山洪災害是洪澇災害中最為嚴重的致傷致亡災種。2010年以來，水利部牽頭組織開展了全國山洪災害防治項目建設，創造性地構建了適合我國國情、專群結合的山洪災害監測預警體系和群測群防體系，實現了山洪災害防御體系從“無”到“有”的歷史性突破，發揮了顯著的防災減災效益，近十年山洪災害造成的死亡失蹤人數較項目實施之前十年減少約七成。但是，我國特殊的地形條件、人口空間分布和降雨時空不均等因素導致山洪災害風險長期存在，如何精準識別排查山洪風險隱患，針對可能發生的山洪災害及早發出精準預警，為基層責任人提前組織人員轉移提供專業技術支撐，推動山洪災害監測預警體系提檔升級，是當前水利部門普遍面臨的新挑戰。
智慧水利建設是推動新階段水利高質量發展六條實施路徑之一。2021年，水利部先后印發《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”智慧水利建設規劃》《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》，并要求以時不我待的緊迫感、責任感、使命感，攻堅克難、扎實工作，大力推進建設。山洪災害防治屬于智慧水利典型應用之一，前期已有較好的算據、算法、算力基礎，有望在數字化、智能化等方面有所作為，促使山洪災害防治向新階段邁進。
通過10余年來山洪災害防治項目實施，完成了全國山洪災害調查評價，劃分了53萬余個小流域，建立了山洪災害防治全要素時空數據庫，實現了跨部門監測預報信息的數據共享和協同，建成山洪災害自動監測系統和監測預警平臺，實現縣級與省、地市防汛計算機網絡和視頻會商系統的互聯互通，研發了缺水文資料地區分布式水文模型。已有基礎數據和開展的工作不僅能夠支持數字山洪災害防治，也可為智慧水利建設提供算據、算法、算力。建立了我國第一套小流域劃分規范標準和編碼系統，完成了全國53萬余個小流域的劃分，提取了每個小流域75項基本屬性和300余萬條溝道、河流的基本特征，形成小流域初級階段的數字孿生。構建了山洪災害防御時空信息數據模型與多維數據立方體，收集全國6萬多個山洪雨水情監測站點和5萬個氣象多要素站實時監測數據，建成了全國山洪災害防御全要素時空數據庫，為數字山洪防治提供了算據基礎。
▲數字山洪防治的算據基礎
基于流域拓撲關系、氣象水文分區特征，從降雨插值計算、蒸散發計算、小流域洪水分析特點出發，結合基于網格的分布式山洪模擬技術建立了全國—流域片—模型集群—中小流域—子流域單元—網格的分層耦合模型框架，在全國劃分了132個山洪預報預警一級分區和5215個分布式山洪模擬模型單元組。其中，具有代表性的分布式山洪模擬模型包括時空變源混合產流模型和中國山洪水文模型（CNFF-HM）。時空變源混合產流模型適用于地形多樣、產流機制復雜的山區小流域山洪模擬；中國山洪水文模型采用模塊化建模技術，集成各類非線性產匯流算法，通過模擬對象與水文過程算法的松散耦合，滿足不同水文—地質—氣候類型地區山洪模擬模型建模需要。截至2021年，全國山洪災害自動監測站點達13.2萬個，其中山洪災害防治項目建有7.7萬個，共享氣象水文部門站點5.5萬個。與山洪災害防治項目建設之初相比，全國自動監測站點數量增加約21倍，最小報汛時段縮短到5min，監測數據入庫時間縮短到5～10min，數據信息量增加100余倍。建成國家級、7個流域機構級、30個省級（含新疆生產建設兵團）、305個地市級和2076個縣級的山洪災害監測預警（或監測預警信息管理）平臺，在縣級基本實現了雨水情自動監測、實時監視、預警信息生成和發布、責任人和預案管理、統計查詢等功能，實現縣級與省級、地市級防汛計算機網絡和視頻會商系統的互聯互通，提升了基層信息化水平。多數省份已進行省級監測預警平臺鞏固升級，實現了“一級部署、多級應用”，開展了省級山洪災害風險預報預警服務和預警信息社會化發布。