山洪灾害是洪涝灾害中最为严重的致伤致亡灾种。2010年以来，水利部牵头组织开展了全国山洪灾害防治项目建设，创造性地构建了适合我国国情、专群结合的山洪灾害监测预警体系和群测群防体系，实现了山洪灾害防御体系从“无”到“有”的历史性突破，发挥了显著的防灾减灾效益，近十年山洪灾害造成的死亡失踪人数较项目实施之前十年减少约七成。但是，我国特殊的地形条件、人口空间分布和降雨时空不均等因素导致山洪灾害风险长期存在，如何精准识别排查山洪风险隐患，针对可能发生的山洪灾害及早发出精准预警，为基层责任人提前组织人员转移提供专业技术支撑，推动山洪灾害监测预警体系提档升级，是当前水利部门普遍面临的新挑战。
智慧水利建设是推动新阶段水利高质量发展六条实施路径之一。2021年，水利部先后印发《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》，并要求以时不我待的紧迫感、责任感、使命感，攻坚克难、扎实工作，大力推进建设。山洪灾害防治属于智慧水利典型应用之一，前期已有较好的算据、算法、算力基础，有望在数字化、智能化等方面有所作为，促使山洪灾害防治向新阶段迈进。
通过10余年来山洪灾害防治项目实施，完成了全国山洪灾害调查评价，划分了53万余个小流域，建立了山洪灾害防治全要素时空数据库，实现了跨部门监测预报信息的数据共享和协同，建成山洪灾害自动监测系统和监测预警平台，实现县级与省、地市防汛计算机网络和视频会商系统的互联互通，研发了缺水文资料地区分布式水文模型。已有基础数据和开展的工作不仅能够支持数字山洪灾害防治，也可为智慧水利建设提供算据、算法、算力。建立了我国第一套小流域划分规范标准和编码系统，完成了全国53万余个小流域的划分，提取了每个小流域75项基本属性和300余万条沟道、河流的基本特征，形成小流域初级阶段的数字孪生。构建了山洪灾害防御时空信息数据模型与多维数据立方体，收集全国6万多个山洪雨水情监测站点和5万个气象多要素站实时监测数据，建成了全国山洪灾害防御全要素时空数据库，为数字山洪防治提供了算据基础。
▲数字山洪防治的算据基础
基于流域拓扑关系、气象水文分区特征，从降雨插值计算、蒸散发计算、小流域洪水分析特点出发，结合基于网格的分布式山洪模拟技术建立了全国—流域片—模型集群—中小流域—子流域单元—网格的分层耦合模型框架，在全国划分了132个山洪预报预警一级分区和5215个分布式山洪模拟模型单元组。其中，具有代表性的分布式山洪模拟模型包括时空变源混合产流模型和中国山洪水文模型（CNFF-HM）。时空变源混合产流模型适用于地形多样、产流机制复杂的山区小流域山洪模拟；中国山洪水文模型采用模块化建模技术，集成各类非线性产汇流算法，通过模拟对象与水文过程算法的松散耦合，满足不同水文—地质—气候类型地区山洪模拟模型建模需要。截至2021年，全国山洪灾害自动监测站点达13.2万个，其中山洪灾害防治项目建有7.7万个，共享气象水文部门站点5.5万个。与山洪灾害防治项目建设之初相比，全国自动监测站点数量增加约21倍，最小报汛时段缩短到5min，监测数据入库时间缩短到5～10min，数据信息量增加100余倍。建成国家级、7个流域机构级、30个省级（含新疆生产建设兵团）、305个地市级和2076个县级的山洪灾害监测预警（或监测预警信息管理）平台，在县级基本实现了雨水情自动监测、实时监视、预警信息生成和发布、责任人和预案管理、统计查询等功能，实现县级与省级、地市级防汛计算机网络和视频会商系统的互联互通，提升了基层信息化水平。多数省份已进行省级监测预警平台巩固升级，实现了“一级部署、多级应用”，开展了省级山洪灾害风险预报预警服务和预警信息社会化发布。