(qiáng)未來調(diào)度方案的生成能力

基于“三道防線”和知識(shí)平臺(tái)的預(yù)報(bào)調(diào)度一體化框架

①預(yù)報(bào)模型實(shí)時(shí)交互技術(shù)

隨著“三道防線”建設(shè)的加快推進(jìn)，流域下墊面遙感、水文實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、水工程調(diào)度運(yùn)行等多源數(shù)據(jù)高頻匯集，形成豐富的算據(jù)資源。將反映物理流域最新狀態(tài)的監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)融入“三道防線”產(chǎn)匯流水文預(yù)報(bào)模型、水動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)模型，動(dòng)態(tài)干預(yù)模型運(yùn)行軌跡，促進(jìn)預(yù)報(bào)滾動(dòng)迭代，有助于提高預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度和可靠性

數(shù)據(jù)同化是將多源監(jiān)測(cè)信息應(yīng)用于模型模擬預(yù)報(bào)的一種有效手段，被公認(rèn)是提高模型模擬預(yù)報(bào)精度、量化不確定性方面最具前途的方法。“三道防線”監(jiān)測(cè)感知信息不僅可以作為輸入直接驅(qū)動(dòng)預(yù)報(bào)模型，還可以通過數(shù)據(jù)同化實(shí)現(xiàn)與模型更深層次的交互。上圖中，預(yù)報(bào)模型可以看作是由一組包含狀態(tài)和參數(shù)的方程構(gòu)成，與模型的實(shí)時(shí)交互實(shí)際上是對(duì)其狀態(tài)和參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。數(shù)據(jù)同化基于最優(yōu)控制、誤差估計(jì)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，通過不斷引入新的實(shí)測(cè)信息，尋求預(yù)報(bào)模型狀態(tài)或參數(shù)的最優(yōu)解并反饋至模型，從而達(dá)到減小預(yù)報(bào)誤差、獲得更高精度預(yù)報(bào)結(jié)果的目的。

土壤濕度是流域洪水預(yù)報(bào)模型重要的狀態(tài)變量，對(duì)預(yù)報(bào)精度影響極大。挖掘利用“第一道防線”衛(wèi)星遙感反演土壤濕度和土壤墑情站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效信息，借助數(shù)據(jù)同化技術(shù)，改進(jìn)預(yù)報(bào)模型土壤濕度狀態(tài)模擬。由于衛(wèi)星遙感反演土壤濕度僅能反映表層情況，必要時(shí)需向深層進(jìn)行推算，以符合預(yù)報(bào)模型土壤濕度狀態(tài)變量的物理意義。“第三道防線”水文站實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)本站洪水，一方面可實(shí)現(xiàn)向下游的洪水演進(jìn)傳導(dǎo)預(yù)報(bào)；另一方面可與“第一道防線”“第二道防線”產(chǎn)匯流水文預(yù)報(bào)模型交互，將最新的徑流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不斷同化至模型內(nèi)部，滾動(dòng)優(yōu)化模型狀態(tài)，進(jìn)而提高洪水預(yù)報(bào)精度。

②正反向預(yù)報(bào)調(diào)度模擬技術(shù)

水利部印發(fā)的《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”基本技術(shù)要求（試行）》中指出，流域防洪前瞻預(yù)演應(yīng)同時(shí)具備“正向”與“反向”功能。正反向預(yù)演的關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)、快速且精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)調(diào)度模擬，在洪水預(yù)報(bào)由傳統(tǒng)水文水動(dòng)力要素預(yù)報(bào)向風(fēng)險(xiǎn)要素預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變、洪水預(yù)警由閾值預(yù)警向風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警轉(zhuǎn)變的背景下，氣象、水文、水動(dòng)力等多過程耦合模擬成為趨勢(shì)，同時(shí)也面臨速度與精度的雙重挑戰(zhàn)。目前，主要有三種正反向預(yù)報(bào)調(diào)度模擬方法展現(xiàn)出一定的實(shí)用效果與推廣潛力。

基于超額水量分配與輪庫補(bǔ)償?shù)姆聪騼?yōu)化調(diào)度：主要用于流域水庫群防洪聯(lián)合調(diào)度。從防洪控制斷面的超額水量出發(fā)，依據(jù)水庫的空間位置、空閑庫容、入庫洪水過程、后續(xù)防洪形勢(shì)等因素，確定各水庫的超額水量分配額度，將超額水量分配給各水庫，通過水庫群輪庫補(bǔ)償調(diào)度，達(dá)到給控制斷面削減洪峰的目的。

基于水文水動(dòng)力過程概化與多目標(biāo)聯(lián)合的反向優(yōu)化調(diào)度：數(shù)字孿生永定河利用多元回歸、曲線擬合等方法概化河道洪水演進(jìn)及泛區(qū)口門分洪過程，以河道流量預(yù)測(cè)泛區(qū)口門流量，將單次洪水計(jì)算時(shí)長由水力學(xué)的8min壓縮至0.08s；基于差分進(jìn)化算法對(duì)全河段11個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，借助并行加速計(jì)算，支持實(shí)時(shí)決策。

基于靜態(tài)-動(dòng)態(tài)變量解耦的洪澇風(fēng)險(xiǎn)快速模擬：適用于水工程調(diào)度控制的水網(wǎng)地區(qū)洪澇風(fēng)險(xiǎn)快速分析。在精度方面，基于精細(xì)化網(wǎng)格的水文水動(dòng)力學(xué)模型，構(gòu)建多組降雨條件下的積淹水深方案，形成插值采樣點(diǎn)；在速度方面，將靜態(tài)變量（降雨預(yù)報(bào)網(wǎng)格、水文模型匯水單元、水動(dòng)力學(xué)模型網(wǎng)格之間的空間疊置關(guān)系以及計(jì)算方案的采樣點(diǎn)等）與動(dòng)態(tài)變量（降雨量、水深等）進(jìn)行解耦處理，對(duì)于靜態(tài)變量采用離線預(yù)計(jì)算，并通過分布式數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，以提升計(jì)算性能。

2.流域防洪預(yù)案功能自優(yōu)化智能決策技術(shù)

