蔡阳：数字赋能海河“23·7”流域性特大洪水防御
2023年防汛关键期，海河流域出现强降雨过程，海河发生“23·7”流域性特大洪水。水利部门推进水利部数字孪生平台应用，强化预报、预警、预演、预案（“四预”）措施，为防洪工程体系的科学精细调度提供了超前精准技术支撑，为打赢海河“23·7”流域性特大洪水防御战提供了坚实保障。
1、雨情水情分析
2023年7月28日至8月1日，受第5号台风“杜苏芮”北上与冷空气交绥影响，海河流域出现大范围长历时强降雨过程，22条河流发生超警以上洪水，8条河流发生有实测资料以来最大洪水，其中永定河、大清河发生特大洪水，子牙河发生大洪水，北运河、漳卫河发生较大洪水，海河发生“23·7”流域性特大洪水。本次洪水主要呈现以下特点：
降水范围广、总量大
本次强降雨过程累计面雨量400mm、250mm、100mm以上笼罩面积分别为1.1万km2、6.5万km2、16.8万km2，分别占海河流域总面积的3.5%、20.4%、52.8%，过程降雨总量初步计算达494亿m3，流域面平均雨量为155.3mm。本次“23·7”洪水强降雨过程累计雨量、强降雨覆盖范围、降水总量超过“21·7”和“96·8”洪水，小于“63·8”洪水。
▲“23·7”与历史强降雨过程对比
暴雨时空集中、强度大
本次强降雨过程主要集中在大清河、子牙河系滹沱河滏阳河、永定河系官厅山峡区间。7月29日20时至8月2日7时，北京市83h降雨量达到常年全年降雨量的60%，最大小时雨量为北京丰台区千灵山站111.8mm，超过2012年“7·21”暴雨洪水。
洪水并发、量级大
海河流域五大水系22条河流发生超警以上洪水，海河流域发生1963年以来的最大洪水，也是60年来发生的第1次流域性特大洪水。海河“23·7”流域性特大洪水与“63·8”流域性特大洪水、“96·8”流域性大洪水对比情况如下。
▲历史洪水对比情况
洪水涨势猛、演进快
本次洪水过程中，永定河卢沟桥枢纽流量自7月31日13时1030m3/s涨至14时30分最大过闸流量4650m3/s，1.5h内流量涨幅高达3620m3/s，官厅水库至卢沟桥区间（集水面积1800km2）雨峰洪峰间隔仅3小时50分钟；大清河系大石河的漫水河水文站流量自7月31日9时1440m3/s涨至11时20分洪峰流量5300m3/s，2小时20分钟内流量涨幅高达3860m3/s，漫水河以上区间（集水面积653km2）雨峰洪峰间隔仅2小时20分钟。
径流总量大、地下水回补多
本次洪水过程径流总量初步估计约200亿m3，截至9月11日，海河流域浅层地下水平均埋深较本次强降雨过程前平均上升1.30m，地下水蓄变量已增加109.1亿m3。
2、精准建构数字孪生海河
汛前依托国家重点研发计划“多尺度流域水资源和水利设施遥感监测应用示范”“面向环境治理与灾害防治的高性能计算应用平台”，基于全国水利一张图构建“数字孪生流域”，洪水期间积极利用卫星遥感、无人机、视频监控等多种技术手段，开展“天空地”多源信息融合工作，完善模型平台，强化防洪“四预”措施，有力支撑流域防洪指挥决策。
获取算据，丰富数据底板
