强化水文监测预报预警支撑安澜长江建设
作者：程海云
来源：《长江技术经济》2021年第05期
摘 要：经过多年建设与发展，水利江水利委员会水文局基本建成了一套较为完善的水文监测预报预警一体化支撑体系，并在多次流域性洪水测报中发挥了重要作用。本文结合2020年长江流域性大洪水测报实践，在总结以往做法与经验的基础上，长江水文监测预报预警体系存在的短板与不足，提出依托“五大体系”建设，全面提升水文监测预报预警能力，从而更有力地支撑安澜长江建设。
关键词：水文监测;水文预报;水文预警;安澜长江
中图法分类号：TV213.4 文献标志码：A DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0501
水文监测预报预警是防洪减灾重要的非工程措施之一。多年来，长江委水文局持续加强站网建设，不断改进监测预报手段，为守护长江安澜作出了突出贡献。进入新发展阶段，流域防洪面临新的挑战。长江水文将牢固树立以人民为中心的思想，坚持底线思维，强化风险意识，着力强化监测预报预警能力，积极支撑水工程联合调度，为安澜长江建设贡献水文力量。 1 长江水文监测预报现状
经过多年发展，长江委水文局基本建成了较为完善的水文监测预报预警一体化支撑体系[1]，在站网布设、水文监测、洪水预报预警技术等方面均得到了长足的进步。 1.1 水文监测站网
长江委水文局在重庆、武汉等地设立了8个外业勘测局。截止2020年底，在长江干流及重要支流布设了431个水文监测站点采集各类水文信息，并与流域内各省市水文、气象及水库管理等多个部门开展信息互联互通，共享2.8万余站点水雨情信息。长江流域已初步建成了集基本资料收集、水旱灾害防御、水资源管理、水环境治理及水生态保护等功能为一体的监测站网体系。
1.2 水文监测技术
（1）建立了自动化程度较高的感知体系
水位、雨量、蒸发、水温等要素实现了自动采集、传输与处理。流量要素测验手段提档升级，从主要采用流速仪法、浮标法，发展到声学多普勒测流、声学时差法测流、视觉影像测流、扫描式雷达测流、单点雷达测流等[2]多方法兼用，自动化水平显著提高，全局流量在线
监测比例已由2015年的11%提升至2020年的33%。泥沙测验技术取得突破，实现了快速监测，少量站点实现了在线监测。
（2）建立了规范高效的信息处理体系
水文资料整编作业从“线下”升级至“线上”，实现了“日清月结”，水文信息处理的時效性及精度大幅提升[3]。2021年建成了全国首个标准化水文资料在线整编系统，该系统被遴选为水利部智慧水利先行先试的优秀案例。 1.3 预报预警技术
（1）开创了水文气象无缝耦合渐进式预报技术
一是多尺度耦合，为适应预报调度目标多样化的需要，开展了短中期（1～7d）、延伸期（8～20d）及长期预报（月、季、年）等不同预见期的水文气象预报。二是多方法融合，采用短中长期相结合、水文与气象相耦合、逐日滚动与实时修正相融合的渐进式预报模式，显著提升了预报精度和预见期。
（2）建立了长江流域预报调度一体化体系
发展河系、水工程和防洪对象的拓扑关系标准化构建技术，建立流域预报调度计算体系，配合模型库、调度规则调用和调度演算约束，对降水预报、降雨径流、洪水演进及调度各模型进行无缝耦合，实现河库（湖）联动的预报调度一体化[4]。2018年以来，在长江防洪预报调度系统的基础上，构建了耦合40座控制性水库群、42座蓄滞洪区及流域主要控制站的预报调度一体化平台，取得了较好的应用效果。 （3）形成了长江水情预警发布体系
依据《长江水情预警发布管理办法》，构建水情预警发布体系，通过广播、电视、报纸、网络等媒体，统一向影响范围内各级防汛部门、航运部门、水工程管理部门、企事业单位及社会公众等发布水情预警。
2 长江2020年大洪水监测预报实践
2020年，长江流域发生了新中国成立以来仅次于1954年、1998年的流域性大洪水，长江上游发生特大洪水。长江干流发生5次编号洪水，流域198站超警戒水位，72站超保证，75站超历史，应急响应87天。长江委水文局精心监测、准确预报、及时预警，有力地支撑了流域防洪调度决策，显著地减轻了防洪压力，发挥了巨大的防洪效益[5]。 2.1 洪水监测
