数字孪生水利专题第四期|卢志祥：流溪河流域防洪信息化建设与应用分享

内容来源：2023 智慧水利建设高峰论坛——数字孪生水利高级研讨会

以下为广州市水务局科技信息处副处长卢志祥的现场分享：

各位嘉宾大家好，今天给各位分享基于流溪河流域洪水预报、防洪调度、风险分析模型的建设与应用。报告共分为三个部分：建设背景、模型辅助决策智慧体系建设、数字孪生体系规划。

第一部分：建设背景

首先介绍流溪河流域的相关情况。流溪河流域位于广州市辖区北部，流域整体都分布于广州市境内，受外部流域影响较小，属珠江三角洲水系，流溪河干流156km，集雨面积2300km²，平均坡降0.8‰，地势东北高，西南低。流向自东北向西南，流溪河洪水涨落较快，一次洪水的历时平均为5天。现状防洪标准200年一遇。

在水利工程建设方面，流域已建成7宗大中型水库、小（1）型水库25座、小（2）型水库15座以及7座拦河坝，控制面积占流域面积的35.2％。流溪河、黄龙带、和龙、九湾潭、天湖5座大中型水库以及人和水闸、李溪、初溪、良口、大坳、牛心岭、塘料、卫东7座拦河坝在具备防洪调度能力，在流域洪水预防中起着重要作用。

图一：流溪河流域的相关情况

（来源：卢志祥《基于流溪河流域洪水预报、防洪调度、风险分析模型的建设与应用》）

目前，流溪河流域防洪目前存在的不足有以下方面：

1、缺乏决策方案推演复演能力、防洪调度信息表示不全；

2、对流域防洪形势分析及防御能力缺乏整体性与直观性；

3、日常管理过程中都是人工经验性调度，缺少系统流域性调度；

4、重点监测设施、防洪措施主要围绕重大工程建设，中小河流、小流域等内容相对较弱；

5、规划了较为完善工程体系，考虑非工程措施相对较少，对洪水预警、流域联合调度、洪水风险管理、防御超标准洪水等的对策措施建设较少。

为了满足流域整体防洪需求，广州市水务局于2020年10月开始实施“广州市三防指挥信息化建设工程”项目，实施过程中开展了水旱灾害模型建设，基于气象预报、实时水雨情监测、流域地形资料、防洪工程特性等数据构建流域洪水预报、调度、风险分析一体化模型，模型通过集成至模型管理平台实时驱动运行，提供模拟输出接口至水旱灾害防御应用系统实现仿真运行。

图二：“广州市三防指挥信息化建设工程”项目情况

（来源：卢志祥《基于流溪河流域洪水预报、防洪调度、风险分析模型的建设与应用》）

2021年12月23日，水利部召开推进数字孪生流域建设工作会议。李国英部长指出，数字孪生流域是以物理流域为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程的数字化映射、智能化模拟，实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。

基于水利部对数字孪生流域建设要求，我单位对“流溪河流域模型辅助支撑体系”进行了重新梳理，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，通过在一体化平台基础上建设完善优化数据底板、模型平台及提升相应信息基础设施能力，加强模型与水旱灾害防御应用的结合，支撑“四预”功能实现和“2+N”智能应用运行，提升流溪河流域防洪能力。

第二部分：模型辅助决策智慧体系建设

我们以“天气预报-洪水预报-淹没分析-工程调度-风险评估-避险转移”的思路，按照事前预警、事中转移响应、事后评估辅助解决“流溪河流域”洪水风险问题，主要以预警及转移安置为主。

图三：基于区域居民点重点企业等关注点进行分析

（来源：卢志祥《基于流溪河流域洪水预报、防洪调度、风险分析模型的建设与应用》）

洪水预报模型：

采用新安江模型、神经网络模型、大数据挖掘模型对有长系列历史监测数据的断面构建趋势性预测，实现实时洪水预报，提供流溪河流域48个预报断面未来1-24小时水位的变化过程、最高水位、峰现时间以及是否超预警等内容。

流域防洪调度模型：

采用常规调度模型、防洪优化调度模型、交互式调度模型、防洪联合调度方案评价模型建设流溪河流域1大4中水库及7座拦河坝联合防洪调度模型。能够在不同洪水情形下，基于优化和常规两套思路，实现各个水库、闸坝调度方案及建议制作。