一是汇集更新基础数据。利用激光雷达、倾斜摄影等构建海河流域高精度地理空间数据底板。汇聚更新海河流域2214条河流、28处国家蓄滞洪区、155座重点大中型水库、2160km堤防等基础数据。逐一复核完善海河流域884座水库与测站关系，实现蓄滞洪区范围内堤防、口门、进退洪闸、安全区等8类对象和428路视频监测点关联。开展水库54项重要指标一致性自动比对，分析水位及库容等特征值问题数据，建立与水库管理单位、水库责任人的快速校核应急机制。针对8处启用蓄滞洪区，快速响应更新293项指标，增加实时运用、受灾影响统计数据。开发蓄滞洪区“一张图”，对海河流域28处国家蓄滞洪区蓄洪能力、工程设施、安全设施、监测预警、运用补偿等12类数据进行展示，重点对本次启用的8个蓄滞洪区内24处安全区、33处进退洪口门（包括安全区及安全台空间位置、面积、居住人口、转移安置规划人口、临时转入人口、建设状态等6项重要指标及口门空间位置分布、工程控制类型、启用方式、口门宽度、进洪水位、进洪控制站、设计进退洪流量和调度规则等10项关键指标）开发专题分析功能，为蓄滞洪区科学运用提供支撑。
二是加强“天空地”立体化监测。洪水期间，强化“天空地”监测，交换汇集1874个常规报汛站点、280个应急监测站点共计雨水情信息142万余条。获取12颗卫星遥感影像101景，接入级联视频10797路，调取20架次无人机航摄照片49张、视频49个、全景影像17个，共计实时采集非结构化信息681GB。汇聚多源立体监测信息，有效弥补地面常规监测网络水毁缺测难题，7月31日8时至11时，永定河系官厅山峡区间突降局地暴雨，三家店水文站以上部分雨量站和水文站报汛中断时，利用气象卫星和测雨雷达对空中雨进行外推临近预报。基于多源信息空间融合的洪水预报系统，成功预报三家店水文站将于8月1日出现2000m3/s左右的第二次洪峰流量。加强多源信息融合验证，确保险情信息准确可靠，8月2日11时，通过兰沟洼蓄滞洪区卫星遥感影像，初步解译判定白沟河右堤西茨村附近出现长度约90m的缺口；8月2日12时，经无人机全景影像详细判断白沟河东茨村左堤抢筑的月牙堤存在溃口，溃口外东茨村受淹，白沟河西茨村南侧存在约90m长缺口，白沟河内洪水外流淹没村庄和农田，白沟河右堤存在2个缺口，兰沟洼蓄滞洪区西茨村村庄和农田受淹。通过水利部视频级联集控平台级联接入北京水利监视点位2044路、河北省8753路视频监视点位，有效弥补水文测站水毁情况下的洪水水情估算，7月31日，调阅卢沟桥拦河闸和分洪闸监视视频，支撑卢沟桥枢纽下泄流量调度决策；8月1日至2日，调阅河北廊坊沿永定河视频监视点，跟踪洪水行进过程，支撑永定河泛区启用决策。
优化算法，构建模型平台
一是研发水利专业、智能识别和可视化模型。研发了新安江、API（应用程序接口）、马斯京根、动态蓄超、地貌单位线、一维水动力学、二维水动力学、超额水量分配和库群补偿调度等42个模型并实现微服务化部署，依托模型平台前处理工具、模型编排、并行计算等，初步具备预报方案快速构建、模型参数在线率定、多家模式集合预报、洪水实时动态演进、正向逆向推演计算等关键“四预”功能，集成全国七大流域95条主要江河1296套洪水预报方案，其中海河流域洪水预报方案240套，构建海河流域东淀、永定河等8个蓄滞洪区洪水演进方案。研发构建水利业务遥感、视频、音频等智能识别模型，支撑河湖管理、水利工程运行、应急突发水事件等常态化管理和应急处置。基于水利专业模型计算结果驱动可视化渲染，搭建自然背景、流场动态、水利工程、机电设备等可视化模型，在数字场景中实现模拟仿真展示。
