山洪災害是洪澇災害中最為嚴重的致傷致亡災種。2010年以來，水利部牽頭組織開展了全國山洪災害防治項目建設，創(chuàng)造性地構(gòu)建了適合我國國情、專群結(jié)合的山洪災害監(jiān)測預警體系和群測群防體系，實現(xiàn)了山洪災害防御體系從“無”到“有”的歷史性突破，發(fā)揮了顯著的防災減災效益，近十年山洪災害造成的死亡失蹤人數(shù)較項目實施之前十年減少約七成。但是，我國特殊的地形條件、人口空間分布和降雨時空不均等因素導致山洪災害風險長期存在，如何精準識別排查山洪風險隱患，針對可能發(fā)生的山洪災害及早發(fā)出精準預警，為基層責任人提前組織人員轉(zhuǎn)移提供專業(yè)技術(shù)支撐，推動山洪災害監(jiān)測預警體系提檔升級，是當前水利部門普遍面臨的新挑戰(zhàn)。
智慧水利建設是推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展六條實施路徑之一。2021年，水利部先后印發(fā)《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”智慧水利建設規(guī)劃》《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》，并要求以時不我待的緊迫感、責任感、使命感，攻堅克難、扎實工作，大力推進建設。山洪災害防治屬于智慧水利典型應用之一，前期已有較好的算據(jù)、算法、算力基礎，有望在數(shù)字化、智能化等方面有所作為，促使山洪災害防治向新階段邁進。
通過10余年來山洪災害防治項目實施，完成了全國山洪災害調(diào)查評價，劃分了53萬余個小流域，建立了山洪災害防治全要素時空數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了跨部門監(jiān)測預報信息的數(shù)據(jù)共享和協(xié)同，建成山洪災害自動監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測預警平臺，實現(xiàn)縣級與省、地市防汛計算機網(wǎng)絡和視頻會商系統(tǒng)的互聯(lián)互通，研發(fā)了缺水文資料地區(qū)分布式水文模型。已有基礎數(shù)據(jù)和開展的工作不僅能夠支持數(shù)字山洪災害防治，也可為智慧水利建設提供算據(jù)、算法、算力。1.數(shù)字孿生小流域和全要素時空數(shù)據(jù)庫——算據(jù)基礎建立了我國第一套小流域劃分規(guī)范標準和編碼系統(tǒng)，完成了全國53萬余個小流域的劃分，提取了每個小流域75項基本屬性和300余萬條溝道、河流的基本特征，形成小流域初級階段的數(shù)字孿生。構(gòu)建了山洪災害防御時空信息數(shù)據(jù)模型與多維數(shù)據(jù)立方體，收集全國6萬多個山洪雨水情監(jiān)測站點和5萬個氣象多要素站實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，建成了全國山洪災害防御全要素時空數(shù)據(jù)庫，為數(shù)字山洪防治提供了算據(jù)基礎。
▲數(shù)字山洪防治的算據(jù)基礎
基于流域拓撲關系、氣象水文分區(qū)特征，從降雨插值計算、蒸散發(fā)計算、小流域洪水分析特點出發(fā)，結(jié)合基于網(wǎng)格的分布式山洪模擬技術(shù)建立了全國—流域片—模型集群—中小流域—子流域單元—網(wǎng)格的分層耦合模型框架，在全國劃分了132個山洪預報預警一級分區(qū)和5215個分布式山洪模擬模型單元組。其中，具有代表性的分布式山洪模擬模型包括時空變源混合產(chǎn)流模型和中國山洪水文模型（CNFF-HM）。時空變源混合產(chǎn)流模型適用于地形多樣、產(chǎn)流機制復雜的山區(qū)小流域山洪模擬；中國山洪水文模型采用模塊化建模技術(shù)，集成各類非線性產(chǎn)匯流算法，通過模擬對象與水文過程算法的松散耦合，滿足不同水文—地質(zhì)—氣候類型地區(qū)山洪模擬模型建模需要。3.監(jiān)測預警系統(tǒng)——算力基礎截至2021年，全國山洪災害自動監(jiān)測站點達13.2萬個，其中山洪災害防治項目建有7.7萬個，共享氣象水文部門站點5.5萬個。