流域防洪預(yù)案功能自優(yōu)化智能決策技術(shù)是結(jié)合防洪調(diào)度運(yùn)用方案知識(shí)圖譜，構(gòu)建防洪調(diào)度運(yùn)用方案自學(xué)習(xí)自優(yōu)化多智能體系統(tǒng)，基于歷史事件場(chǎng)景、調(diào)度規(guī)則、洪水風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)急搶險(xiǎn)等信息，適時(shí)嵌入專家經(jīng)驗(yàn)，通過自優(yōu)化互饋機(jī)制，支持調(diào)度運(yùn)用方案正向智能推薦和反向評(píng)估優(yōu)化，使其能夠根據(jù)預(yù)報(bào)、預(yù)演、實(shí)測(cè)、響應(yīng)等變化條件自優(yōu)化滾動(dòng)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)防洪調(diào)度運(yùn)用方案自生成、自評(píng)估、自優(yōu)化、自驗(yàn)證等全鏈條智能化管理，為防汛會(huì)商指揮調(diào)度提供科學(xué)合理的最優(yōu)方案比選智能支撐。流程如圖所示。

流域防洪預(yù)案功能自優(yōu)化智能決策技術(shù)流程

（1）防洪調(diào)度運(yùn)用方案事件知識(shí)圖譜

以流域防洪調(diào)度事件為驅(qū)動(dòng)，通過事件知識(shí)抽取、事件知識(shí)融合和事件知識(shí)更新，對(duì)防洪調(diào)度運(yùn)用方案的組成要素、時(shí)空變化、應(yīng)急搶險(xiǎn)和防御調(diào)度過程進(jìn)行知識(shí)圖譜構(gòu)建，為流域防洪調(diào)度運(yùn)用方案自學(xué)習(xí)自優(yōu)化提供知識(shí)化的推理支撐。調(diào)度運(yùn)用方案事件知識(shí)圖譜構(gòu)建流程主要包括知識(shí)建模、知識(shí)抽取、知識(shí)表示、知識(shí)融合。構(gòu)建流程及知識(shí)圖譜表示如下圖所示。

調(diào)度運(yùn)用方案事件知識(shí)圖譜構(gòu)建流程

調(diào)度運(yùn)用方案事件知識(shí)圖譜表示

（2）防洪調(diào)度運(yùn)用方案自學(xué)習(xí)自優(yōu)化多智能體系統(tǒng)

流域防洪調(diào)度運(yùn)用方案自學(xué)習(xí)自優(yōu)化多智能體系統(tǒng)能夠?qū)α饔蚍篮檎{(diào)度運(yùn)用方案進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)、合理性科學(xué)性評(píng)估、知識(shí)積累更新和互饋持續(xù)進(jìn)化，提高流域防洪調(diào)度指揮的適應(yīng)性、靈活性、準(zhǔn)確性和科學(xué)性。系統(tǒng)包括核心智能體、方案匹配智能體、方案評(píng)估智能體、自學(xué)習(xí)智能體和自優(yōu)化智能體。核心智能體負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)各個(gè)智能體，其他智能體通過核心智能體交互模塊調(diào)用，用于執(zhí)行特定規(guī)劃任務(wù)。組成結(jié)構(gòu)如圖所示。

防洪調(diào)度運(yùn)用方案自學(xué)習(xí)自優(yōu)化多智能體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

①核心智能體

核心智能體負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)各個(gè)智能體，主要包含規(guī)劃、記憶、動(dòng)作、工具、感知和交互六個(gè)模塊。其組成結(jié)構(gòu)如圖所示。

防洪調(diào)度運(yùn)用方案自學(xué)習(xí)自優(yōu)化核心智能體組成結(jié)構(gòu)

規(guī)劃模塊是核心智能體的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)將防洪調(diào)度運(yùn)用方案優(yōu)化任務(wù)分解成自學(xué)習(xí)規(guī)劃、自優(yōu)化規(guī)劃、方案經(jīng)驗(yàn)積累、方案優(yōu)化改進(jìn)、方案推薦改進(jìn)等步驟，并高效地分配資源和調(diào)度任務(wù)執(zhí)行順序。記憶模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、管理和讀取上下文數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，包括調(diào)度方案樣本庫、推薦庫、歷史場(chǎng)景庫、業(yè)務(wù)規(guī)則庫、專家經(jīng)驗(yàn)庫和自學(xué)習(xí)自優(yōu)化訓(xùn)練的匹配權(quán)重參數(shù)等。動(dòng)作模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理、方案自動(dòng)生成、最優(yōu)方案推薦和參數(shù)調(diào)整設(shè)置等動(dòng)作。工具模塊包括方案匹配算法、方案評(píng)估算法、方案優(yōu)化算法、方案推薦算法和數(shù)據(jù)同化等工具。感知模塊負(fù)責(zé)感知自學(xué)習(xí)自優(yōu)化過程中指令變化，以更好地完成任務(wù)和適應(yīng)極端天氣和突發(fā)潰壩潰口等情況，包括應(yīng)急響應(yīng)觸發(fā)、專家參與觸發(fā)、數(shù)據(jù)同化觸發(fā)、預(yù)演功能觸發(fā)、學(xué)習(xí)訓(xùn)練觸發(fā)和其他智能體觸發(fā)。交互模塊負(fù)責(zé)與其他智能體進(jìn)行交互調(diào)用。

②方案匹配智能體

方案匹配智能體根據(jù)預(yù)報(bào)洪水量級(jí)、預(yù)演風(fēng)險(xiǎn)范圍、工程調(diào)度建議方案、應(yīng)急預(yù)案等信息，利用調(diào)度方案匹配/優(yōu)化算法和知識(shí)圖譜事件屬性相似度計(jì)算，結(jié)合歷史事件場(chǎng)景、調(diào)度規(guī)則和專家經(jīng)驗(yàn)等已有經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，對(duì)工程調(diào)度建議方案及應(yīng)急預(yù)案或調(diào)度運(yùn)用方案樣本知識(shí)進(jìn)行知識(shí)智能推理，自動(dòng)生成調(diào)度運(yùn)用方案，實(shí)現(xiàn)調(diào)度運(yùn)用方案正向智能構(gòu)建。