二是构建模拟仿真引擎。利用知识图谱构建海河流域9772个自然汇流和人工设施相结合的断面上下游拓扑关系，基于图数据库快速生成任意预报节点拓扑关系概化图，支撑河系洪水预报、库群联合调度和蓄滞洪区洪水演进。建成水利部本级模拟仿真引擎，具备模型注册和发布、模型编排、模型实例化等功能。模型注册和发布方面，集成上述42个水利专业模型；模型编排方面，通过可视化流程编排工具实现模型的可视化构建；模型实例化方面，提供一系列模型前处理工具（网格剖分工具、断面处理工具、任意子流域划分工具等）。实现模型前处理、模型构建、模型计算、成果展示的全流程建模，提升水利专业模型构建、管理、监控和共享服务的能力。
提升算力，夯实基础设施
搭建高速并行计算环境，构建水利云平台，建成12800核CPU、52TB内存的ARM资源池，运行虚拟机2000个，搭建58.3万亿次/s双精度浮点计算的高性能计算集群，支撑每日2次全国范围内的未来3天逐小时、3km×3km短期预报和1次未来5天逐3h、9km×9km中期预报制作以及大清河逐时精细化预报，缩短业务处理时间1.5h，缩短洪水作业预报时间30min。10min内完成海河流域主要江河240个预报断面对象逐时自动洪水预报，半小时内完成东淀蓄滞洪区、永定河泛区等单个复杂蓄滞洪区20万网格7天洪水演进计算。持续优化完善会商调度环境，每日通过视频、蓝信等连线会商5～6次，及时沟通水库、堰闸等水工程对洪水预报的影响，特别是动态掌握蓄滞洪区启用时间、水头演进、滞蓄水量、淹没范围等调度运用状态，为海河流域洪水防御提供算力和会商支撑。
3、强化防洪“四预”措施
在应对海河“23·7”流域性特大洪水过程中，基于数字孪生流域，超前研判海河流域强降雨过程，滚动开展雨水情预测预报，及时发布暴雨洪水预警，逐日推演蓄滞洪区洪水演进动态，有力支撑预案滚动制定和执行。
强化气象水文预报耦合，加密滚动预报，有效延长预见期、提高精准度
一是强化降雨滚动预报。7月23日至25日，应用多家数值模式集成预报成果，提前3至5天预报海河流域强降雨过程的范围和强度；7月26日至27日，利用中期预报成果，连续滚动强降雨过程预报；7月28日，应用水利精细化区域降水预报模式短期预报成果，每日两次滚动发布强降雨过程定量化预报；7月31日，永定河卢沟桥拦河闸调度决策关键时刻，利用气象卫星和测雨雷达对空中雨进行逐分钟30m网格精细化监测，根据卫星雷达外推临近的预报成果，对未来3～12h官厅山峡降雨作出较为准确的预报。
二是强化降雨洪水预报耦合。依托多源空间信息融合洪水预报系统，构建漳卫南运河、子牙河、大清河、永定河、北三河等五大水系240个预报节点的洪水预报方案，涵盖151个水文站、74个水库站、15个堰闸站，输入降水数值预报模式的预报成果，衔接降雨产流汇流模型，系统自动获取实时雨水情及工情数据，逐时自动作业预报，实现从落地雨洪水预报向空中雨洪水预报、从洪水预报向洪水预演的转变。提前一周对流域性暴雨洪水情势作出研判，提前5天预报永定河、大清河将发生编号洪水和预判可能启用6个蓄滞洪区。
三是强化洪水滚动预报。跟踪洪水发展，在线提取调整模型参数，洪水关键期每隔2h滚动制作洪水预报，每天通过视频、电话、蓝信与海委水文局和北京、天津、河北、山西、河南等省份水文部门连线会商5～6次，累计制作发布150条河流278个站洪水预报2671站次，提前1天精准预报子牙河系滹沱河黄壁庄水库最大入库流量及北运河北关闸枢纽、白沟河东茨村水文站、大清河新盖房枢纽、独流减河进洪闸、卫河刘庄闸等重要断面洪峰流量（水位）。关键期洪水作业预报精度达80.6%，较以往平均精度65%提高15%。
强化监测预警，预警信息直达防御一线