與山洪災害防治項目建設之初相比，全國自動監(jiān)測站點數(shù)量增加約21倍，最小報汛時段縮短到5min，監(jiān)測數(shù)據(jù)入庫時間縮短到5～10min，數(shù)據(jù)信息量增加100余倍。建成國家級、7個流域機構(gòu)級、30個省級（含新疆生產(chǎn)建設兵團）、305個地市級和2076個縣級的山洪災害監(jiān)測預警（或監(jiān)測預警信息管理）平臺，在縣級基本實現(xiàn)了雨水情自動監(jiān)測、實時監(jiān)視、預警信息生成和發(fā)布、責任人和預案管理、統(tǒng)計查詢等功能，實現(xiàn)縣級與省級、地市級防汛計算機網(wǎng)絡和視頻會商系統(tǒng)的互聯(lián)互通，提升了基層信息化水平。多數(shù)省份已進行省級監(jiān)測預警平臺鞏固升級，實現(xiàn)了“一級部署、多級應用”，開展了省級山洪災害風險預報預警服務和預警信息社會化發(fā)布。國家級、福建省等平臺采用了山洪小流域洪水并行計算架構(gòu)，十萬量級小流域洪水模擬計算時間不超過1min，能夠滿足山洪災害精細化預報預警的時效性要求。2010—2015年，我國開始以縣級為重點，以實時監(jiān)測預警為手段，按照雨水情監(jiān)測→縣級平臺信息入庫→預警判定→通過短信網(wǎng)關（或預警廣播）向鄉(xiāng)鎮(zhèn)或村責任人發(fā)布預警的流程，建設各級山洪災害監(jiān)測預警平臺，同時將監(jiān)測和預警信息共享上報至市級、省級和國家級平臺，部、省、市、縣四級實現(xiàn)了互聯(lián)互通。山洪災害監(jiān)測預警平臺主要由水利專網(wǎng)、服務器、軟件、數(shù)據(jù)庫、GIS平臺、短信網(wǎng)關等組成，主要功能包括基礎信息查詢、水雨情信息查詢、水雨情監(jiān)視預警、應急響應及快報、值班管理和系統(tǒng)管理等?？h級以上層級的平臺主要承擔縣級的監(jiān)督管理和防御指導職責。通過建設山洪災害監(jiān)測預警平臺，實現(xiàn)防汛指揮系統(tǒng)向縣級延伸，部分重點區(qū)域還將防汛計算機網(wǎng)絡、視頻延伸到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，填補了基層防汛指揮系統(tǒng)的空白，極大提升了基層信息化水平。這一階段的山洪災害防治及監(jiān)測預警平臺可概括為：從零起步、縣為主體、分散部署、靜態(tài)預警指標、實時監(jiān)測預警，可稱為山洪災害防治“1.0”。2016—2021年，隨著山洪災害調(diào)查評價成果特別是全國53萬余個小流域劃分成果全面應用，同時為了解決分散部署而導致的基層運行維護管理困難、預警指標不夠精準、預警覆蓋面不足等實際問題，提出了“利用山洪災害調(diào)查評價工作底圖，一級部署、多級應用，實現(xiàn)動態(tài)預警，強化在線監(jiān)管和社會化服務，建立多階段梯次化預警體系”的思路，水利部制定了《省級山洪災害監(jiān)測預報預警平臺技術(shù)要求》，各地開始鞏固提升省級監(jiān)測預警平臺。其中，福建省在構(gòu)建分布式水文模型集群、建立時空大數(shù)據(jù)等方面做了探索，積累了經(jīng)驗。福建省在省級監(jiān)測預警平臺上對9077個小流域?qū)崿F(xiàn)了初級數(shù)字映射，構(gòu)建了10個水文模型集群和108個分布式水文模型單元，創(chuàng)建了山丘區(qū)洪水實時連續(xù)模擬業(yè)務化應用系統(tǒng)；形成了覆蓋全省的包含123589個對象、22類拓撲結(jié)構(gòu)、1372471對關聯(lián)關系的山洪災害防御時空大數(shù)據(jù)；研發(fā)了覆蓋全省的24h氣象預警、2h臨近預報預警和實時暴雨洪水預報預警等不同預見期山洪災害風險預警模型；采用“省級部署、多級應用”的集約化建設模式，構(gòu)建了全省山洪災害防御“一庫、一圖、一平臺”，實現(xiàn)了“一數(shù)一源”和平臺共享共用，統(tǒng)一了防汛業(yè)務平臺的登錄門戶、省市縣三級防御信息、預警機制和功能界面。這一階段的山洪災害防治和監(jiān)測預警平臺可以概括為一張底圖、平臺集約化部署管理、多階段梯次預警，可稱為山洪災害防治“2.0”。