国家级、福建省等平台采用了山洪小流域洪水并行计算架构，十万量级小流域洪水模拟计算时间不超过1min，能够满足山洪灾害精细化预报预警的时效性要求。2010—2015年，我国开始以县级为重点，以实时监测预警为手段，按照雨水情监测→县级平台信息入库→预警判定→通过短信网关（或预警广播）向乡镇或村责任人发布预警的流程，建设各级山洪灾害监测预警平台，同时将监测和预警信息共享上报至市级、省级和国家级平台，部、省、市、县四级实现了互联互通。山洪灾害监测预警平台主要由水利专网、服务器、软件、数据库、GIS平台、短信网关等组成，主要功能包括基础信息查询、水雨情信息查询、水雨情监视预警、应急响应及快报、值班管理和系统管理等。县级以上层级的平台主要承担县级的监督管理和防御指导职责。通过建设山洪灾害监测预警平台，实现防汛指挥系统向县级延伸，部分重点区域还将防汛计算机网络、视频延伸到乡镇，填补了基层防汛指挥系统的空白，极大提升了基层信息化水平。这一阶段的山洪灾害防治及监测预警平台可概括为：从零起步、县为主体、分散部署、静态预警指标、实时监测预警，可称为山洪灾害防治“1.0”。2016—2021年，随着山洪灾害调查评价成果特别是全国53万余个小流域划分成果全面应用，同时为了解决分散部署而导致的基层运行维护管理困难、预警指标不够精准、预警覆盖面不足等实际问题，提出了“利用山洪灾害调查评价工作底图，一级部署、多级应用，实现动态预警，强化在线监管和社会化服务，建立多阶段梯次化预警体系”的思路，水利部制定了《省级山洪灾害监测预报预警平台技术要求》，各地开始巩固提升省级监测预警平台。其中，福建省在构建分布式水文模型集群、建立时空大数据等方面做了探索，积累了经验。福建省在省级监测预警平台上对9077个小流域实现了初级数字映射，构建了10个水文模型集群和108个分布式水文模型单元，创建了山丘区洪水实时连续模拟业务化应用系统；形成了覆盖全省的包含123589个对象、22类拓扑结构、1372471对关联关系的山洪灾害防御时空大数据；研发了覆盖全省的24h气象预警、2h临近预报预警和实时暴雨洪水预报预警等不同预见期山洪灾害风险预警模型；采用“省级部署、多级应用”的集约化建设模式，构建了全省山洪灾害防御“一库、一图、一平台”，实现了“一数一源”和平台共享共用，统一了防汛业务平台的登录门户、省市县三级防御信息、预警机制和功能界面。这一阶段的山洪灾害防治和监测预警平台可以概括为一张底图、平台集约化部署管理、多阶段梯次预警，可称为山洪灾害防治“2.0”。伴随全球气候变化和山丘区经济社会活动活跃程度不断增强，局部地区短历时强降雨事件多发频发重发，我国近年山洪灾害防御形势愈发严峻：一是未来极端降水事件的频次、强度将进一步增加；二是随着脱贫攻坚、乡村振兴等国家战略实施和农村人类经济活动的增强，山区小流域孕灾环境发生变化，两类因素相互叠加，意味着未来我国山洪灾害防御难度将进一步加大。山洪灾害防治事关人民群众生命安全、财产安全和民生福祉。防治山洪，减少人员伤亡，是防灾减灾的中心任务之一。山洪灾害防治发展到新阶段，数字化、智能化迭代升级是其必由之路，必须运用数字化技术、思维、认知，以数字化和智能化为山洪灾害防治赋能、提质、增效。数字山洪防治将利用互联网、大数据、人工智能等新技术手段，统筹运用数字化技术、数字化思维、数字化认知，对山洪灾害风险识别、隐患排查、风险规避、监测预警、预报预警、提请避险等全过程进行系统梳理，以科学研判识别风险、提高预警精准度、延长预见期、快速准确划定人员避险范围为目标，以小流域为单元，以山洪灾害下垫面和时空大数据为基础构建数据底板，以国家级、省级监测预警平台为载体，以数字化场景、智慧化模拟、靶向化预警、精准化防控为路径，以算据、算法、算力建设为支撑，重点研发并完善山洪预演场景库、山洪模拟模型和风险评估模型，逐步实现山洪灾害的预报、预警、预演、预案“四预”功能，实现山洪灾害防御体系从“有”到“好”的转变。