國家級、福建省等平臺采用了山洪小流域洪水并行計算架構，十萬量級小流域洪水模擬計算時間不超過1min，能夠滿足山洪災害精細化預報預警的時效性要求。2010—2015年，我國開始以縣級為重點，以實時監測預警為手段，按照雨水情監測→縣級平臺信息入庫→預警判定→通過短信網關（或預警廣播）向鄉鎮或村責任人發布預警的流程，建設各級山洪災害監測預警平臺，同時將監測和預警信息共享上報至市級、省級和國家級平臺，部、省、市、縣四級實現了互聯互通。山洪災害監測預警平臺主要由水利專網、服務器、軟件、數據庫、GIS平臺、短信網關等組成，主要功能包括基礎信息查詢、水雨情信息查詢、水雨情監視預警、應急響應及快報、值班管理和系統管理等。縣級以上層級的平臺主要承擔縣級的監督管理和防御指導職責。通過建設山洪災害監測預警平臺，實現防汛指揮系統向縣級延伸，部分重點區域還將防汛計算機網絡、視頻延伸到鄉鎮，填補了基層防汛指揮系統的空白，極大提升了基層信息化水平。這一階段的山洪災害防治及監測預警平臺可概括為：從零起步、縣為主體、分散部署、靜態預警指標、實時監測預警，可稱為山洪災害防治“1.0”。2016—2021年，隨著山洪災害調查評價成果特別是全國53萬余個小流域劃分成果全面應用，同時為了解決分散部署而導致的基層運行維護管理困難、預警指標不夠精準、預警覆蓋面不足等實際問題，提出了“利用山洪災害調查評價工作底圖，一級部署、多級應用，實現動態預警，強化在線監管和社會化服務，建立多階段梯次化預警體系”的思路，水利部制定了《省級山洪災害監測預報預警平臺技術要求》，各地開始鞏固提升省級監測預警平臺。其中，福建省在構建分布式水文模型集群、建立時空大數據等方面做了探索，積累了經驗。福建省在省級監測預警平臺上對9077個小流域實現了初級數字映射，構建了10個水文模型集群和108個分布式水文模型單元，創建了山丘區洪水實時連續模擬業務化應用系統；形成了覆蓋全省的包含123589個對象、22類拓撲結構、1372471對關聯關系的山洪災害防御時空大數據；研發了覆蓋全省的24h氣象預警、2h臨近預報預警和實時暴雨洪水預報預警等不同預見期山洪災害風險預警模型；采用“省級部署、多級應用”的集約化建設模式，構建了全省山洪災害防御“一庫、一圖、一平臺”，實現了“一數一源”和平臺共享共用，統一了防汛業務平臺的登錄門戶、省市縣三級防御信息、預警機制和功能界面。這一階段的山洪災害防治和監測預警平臺可以概括為一張底圖、平臺集約化部署管理、多階段梯次預警，可稱為山洪災害防治“2.0”。伴隨全球氣候變化和山丘區經濟社會活動活躍程度不斷增強，局部地區短歷時強降雨事件多發頻發重發，我國近年山洪災害防御形勢愈發嚴峻：一是未來極端降水事件的頻次、強度將進一步增加；二是隨著脫貧攻堅、鄉村振興等國家戰略實施和農村人類經濟活動的增強，山區小流域孕災環境發生變化，兩類因素相互疊加，意味著未來我國山洪災害防御難度將進一步加大。山洪災害防治事關人民群眾生命安全、財產安全和民生福祉。防治山洪，減少人員傷亡，是防災減災的中心任務之一。山洪災害防治發展到新階段，數字化、智能化迭代升級是其必由之路，必須運用數字化技術、思維、認知，以數字化和智能化為山洪災害防治賦能、提質、增效。數字山洪防治將利用互聯網、大數據、人工智能等新技術手段，統籌運用數字化技術、數字化思維、數字化認知，對山洪災害風險識別、隱患排查、風險規避、監測預警、預報預警、提請避險等全過程進行系統梳理，以科學研判識別風險、提高預警精準度、延長預見期、快速準確劃定人員避險范圍為目標，以小流域為單元，以山洪災害下墊面和時空大數據為基礎構建數據底板，以國家級、省級監測預警平臺為載體，以數字化場景、智慧化模擬、靶向化預警、精準化防控為路徑，以算據、算法、算力建設為支撐，重點研發并完善山洪預演場景庫、山洪模擬模型和風險評估模型，逐步實現山洪災害的預報、預警、預演、預案“四預”功能，實現山洪災害防御體系從“有”到“好”的轉變。