③方案評(píng)估智能體

方案評(píng)估智能體包括合理性評(píng)估和優(yōu)化性評(píng)估。一方面對(duì)自學(xué)習(xí)智能體生成的調(diào)度運(yùn)用方案樣本知識(shí)進(jìn)行方案合理性評(píng)估，具體包括方案可行性評(píng)估（評(píng)估工程調(diào)度設(shè)施的可用性、人員轉(zhuǎn)移路線和物資準(zhǔn)備情況等）、適應(yīng)性評(píng)估（應(yīng)對(duì)不同洪水場(chǎng)景的適應(yīng)能力）等。另一方面對(duì)自優(yōu)化智能體生成的調(diào)度運(yùn)用方案進(jìn)行方案優(yōu)化性評(píng)估，包括靈活性評(píng)估（應(yīng)對(duì)極端天氣事件或突發(fā)潰壩潰口事件能力）、風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估（評(píng)估水庫超蓄水位風(fēng)險(xiǎn)、下游防洪堤防安全風(fēng)險(xiǎn)）和效益性評(píng)估（評(píng)估防洪調(diào)度對(duì)于減少淹沒面積、受淹人口和經(jīng)濟(jì)損失的貢獻(xiàn)）等。同時(shí)，實(shí)時(shí)感知突發(fā)潰壩潰口事件或應(yīng)急搶險(xiǎn)過程中的其他突發(fā)事件，結(jié)合突發(fā)事件新增預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同化，自動(dòng)觸發(fā)反向預(yù)演功能及滾動(dòng)優(yōu)化，對(duì)調(diào)度運(yùn)用方案進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化、多指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和多維度效益分析。

④自學(xué)習(xí)智能體

自學(xué)習(xí)智能體根據(jù)核心智能體的訓(xùn)練配置信息及自學(xué)習(xí)規(guī)劃任務(wù)，負(fù)責(zé)對(duì)生成的初步調(diào)度運(yùn)用方案進(jìn)行滾動(dòng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，學(xué)習(xí)不同時(shí)間、不同地點(diǎn)、不同成因、不同類型條件下的流域防洪調(diào)度運(yùn)用知識(shí)，不斷積累調(diào)度運(yùn)用方案自學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)調(diào)度運(yùn)用方案匹配生成提供豐富多樣、可借鑒、可復(fù)制的樣本。

⑤自優(yōu)化智能體

自優(yōu)化智能體根據(jù)核心智能體的自優(yōu)化規(guī)劃任務(wù)，負(fù)責(zé)對(duì)多次學(xué)習(xí)訓(xùn)練后生成或初步推薦的調(diào)度運(yùn)用方案進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。同時(shí)，自優(yōu)化智能體通過實(shí)時(shí)感知自優(yōu)化過程中突發(fā)事件觸發(fā)、應(yīng)急響應(yīng)觸發(fā)、數(shù)據(jù)同化觸發(fā)等環(huán)境變化，實(shí)現(xiàn)與方案評(píng)估智能體的互饋交互，不斷完善優(yōu)化策略，進(jìn)一步提升調(diào)度運(yùn)用方案的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

流域防洪“四預(yù)”典型應(yīng)用構(gòu)建

1.具有發(fā)電功能的水利工程調(diào)度解決方案

（1）具有發(fā)電功能的水利工程調(diào)度業(yè)務(wù)需求分析

具有發(fā)電功能的水利工程主要任務(wù)是在保證工程安全的前提下，充分發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運(yùn)、水資源利用等綜合效益，“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用是發(fā)揮水利工程綜合效益的主要抓手。防洪調(diào)度方面，“四預(yù)”應(yīng)用需求較為廣泛：一是利用雨水情超前預(yù)報(bào)，合理制定調(diào)度計(jì)劃，指導(dǎo)水庫運(yùn)行；二是利用相關(guān)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)用水利專業(yè)模型進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水、庫水位漲幅、入庫泥沙等進(jìn)行預(yù)警；三是調(diào)用水利專業(yè)模型，結(jié)合雨情、水情和工情等，對(duì)水利工程調(diào)度運(yùn)用進(jìn)行模擬仿真，模擬風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)和影響，迭代優(yōu)化調(diào)度方案；四是根據(jù)預(yù)演結(jié)果，結(jié)合知識(shí)庫，制定調(diào)度決策預(yù)案。傳統(tǒng)水利工程在信息化建設(shè)時(shí)，通常未按照“四預(yù)”業(yè)務(wù)內(nèi)涵和技術(shù)要求設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程和目標(biāo)，尤其在防洪“四預(yù)”的應(yīng)用上存在短板。

（2）具有發(fā)電功能的水利工程調(diào)度業(yè)務(wù)流程梳理

具有發(fā)電功能的水利工程調(diào)度是一個(gè)復(fù)雜的業(yè)務(wù)體系，其業(yè)務(wù)流程總體按“氣流—水流—電流”的流向開展，主要包括降雨預(yù)報(bào)、水文預(yù)報(bào)、水庫調(diào)度方案制定、發(fā)電計(jì)劃制定與執(zhí)行、水庫實(shí)時(shí)（應(yīng)急）調(diào)度等多個(gè)環(huán)節(jié)。其中預(yù)報(bào)入庫流量和預(yù)報(bào)出庫流量之差是計(jì)算和制定電廠發(fā)電計(jì)劃的關(guān)鍵輸入，實(shí)時(shí)（應(yīng)急）調(diào)度以調(diào)整發(fā)電計(jì)劃、閘門運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)而改變出庫流量為手段，水利工程的水庫調(diào)度和電力調(diào)度是有機(jī)結(jié)合、不可分割的整體。其具體流程如圖所示。

具有發(fā)電功能的水利工程調(diào)度業(yè)務(wù)流程

降雨預(yù)報(bào)是實(shí)現(xiàn)水文預(yù)報(bào)的前提。按預(yù)見期的長短，氣象預(yù)報(bào)主要開展流域短時(shí)臨近降雨預(yù)報(bào)、短期面雨量預(yù)報(bào)。

水文預(yù)報(bào)是制作水庫調(diào)度方案的輸入。短期水文預(yù)報(bào)預(yù)見期一般為數(shù)小時(shí)至數(shù)天，基于流域內(nèi)“落地雨”和上游河道斷面流量，根據(jù)上游水庫調(diào)蓄和氣象預(yù)報(bào)，每日滾動(dòng)降雨徑流預(yù)報(bào)和河段洪水預(yù)報(bào)。