（1）信息采集
在长时间、高强度的防汛测报中，制定严密的监测方案和应急监测预案。高洪期间，充分应用传统方法与先进仪器设备开展高洪监测，并根据需要加密测次。高洪水文数据及时收集、及时传输，做到了“测得到、测得准、报得出、报得及时”。特别是长江上游特大洪水期间，克服高泥沙、高流速、多漂浮物等恶劣水情条件，及时开展高洪应急监测，抢测了宝贵的高洪流量资料。
（2）信息处理与报送
开发了长江水文监测管理移动工作平台，集成测验、计算、校审、分析处理、存储等功能，实现了洪水测验业务的在线管理，大幅提高工作效率。所有水雨情信息在20分钟内到达流域水文预报中心，在30分钟内到达水利部，准时到报率达98%以上，为上级防汛决策提供及时、准确的水文信息支撑。 （3）新技术应用
在上游特大洪水期间，广泛开展扫描式雷达、点式雷达等非接触式新设备、新技术比测试验。其中，寸滩站采用扫描式雷达监测的流量与流速仪、ADCP相比，相对误差在6%之内。北碚、朱沱等站采用光学浊度仪现场测验悬移质含沙量，采用激光粒度分析仪快速分析颗粒级配，泥沙测验时效性大幅提升。 2.2 洪水预报预警 （1）预报调度
利用预报调度一体化平台，通过短中期降雨预报同延伸期预报结合，有效提高预报精度的同时延长预见期。在4号、5号洪水期间，提前6d预报将发生4号洪水，提前7d预报将发生5号洪水，精准预报出三峡水库入库洪峰流量，预报误差仅3.3%、1.3%;提前2～5天预报中下游各站超警时间，提前2～4d预报莲花塘站超保时间，其中莲花塘站多次洪水过程的洪峰水位误差在0.01～0.07m;通过精细化的预报调度，显著减轻了流域防洪压力，避免了荆江分洪区的启用。
（2）洪水预警
创新信息发布手段，丰富信息服务内容，面向社会及时提供信息服务。大洪水期间，发布长江干支流主要控制站洪水预报94期，发布洪水预警35次，发布相关微信公众号36期，累计阅读量达32万人次。 2.3 存在的主要问题
对标长江委新时期发展战略和服务流域经济社会高质量发展的新需求，长江水文监测预报预警体系还存在一些短板与不足。
（1）站网布局不尽合理。部分区域还存在监测空白区或密度不足问题，尤其是风暴潮监测站点严重缺失，河道崩岸方面站点明显不足。
（2）高洪测验能力不足。针对漂浮物多、流速大、高含沙量等特殊水情以及超标准洪水的监测能力仍显不足，测验方式方法有待改进。
（3）洪水预报预见期不够。面对长河系、多阻断、江湖关系复杂的流域水情形势，面对巨型水库群跨区域、多目标联合运用的调度要求，洪水预报精度和预见期仍难满足要求，支撑“四预”的能力还有待提升。
（4）预警服务水平有待提升。预警内容、预警方式及公众对预警的认知度等方面还需不断完善和提高。
（5）洪水测报智能化水平不高。机器学习、深度学习及大数据等新一代信息通信技术在洪水测报中应用不足，多元信息集成和融合能力还有待提高，智能化水平亟待加强。 3 构建“五大体系”，有力支撑安澜长江建设
当前，我国已进入第二个百年的发展阶段，“十四五”新征程已经开启。长江委水文局将深入贯彻“十六字”治水思路和“两个坚持、三个转变”防灾减災新理念，坚持目标导向和问题导向，以“补短板、强支撑、优服务”为工作主线，持续深化“四个水文”，依托“五大体系”建设，全面提升水文监测预报预警能力，有力支撑安澜长江建设。 3.1 建设功能完备的站网体系
站网体系是基础。统筹流域与区域，兼顾专业与行业，立足水安全保障，建设站网功能齐全、空间布局合理、共享机制完善的现代化流域站网体系。在支撑“安澜长江”方面，重点工作包括以下几方面：（1）补充建设大江大河和重要支流水文测站，完善水文骨干站网空间布局。（2）建设西南诸河出境控制站，填补其站网空白。（3）加强行政区界水资源监测、重要河库水生态流量管控断面、重要调水工程引退水站网建设，为水资源管理提供支撑。（4）在重要断面增加水生态监测项目，为强化生态流量管控及水生态保护提供支撑。（5）建设长江口风暴潮监测预警中心、长江河道崩岸监测预警中心，健全长江水灾害监测预警体系。 3.2 建设透彻感知的监测体系