一是加强基于气象卫星和测雨雷达的监测预警。基于中国风云四号和日本葵花9号两颗静止轨道气象卫星多个红外通道遥感数据，自动分析识别多种强对流云团，并外推预测其运动轨迹，对海河流域未来3h强对流云团覆盖的地市自动发送临近强降雨风险预警信息；采用海河11部天气雷达组网拼图混合扫描反射率产品，通过预报员人工分析外推，对未来3h内海河流域可能发生强降雨的地市进行临近暴雨风险预警，强降雨过程期间通过蓝信累计发布气象卫星和天气雷达临近强降雨预警184次，涉及3272地市次，信息直达防御一线人员。利用河北雄安试点区4部相控阵测雨雷达监测和自动外推预报产品，对试点区覆盖范围未来2h内可能发生强降雨的乡镇进行临近暴雨风险自动预警，强降雨过程期间通过蓝信累计发布测雨雷达临近强降雨风险预警1873次，涉及6100乡镇次，信息直达防御一线人员。
二是加强“一省一单”水库风险预警。逐日发布未来24h内25mm和50mm降雨区内省（市）辖乡镇及水库预警，直达防御一线人员，共覆盖河流5807条次、水库2263座次、责任人5318人次，为确保水库防洪安全提供了有力支撑。
三是强化水情预警社会发布。组织水利部海河水利委员会及北京、天津、河北、山西共向社会发布98次洪水预警，其中包括蓝色预警40次、黄色预警30次、橙色预警19次、红色预警9次，为水利部7月28日14时40分启动水旱灾害防御Ⅲ级应急响应、7月30日14时35分启动水旱灾害防御Ⅱ级应急响应提供了有力支撑。
实现蓄滞洪区洪水实时演进分析，有力支撑蓄滞洪区安全运用
一是构建8处启用蓄滞洪区二维水动力学演进模型。首次构建了大陆泽、宁晋泊、小清河分洪区、兰沟洼、东淀、献县泛区、永定河泛区和共渠西等8处启用蓄滞洪区的二维水动力学洪水演进模型，及时分析掌握蓄滞洪区进退洪运用情况。基于水利部数字孪生平台，采用二维水动力学100～500m不规则网格，考虑堤防、分洪口门、安全区（台）、闸门启闭、自然漫溢、扒口溃口、进退洪设施等各种边界条件，逐日推演洪水演进趋势，准确掌握蓄滞洪区水头演进、滞蓄水量、淹没范围、退洪归槽等情况。提前3～4天准确预测东淀水头演进过程和最大淹没范围，为蓄滞洪区安全运用和堤防防守提供有力支撑。
二是应用遥感监测产品调整计算边界和模型参数。利用多源遥感卫星资源，逐日开展8个启用蓄滞洪区的水体范围和行进速度等解译监测，汇集接入无人机采集的照片、视频、全景影像、正射影像图等数据，动态参证蓄滞洪区洪水水头和淹没变化，实时调整二维水动力学模型计算边界和模型参数。8月1日至3日，根据永定河泛区卫星遥感影像解译信息，及时补充堤防、分洪口门等水力学计算边界条件；根据东淀蓄滞洪区卫星遥感影像解译信息，动态调整水力学糙率、下渗率等模型参数。8月10日至12日，根据滩里干渠溃口卫星遥感和无人机监测结果，多次动态调整洪水演进计算边界条件；根据兰沟洼蓄滞洪区无人机拍摄的挖掘机扒口退洪照片，动态调整溃口宽度等水力学计算边界条件。利用东淀洪水演进成果，提前4天研判作出“不启用清南分洪区”决策部署，为东淀蓄滞洪区科学运用提供有力支撑。
三是综合推演河道及蓄滞洪区洪水演进态势。基于支撑洪水防御的高精度河流水系雨水情预报模型，无缝对接多源空间信息融合的洪水预报平台，首次实现海河流域集气象模式、水文模型、水力学模型、水库调度模型等于一体的流域防洪“四预”功能。利用降雨数值预报模式成果计算得到水文断面预报结果，作为边界条件输入蓄滞洪区洪水演进模型，计算蓄滞洪区洪水演进过程，逐网格逐时计算淹没范围及深度，预报进洪及退洪情况，成功预报独流减河进洪闸洪峰流量、第六堡最高水位等洪水要素。提前9～30天准确预报永定河、兰沟洼、东淀等蓄滞洪区退水时间，为蓄滞洪区居民返迁及运用补偿工作提供有力支撑。