水庫調(diào)度方案體現(xiàn)了工程的調(diào)度目標(biāo)。在調(diào)度規(guī)程范圍內(nèi)，考慮到水利工程防洪、航運(yùn)、發(fā)電、電網(wǎng)運(yùn)行等復(fù)雜調(diào)度目標(biāo)，編制長中短期調(diào)度方案，指導(dǎo)水庫消落期、汛期、蓄水期等不同時(shí)期的調(diào)度工作，并提高水電站發(fā)電效益。

對(duì)水庫調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)化可提高工程的綜合效益。通過建立水電站長中短期優(yōu)化調(diào)度（發(fā)電量最大、收益最大、棄水量最小）模型，將防洪、航運(yùn)、供水等目標(biāo)轉(zhuǎn)化為模型的約束條件，以水量平衡原理為基礎(chǔ)，考慮不同時(shí)段水庫水位、水量、出庫流量、出力、機(jī)組振動(dòng)區(qū)、左右廠分電比例、電價(jià)等條件對(duì)模型求解。

發(fā)電計(jì)劃是銜接水與電的橋梁。根據(jù)以水定電原則，通過讀取徑流預(yù)報(bào)、出庫預(yù)報(bào)成果，計(jì)算并制作電站全廠發(fā)電計(jì)劃。發(fā)電計(jì)劃制作完成后，報(bào)電網(wǎng)調(diào)度審核、批準(zhǔn)，待其下達(dá)正式計(jì)劃后遵照?qǐng)?zhí)行。

水庫實(shí)時(shí)（應(yīng)急）調(diào)度是應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的手段。在發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，應(yīng)在保證樞紐安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，在調(diào)度規(guī)程、水庫調(diào)度應(yīng)急預(yù)案的指導(dǎo)下調(diào)整水庫的出庫流量，并重新計(jì)算電站全廠總出力，調(diào)整發(fā)電計(jì)劃，報(bào)電網(wǎng)調(diào)度審核、批準(zhǔn)后執(zhí)行。

（3）具有發(fā)電功能的水利工程調(diào)度業(yè)務(wù)流程優(yōu)化

通過對(duì)現(xiàn)有降雨預(yù)報(bào)—水文預(yù)報(bào)—調(diào)度方案—發(fā)電計(jì)劃—實(shí)時(shí)調(diào)度業(yè)務(wù)鏈條的梳理，可在不對(duì)整體業(yè)務(wù)流程進(jìn)行大規(guī)模改造的前提下，引入“三道防線”驅(qū)動(dòng)、“正向—反向—正向”預(yù)演、預(yù)案自優(yōu)化智能決策等流程，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程再造，提升防洪調(diào)度智能決策水平（見下圖）。

具有發(fā)電功能的水利工程調(diào)度業(yè)務(wù)流程優(yōu)化

擴(kuò)展與加密降雨預(yù)報(bào)、水文預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)輸入。通過引入“三道防線”的各類多源數(shù)據(jù)，并耦合產(chǎn)匯流模型、洪水演進(jìn)模型、水文水動(dòng)力學(xué)模型等，實(shí)現(xiàn)從“落地雨”到“云中雨”預(yù)報(bào)的轉(zhuǎn)變，以提高預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度，延長預(yù)見期。同時(shí)，配置高頻滾動(dòng)自動(dòng)預(yù)報(bào)，強(qiáng)化短臨強(qiáng)降雨的捕捉和預(yù)報(bào)能力，其預(yù)報(bào)結(jié)果作為預(yù)演的數(shù)據(jù)輸入，提高緊急情況下的響應(yīng)效率。

提高預(yù)警精準(zhǔn)度，業(yè)務(wù)流程不作改變。水利工程發(fā)布的預(yù)警對(duì)象包括水利部、流域管理機(jī)構(gòu)、工程運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)等，通常不包含社會(huì)公眾。“三道防線”提高了監(jiān)測(cè)預(yù)警、預(yù)報(bào)預(yù)警的前瞻性和及時(shí)性，“正向—反向—正向”預(yù)演提高了工程在影響范圍內(nèi)預(yù)警的準(zhǔn)確性，但總體并未改變業(yè)務(wù)流程。

預(yù)演賦能水庫調(diào)度方案制作、水庫應(yīng)急調(diào)度流程。一是在水庫調(diào)度方案制定前增加“正向—反向—正向”預(yù)演流程，正向預(yù)演斷面水文水動(dòng)力過程和水利工程群調(diào)度過程，并考慮上下游洪水風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)與影響，形成調(diào)度方案集；反向預(yù)演超額水量在水庫群的分配和錯(cuò)峰、蓄滯洪區(qū)的啟用時(shí)機(jī)等，推演調(diào)度目標(biāo)約束下、現(xiàn)狀工程體系下的最優(yōu)動(dòng)態(tài)調(diào)度方案；基于最優(yōu)方案，再次正向預(yù)演現(xiàn)狀與應(yīng)急狀態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)和影響，并重點(diǎn)關(guān)注是否會(huì)產(chǎn)生堤防潰決及漫溢風(fēng)險(xiǎn)，以及是否有新的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)引入工程影響范圍。二是在發(fā)生緊急情況時(shí)，對(duì)工程調(diào)度決策方案進(jìn)行預(yù)演，重點(diǎn)關(guān)注斷面水文水動(dòng)力過程和工程影響范圍內(nèi)的變化過程，預(yù)估應(yīng)急處置效果。通過“正向—反向—正向”預(yù)演形成最終調(diào)度方案，其輸出的預(yù)報(bào)出庫流量作為發(fā)電計(jì)劃制作和調(diào)整時(shí)的輸入，以計(jì)算全廠總出力。

預(yù)案自動(dòng)化生成與優(yōu)化，使調(diào)度決策方案更加智能。增加工程調(diào)度決策方案自優(yōu)化過程，實(shí)現(xiàn)工程調(diào)度決策方案的自動(dòng)生成與自動(dòng)優(yōu)化。在發(fā)生緊急情況時(shí)，自動(dòng)推薦水庫調(diào)度方案，通過對(duì)方案進(jìn)行預(yù)演，預(yù)估水利工程運(yùn)用的次序、時(shí)機(jī)、規(guī)則，以及物料設(shè)備調(diào)配、查險(xiǎn)搶險(xiǎn)、人員轉(zhuǎn)移等措施的需求，驗(yàn)證決策方案的科學(xué)性與合理性，輔助應(yīng)急處置工作。