伴隨全球氣候變化和山丘區(qū)經(jīng)濟社會活動活躍程度不斷增強，局部地區(qū)短歷時強降雨事件多發(fā)頻發(fā)重發(fā)，我國近年山洪災害防御形勢愈發(fā)嚴峻：一是未來極端降水事件的頻次、強度將進一步增加；二是隨著脫貧攻堅、鄉(xiāng)村振興等國家戰(zhàn)略實施和農(nóng)村人類經(jīng)濟活動的增強，山區(qū)小流域孕災環(huán)境發(fā)生變化，兩類因素相互疊加，意味著未來我國山洪災害防御難度將進一步加大。山洪災害防治事關人民群眾生命安全、財產(chǎn)安全和民生福祉。防治山洪，減少人員傷亡，是防災減災的中心任務之一。山洪災害防治發(fā)展到新階段，數(shù)字化、智能化迭代升級是其必由之路，必須運用數(shù)字化技術(shù)、思維、認知，以數(shù)字化和智能化為山洪災害防治賦能、提質(zhì)、增效。數(shù)字山洪防治將利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)手段，統(tǒng)籌運用數(shù)字化技術(shù)、數(shù)字化思維、數(shù)字化認知，對山洪災害風險識別、隱患排查、風險規(guī)避、監(jiān)測預警、預報預警、提請避險等全過程進行系統(tǒng)梳理，以科學研判識別風險、提高預警精準度、延長預見期、快速準確劃定人員避險范圍為目標，以小流域為單元，以山洪災害下墊面和時空大數(shù)據(jù)為基礎構(gòu)建數(shù)據(jù)底板，以國家級、省級監(jiān)測預警平臺為載體，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、靶向化預警、精準化防控為路徑，以算據(jù)、算法、算力建設為支撐，重點研發(fā)并完善山洪預演場景庫、山洪模擬模型和風險評估模型，逐步實現(xiàn)山洪災害的預報、預警、預演、預案“四預”功能，實現(xiàn)山洪災害防御體系從“有”到“好”的轉(zhuǎn)變。綜合考慮前期已有基礎，對標“十四五”智慧水利目標要求，數(shù)字山洪應該包括數(shù)據(jù)底板、智能化山洪模擬與預警模型、數(shù)字山洪“四預”業(yè)務應用和數(shù)字山洪基礎保障體系等方面內(nèi)容。數(shù)字山洪數(shù)據(jù)底板是數(shù)字山洪的“算據(jù)”，主要建設任務包括完善L1級數(shù)據(jù)底板、建設L2級和L3級數(shù)據(jù)底板、數(shù)據(jù)匯集與服務平臺。對于數(shù)字山洪而言，L1級數(shù)據(jù)底板是全國山洪災害調(diào)查評價成果中已建設完成的全國統(tǒng)一的基礎底圖。但隨著時間的推移，小流域下墊面、經(jīng)濟社會、人口分布等已發(fā)生較大變化，2016年年底的山洪災害調(diào)查評價成果亟須更新完善，除更新1∶50000基礎地理信息數(shù)據(jù)、53萬個小流域及其特征屬性和下墊面特征、優(yōu)于2.5m分辨率的全國土地利用和植被類型等數(shù)據(jù)外，還需將補充調(diào)查評價成果、分析評價補充完善成果以及部分重點區(qū)域檢驗復核成果集成至L1級數(shù)據(jù)底板。（2）建設L2級和L3級數(shù)據(jù)底板數(shù)字山洪L2級數(shù)據(jù)底板覆蓋山洪災害危險區(qū)，包括無人機遙感影像數(shù)字正射影像圖（DOM）數(shù)據(jù)、測圖衛(wèi)星DEM數(shù)據(jù)等，主要是進行數(shù)字山洪重點區(qū)域（城鎮(zhèn)、集鎮(zhèn)、重要設施）精細建模；數(shù)字山洪L3級數(shù)據(jù)底板覆蓋危險區(qū)上游及危險區(qū)內(nèi)水利工程、公路、橋涵，包括工程區(qū)域的無人機傾斜攝影、重要工程的BIM數(shù)據(jù)，主要是進行數(shù)字山洪關鍵局部實體場景建模。在智慧水利數(shù)據(jù)標準規(guī)范下，結(jié)合山洪數(shù)據(jù)特點，編制山洪數(shù)據(jù)共享標準與規(guī)范，實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、預報數(shù)據(jù)、預警信息、業(yè)務管理數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)等在水利部本級、流域管理機構(gòu)、省級水行政主管部門的匯集、下發(fā)與同步。