依据预报预演结果滚动制定执行预案，充分发挥流域防洪工程体系综合减灾效益
7月28日至8月4日，根据预报预演结果，以水库、河道及堤防、蓄滞洪区等水工程为对象，滚动制定和执行预案，派出工作组（专家组）指导地方洪水防御工作。调度京津冀84座大中型水库，充分拦洪削峰错峰，累计拦蓄洪水超过28.5亿m3；8座蓄滞洪区最大滞洪25.3亿m3。京津冀组织22万余人次上堤巡查，及时处置各类堤防险情131处。通过科学精细调度，避免了24个城镇、751万亩(1亩=1/15hm2)耕地受淹，避免了462.3万人转移，充分发挥了流域防洪工程体系综合减灾效益，极大减轻了下游防洪压力，最大程度减小了洪水灾害损失，保障了人民群众生命财产安全。
4、存在问题与改进建议
通过复盘检视发现，本次洪水应对过程中，还存在一些差距和不足，主要体现在：雨水情监测尚不能满足洪水预报调度需求，数字孪生海河不能满足“四预”需要，“四预”功能无法完全满足防洪超前精准决策需求。对此，采取针对性、可操作性措施，尽快提升预报、预警、预演、预案能力。
加快构建雨水情监测预报“三道防线”，满足洪水预报调度需求
开展暴雨洪水调查工作，系统梳理海河流域“天空地”水文监测预报体系，建设覆盖流域暴雨洪水集中来源区、山洪灾害易发区的测雨雷达网，沿太行山、燕山山脉迎风坡及流域中下游平原区，加密雨量站、水文站，提档升级测报设施设备，强化北斗卫星通信备份，配齐配强应急监测设施设备，确保特大洪水测得到、报得出。
加强数字孪生海河建设，满足流域防洪“四预”需求
加快数字孪生海河建设，利用激光雷达、倾斜摄影、水下地形测量的新型监测技术，完善更新永定河、大清河、子牙河等重要河系以及蓄滞洪区的高精度数据底板。持续完善水利专业模型，面向“供给、使用、管理”三侧需求，构建自主可控的以河道、蓄滞洪区为重点的一维、二维耦合水动力洪水演进水利专业模型平台，研发临河房屋、采砂场、网箱养殖和水体等典型地物遥感AI识别模型；运用预训练大模型等技术，建设水利知识库、大语言模型等，提供对水利知识的自主学习、组织与优化、融合服务以及统一管理能力，建设知识模型平台。建设集中统一的数据中心，同时加强异地备份中心建设，推进国家超算中心和东数西算枢纽算力资源的水利共享应用，优化升级水利云，增强高性能计算算力、AI算力，补充水利云平台计算资源、数据库资源，扩充存储备份资源，提升现有数据存储和应急恢复能力。
加强“四预”能力建设，满足防洪超前精准决策需求
推进建设数值降水预报与分布式水文预报等模型耦合的洪水早期预报预警系统。切实提高短临、短期及中长期全时程全链条降雨洪水预报能力，特别是提高局地暴雨的监测预报能力和无资料或缺资料地区的洪水预报能力，总结提取暴雨洪水预报模型参数，推进实现中长期延长洪水预见期和短期提高洪水预报精准度的有效统一。针对水库、河道及堤防、蓄滞洪区等水利防洪工程调度运用需求，大力推进水工程调度系统建设，努力提高全国重点防洪区域水利工程洪水预报演进调度业务能力，开展点线面洪水影响风险预报预警业务，实现防洪重点区域洪水预报调度全覆盖，进一步完善气象—水文—水力学—调度全链条洪水模拟推演功能。
5、结语
防汛工作是水利部门义不容辞的责任，经济社会高质量发展对洪水防御工作提出了更高要求。我们要始终秉持以人民为中心的发展思想，深入贯彻落实“两个坚持、三个转变”防灾减灾救灾新理念，牢固树立风险意识和底线思维，扎实推进数字孪生流域建设，数字赋能预报、预警、预演、预案能力，最大程度降低洪水风险，切实保障人民群众生命财产安全。