（4）防洪“四預(yù)”在三峽工程中的應(yīng)用案例

三峽水利樞紐工程位于長江干流西陵峽河段。三峽工程正常蓄水位175m，汛期防洪限制水位145m，枯期最低消落水位155m。防洪方面，三峽工程可將荊江河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)由約10年一遇提高到100年一遇，遭遇大于1000年一遇特大洪水時(shí)，輔以其他措施可防止發(fā)生毀滅性災(zāi)害；發(fā)電方面，34臺(tái)機(jī)組總裝機(jī)容量2250萬kW，設(shè)計(jì)多年平均年發(fā)電量882億kW·h，對(duì)緩和華中、華東、華南地區(qū)能源緊張狀況有重要作用；航運(yùn)方面，可改善長江特別是川江渝宜段（重慶—宜昌）的航道條件，對(duì)促進(jìn)西南與華中、華東地區(qū)的物資交流和發(fā)展長江航運(yùn)事業(yè)具有積極作用。

①防洪“四預(yù)”建設(shè)應(yīng)用現(xiàn)狀

通過數(shù)字孿生三峽建設(shè)，在數(shù)據(jù)底板建設(shè)、大壩安全監(jiān)測(cè)、流域梯級(jí)預(yù)報(bào)與調(diào)度等方面取得了階段性成果，其總體架構(gòu)如圖所示。

數(shù)字孿生三峽總體架構(gòu)

在監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，實(shí)時(shí)匯集了長江流域不同類型的監(jiān)測(cè)要素，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息融合預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)、全面、準(zhǔn)確地掌握流域態(tài)勢(shì)，為開展調(diào)度預(yù)演提供支撐。

在預(yù)報(bào)模擬方面，研發(fā)了自主可控的機(jī)理、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能算法、預(yù)報(bào)調(diào)度等40余套各類專業(yè)模型，完成了全流域40余條河系共計(jì)約400個(gè)節(jié)點(diǎn)、1000余套預(yù)報(bào)方案的體系構(gòu)建，支撐全流域水模擬高效運(yùn)算。

在調(diào)度預(yù)演方面，以洪水預(yù)演為例，構(gòu)建包含調(diào)度目標(biāo)、預(yù)演節(jié)點(diǎn)、邊界條件等在內(nèi)的預(yù)演場(chǎng)景，并基于水文模型、水動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建洪水演進(jìn)方案，形成調(diào)度方案。在調(diào)度分析過程中，根據(jù)調(diào)度方案對(duì)洪水影響區(qū)進(jìn)行預(yù)演，同步對(duì)三峽工程的防洪、航運(yùn)和發(fā)電等綜合效益進(jìn)行分析，以優(yōu)化調(diào)度方案。在預(yù)演仿真過程中，通過對(duì)洪水災(zāi)害或風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)展變化和水利工程調(diào)度運(yùn)用過程的可視化模擬，實(shí)現(xiàn)事件的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)展示，并參考調(diào)度規(guī)則、典型歷史案例、專家經(jīng)驗(yàn)和智能分析等，優(yōu)化確定水利工程運(yùn)行調(diào)度方案，進(jìn)一步提升了以三峽工程為核心的流域防洪調(diào)度決策水平。

②防洪“四預(yù)”建設(shè)優(yōu)化提升方向

技術(shù)層面，強(qiáng)化“三道防線”應(yīng)用，推進(jìn)降雨預(yù)報(bào)模型、產(chǎn)匯流水文模型、洪水演進(jìn)水動(dòng)力學(xué)模型耦合，實(shí)現(xiàn)從“落地雨”預(yù)報(bào)向“云中雨”預(yù)報(bào)的延伸，延長洪水預(yù)見期，提高洪水預(yù)報(bào)精度；提升“正向—反向—正向”預(yù)演能力，推演水利工程運(yùn)用次序、時(shí)機(jī)和規(guī)模，實(shí)現(xiàn)流域整體最優(yōu)的水利工程調(diào)控。

系統(tǒng)層面，以“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”為目標(biāo)，構(gòu)建“智慧態(tài)勢(shì)感知—智能‘四預(yù)’調(diào)度—日常運(yùn)維管理”三層應(yīng)用體系，提升數(shù)字孿生三峽的應(yīng)急指揮決策能力、空間數(shù)據(jù)底板編輯能力、自定義預(yù)演能力，以擴(kuò)大數(shù)字孿生三峽用戶范圍，并持續(xù)開展“四預(yù)”功能優(yōu)化迭代。

智能化層面，采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，應(yīng)用多智能體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于歷史場(chǎng)景、業(yè)務(wù)規(guī)則、專家經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)生成和智能推薦防洪調(diào)度方案，為防汛會(huì)商及指揮調(diào)度提供精細(xì)化、智能化、科學(xué)化的決策支撐。

2.洞庭湖流域防洪“四預(yù)”解決方案

（1）防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)需求分析

①洞庭湖流域防洪特點(diǎn)

洞庭湖區(qū)為典型的平原水網(wǎng)區(qū)，水系錯(cuò)綜復(fù)雜，干支流洪峰遭遇極易造成大洪水或特大洪水，受長江洪水頂托影響，高洪水位持續(xù)時(shí)間長，加之堤防多為沙基軟基，防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，易造成管涌甚至潰堤等較嚴(yán)重災(zāi)害。以三峽水庫為核心的干支流水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度體系建成后，通過水庫調(diào)洪蓄洪削峰減少了城陵磯附近地區(qū)超額洪量，緩解了洞庭湖區(qū)防洪壓力。但長江水庫群調(diào)節(jié)后洪水持續(xù)時(shí)間延長，與湘資沅澧“四水”入湖洪水疊加的概率增加；同時(shí)，上游水庫清水下泄導(dǎo)致沙市至螺山段洪水坡降減小，螺山站水位流量關(guān)系發(fā)生較大變化，螺山泄流能力的改變使洞庭湖流域防洪面臨新挑戰(zhàn)。