综合考虑前期已有基础，对标“十四五”智慧水利目标要求，数字山洪应该包括数据底板、智能化山洪模拟与预警模型、数字山洪“四预”业务应用和数字山洪基础保障体系等方面内容。数字山洪数据底板是数字山洪的“算据”，主要建设任务包括完善L1级数据底板、建设L2级和L3级数据底板、数据汇集与服务平台。对于数字山洪而言，L1级数据底板是全国山洪灾害调查评价成果中已建设完成的全国统一的基础底图。但随着时间的推移，小流域下垫面、经济社会、人口分布等已发生较大变化，2016年年底的山洪灾害调查评价成果亟须更新完善，除更新1∶50000基础地理信息数据、53万个小流域及其特征属性和下垫面特征、优于2.5m分辨率的全国土地利用和植被类型等数据外，还需将补充调查评价成果、分析评价补充完善成果以及部分重点区域检验复核成果集成至L1级数据底板。数字山洪L2级数据底板覆盖山洪灾害危险区，包括无人机遥感影像数字正射影像图（DOM）数据、测图卫星DEM数据等，主要是进行数字山洪重点区域（城镇、集镇、重要设施）精细建模；数字山洪L3级数据底板覆盖危险区上游及危险区内水利工程、公路、桥涵，包括工程区域的无人机倾斜摄影、重要工程的BIM数据，主要是进行数字山洪关键局部实体场景建模。在智慧水利数据标准规范下，结合山洪数据特点，编制山洪数据共享标准与规范，实现基础数据、监测数据、预报数据、预警信息、业务管理数据、地理空间数据等在水利部本级、流域管理机构、省级水行政主管部门的汇集、下发与同步。通过技术设备更新换代解决传统监测手段共享难、存在盲区、保障率低的问题，进一步优化监测站网布局，将来可以构建以测雨雷达网为骨架，自动雨水情监测站点、视频流速（流量）识别为触角的空天地立体监测体系，自动雨水情监测站点配齐北斗卫星通信信道，在山区桥梁、学校、医院等重要部位场所设置简易水位（视频）监测站，消除“灯下黑”，以便现地获取实时监测信息。山洪云是水利云的子云，可提供高可靠度的数据存储和高性能的计算资源，主要建设内容包括统一云管理平台、网络资源、计算资源、存储资源等部分。基于云技术通过两层服务架构（基础设施服务层和平台服务层）支撑现有业务系统的迁移和应用部署，打通已有山洪灾害监测预警系统中的数据孤岛，融合水利、气象等不同部门，省、市、县等层级的静态和实时数据，达到数字山洪的核心数据建设目标。落实“十四五”智慧水利建设规划中水利网络安全体系建设的有关要求，夯实网络安全责任，开展信息安全等级保护测评等网络安全建设，提升平台信息安全防护能力。智能化山洪模拟与预警模型是数字山洪的“算法”，主要包括高分辨率降雨场模型、山洪模拟模型、山洪预警模型、风险评估模型、可视化与仿真模型等。利用大数据算法，研发自动监测站异常识别技术，提高自动监测数据的可靠性；利用测雨雷达，获得高时空分辨率的局地测雨数据，共享气象部门S/C波段天气雷达测雨数据，研发X波段测雨雷达和S/C波段天气雷达组网测雨技术，以及雷达测雨与地面雨量站的降雨融合技术，获得准确的高分辨率降雨场，消除监测盲区，提高监测准确性。同时，研发X波段雷达临近预报技术，共享气象部门S/C波段天气雷达临近预报数据和数值降雨预报数据，建立不同预见期不同分辨率的降雨预报场。考虑气象、水文、地形等不同，在全国范围划分不同的山洪分区，研究不同分区山洪形成与致灾机理。在不同的山洪分区构建不同的山洪模拟模型，动态确定山洪模拟模型的有关参数，以适应不同分区山洪过程的模拟。山洪模拟模型包括水文模型、水动力模型、水沙模型等或各类模型的耦合模型。构建小流域洪水演进分析数字化场景，实现洪水时空演进过程直观化展示。