綜合考慮前期已有基礎，對標“十四五”智慧水利目標要求，數字山洪應該包括數據底板、智能化山洪模擬與預警模型、數字山洪“四預”業務應用和數字山洪基礎保障體系等方面內容。數字山洪數據底板是數字山洪的“算據”，主要建設任務包括完善L1級數據底板、建設L2級和L3級數據底板、數據匯集與服務平臺。對于數字山洪而言，L1級數據底板是全國山洪災害調查評價成果中已建設完成的全國統一的基礎底圖。但隨著時間的推移，小流域下墊面、經濟社會、人口分布等已發生較大變化，2016年年底的山洪災害調查評價成果亟須更新完善，除更新1∶50000基礎地理信息數據、53萬個小流域及其特征屬性和下墊面特征、優于2.5m分辨率的全國土地利用和植被類型等數據外，還需將補充調查評價成果、分析評價補充完善成果以及部分重點區域檢驗復核成果集成至L1級數據底板。數字山洪L2級數據底板覆蓋山洪災害危險區，包括無人機遙感影像數字正射影像圖（DOM）數據、測圖衛星DEM數據等，主要是進行數字山洪重點區域（城鎮、集鎮、重要設施）精細建模；數字山洪L3級數據底板覆蓋危險區上游及危險區內水利工程、公路、橋涵，包括工程區域的無人機傾斜攝影、重要工程的BIM數據，主要是進行數字山洪關鍵局部實體場景建模。在智慧水利數據標準規范下，結合山洪數據特點，編制山洪數據共享標準與規范，實現基礎數據、監測數據、預報數據、預警信息、業務管理數據、地理空間數據等在水利部本級、流域管理機構、省級水行政主管部門的匯集、下發與同步。通過技術設備更新換代解決傳統監測手段共享難、存在盲區、保障率低的問題，進一步優化監測站網布局，將來可以構建以測雨雷達網為骨架，自動雨水情監測站點、視頻流速（流量）識別為觸角的空天地立體監測體系，自動雨水情監測站點配齊北斗衛星通信信道，在山區橋梁、學校、醫院等重要部位場所設置簡易水位（視頻）監測站，消除“燈下黑”，以便現地獲取實時監測信息。山洪云是水利云的子云，可提供高可靠度的數據存儲和高性能的計算資源，主要建設內容包括統一云管理平臺、網絡資源、計算資源、存儲資源等部分。基于云技術通過兩層服務架構（基礎設施服務層和平臺服務層）支撐現有業務系統的遷移和應用部署，打通已有山洪災害監測預警系統中的數據孤島，融合水利、氣象等不同部門，省、市、縣等層級的靜態和實時數據，達到數字山洪的核心數據建設目標。落實“十四五”智慧水利建設規劃中水利網絡安全體系建設的有關要求，夯實網絡安全責任，開展信息安全等級保護測評等網絡安全建設，提升平臺信息安全防護能力。智能化山洪模擬與預警模型是數字山洪的“算法”，主要包括高分辨率降雨場模型、山洪模擬模型、山洪預警模型、風險評估模型、可視化與仿真模型等。利用大數據算法，研發自動監測站異常識別技術，提高自動監測數據的可靠性；利用測雨雷達，獲得高時空分辨率的局地測雨數據，共享氣象部門S/C波段天氣雷達測雨數據，研發X波段測雨雷達和S/C波段天氣雷達組網測雨技術，以及雷達測雨與地面雨量站的降雨融合技術，獲得準確的高分辨率降雨場，消除監測盲區，提高監測準確性。同時，研發X波段雷達臨近預報技術，共享氣象部門S/C波段天氣雷達臨近預報數據和數值降雨預報數據，建立不同預見期不同分辨率的降雨預報場。考慮氣象、水文、地形等不同，在全國范圍劃分不同的山洪分區，研究不同分區山洪形成與致災機理。在不同的山洪分區構建不同的山洪模擬模型，動態確定山洪模擬模型的有關參數，以適應不同分區山洪過程的模擬。山洪模擬模型包括水文模型、水動力模型、水沙模型等或各類模型的耦合模型。構建小流域洪水演進分析數字化場景，實現洪水時空演進過程直觀化展示。