近年來極端氣候影響下的水文情勢(shì)變化是洞庭湖洪水泛濫的重要原因。2020年在長江上游來水偏大、“四水”來水一般的情況下，城陵磯站水位34.74m，洞庭湖超警戒水位55站次、超保證水位15站次，湖區(qū)堤防抵擋高洪水位2個(gè)月，發(fā)生險(xiǎn)情2300處。2024年湘江、資水、沅水及洞庭湖區(qū)共發(fā)生11次編號(hào)洪水，全省46條河流超警戒水位171站次，12條河流超保證水位19站次，6條河流超歷史實(shí)測(cè)最高水位7站次，洞庭湖區(qū)團(tuán)洲垸、湘江支流涓水流域發(fā)生堤防決口險(xiǎn)情。內(nèi)外交加使得洞庭湖流域的防洪形勢(shì)變得更加復(fù)雜。

②防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)需求

在防洪“四預(yù)”方面，目前湖南省對(duì)預(yù)報(bào)、預(yù)警工作已出臺(tái)工作規(guī)定，但是對(duì)如何開展防洪預(yù)演、怎樣進(jìn)行預(yù)案優(yōu)化決策尚缺乏明確的制度安排。

洞庭湖流域防洪“四預(yù)”相關(guān)業(yè)務(wù)需求主要體現(xiàn)在：預(yù)報(bào)方面，需要充分利用雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”開展降雨和水文預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)延長預(yù)見期和提高預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度的有機(jī)統(tǒng)一，為預(yù)警轉(zhuǎn)移爭取寶貴時(shí)間，為預(yù)演預(yù)案提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。預(yù)警方面，預(yù)警信息需要通過防洪“四預(yù)”應(yīng)用多渠道直達(dá)一線和社會(huì)公眾，利用地理信息和遙感技術(shù)精準(zhǔn)定位洪水災(zāi)害可能影響的區(qū)域，根據(jù)受影響區(qū)域的地理特征和人口分布，確定預(yù)警信息的發(fā)布范圍和對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)影響人群的靶向精準(zhǔn)預(yù)警，并建立預(yù)警反饋機(jī)制，評(píng)估預(yù)警效果。預(yù)演方面，利用水文水動(dòng)力模型、水利工程調(diào)度模型等開展正向洪水形勢(shì)和影響區(qū)域預(yù)演，以及在城陵磯、螺山水位流量約束條件下“四水”水庫、蓄洪垸等工程調(diào)度運(yùn)用的反向預(yù)演，再正向開展調(diào)度方案執(zhí)行過程推演和突發(fā)情況下（如湖區(qū)潰垸）的洪水演進(jìn)模擬。預(yù)案方面，要通過預(yù)演確定的工程調(diào)度方案制定執(zhí)行預(yù)案，實(shí)現(xiàn)調(diào)度方案自動(dòng)優(yōu)選推薦，為防汛會(huì)商決策提供科學(xué)支撐；在出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，及時(shí)有效轉(zhuǎn)移人員和財(cái)產(chǎn)是減少災(zāi)害損失的重要手段，“四預(yù)”應(yīng)用應(yīng)能模擬推演不同洪水場(chǎng)景下的避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移方案和實(shí)施效果，不斷優(yōu)化完善防汛搶險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案，為應(yīng)急搶險(xiǎn)和人員轉(zhuǎn)移安置提供科學(xué)指導(dǎo)。

（2）防洪“四預(yù)”體系應(yīng)用設(shè)計(jì)

①防洪“四預(yù)”流程應(yīng)用

根據(jù)洞庭湖流域防洪“四預(yù)”相關(guān)工作要求，基于流域防洪“四預(yù)”通用流程框架，梳理對(duì)比目前的工作流程和通用流程之間的共性與差異，針對(duì)洞庭湖吞吐長江、洪水遭遇組合復(fù)雜、一線堤防堤線長、蓄滯洪區(qū)可聯(lián)合運(yùn)用等特點(diǎn)，進(jìn)行洞庭湖流域防洪“四預(yù)”流程優(yōu)化設(shè)計(jì)。

預(yù)報(bào)方面，以“三道防線”為基礎(chǔ)，通過多技術(shù)手段收集數(shù)據(jù)，強(qiáng)調(diào)防住為王、“預(yù)”字當(dāng)先、“實(shí)”字托底，將獲取的數(shù)據(jù)利用水文模型、水動(dòng)力學(xué)模型分別進(jìn)行產(chǎn)匯流模擬、洪水演進(jìn)模擬，實(shí)時(shí)更新預(yù)報(bào)結(jié)果，或根據(jù)需要進(jìn)行長期、中短期、專題預(yù)報(bào)；預(yù)警方面，根據(jù)預(yù)報(bào)情況，結(jié)合預(yù)警相關(guān)管理制度規(guī)定和實(shí)地河流或工程，啟動(dòng)相應(yīng)的預(yù)警等級(jí)并由各級(jí)防汛責(zé)任部門發(fā)布；預(yù)演方面，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，結(jié)合模型邊界條件、模型調(diào)度規(guī)則和模型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮R總形成模型庫，可以用于洪水的多場(chǎng)景、多調(diào)度方案、多方案執(zhí)行過程的“正向—反向—正向”預(yù)演；預(yù)案方面，基于預(yù)演結(jié)果，可以通過持續(xù)優(yōu)化完善工程調(diào)度方案，使“四水”水庫群、湖區(qū)蓄洪垸等工程調(diào)度的規(guī)則、時(shí)機(jī)、次序更加科學(xué)合理，同時(shí)能高效組織實(shí)施，使各項(xiàng)預(yù)案要素完備、方案優(yōu)化、執(zhí)行便捷，還能通過預(yù)案明確防洪責(zé)任人、技術(shù)負(fù)責(zé)人、巡查安排、物資和人員等，使防洪過程更有序、高效和科學(xué)。優(yōu)化后的“四預(yù)”流程各環(huán)節(jié)密切協(xié)作、相互支撐，形成一個(gè)功能完備的有機(jī)整體，流程如圖所示。

