【摘要】《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》提出，“要建立跨区域淤地坝信息监测机制，实现对重要淤地坝的动态监控和安全风险预警”。淤地坝作为黄土高原水土流失综合治理的关键措施之一，由于量多面广，信息化管理手段落后，导致淤地坝出现防汛任务重、责任压力大、监管责任落实难等问题。加快推动淤地坝信息管理系统建设，落实淤地坝“四预”安全度汛管理与应用措施，对于确保淤地坝安全和提升运行管理效率十分必要。本文从淤地坝“四预”系统建设的必要性展开详细分析，结合分析结果开展基于云河地球的淤地坝“四预”应用系统研发工作，并在黄土高原地区开展系统试运行，为淤地坝安全度汛管理提供可靠的信息化手段。
【关键字】淤地坝 ; 四预; 云河地球
1. 项目背景
淤地坝是黄土高原地区人民群众长期同水土流失斗争实践中创造的一种行之有效的水土保持工程措施，在拦泥保土、减少入黄泥沙、防洪减灾、淤地造田、巩固退耕还林（草）、保障生态安全、促进粮食生产和水资源合理利用及经济社会稳定发展等方面发挥了重要作用，是黄土高原水土流失综合治理的关键措施之一。
2020年10月6日，中共中央、国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》（以下简称《规划纲要》）提出，“建立跨区域淤地坝信息监测机制，实现对重要淤地坝的动态监控和安全风险预警。”
为贯彻落实《规划纲要》和水利部有关要求，按照水利部智慧水土保持建设的总体要求，加快淤地坝信息管理系统建设十分必要，对建立淤地坝二三维基础时空数据服务，支撑淤地坝日常运行维护管理，落实淤地坝“四预”安全度汛管理与应用措施，实现数据资源跨地区、跨部门互通共享，提升淤地坝信息服务和决策管理能力具有重要意义。
2. 现状与需求分析
淤地坝的管理不同阶段有所不同，20世纪80年代中期之前，受计划经济体制的影响，淤地坝的运行和管护基本依赖国家支持，管理责任不明，技术手段落后，因此不少淤地坝管理存在先天不足。由于淤地坝属于公益性工程，并涉及防汛和安全问题，目前淤地坝建设主要靠国家投资修建，地方水行政主管部门组织实施，绝大多数淤地坝竣工后移交乡镇政府，乡镇政府作为管理责任主体，负责落实淤地坝的运行管理。
虽然国家、监管部门与地方水行政主管部门多年来相继开展了不同方式的管理手段，但淤地坝当前的管理现状仍不容乐观，依然处于粗放式管理，尤其在信息化管理手段上极为落后，基于纸质文件等传统的粗放式管理手段已无法满足当前环境对淤地坝安全度汛管理的要求，将对淤地坝安全度汛产生巨大隐患。
（1）缺乏“四预”应用及其支撑模型。淤地坝所处的黄土高原地区地质情况复杂，植被覆盖、下垫面等情况难以获取，因此对淤地坝“四预”的研究极少。同时，从系统应用的角度出发，缺乏较为体系化的系统应用，无法实现淤地坝预报和预警分析，且缺乏预演与预案系统功能，难以支撑部委对淤地坝安全度汛的“四预”要求。
（2）缺乏支撑日常运行维护的系统工具。随着淤地坝管理的逐步精细化，在解决淤地坝基本信息管理的基础上，缺乏能够支撑淤地坝信息动态更新、淤地坝注册登记/变更/销号、现场巡检等系统功能的支撑，无法持续性的支撑淤地坝各类信息的动态管理。
3. 系统设计与开发
通过对水利部智慧水利顶层设计与智慧水土保持建设方案的解析，充分利用现有的数据与技术条件，通过必要监测感知设施实现各类实时数据的汇集，融合基础数据、遥感数据、DEM、倾斜摄影、水文气象等多源数据搭建重要淤地坝数据底板，构建智能模型，并通过数据底板驱动智能业务模型实现“四预”安全度汛等业务的深度应用。
3.1 总体架构
