【智慧城市網(wǎng) 時(shí)事聚焦】萬(wàn)里長(zhǎng)江，險(xiǎn)在荊江，難在洞庭。洞庭湖歷來(lái)是長(zhǎng)江防洪的要點(diǎn)和難點(diǎn)。
4月21日，在水利部組織下，長(zhǎng)江水利委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)江委”)與流域8省市水利廳(局)和中國(guó)三峽集團(tuán)，共同開展了一場(chǎng)以長(zhǎng)江1999年型洪水為背景的調(diào)度演練，為的就是檢驗(yàn)在現(xiàn)有防洪手段下，遇到洞庭湖地區(qū)防洪形勢(shì)較為緊張時(shí)，能否從容應(yīng)對(duì)。
為做好此次洪水調(diào)度演練，達(dá)到以演備戰(zhàn)、以練代訓(xùn)、鍛煉隊(duì)伍的目的，長(zhǎng)江委水文局再次運(yùn)用最新的水文科技，精準(zhǔn)還現(xiàn)“四情”，為水工程調(diào)度決策提供了強(qiáng)而有力的支撐。
時(shí)空重構(gòu)——數(shù)字化“再現(xiàn)”典型雨洪場(chǎng)景
“預(yù)計(jì)未來(lái)一周，烏江、洞庭湖水系、長(zhǎng)江中游干流附近仍有大—暴雨級(jí)別的強(qiáng)降水過(guò)程，嘉岷流域有中—大雨級(jí)別的降雨……”在水文預(yù)報(bào)員的預(yù)報(bào)信息報(bào)告中，演練拉開了序幕。
一張張令人揪心的雨量圖將現(xiàn)場(chǎng)專家再次拉回24年前。專家們面對(duì)的是長(zhǎng)江委以1999年型長(zhǎng)江上中游大洪水作為本底，并適當(dāng)放大，形成的“1999+”洪水，高洪水位更高、超額洪量更多、防守難度更大。
不過(guò)令人欣慰的是，24年過(guò)去了，長(zhǎng)江流域防洪工程體系已基本建成，水文工作的各項(xiàng)環(huán)境條件更是發(fā)生了翻天覆地的變化。24年前，長(zhǎng)江流域雨量站數(shù)量不及現(xiàn)今數(shù)量的十分之一，水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)密度較疏、測(cè)報(bào)能力較弱。
但這卻造成了流域性大洪水背景下暴雨、洪水樣本案例少，水雨情信息碎片化的難題，如何將多維度天氣要素細(xì)化到現(xiàn)有的降雨分區(qū)、水文站點(diǎn)、水庫(kù)的水雨情數(shù)據(jù)里，成為擺在推演準(zhǔn)備前的首要問(wèn)題。
為了最大程度“重現(xiàn)”24年前的水雨情，并更好地補(bǔ)充放大，長(zhǎng)江委水文局通過(guò)雨洪連續(xù)形態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)1999年暴雨洪水場(chǎng)景重構(gòu)。各種尖端水雨情預(yù)報(bào)分析 “武器”悉數(shù)上陣，更高分辨率地?cái)?shù)字化再現(xiàn)了1999年長(zhǎng)江上中游出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降雨,上中游洪水再次遭遇的場(chǎng)景。
——利用再分析反演和數(shù)值模擬技術(shù)，重構(gòu)“1999+”洪水“風(fēng)—溫—壓—濕”等多維度天氣要素，通過(guò)可視化技術(shù)模擬展示流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)展現(xiàn)大尺度天氣環(huán)流場(chǎng)。
——利用衛(wèi)星遙感測(cè)雨和雨量站網(wǎng)融合技術(shù)，合成不同雨帶縮放形態(tài)信息，通過(guò)時(shí)空智能識(shí)別技術(shù)動(dòng)態(tài)刻畫雨帶形態(tài)，定制化展現(xiàn)降雨時(shí)空分布特征。
——利用流域分布式水文模擬技術(shù)，結(jié)合洪水不同形態(tài)縮放組合，動(dòng)態(tài)調(diào)整模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全流域洪水流場(chǎng)本底分布式模擬。
——通過(guò)天氣—降雨—產(chǎn)流—匯流—演進(jìn)全鏈條模擬，構(gòu)建靈活重組、形態(tài)連續(xù)的雨洪本底化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“1999+”暴雨洪水信息時(shí)空嵌套擴(kuò)容，為此次推演提供“算據(jù)”支撐。
“翔實(shí)”的水文情報(bào)數(shù)據(jù)，做到了水工程調(diào)度范圍全覆蓋，讓調(diào)度現(xiàn)場(chǎng)專家領(lǐng)導(dǎo)仿佛回溯到24年前，真實(shí)感受到流域干支流的暴雨連綿和洪水肆虐。
秒級(jí)精算——技術(shù)迭代打磨御洪“利器”
“長(zhǎng)江中下游干流主要控制站水位自6月下旬以來(lái)開始上漲，預(yù)計(jì)后期仍將快速上漲，蓮花塘、漢口站水位即將突破警戒。”一聲“警戒”，將推演推向*。
