揭秘2023年长江防洪调度演练背后的水文科技

“预计未来一周，乌江、洞庭湖水系、长江中游干流附近仍有大—暴雨级别的强降水过程，嘉岷流域有中—大雨级别的降雨……”在水文预报员的预报信息报告中，演练拉开了序幕。

一张张令人揪心的雨量图将现场专家再次拉回24年前。专家们面对的是长江委以1999年型长江上中游大洪水作为本底，并适当放大，形成的“1999+”洪水，高洪水位更高、超额洪量更多、防守难度更大。

不过令人欣慰的是，24年过去了，长江流域防洪工程体系已基本建成，水文工作的各项环境条件更是发生了翻天覆地的变化。24年前，长江流域雨量站数量不及现今数量的十分之一，水文监测站网密度较疏、测报能力较弱。

但这却造成了流域性大洪水背景下暴雨、洪水样本案例少，水雨情信息碎片化的难题，如何将多维度天气要素细化到现有的降雨分区、水文站点、水库的水雨情数据里，成为摆在推演准备前的首要问题。

为了最大程度“重现”24年前的水雨情，并更好地补充放大，长江委水文局通过雨洪连续形态模拟，实现1999年暴雨洪水场景重构。各种尖端水雨情预报分析 “武器”悉数上阵，更高分辨率地数字化再现了1999年长江上中游出现大范围强降雨,上中游洪水再次遭遇的场景。

——利用再分析反演和数值模拟技术，重构“1999+”洪水“风—温—压—湿”等多维度天气要素，通过可视化技术模拟展示流场运动，动态展现大尺度天气环流场。

 “1999+ ”洪水 环流形势动态分析

——利用卫星遥感测雨和雨量站网融合技术，合成不同雨带缩放形态信息，通过时空智能识别技术动态刻画雨带形态，定制化展现降雨时空分布特征。

——利用流域分布式水文模拟技术，结合洪水不同形态缩放组合，动态调整模型参数，实现全流域洪水流场本底分布式模拟。

 预报体系智能构建

——通过天气—降雨—产流—汇流—演进全链条模拟，构建灵活重组、形态连续的雨洪本底化数据，实现“1999+”暴雨洪水信息时空嵌套扩容，为此次推演提供“算据”支撑。

“翔实”的水文情报数据，做到了水工程调度范围全覆盖，让调度现场专家领导仿佛回溯到24年前，真实感受到流域干支流的暴雨连绵和洪水肆虐。

“长江中下游干流主要控制站水位自6月下旬以来开始上涨，预计后期仍将快速上涨，莲花塘、汉口站水位即将突破警戒。”一声“警戒”，将推演推向白热化。

“三峡水库发生明显涨水过程，初步预计洪水量级将达50000立方米每秒以上。”

“若长江上游水库群按维持在汛限水位附近或以下运行，上游来水将与洞庭湖来水形成恶劣遭遇！”

“请立即分析水库群调度方案，以控制城陵矶莲花塘水位不超过保证水位34.4米。”

随着专家的一声令下，经系统试算和人工校核，2套调度方案即刻编制完成。

现场专家对比调度方案，临阵“出题”修改方案，复杂的演算过程分秒之间即刻完成。长江流域控制性水利工程综合调度支持系统（以下简称“综调系统”），以“秒级精算”惊艳全场。

这是综调系统第二次亮相洪水调度演练，但经过一年的使用和迭代后，它较一年前诞生时的样貌更显成熟和干练。

如今的综调系统，采用预报体系组件式搭建技术，结合流域自适应参数、智能优化方法，快速构建流域水模拟体系，实现全流域分布式产汇流演进模拟，打造了“长江洪水模拟预报引擎”。

 长江洪水模拟预报引擎

如今的综调系统，进一步丰富发展了“全流域、长河系”的预报方案和技术，构建了长江流域全河系1000多套方案，实现长江流域1000余个水文、水量、水质断面，111座水工程的多维、多尺度调控全覆盖。

如今的综调系统，还突破了高速运算的技术瓶颈，通过解耦模型—参数—站点的数据流，形成灵活“借调”“一对多”的计算模式，模型的通用性得到加强。同时，基于分布式部署的模型计算逻辑框架，采用并行计算的方法，同步加速各个预报节点的计算速率，实现覆盖全河系主要控制站和水工程调度方案的“秒级”运算，极大提升预报调度一体化的时效性。

  全流域、长河系“秒级精算”