通過技術(shù)設備更新?lián)Q代解決傳統(tǒng)監(jiān)測手段共享難、存在盲區(qū)、保障率低的問題，進一步優(yōu)化監(jiān)測站網(wǎng)布局，將來可以構(gòu)建以測雨雷達網(wǎng)為骨架，自動雨水情監(jiān)測站點、視頻流速（流量）識別為觸角的空天地立體監(jiān)測體系，自動雨水情監(jiān)測站點配齊北斗衛(wèi)星通信信道，在山區(qū)橋梁、學校、醫(yī)院等重要部位場所設置簡易水位（視頻）監(jiān)測站，消除“燈下黑”，以便現(xiàn)地獲取實時監(jiān)測信息。山洪云是水利云的子云，可提供高可靠度的數(shù)據(jù)存儲和高性能的計算資源，主要建設內(nèi)容包括統(tǒng)一云管理平臺、網(wǎng)絡資源、計算資源、存儲資源等部分?；谠萍夹g(shù)通過兩層服務架構(gòu)（基礎設施服務層和平臺服務層）支撐現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)的遷移和應用部署，打通已有山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)孤島，融合水利、氣象等不同部門，省、市、縣等層級的靜態(tài)和實時數(shù)據(jù)，達到數(shù)字山洪的核心數(shù)據(jù)建設目標。落實“十四五”智慧水利建設規(guī)劃中水利網(wǎng)絡安全體系建設的有關要求，夯實網(wǎng)絡安全責任，開展信息安全等級保護測評等網(wǎng)絡安全建設，提升平臺信息安全防護能力。智能化山洪模擬與預警模型是數(shù)字山洪的“算法”，主要包括高分辨率降雨場模型、山洪模擬模型、山洪預警模型、風險評估模型、可視化與仿真模型等。利用大數(shù)據(jù)算法，研發(fā)自動監(jiān)測站異常識別技術(shù)，提高自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性；利用測雨雷達，獲得高時空分辨率的局地測雨數(shù)據(jù)，共享氣象部門S/C波段天氣雷達測雨數(shù)據(jù)，研發(fā)X波段測雨雷達和S/C波段天氣雷達組網(wǎng)測雨技術(shù)，以及雷達測雨與地面雨量站的降雨融合技術(shù)，獲得準確的高分辨率降雨場，消除監(jiān)測盲區(qū)，提高監(jiān)測準確性。同時，研發(fā)X波段雷達臨近預報技術(shù)，共享氣象部門S/C波段天氣雷達臨近預報數(shù)據(jù)和數(shù)值降雨預報數(shù)據(jù)，建立不同預見期不同分辨率的降雨預報場。考慮氣象、水文、地形等不同，在全國范圍劃分不同的山洪分區(qū)，研究不同分區(qū)山洪形成與致災機理。在不同的山洪分區(qū)構(gòu)建不同的山洪模擬模型，動態(tài)確定山洪模擬模型的有關參數(shù)，以適應不同分區(qū)山洪過程的模擬。山洪模擬模型包括水文模型、水動力模型、水沙模型等或各類模型的耦合模型。構(gòu)建小流域洪水演進分析數(shù)字化場景，實現(xiàn)洪水時空演進過程直觀化展示。在多階段遞進式山洪災害監(jiān)測預報預警體系的基礎上，進一步完善氣象風險預警模型，細化山洪致災臨界條件；在現(xiàn)有山洪災害實時動態(tài)預警指標分析的基礎上，根據(jù)歷史山洪災害發(fā)生時相應的降雨量和土壤含水量動態(tài)變化，建立動態(tài)智能預警模型；經(jīng)過山洪災害補充調(diào)查評價和有關檢驗復核工作，重構(gòu)基于山洪災害防御大數(shù)據(jù)的復雜要素關聯(lián)，將雨量、水位、流量等預警指標與預警對象關聯(lián)，實現(xiàn)精細化預警。建立考慮下游洪水頂托、橋梁壅水、水沙淤積、塘壩蓄滯堵潰、雨峰移動方向等情景庫，聚焦于實時評估承災體風險等級和精細刻畫風險鏈遷移過程，研發(fā)“水文—水動力—風險”時序過程推演的山洪風險評估模型，基于網(wǎng)格化模擬技術(shù)實現(xiàn)中小河流洪水實時和預設情景風險的精細化分析與評估，提高風險時空展布精細度。可視化模型主要是實現(xiàn)自然背景、流域?qū)傩?