“三峽水庫(kù)發(fā)生明顯漲水過(guò)程，初步預(yù)計(jì)洪水量級(jí)將達(dá)50000立方米每秒以上。”
“若長(zhǎng)江上游水庫(kù)群按維持在汛限水位附近或以下運(yùn)行，上游來(lái)水將與洞庭湖來(lái)水形成惡劣遭遇！”
“請(qǐng)立即分析水庫(kù)群調(diào)度方案，以控制城陵磯蓮花塘水位不超過(guò)保證水位34.4米。”
隨著專家的一聲令下，經(jīng)系統(tǒng)試算和人工校核，2套調(diào)度方案即刻編制完成。
現(xiàn)場(chǎng)專家對(duì)比調(diào)度方案，臨陣“出題”修改方案，復(fù)雜的演算過(guò)程分秒之間即刻完成。長(zhǎng)江流域控制性水利工程綜合調(diào)度支持系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“綜調(diào)系統(tǒng)”)，以“秒級(jí)精算”驚艷全場(chǎng)。
這是綜調(diào)系統(tǒng)第二次亮相洪水調(diào)度演練，但經(jīng)過(guò)一年的使用和迭代后，它較一年前誕生時(shí)的樣貌更顯成熟和干練。
如今的綜調(diào)系統(tǒng)，采用預(yù)報(bào)體系組件式搭建技術(shù)，結(jié)合流域自適應(yīng)參數(shù)、智能優(yōu)化方法，快速構(gòu)建流域水模擬體系，實(shí)現(xiàn)全流域分布式產(chǎn)匯流演進(jìn)模擬，打造了“長(zhǎng)江洪水模擬預(yù)報(bào)引擎”。
如今的綜調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)一步豐富發(fā)展了“全流域、長(zhǎng)河系”的預(yù)報(bào)方案和技術(shù)，構(gòu)建了長(zhǎng)江流域全河系1000多套方案，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域1000余個(gè)水文、水量、水質(zhì)斷面，111座水工程的多維、多尺度調(diào)控全覆蓋。
如今的綜調(diào)系統(tǒng)，還突破了高速運(yùn)算的技術(shù)瓶頸，通過(guò)解耦模型—參數(shù)—站點(diǎn)的數(shù)據(jù)流，形成靈活“借調(diào)”“一對(duì)多”的計(jì)算模式，模型的通用性得到加強(qiáng)。同時(shí)，基于分布式部署的模型計(jì)算邏輯框架，采用并行計(jì)算的方法，同步加速各個(gè)預(yù)報(bào)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算速率，實(shí)現(xiàn)覆蓋全河系主要控制站和水工程調(diào)度方案的“秒級(jí)”運(yùn)算，極大提升預(yù)報(bào)調(diào)度一體化的時(shí)效性。
雙向互饋——“按需定制”實(shí)現(xiàn)智慧調(diào)控
“如果按照方案2調(diào)度，三峽水庫(kù)調(diào)洪高水位將達(dá)到164.8米，城陵磯水位34.9米，可以不使用蓄滯洪區(qū)，避免人員轉(zhuǎn)移，大幅減少經(jīng)濟(jì)損失。”
“但是三峽水庫(kù)調(diào)洪高水位還是偏高，城陵磯水位也超過(guò)保證水位半米，風(fēng)險(xiǎn)太高了。”
隨著討論不斷熱烈起來(lái)，推演也來(lái)到全場(chǎng)的高潮，此時(shí)也是調(diào)度最難的地方——既要盡可能降低城陵磯水位，避免運(yùn)用蓄滯洪區(qū)，減少經(jīng)濟(jì)損失，又要盡量降低三峽水庫(kù)水位，為后續(xù)可能發(fā)生的洪水留足防洪庫(kù)容。問(wèn)題似乎陷入了一個(gè)上下兩難的境地。
“能否在方案2的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，控制三峽水庫(kù)調(diào)洪高水位不超過(guò)163米，同時(shí)保證城陵磯水位不超過(guò)34.6米?”專家提出了一個(gè)破解“兩難”的思路。
“馬上計(jì)算驗(yàn)證方案的可行性！”
只見(jiàn)水文預(yù)報(bào)員在綜調(diào)系統(tǒng)中將專家提出的目標(biāo)條件輸入，屏幕上立即顯示出為了達(dá)到調(diào)度目標(biāo)，需要額外處理的超額洪量，并根據(jù)不同河段水工程防洪庫(kù)容的余量，將防洪庫(kù)容進(jìn)行合理分配，最終輸出相關(guān)水庫(kù)的調(diào)度方案，而整個(gè)過(guò)程僅僅花了幾分鐘。
以多個(gè)目標(biāo)和多重約束為條件，迅速反算出調(diào)度方案，這一套殺手锏便是由長(zhǎng)江委水文局研發(fā)的“基于預(yù)報(bào)調(diào)度一體化的‘正逆向’高效互饋智能預(yù)演體系”。
從今年初確定技術(shù)研發(fā)小組，長(zhǎng)江委水文局采用專人負(fù)責(zé)、集中管理、掛圖作戰(zhàn)的方式以周為單位開展集中攻關(guān)。短短幾個(gè)月，系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了針對(duì)水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)等巨型水工程群的多目標(biāo)智能實(shí)時(shí)演算。