在多阶段递进式山洪灾害监测预报预警体系的基础上，进一步完善气象风险预警模型，细化山洪致灾临界条件；在现有山洪灾害实时动态预警指标分析的基础上，根据历史山洪灾害发生时相应的降雨量和土壤含水量动态变化，建立动态智能预警模型；经过山洪灾害补充调查评价和有关检验复核工作，重构基于山洪灾害防御大数据的复杂要素关联，将雨量、水位、流量等预警指标与预警对象关联，实现精细化预警。建立考虑下游洪水顶托、桥梁壅水、水沙淤积、塘坝蓄滞堵溃、雨峰移动方向等情景库，聚焦于实时评估承灾体风险等级和精细刻画风险链迁移过程，研发“水文—水动力—风险”时序过程推演的山洪风险评估模型，基于网格化模拟技术实现中小河流洪水实时和预设情景风险的精细化分析与评估，提高风险时空展布精细度。可视化模型主要是实现自然背景、流域属性、流场动态、水利工程以及山洪预报、预警、预演、预案“四预”过程，实现业务运行环境的快速搭建。解决10万量级雨量站、10min间隔海量数据高分辨率全国范围降雨空间分布无损成图与多比例尺快速实时渲染成图，以及全国（或省级）尺度的暴雨山洪事件的快速空间发现和山洪风险的快速识别等难题。其中，自然背景包括河道、沟道、湖泊、植被、建筑、道路、危险区、防治区、村庄、乡镇等；流域属性包括小流域的特征参数、产汇流特性等；流场动态包括水位、流量及土石、泥沙运动等；水利工程主要包括水库、水闸、堤防等。仿真模型是充分利用数字山洪数据底板和动态数据实现山丘区数字孪生小流域与物理流域同步仿真，构建实时渲染、动态视觉特效、空间计算等功能。数字山洪“四预”业务系统应利用已有的省级山洪灾害监测预警系统进行升级改造，能够实现基于数字化场景的重点防御单元山洪过程智能化模拟与山洪风险精准化预报预警，提升极端暴雨山洪数字化演练能力，直观展示山洪灾害可能风险点及薄弱环节，支撑山洪灾害防御精准化决策和转移避险。预报功能分为两部分：一是降雨预报，二是小流域洪水预报。降雨预报提供气象部门共享的24h数值降雨预报、1~3h天气雷达临近预报以及各地结合自身实际开展的测雨雷达临近预报；小流域洪水预报是以降雨监测和预报数据驱动分布式水文模型和水动力模型为基础，实现山洪沟流量、水位过程的滚动分析计算，输出小流域和河段的洪水模拟分析结果，实现水文和水动力模型参数的本地化，降低模型参数不确定性。其中降雨监测包括地面雨量站监测降雨、雷达监测降雨以及多源数据融合降雨。在多阶段递进式山洪灾害监测预报预警体系下，基于降雨监测、降雨预报和小流域洪水预报结果，配合相应的山洪预警模型与预警指标，实现精细化的山洪监测预报预警与预警信息发布。预警信息应由预警时间、等级、持续时间、超警指标、预警范围等要素组成，提供预警态势分析、查询统计等功能；通过统一的预警信息发布通道，采用短信网关、微信公众号、移动App和信息共享接口等方式建立多方式预警信息发布服务，实现预警信息的多渠道、多部门标准化发布和社会化服务。预演一般包括两种形式：一是实地演练，目的是让基层干部群众了解掌握预警信号和转移路线；另一种是基于平台的数字化演练，目的为山洪风险评估，以城镇和重要集镇、重要基础设施（如生命线工程、变电站、医院、学校、养老院、核设施等）为对象，通过实时和预设情景，识别和排查潜在的风险隐患点，针对性开展防御措施部署。预演时，结合当前暴雨洪水发展态势，设定不同情境，包括未来降雨的定量设置、主支流汇合顶托、桥梁壅水、水沙淤积、束窄河段壅水、塘闸坝群蓄滞堵溃、雨水同向（逆向）等，需要充分考虑山洪灾害发生的不确定性和复合放大效应。预案是根据动态的山洪监测预报预警结果和不同情境下的预演结果动态调整的针对性措施，明确可能影响的乡镇、村庄、人口等范围以及需采取的防御措施，及时传达至防御责任人。具体措施包括预置救援力量、关闭景区、提醒人员减少出行、停业停课停工（三停）、组织人员转移避险、脆弱地点（养老院、医院、学校）脆弱人群（老弱病残孕、留守儿童妇女）特殊帮扶措施等。