洞庭湖流域防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)流程

②防洪“四預(yù)”關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

面對(duì)洞庭湖嚴(yán)峻的防洪形勢(shì)，需將“防”的關(guān)口前移，堅(jiān)持做好預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案工作，結(jié)合洞庭湖流域特點(diǎn)，形成洞庭湖流域防洪“四預(yù)”應(yīng)用方案框架，如圖所示。

洞庭湖流域防洪“四預(yù)”應(yīng)用方案框架

多源降雨數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)：洞庭湖流域面積廣闊，降雨分布不均，流域的暴雨主要集中在澧水上游區(qū)、雪峰山脈區(qū)及南嶺山脈區(qū)。由于氣象模擬的復(fù)雜性和不確定性，預(yù)報(bào)降雨和實(shí)際降雨常常存在較大偏差，湖南在全國率先開展水利測(cè)雨雷達(dá)應(yīng)用試點(diǎn)，具備利用多源數(shù)據(jù)融合開展降雨預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。通過應(yīng)用多源降雨數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)，減少單一數(shù)據(jù)源的不確定性，提高降雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)空分辨率，為后續(xù)的洪水預(yù)報(bào)和工程調(diào)度提供更為可靠的基礎(chǔ)。

融合“三道防線”的滾動(dòng)預(yù)報(bào)技術(shù)：鑒于洞庭湖流域河道湖泊眾多，流域內(nèi)地形涵蓋高山、丘陵和平原，下墊面情況復(fù)雜，且洪水遭遇組合多變，洪水預(yù)報(bào)工作面臨較大挑戰(zhàn)。滾動(dòng)預(yù)報(bào)技術(shù)利用數(shù)據(jù)同化將流域內(nèi)最新狀態(tài)的監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)融入預(yù)報(bào)模型，實(shí)時(shí)更新預(yù)報(bào)結(jié)果，反映最新的降雨和洪水情勢(shì)。通過不斷滾動(dòng)迭代更新預(yù)報(bào)，可以及時(shí)調(diào)整防洪措施，提高防洪調(diào)度的靈活性和準(zhǔn)確性。

預(yù)報(bào)調(diào)度一體化技術(shù)：洞庭湖流域的“四水”干流及其支流上具有防洪功能的水庫、水電站眾多，洞庭湖區(qū)有24個(gè)蓄洪垸，可組合成多種調(diào)度策略。預(yù)報(bào)調(diào)度一體化技術(shù)可以將洪水預(yù)報(bào)結(jié)果與防洪工程調(diào)度緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)與調(diào)度的無縫銜接，提高防洪調(diào)度的效率和效果。目前湖南初步建成了“四水”流域預(yù)報(bào)調(diào)度應(yīng)用系統(tǒng)，開展了預(yù)報(bào)調(diào)度一體化應(yīng)用嘗試，但還需進(jìn)一步加強(qiáng)研究和深化應(yīng)用，并逐步拓展至整個(gè)洞庭湖流域。

水動(dòng)力學(xué)洪水快速模擬技術(shù)：面對(duì)洞庭湖流域洪水演進(jìn)過程的復(fù)雜性，包括山丘區(qū)的陡漲陡落及平原區(qū)的緩流甚至往復(fù)流，利用水動(dòng)力學(xué)洪水快速模擬技術(shù)對(duì)洪水在河道、湖泊、蓄洪垸等多個(gè)區(qū)域的演進(jìn)過程進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的模擬，幫助決策者優(yōu)化工程調(diào)度運(yùn)用方案。

多對(duì)象調(diào)度優(yōu)化反向預(yù)演技術(shù)：在洞庭湖流域蓄洪垸聯(lián)合運(yùn)用方面，多對(duì)象調(diào)度優(yōu)化反向預(yù)演技術(shù)能夠精確模擬下游限制條件下的工程調(diào)度運(yùn)用，并準(zhǔn)確評(píng)估調(diào)度方案對(duì)防洪目標(biāo)的具體影響。通過反復(fù)進(jìn)行反向預(yù)演，可以不斷優(yōu)化調(diào)度策略，找到最佳調(diào)度方案，從而實(shí)現(xiàn)防洪效益的最大化。

工程調(diào)度方案自學(xué)習(xí)自優(yōu)化智能決策技術(shù)：鑒于洞庭湖流域防洪工程的復(fù)雜性和不確定性，智能決策技術(shù)可以自主學(xué)習(xí)歷史調(diào)度經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，優(yōu)化調(diào)度運(yùn)用方案。通過引入人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，降低人為因素導(dǎo)致的調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)防洪工程調(diào)度方案的智能優(yōu)化和決策支持。

結(jié)論與展望

1.主要結(jié)論

流域防洪“四預(yù)”既存在環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)關(guān)系，也存在隨預(yù)案執(zhí)行過程的動(dòng)態(tài)變化反饋邏輯。隨著工程調(diào)度的改變，預(yù)報(bào)結(jié)果滾動(dòng)調(diào)整，預(yù)警信息動(dòng)態(tài)更新，預(yù)演目標(biāo)和干預(yù)對(duì)象也隨之變化。流域防洪“四預(yù)”通用業(yè)務(wù)框架主要包括“三道防線”支撐滾動(dòng)預(yù)報(bào)、潛在洪水風(fēng)險(xiǎn)靶向預(yù)警、“正向—反向—正向”預(yù)演、動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度執(zhí)行預(yù)案等四大部分。

在數(shù)字孿生水利建設(shè)背景下，充分發(fā)揮氣象衛(wèi)星、測(cè)雨雷達(dá)、數(shù)值模式、雨量站各自優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建“衛(wèi)星-雷達(dá)-雨量站”三源降雨融合方案，有助于延長洪水預(yù)見期、提高洪水預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度；搭建雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”和數(shù)字孿生水利知識(shí)平臺(tái)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的預(yù)報(bào)調(diào)度一體化框架，動(dòng)態(tài)干預(yù)模型運(yùn)行軌跡，智能生成工程調(diào)度方案，有助于支撐滾動(dòng)預(yù)報(bào)和正反向預(yù)演；基于多智能體的流域防洪預(yù)案功能自優(yōu)化智能決策新模式，通過自主學(xué)習(xí)、知識(shí)推理、互饋優(yōu)化并作出最優(yōu)決策，有助于提高防洪調(diào)度運(yùn)用方案的科學(xué)性與時(shí)效性。