通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)計(jì)算控制斷面超額洪量，根據(jù)不同河段水庫(kù)群所能發(fā)揮的作用，快速知曉防洪庫(kù)容“剩多少”“剩在哪”“夠不夠用”“能不能用”。再根據(jù)不同的調(diào)度目標(biāo)，運(yùn)用建立的多場(chǎng)景調(diào)度目標(biāo)推演方案庫(kù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度方案的“按需定制”。不僅如此，系統(tǒng)還能動(dòng)態(tài)展示水庫(kù)群利用實(shí)效、目標(biāo)對(duì)象控制要素的演變過(guò)程和多方案自動(dòng)化對(duì)比分析，進(jìn)一步完善了預(yù)報(bào)調(diào)度一體化，實(shí)現(xiàn)了預(yù)報(bào)調(diào)度“正向”互饋預(yù)演、調(diào)度方案“逆向”智能推薦，讓水工程調(diào)控更加智慧。
數(shù)字孿生—— “上帝視角”掌控決策風(fēng)險(xiǎn)
經(jīng)過(guò)兩個(gè)多小時(shí)的推演，洪水最終安然俯首，江河復(fù)歸平靜。
長(zhǎng)江流域水庫(kù)群共攔蓄洪水約400億立方米，蓮花塘站最高水位34.6米，未啟用蓄滯洪區(qū)，減少經(jīng)濟(jì)損失近500億元。“1999+”洪水得以成功處置。
推演雖然結(jié)束，但讓人最為難忘的，無(wú)疑是把長(zhǎng)江“復(fù)刻”至電腦，身在會(huì)場(chǎng)卻猶如置身奔流大江的情景式體驗(yàn)。推演過(guò)程中，那一幕幕洪水推進(jìn)時(shí)，實(shí)時(shí)演示洪水淹沒(méi)范圍的三維動(dòng)畫，讓專家們“身臨其境”地實(shí)時(shí)掌握流域防洪現(xiàn)狀、水庫(kù)運(yùn)行情況、水情異常和預(yù)報(bào)趨勢(shì)，直觀掌控調(diào)度決策風(fēng)險(xiǎn)。
為了真實(shí)再現(xiàn)三峽庫(kù)區(qū)的全貌，預(yù)報(bào)中心采用多源影像融合、多時(shí)相影像集成等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高分辨率、全色影像與高光譜融合，復(fù)刻三峽庫(kù)區(qū)傾斜攝影模型。
在建立模型的基礎(chǔ)上，首次實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)與預(yù)報(bào)調(diào)度業(yè)務(wù)化系統(tǒng)的共融互饋，通過(guò)控制孿生體的虛擬行為，將抽象的調(diào)度信息數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字影像視覺(jué)模擬展現(xiàn)出來(lái)。
而“復(fù)刻”三峽庫(kù)區(qū)的最終目的，就是要深化風(fēng)險(xiǎn)感知，采用發(fā)展、融合、共享等手段，擴(kuò)容仿真情景，對(duì)不同調(diào)度目標(biāo)下，庫(kù)區(qū)水面線變化所造成的庫(kù)區(qū)兩岸淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)深度及淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估與預(yù)警，使調(diào)度方案制定者以“上帝視角”，充分了解調(diào)度方案的得與失。
“1999+”洪水調(diào)度演練已圓滿結(jié)束，過(guò)程中展現(xiàn)的亮眼科技成果，是長(zhǎng)江委水文局智慧水文建設(shè)多年成果的縮影。
按照李國(guó)英部長(zhǎng)關(guān)于“數(shù)字孿生流域”的構(gòu)想，長(zhǎng)江委水文局緊緊圍繞“四個(gè)鏈條”的發(fā)展思路，持續(xù)開展水文水資源預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)智能方法研究和水工程智慧調(diào)控技術(shù)攻關(guān)，不斷提升長(zhǎng)江水文“三算”“四預(yù)”能力，在守正篤行中不斷推陳出新，在流域數(shù)字化轉(zhuǎn)型的浪潮中勇立潮頭。
水文現(xiàn)代化建設(shè)之路道阻且長(zhǎng)，長(zhǎng)江委水文局將堅(jiān)定不移貫徹新發(fā)展理念，大力開展自主創(chuàng)新，不斷加強(qiáng)站網(wǎng)優(yōu)化、信息感知、模型算法、信息服務(wù)等體系建設(shè)，行穩(wěn)致遠(yuǎn)、久久為功，奮力書寫水文科技助力新階段長(zhǎng)江水利高質(zhì)量發(fā)展的新篇章。
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