监测体系是关键。强化自主创新与新技术应用，深化多种监测手段的互补耦合，提高感知能力、丰富感知内容，提供品质更好、时效更高、种类更多的水文数据资源。在支撑“安澜长
江”方面，重点工作包括以下几方面：（1）推进“一站一策”测报能力提升，开展国家基本水文站点现代化提档升级，不断提升水文监测的自动化水平。（2）加强多监测手段集成创新，基于卫星遥感、无人机扫测、地面观测等不同尺度的水文观测成果，融合多源信息，提升水文监测的精度和测量范围。（3）建设水文监测业务系统，打破水文监测各环节信息壁垒，实现测算报整全流程协同，利用新一代数字技术赋能传统水文监测业务，提升水文监测的智能化水平。（4）创建国家示范水文站，统筹考虑测站文化建设，打造一批现代化示范水文站。 3.3 建设智慧协同的专业体系
专业体系是核心。加强水文基础规律研究，强化水文多专业协同，深化新一代数字技术应用，推进水文供给侧结构性改革，提升专业支撑能力。在支撑“安澜长江”方面，要强化“四预”措施，做到预字当先、关口前移，具体包括以下几方面：（1）强化预报。加强水文气象耦合关键技术及人类活动影响下的水文预报技术等基础研究，探索人工智能等新技术在洪水预报实时校正、历史相似雨洪特征搜索等方面的应用，努力构建机器驱动、数据驱动和支持智能驱动的多引擎协同系统，进一步提升预报水平。（2）强化预警。规范洪水预警信息发布程序、审查流程和工作标准。加大预警知识宣传力度，普及预警基本常识。进一步优化预警内容形式，增强其通俗易懂性。实施预警智能精准推送，进一步提高公众服务水平。（3）强化预演。充分利用长程水道地形、卫星遥感等资料，按照河流水系、水雨情站点、水工程等对象的空间拓扑关系，加快构建全流域水文模拟系统，开展长江河湖水文映射，开展洪水从发生到消退的全生命周期动态模拟，实施不同调度规则、不同来水条件组合条件的洪水预演。（4）强化预案。根据防洪工程、经济社会发展现状和预演中暴露出的问题，进一步完善流域预报调度方案体系。利用人工智能技术，构建基于知识图谱的调度规则库，开展综合调度系统建设，以更好更精准更全面地支撑流域水工程调度。 3.4 建设优质高效的服务体系
服务体系是根本。建设“一个大数据中心、一个综合服务平台、两大服务门户”，夯实水文自身发展基础，同时为水利和经济社会高质量发展提供泛在优质的水文综合服务。在支撑“安澜长江”方面，要以信息资源整合和高效利用、有序共享为重点，强化技术创新和业务协同，构建基于统一架构的监控管理、大数据分析、智能应用为一体的水文水资源监测预报预警平台，率先在国内实现水文测报、预报预警、计算分析全业务链的在线协同及一站式服务，提升水旱灾害防御支撑服务能力和分析决策智能化水平。 （1）预报调度
利用预报调度一体化平台，通过短中期降雨预报同延伸期预报结合，有效提高预报精度的同时延长预见期。在4号、5号洪水期间，提前6d预报将发生4号洪水，提前7d预报将发生5号洪水，精准预报出三峡水库入库洪峰流量，预报误差仅3.3%、1.3%;提前2～5天预报中下游各站超警时间，提前2～4d预报莲花塘站超保时间，其中莲花塘站多次洪水过程的洪峰水位
误差在0.01～0.07m;通过精细化的预报调度，显著减轻了流域防洪压力，避免了荆江分洪区的启用。
（2）洪水预警
创新信息发布手段，丰富信息服务内容，面向社会及时提供信息服务。大洪水期间，发布长江干支流主要控制站洪水预报94期，发布洪水预警35次，发布相关微信公众号36期，累计阅读量达32万人次。 2.3 存在的主要问题
对标长江委新时期发展战略和服务流域经济社会高质量发展的新需求，长江水文监测预报预警体系还存在一些短板与不足。
（1）站网布局不尽合理。部分区域还存在监测空白区或密度不足问题，尤其是风暴潮监测站点严重缺失，河道崩岸方面站点明显不足。
（2）高洪测验能力不足。针对漂浮物多、流速大、高含沙量等特殊水情以及超标准洪水的监测能力仍显不足，测验方式方法有待改进。
（3）洪水预报预见期不够。面对长河系、多阻断、江湖关系复杂的流域水情形势，面对巨型水库群跨区域、多目标联合运用的调度要求，洪水预报精度和预见期仍难满足要求，支撑“四预”的能力还有待提升。