洪水风险分析模型：

采用山丘区水文模型、一二维河道水动力学模型，分析流溪河流域平原区不同洪水情景下淹没水深分布、受灾范围等制定静态洪水风险图；基于数值天气预报，开展实时洪水风险模拟。

建设成果：

1、洪水预报模型建成后，已使用模型为流溪河流域生成超30场次洪水预报简报，简报内容包括降雨分析、断面超警等，实际应用效果良好，并形成简报生成常态化。

2、通过对流溪河流域基础资料收集整理及流域洪水预报模型的构建，已实现流溪河流域内水库、拦河坝、河道水位站、闸门共计48个断面，本次采用多模型交叉模拟，并佐以水位流量关系进行校正，实现预报断面一点一策，保障水位的精准预报。

3、通过对流溪河流域2022年场次降雨进行模拟，根据《水文情报预报规范》（ GB/T22482－2008）统计各预报断面在场次降雨下的精度情况，流溪河流域洪水预报精度已达到55%左右，经2023年降雨运行调参优化，预计精度可达70%以上。

针对流溪河流域2022-06-16，在规则调度的基础上，通过库群优化调度，实现流溪河流域出口最大下泄流量降低61% 。

图四：流溪河流域智慧体系建设成果

（来源：卢志祥《基于流溪河流域洪水预报、防洪调度、风险分析模型的建设与应用》）

流域洪水预警预报模型可实现不间断实时逐小时滚动模拟广州市236个预报断面在未来24小时的水位过程、最高水位、峰现时间以及是否超预警等内容况；可设定自定义降雨量、典型雨型景模拟分析未来24小时水位过程；提升了水文的服务能力和服务水平，为广州市防洪减灾运行提供决策依据 。

洪水风险分析模型通过建立广州市北部流溪河、增江、白坭河流域平原区一二维水动力学模型，分析评价不同设计情景下洪水可能造成的最大淹没水深、洪水到达时间以及受灾范围等；同步实现逐小时不间断进行实时洪水风险滚动分析，为物资、人员调度和居民紧急转移等应急方案的制定提供依据。

第三部分：数字孪生流域建设规划

现流溪河流域模型体系建设已基本可实现流溪洪水提前预报、流域联合实时调度以及洪水风险实时分析，基本实现了数字孪生流域2+N项业务应用中的”流域防洪业务系统“。但是目前数字孪生流域建设仍存在以下问题：

1、流域地形、河道断面数据年份久远，无法反应流域内真实防洪现状

2、重点工程（水库、拦河坝）、中小河流流量监测设施布设较为薄弱

3、预报降雨数据不准确

4、社会经济数据缺失，无法进行灾害评估

图五：流溪河流域”720郑州降雨“淹没风险示意图

（来源：卢志祥《基于流溪河流域洪水预报、防洪调度、风险分析模型的建设与应用》）

对于问题的解决，下一步规划分为六个方面：

1、采用无人机倾斜摄影、BIM、卫星遥感、等技术，实现流域地形精细化测量以及三维场景模型构建

2、无人船测量水库及河道水下地形，实现河道纳水能力、水库库容精确掌握

3、针对重点水库、中小河流增加流量监测设备布设

4、协调国土、民政、统计局等单位，收集社会经济数据

5、与气象部门探讨气象预报数据实时校正

6、利用最新流域地形、河道地形等数据开展精细化建模，增加模型构建要素，优化流溪河流域防洪工程体系建设

水利部将数字孪生流域建设作为构建智慧水利体系、实现“四预”的核心和关键，流溪河流域先行先试，已有较好基础。现流溪河流域可实现流域洪水提前预报、联合调度有模型辅助、风险提前预警，为水旱灾害防御提供了辅助依据。目前已总结的一套可复制可推广流域防洪信息化经验，包括数据底板、模型平台、知识平台、水利感知网、模型成果应用等重要部件建设体系，国内其它城市可借鉴并快速实现。并且流溪河流域采用模型均为自主研发模型，具有完全自主国内知识产权，符合“信创”要求。

流溪河流域防洪体系不仅建设意义重大，还基本实现了以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，通过在一体化平台基础上建设完善优化数据底板、模型平台及提升相应信息基础设施能力，加强模型与水旱灾害防御应用的结合，支撑“四预”功能实现和“2+N”智能应用运行，提升流溪河流域防洪能力的目标。