、流場動態(tài)、水利工程以及山洪預報、預警、預演、預案“四預”過程，實現(xiàn)業(yè)務運行環(huán)境的快速搭建。解決10萬量級雨量站、10min間隔海量數(shù)據(jù)高分辨率全國范圍降雨空間分布無損成圖與多比例尺快速實時渲染成圖，以及全國（或省級）尺度的暴雨山洪事件的快速空間發(fā)現(xiàn)和山洪風險的快速識別等難題。其中，自然背景包括河道、溝道、湖泊、植被、建筑、道路、危險區(qū)、防治區(qū)、村莊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等；流域?qū)傩园ㄐ×饔虻奶卣鲄?shù)、產(chǎn)匯流特性等；流場動態(tài)包括水位、流量及土石、泥沙運動等；水利工程主要包括水庫、水閘、堤防等。仿真模型是充分利用數(shù)字山洪數(shù)據(jù)底板和動態(tài)數(shù)據(jù)實現(xiàn)山丘區(qū)數(shù)字孿生小流域與物理流域同步仿真，構(gòu)建實時渲染、動態(tài)視覺特效、空間計算等功能。數(shù)字山洪“四預”業(yè)務系統(tǒng)應利用已有的省級山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)進行升級改造，能夠?qū)崿F(xiàn)基于數(shù)字化場景的重點防御單元山洪過程智能化模擬與山洪風險精準化預報預警，提升極端暴雨山洪數(shù)字化演練能力，直觀展示山洪災害可能風險點及薄弱環(huán)節(jié)，支撐山洪災害防御精準化決策和轉(zhuǎn)移避險。預報功能分為兩部分：一是降雨預報，二是小流域洪水預報。降雨預報提供氣象部門共享的24h數(shù)值降雨預報、1~3h天氣雷達臨近預報以及各地結(jié)合自身實際開展的測雨雷達臨近預報；小流域洪水預報是以降雨監(jiān)測和預報數(shù)據(jù)驅(qū)動分布式水文模型和水動力模型為基礎，實現(xiàn)山洪溝流量、水位過程的滾動分析計算，輸出小流域和河段的洪水模擬分析結(jié)果，實現(xiàn)水文和水動力模型參數(shù)的本地化，降低模型參數(shù)不確定性。其中降雨監(jiān)測包括地面雨量站監(jiān)測降雨、雷達監(jiān)測降雨以及多源數(shù)據(jù)融合降雨。在多階段遞進式山洪災害監(jiān)測預報預警體系下，基于降雨監(jiān)測、降雨預報和小流域洪水預報結(jié)果，配合相應的山洪預警模型與預警指標，實現(xiàn)精細化的山洪監(jiān)測預報預警與預警信息發(fā)布。預警信息應由預警時間、等級、持續(xù)時間、超警指標、預警范圍等要素組成，提供預警態(tài)勢分析、查詢統(tǒng)計等功能；通過統(tǒng)一的預警信息發(fā)布通道，采用短信網(wǎng)關、微信公眾號、移動App和信息共享接口等方式建立多方式預警信息發(fā)布服務，實現(xiàn)預警信息的多渠道、多部門標準化發(fā)布和社會化服務。預演一般包括兩種形式：一是實地演練，目的是讓基層干部群眾了解掌握預警信號和轉(zhuǎn)移路線；另一種是基于平臺的數(shù)字化演練，目的為山洪風險評估，以城鎮(zhèn)和重要集鎮(zhèn)、重要基礎設施（如生命線工程、變電站、醫(yī)院、學校、養(yǎng)老院、核設施等）為對象，通過實時和預設情景，識別和排查潛在的風險隱患點，針對性開展防御措施部署。預演時，結(jié)合當前暴雨洪水發(fā)展態(tài)勢，設定不同情境，包括未來降雨的定量設置、主支流匯合頂托、橋梁壅水、水沙淤積、束窄河段壅水、塘閘壩群蓄滯堵潰、雨水同向（逆向）等，需要充分考慮山洪災害發(fā)生的不確定性和復合放大效應。預案是根據(jù)動態(tài)的山洪監(jiān)測預報預警結(jié)果和不同情境下的預演結(jié)果動態(tài)調(diào)整的針對性措施，明確可能影響的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊、人口等范圍以及需采取的防御措施，及時傳達至防御責任人。具體措施包括預置救援力量、關閉景區(qū)、提醒人員減少出行、停業(yè)停課停工（三停）、組織人員轉(zhuǎn)移避險、脆弱地點（養(yǎng)老院、醫(yī)院、學校）脆弱人群（老弱病殘孕、留守兒童婦女）特殊幫扶措施等。