（4）预警服务水平有待提升。预警内容、预警方式及公众对预警的认知度等方面还需不断完善和提高。
（5）洪水测报智能化水平不高。机器学习、深度学习及大数据等新一代信息通信技术在洪水测报中应用不足，多元信息集成和融合能力还有待提高，智能化水平亟待加强。 3 构建“五大体系”，有力支撑安澜长江建设
当前，我国已进入第二个百年的发展阶段，“十四五”新征程已经开启。长江委水文局将深入贯彻“十六字”治水思路和“两个坚持、三个转变”防灾减灾新理念，坚持目标导向和问题导向，以“补短板、强支撑、优服务”为工作主线，持续深化“四个水文”，依托“五大体系”建设，全面提升水文监测预报预警能力，有力支撑安澜长江建设。 3.1 建设功能完备的站网体系
站网体系是基础。统筹流域与区域，兼顾专业与行业，立足水安全保障，建设站网功能齐全、空间布局合理、共享机制完善的现代化流域站网体系。在支撑“安澜长江”方面，重点工作包括以下几方面：（1）补充建设大江大河和重要支流水文测站，完善水文骨干站网空间布局。（2）建设西南诸河出境控制站，填补其站网空白。（3）加强行政区界水资源监测、重要河库水生态流量管控断面、重要调水工程引退水站网建设，为水资源管理提供支撑。（4）在重要断面增加水生态监测项目，为强化生态流量管控及水生态保护提供支撑。（5）建设长江口风暴潮监测预警中心、长江河道崩岸监测预警中心，健全长江水灾害监测预警体系。 3.2 建设透彻感知的监测体系
监测体系是关键。强化自主创新与新技术应用，深化多种监测手段的互补耦合，提高感知能力、丰富感知内容，提供品质更好、时效更高、种类更多的水文数据资源。在支撑“安澜长江”方面，重点工作包括以下几方面：（1）推进“一站一策”测报能力提升，开展国家基本水文站点现代化提档升级，不断提升水文监测的自动化水平。（2）加强多监测手段集成创新，基于卫星遥感、无人机扫测、地面观测等不同尺度的水文观测成果，融合多源信息，提升水文监测的精度和测量范围。（3）建设水文监测业务系统，打破水文监测各环节信息壁垒，实现测算报整全流程协同，利用新一代数字技术赋能传统水文监测业务，提升水文监测的智能化水平。（4）创建国家示范水文站，统筹考虑测站文化建设，打造一批现代化示范水文站。 3.3 建设智慧协同的专业体系
专业体系是核心。加强水文基础规律研究，强化水文多专业协同，深化新一代数字技术应用，推进水文供给侧结构性改革，提升专业支撑能力。在支撑“安澜长江”方面，要强化“四预”措施，做到预字当先、关口前移，具体包括以下几方面：（1）强化预报。加强水文气象耦合关键技术及人类活动影响下的水文预报技术等基础研究，探索人工智能等新技术在洪水预报实时校正、历史相似雨洪特征搜索等方面的应用，努力构建機器驱动、数据驱动和支持智能驱动的多引擎协同系统，进一步提升预报水平。（2）强化预警。规范洪水预警信息发布程序、审查流程和工作标准。加大预警知识宣传力度，普及预警基本常识。进一步优化预警内容形式，增强其通俗易懂性。实施预警智能精准推送，进一步提高公众服务水平。（3）强化预演。充分利用长程水道地形、卫星遥感等资料，按照河流水系、水雨情站点、水工程等对象的空间拓扑关系，加快构建全流域水文模拟系统，开展长江河湖水文映射，开展洪水从发生到消退的全生命周期动态模拟，实施不同调度规则、不同来水条件组合条件的洪水预演。（4）强化预案。根据防洪工程、经济社会发展现状和预演中暴露出的问题，进一步完善流域预报调度方案体系。利用人工智能技术，构建基于知识图谱的调度规则库，开展综合调度系统建设，以更好更精准更全面地支撑流域水工程调度。 3.4 建设优质高效的服务体系
服务体系是根本。建设“一个大数据中心、一个综合服务平台、两大服务门户”，夯实水文自身发展基础，同时为水利和经济社会高质量发展提供泛在优质的水文综合服务。在支撑“安澜长江”方面，要以信息资源整合和高效利用、有序共享为重点，强化技术创新和业务协同，构建基于统一架构的监控管理、大数据分析、智能应用为一体的水文水资源监测预报预警平台，率先在国内实现水文测报、预报预警、计算分析全业务链的在线协同及一站式服务，提升水旱灾害防御支撑服务能力和分析决策智能化水平。