在多階段遞進式山洪災害監測預報預警體系的基礎上，進一步完善氣象風險預警模型，細化山洪致災臨界條件；在現有山洪災害實時動態預警指標分析的基礎上，根據歷史山洪災害發生時相應的降雨量和土壤含水量動態變化，建立動態智能預警模型；經過山洪災害補充調查評價和有關檢驗復核工作，重構基于山洪災害防御大數據的復雜要素關聯，將雨量、水位、流量等預警指標與預警對象關聯，實現精細化預警。建立考慮下游洪水頂托、橋梁壅水、水沙淤積、塘壩蓄滯堵潰、雨峰移動方向等情景庫，聚焦于實時評估承災體風險等級和精細刻畫風險鏈遷移過程，研發“水文—水動力—風險”時序過程推演的山洪風險評估模型，基于網格化模擬技術實現中小河流洪水實時和預設情景風險的精細化分析與評估，提高風險時空展布精細度。可視化模型主要是實現自然背景、流域屬性、流場動態、水利工程以及山洪預報、預警、預演、預案“四預”過程，實現業務運行環境的快速搭建。解決10萬量級雨量站、10min間隔海量數據高分辨率全國范圍降雨空間分布無損成圖與多比例尺快速實時渲染成圖，以及全國（或省級）尺度的暴雨山洪事件的快速空間發現和山洪風險的快速識別等難題。其中，自然背景包括河道、溝道、湖泊、植被、建筑、道路、危險區、防治區、村莊、鄉鎮等；流域屬性包括小流域的特征參數、產匯流特性等；流場動態包括水位、流量及土石、泥沙運動等；水利工程主要包括水庫、水閘、堤防等。仿真模型是充分利用數字山洪數據底板和動態數據實現山丘區數字孿生小流域與物理流域同步仿真，構建實時渲染、動態視覺特效、空間計算等功能。數字山洪“四預”業務系統應利用已有的省級山洪災害監測預警系統進行升級改造，能夠實現基于數字化場景的重點防御單元山洪過程智能化模擬與山洪風險精準化預報預警，提升極端暴雨山洪數字化演練能力，直觀展示山洪災害可能風險點及薄弱環節，支撐山洪災害防御精準化決策和轉移避險。預報功能分為兩部分：一是降雨預報，二是小流域洪水預報。降雨預報提供氣象部門共享的24h數值降雨預報、1~3h天氣雷達臨近預報以及各地結合自身實際開展的測雨雷達臨近預報；小流域洪水預報是以降雨監測和預報數據驅動分布式水文模型和水動力模型為基礎，實現山洪溝流量、水位過程的滾動分析計算，輸出小流域和河段的洪水模擬分析結果，實現水文和水動力模型參數的本地化，降低模型參數不確定性。其中降雨監測包括地面雨量站監測降雨、雷達監測降雨以及多源數據融合降雨。在多階段遞進式山洪災害監測預報預警體系下，基于降雨監測、降雨預報和小流域洪水預報結果，配合相應的山洪預警模型與預警指標，實現精細化的山洪監測預報預警與預警信息發布。預警信息應由預警時間、等級、持續時間、超警指標、預警范圍等要素組成，提供預警態勢分析、查詢統計等功能；通過統一的預警信息發布通道，采用短信網關、微信公眾號、移動App和信息共享接口等方式建立多方式預警信息發布服務，實現預警信息的多渠道、多部門標準化發布和社會化服務。預演一般包括兩種形式：一是實地演練，目的是讓基層干部群眾了解掌握預警信號和轉移路線；另一種是基于平臺的數字化演練，目的為山洪風險評估，以城鎮和重要集鎮、重要基礎設施（如生命線工程、變電站、醫院、學校、養老院、核設施等）為對象，通過實時和預設情景，識別和排查潛在的風險隱患點，針對性開展防御措施部署。預演時，結合當前暴雨洪水發展態勢，設定不同情境，包括未來降雨的定量設置、主支流匯合頂托、橋梁壅水、水沙淤積、束窄河段壅水、塘閘壩群蓄滯堵潰、雨水同向（逆向）等，需要充分考慮山洪災害發生的不確定性和復合放大效應。預案是根據動態的山洪監測預報預警結果和不同情境下的預演結果動態調整的針對性措施，明確可能影響的鄉鎮、村莊、人口等范圍以及需采取的防御措施，及時傳達至防御責任人。具體措施包括預置救援力量、關閉景區、提醒人員減少出行、停業停課停工（三停）、組織人員轉移避險、脆弱地點（養老院、醫院、學校）脆弱人群（老弱病殘孕、留守兒童婦女）特殊幫扶措施等。