通過對(duì)以三峽工程為代表的具有發(fā)電功能的數(shù)字孿生工程、以洞庭湖流域?yàn)榇淼臄?shù)字孿生流域防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了“四預(yù)”業(yè)務(wù)流程具備較強(qiáng)的通用性，總體可復(fù)制、可推廣。

2.展望

①全面總結(jié)先行先試經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)防洪業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化，拓展水利行業(yè)“四預(yù)”體系。進(jìn)一步深入分析和提煉數(shù)字孿生水利先行先試項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，積極推動(dòng)防洪“四預(yù)”流程標(biāo)準(zhǔn)化，制定統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，提高各級(jí)水利部門在防汛工作中的工作效率和協(xié)同作戰(zhàn)能力。同時(shí)，不斷拓展水利行業(yè)“四預(yù)”應(yīng)用，將“四預(yù)”的理念和技術(shù)方法貫穿于水資源管理與調(diào)配、水土保持、河湖管理、水利工程建設(shè)運(yùn)行管理等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，逐步形成全面覆蓋、高效協(xié)同的智慧水利體系。

②深度耦合監(jiān)測(cè)信息與專業(yè)模型，推進(jìn)“三道防線”建設(shè)，提升流域防洪預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度與預(yù)見期。持續(xù)推進(jìn)雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”建設(shè)，重點(diǎn)做好降雨預(yù)報(bào)模型、產(chǎn)匯流水文模型、洪水演進(jìn)水動(dòng)力學(xué)模型的創(chuàng)新、研發(fā)、應(yīng)用和迭代，實(shí)現(xiàn)短期、中期、長期降雨洪水耦合預(yù)報(bào)的無縫銜接，以及延長預(yù)報(bào)預(yù)見期與提高預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度的有效統(tǒng)一，不斷提升洪水預(yù)報(bào)分析能力；重點(diǎn)強(qiáng)化有防洪任務(wù)的中小河流防洪“四預(yù)”功能，實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警全覆蓋，提升突發(fā)水事件快速應(yīng)急預(yù)報(bào)預(yù)演和風(fēng)險(xiǎn)分析能力。

③充分利用通用大模型能力，加快水利行業(yè)大模型研發(fā)，推動(dòng)流域防洪“四預(yù)”向智能化邁進(jìn)。強(qiáng)化水利行業(yè)大模型與氣象學(xué)、地理學(xué)、社會(huì)學(xué)、語言學(xué)等多學(xué)科知識(shí)融合，構(gòu)建人機(jī)協(xié)同的高效決策模式，提供更加精準(zhǔn)的延長預(yù)報(bào)、靶向預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)演和調(diào)度預(yù)案；推動(dòng)水利行業(yè)大模型與專業(yè)小模型協(xié)同建設(shè)，強(qiáng)化自學(xué)習(xí)滾動(dòng)訓(xùn)練，積累更多可復(fù)用的模型算法樣本知識(shí)和優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，為防御復(fù)雜多變的洪水和突發(fā)水災(zāi)害事件提供持續(xù)迭代優(yōu)化的“四預(yù)”智能支撐。

④系統(tǒng)整合數(shù)字孿生流域建設(shè)成果，加強(qiáng)與數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生工程的銜接，賦能支撐水旱災(zāi)害防御能力。加強(qiáng)數(shù)字孿生流域算據(jù)、算法、知識(shí)和應(yīng)用等已建成果的整合集成共享，推進(jìn)“天空地水工”一體化全要素全天候動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)感知體系建設(shè)，強(qiáng)化數(shù)字孿生流域與數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生工程之間的數(shù)據(jù)融合、模型耦合、業(yè)務(wù)協(xié)同和有機(jī)聯(lián)動(dòng)，持續(xù)提高預(yù)報(bào)精度和預(yù)演智能模擬水平，不斷優(yōu)化水旱災(zāi)害防御快速應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制和應(yīng)對(duì)措施，賦能水旱災(zāi)害防御精準(zhǔn)化決策支撐能力提升。

致謝：本研究是首屆水利部卓越水利工程師培養(yǎng)工程（數(shù)字孿生水利班）五位學(xué)員于培訓(xùn)期間，在蔡陽、朱躍龍、高玉琴、袁山水等導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的，導(dǎo)師對(duì)論文提出了許多寶貴建議，在此表達(dá)誠摯謝意。

Abstract: The “forecast, early-warning, rehearsal and contingency planning” for basin flood control, serving as the starting and ending points for the construction of digital twin basin, represents a crucial means to enhance the capability of basin flood control and ensure the safety of people’s lives and property. Under the framework of the smart water system and digital twin basin, this study designed a general process framework of the “forecast, early-warning, rehearsal and plan”for basin flood control. A dynamic mutual feedback mechanism was established, which includes rolling adjustments of forecasts driven by the implementation of the plan, dynamic updates of the early-warning, and dynamic mutual feed mechanism for the adjustment of rehearsal intervention objects. A technical framework for basin flood forecast driven by the “three lines of defense” was constructed to support rolling forecasts and forward/backward rehearsals. This study explored an “1+4” multi-agent architecture, which consists of a core intelligent agent and auxiliary intelligent agents for plan matching, plan evaluation, self-learning and self-optimization. A new intelligent decision-making mode featuring self-learning and self-optimization for basin flood control was proposed. The results can provide support for the process standardization of the “forecast, early-warning, rehearsal and contingency planning” for basin flood control, the construction and application of the “three lines of defense”,and the research and development of water conservancy large models.

Keywords: basin flood control; the “forecast, early-warning, rehearsal and contingency planning” process; the “three lines of defense”; integration of forecasting and operating; multi-agent for decision-making

本文引用格式：

何健，肖堯軒，劉國慶，等.流域防洪“四預(yù)”關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國水利，2025（7）：14-29.

封面攝影李先明

責(zé)編張瑜洪

校對(duì)李博遠(yuǎn)

審核王慧

監(jiān)制軒瑋

---

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請(qǐng)讀者僅作參考，并自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。若對(duì)該稿件內(nèi)容有任何疑問或質(zhì)疑，請(qǐng)立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應(yīng)并做處理，再次感謝您的閱讀與關(guān)注。