“如果按照方案2调度，三峡水库调洪高水位将达到164.8米，城陵矶水位34.9米，可以不使用蓄滞洪区，避免人员转移，大幅减少经济损失。”

“但是三峡水库调洪高水位还是偏高，城陵矶水位也超过保证水位半米，风险太高了。”

随着讨论不断热烈起来，推演也来到全场的高潮，此时也是调度最难的地方——既要尽可能降低城陵矶水位，避免运用蓄滞洪区，减少经济损失，又要尽量降低三峡水库水位，为后续可能发生的洪水留足防洪库容。问题似乎陷入了一个上下两难的境地。

“能否在方案2的基础上进行优化，控制三峡水库调洪高水位不超过163米，同时保证城陵矶水位不超过34.6米?”专家提出了一个破解“两难”的思路。

“马上计算验证方案的可行性！”

只见水文预报员在综调系统中将专家提出的目标条件输入，屏幕上立即显示出为了达到调度目标，需要额外处理的超额洪量，并根据不同河段水工程防洪库容的余量，将防洪库容进行合理分配，最终输出相关水库的调度方案，而整个过程仅仅花了几分钟。

以多个目标和多重约束为条件，迅速反算出调度方案，这一套杀手锏便是由长江委水文局研发的“基于预报调度一体化的‘正逆向’高效互馈智能预演体系”。

基于预报调度一体化的“正逆向 ” 高效互馈智能预演体系

从今年初确定技术研发小组，长江委水文局采用专人负责、集中管理、挂图作战的方式以周为单位开展集中攻关。短短几个月，系统就实现了针对水库、蓄滞洪区等巨型水工程群的多目标智能实时演算。

通过这个系统，可以精准计算控制断面超额洪量，根据不同河段水库群所能发挥的作用，快速知晓防洪库容“剩多少”“剩在哪”“够不够用”“能不能用”。再根据不同的调度目标，运用建立的多场景调度目标推演方案库，实现调度方案的“按需定制”。不仅如此，系统还能动态展示水库群利用实效、目标对象控制要素的演变过程和多方案自动化对比分析，进一步完善了预报调度一体化，实现了预报调度“正向”互馈预演、调度方案“逆向”智能推荐，让水工程调控更加智慧。

“正逆向”互馈演算概化图

经过两个多小时的推演，洪水最终安然俯首，江河复归平静。

长江流域水库群共拦蓄洪水约400亿立方米，莲花塘站最高水位34.6米，未启用蓄滞洪区，减少经济损失近500亿元。“1999+”洪水得以成功处置。

推演虽然结束，但让人最为难忘的，无疑是把长江“复刻”至电脑，身在会场却犹如置身奔流大江的情景式体验。推演过程中，那一幕幕洪水推进时，实时演示洪水淹没范围的三维动画，让专家们“身临其境”地实时掌握流域防洪现状、水库运行情况、水情异常和预报趋势，直观掌控调度决策风险。

为了真实再现三峡库区的全貌，预报中心采用多源影像融合、多时相影像集成等技术，实现高分辨率、全色影像与高光谱融合，复刻三峡库区倾斜摄影模型。

数字孪生—三峡库区水面线（视角1）

数字孪生—三峡库区水面线（视角2）

在建立模型的基础上，首次实现数字孪生技术与预报调度业务化系统的共融互馈，通过控制孪生体的虚拟行为，将抽象的调度信息数据通过数字影像视觉模拟展现出来。

而“复刻”三峡库区的最终目的，就是要深化风险感知，采用发展、融合、共享等手段，扩容仿真情景，对不同调度目标下，库区水面线变化所造成的库区两岸淹没范围、淹没深度及淹没风险进行评估与预警，使调度方案制定者以“上帝视角”，充分了解调度方案的得与失。

数字孪生——汉口

“1999+”洪水调度演练已圆满结束，过程中展现的亮眼科技成果，是长江委水文局智慧水文建设多年成果的缩影。

按照李国英部长关于“数字孪生流域”的构想，长江委水文局紧紧围绕“四个链条”的发展思路，持续开展水文水资源预测预报智能方法研究和水工程智慧调控技术攻关，不断提升长江水文“三算”“四预”能力，在守正笃行中不断推陈出新，在流域数字化转型的浪潮中勇立潮头。

水文现代化建设之路道阻且长，长江委水文局将坚定不移贯彻新发展理念，大力开展自主创新，不断加强站网优化、信息感知、模型算法、信息服务等体系建设，行稳致远、久久为功，奋力书写水文科技助力新阶段长江水利高质量发展的新篇章。