水科创新技术汇（三）| 科学预测山洪灾害

科技引领未来，创新驱动发展。一直以来，中国水科院始终坚持面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向经济主战场，攻坚克难、致力创新。承担了国内几乎所有重大水利水电工程关键技术问题的研究，取得了一大批原创性、突破性的科技成果。专题推出“水科创新技术汇”，展示水科技术和产品，带您领略水利科技的魅力。

山洪灾害监测预报预警系统

特殊的地理气候条件和人类活动导致我国山洪灾害多发频发，山洪灾害广泛分布于我国山丘区，覆盖386万平方公里山洪灾害防治区和120万平方公里重点防治区，影响3亿人的生命财产安全。

由于山洪陡涨陡落、突发性强和破坏性大等特点，防御难度极大，已成为我国防洪减灾突出的薄弱环节，也是自然灾害防御的世界难题，世界气象组织（WMO）统计的130个国家中有105个国家将山洪（flash flood）作为最“致命”灾害的第一或第二位。

时间就是生命，精准就是效益，精准有效的预警是减少山洪灾害人员伤亡最有效、最经济的手段。随着气象、水文、灾害等学科的不断发展和遥感、大数据、互联网等技术的进步，亟需通过多学科交叉研究和技术集成，以提高山洪灾害监测预报预警水平，实现山洪灾害精准预警、科学决策、及时发布和应急响应。

中国水科院减灾中心（全国山洪灾害防治项目组）经历10多年的努力，依托全国山洪灾害防治项目、全国小流域基础数据集开发项目、山洪灾害调查评价项目和福建省、河南省等山洪灾害监测预报预警平台及中国水科院科技创新团队等，围绕山洪灾害预报预警这一世界难题，从提高预警精准度和延长预见期两方面出发，采用现场观测、数值模拟和业务化应用等手段，深入开展缺资料地区小流域暴雨洪水非线性模拟、灾害风险评估和预报预警技术集成等方面的科学研究和技术开发，基于人工智能和高性能计算集群，构建了集成多源降雨数据产品、气象预警模型、分布式山洪模拟模型、小流域洪水风险预报预警模型的山洪灾害监测预报系统，形成了不同层级、不同尺度的山洪灾害预报预警产品。

▲ 山洪灾害监测预报系统主要功能框架

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系统主要功能

项目组针对小流域暴雨洪水分析、水文—气象耦合模拟和高性能并行计算等难题，以提高山洪模拟精度、延长预见期和山洪精细化预报预警为目标开展了山洪灾害监测预报预警系统研发，系统特点包括：

01

针对山洪灾害突发性强的特点和延长预见期的需求，研发了基于X波段双偏振测雨雷达的高精度降雨反演算法和临近降雨预报算法，系统集成了172部气象雷达高精度降雨面雨量，5km网格融合降水量产品和降雨临近预报产品；

02

系统集成了基于Richards方程土壤含水量实时数值模拟系统，可提供每日土壤含水量产品；

03

系统集成了全国山洪灾害调查评价成果和基础数据成果，实现了山洪灾害防御“一图、一库”和全要素信息查询浏览等功能；

04

针对无资料山丘区暴雨洪水计算难题，提出小流域分布式时空变源混合产流和时变单位线模型，研发了基于机器学习的参数区域化技术和参数智能匹配算法，建立了非线性山洪模拟模型；

05

针对山洪灾害预警高时效需求，研发了基于时空双离散的洪水并行计算框架和适应异构并行计算集群的计算资源调度算法；

06

根据多尺度、多层级山洪灾害预警业务需求，集成了山洪灾害气象预警模型、设计暴雨洪水预警模型和洪水预报预警模型，实现了全国尺度山洪灾害气象预警，流域尺度洪水预警，沿河村落、河段和水库的点线尺度的洪水预警；

07

针对国家、省和市县业务需求，研发了功能可定制的模块化山洪灾害监测预报预警系统，可支持不同层级、不同用户功能定制需求。

▲ 时空变源产流模型结构

▲  分布式单位线技术

▲  缺资料地区产汇流参数提取

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技术先进性

系统采用模块化、参数化、智能化、可视化和自动化设计思想，具有数据预处理、多源降水信息融合、水文一键化自动建模、洪水预报、山洪预警、参数自动优化、大规模并行计算等功能。
1模型适用地区全国386万km²山洪灾害防治区预报预警；2预警分析对象10km²-3000km²的中小流域； 3模型时间尺度

10分钟/30分钟/1小时/日模型，可实现日-时模型耦合；

4洪水模拟精度与国外主流商业软件SWAT、HEC、TOPMODEL、VIC、PRMS、TOPKAPI等相比，山洪模拟精度提高了30%，经过了361个流域11798场次洪水检验；5预警精准度预报预警命中率超过95%，气象预警在暴雨时效评分为0.19条件下全国山洪灾害气象预警命中率达到了40%；6模拟计算速度

全国53万个中小流域实时连续模拟时间低于2分钟/次，并行加速比超过200；

7系统响应速度WebGIS响应速度小于3秒，复杂报表响应速度小于5秒，一般查询响应速度小于3秒，并发用户数超过1000；8模型定制可根据不同层级及业务需求进行定制（可定制省、市、县、流域版本，Web和app版本）

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应用领域

山洪灾害监测预报预警系统在水利防汛业务应用广泛，并已推广至电力、铁路、石化等行业，有效增强了社会公众防御山洪的意识，发挥了显著的防灾减灾效益。

 应用于国家级山洪灾害气象预警工作，并推广至云南（及其各州市）、贵州、河北、吉林等省份；

 应用于北京、山东、广西、河南、黑龙江、山西、四川等20余个省的山洪灾害预报预警、中小流域暴雨洪水计算分析、水资源评价、中小河流洪水预报预警、水土保持措施效果评价及水土流失量计算等。

 中国山洪水文模型系统CNFF、模块化小流域暴雨洪水分析系统、山洪灾害气象预警技术、山洪灾害分析评价软件和淤地坝安全度汛快速预警技术入选2018-2020年水利部水利先进实用技术推广目录和成熟适用水利科技成果推广清单；

 基于CNFF模型的洪水预警预报系统入选雄安新区水资源保障能力技术支撑推荐短名单。