以满足淤地坝“预报、预警、预演、预案”基本功能为目标，基于DEM\遥感\倾斜摄影等空间数据，关联水位计、雨量计、姿态传感器等感知数据，搭建重要淤地坝数字孪生场景；接入降雨预报、气象数据构建淤地坝暴雨、洪水预报模型，实现预报；结合姿态传感器、雨量计、水位计等实时数据构建淤地坝安全运行预警模型，进行风险预警指标计算、分析、处理，并发布至相关单位人员，实现暴雨预警、洪水预警、安全预警、人员撤离预警等；依据预警模型进行重要淤地坝蓄水过程预演、溃坝过程预演、淹没过程预演、撤离转移安置预演等内容，实现预演；根据实际预演成果，进行预案的实时调整，实现预案，完成整个四预管控流程。系统架构如图2.1-1所示。
图2.1-1 淤地坝四预系统总体架构
开发试点小流域、试点单坝“四预”子模块，包括：
（1）预报模块。动态收集24小时降雨过程预报数据，基于产汇流与产输沙模拟，结合坝系调洪演算模型模拟淤地坝系洪水演进过程，率定预报指标，优化淤地坝预报模型，预报淤地坝出现险情的风险等级；
（2）预警模块，基于暴雨洪水预报结果，结合黄土高原地区历史大暴雨及淤地坝水毁事件等基础数据收集与分析，分析暴雨-洪量-水毁灾害关系，确定致灾降雨强度、产洪量阈值，优化淤地坝暴雨预警模块，动态生成暴雨洪水预警；开展试点小流域内淤地坝的坝控流域产汇流模拟和产输沙模拟，预测坝前水位变化趋势，实时发布淤地坝预警信息；
（3）预演模块，根据试点小流域流域暴雨洪水预报和预警信息、淤地坝库容条件和泄流条件，进行坝系和单坝蓄水与泄流过程预演；根据试点小流域内坝系和单坝安全监测信息、洪水蓄泄过程的动态研判，进行溃坝过程、溃坝洪水泄流过程、下游洪水传播演进过程及灾害影响预演；
（4）预案模块，对试点小流域内淤地坝防汛预案进行管理，实现预案的录入、查询、更新、调用；根据洪水淹没过程的预演结果，进行预案的动态生成和优化调整，为人员撤离转移安置提供技术支持。
3.2 数据库建设
（1 ）淤地坝基本指标。主要包括淤地坝所属省（自治区）、市、县（区）、乡（镇），淤地坝名称、类型、结构、控制面积、坝体属性（坝高、坝顶长、坝顶宽等）、库容与设计库容，淤地坝所在位置坐标、所属流域、建成时间等。
（2） 淤地坝运用安全情况。主要包括改建情况、除险加固情况、旧坝情况、改造提升情况、蓄水利用情况、占用或改变用途情况、存在风险隐患现状情况。
（3） 淤地坝下游设施情况。主要包括下游村庄情况、下游是否有居民及影响人数、下游是否有重要设施、下游社会经济情况。
（4） 淤地坝管护信息。主要包括淤地坝责任管护主体，淤地坝行政责任人、技术责任人和巡查责任人的姓名、联系方式、职务等信息。
3.3 暴雨洪水预报
基于气象部门降雨预报成果和监测系统降雨监测成果，采用经验公式法、分布式产汇流模型模拟方法，构建小流域暴雨洪水预报模型，以骨干坝、下游有保护对象的淤地坝为洪水预报方案建设重点，进行洪量预报，为淤地坝洪水预警、防洪抢险等工作安排尽可能的延长预见期。
（1）降雨预报。结合的24 h降雨预报，形成降雨等值面图，以GIS一张图作为展示方式进行展示，如图2.3-1所示。
图2.3-1 降雨预报等值面
（2）雨区覆盖淤地坝信息统计。在降雨预报范围内根据不同雨区的覆盖情况，对雨区内淤地坝信息进行多维度统计与分析，包括雨区覆盖淤地坝数量统计、影响人数统计、影响重要设施统计、不同降雨量影响淤地坝统计、影响省市县统计、影响病险坝统计、影响老旧坝统计、按流域统计等。可按照行政区切换柱状图展示统计结果（见图2.3-2）。
图2.3-2 雨区覆盖淤地坝信息多维统计
（3）雨区覆盖淤地坝预报提醒。整理汇总降雨预报范围内淤地坝的多维度信息，包括降雨覆盖面积、涉及省市县、大中型淤地坝个数、下游有人淤地坝个数、影响人数、病险坝个数、老旧坝个数、最大降雨量及其分布地区等信息，形成一段预报提醒文字，发送给相关人员，便于进行决策（图2.3-3）。
图2.3-3 雨区覆盖淤地坝预报提醒
3.4 暴雨洪水预警
（1）暴雨洪水预警模型构建。经验公式法可实现洪峰流量、洪水总量和洪水过程线的计算。通过构建流域面积与洪峰流量、洪水总量的经验关系进行洪峰流量和洪水总量计算；通过三角形法等进行洪水过程线的计算。通过降雨监测系统实时监测降雨情况，系统动态分析计算暴雨的重现期，优化调整洪峰流量、洪水总量经验公式参数选取值，动态调整计算结果。经验公式法在各个地区的表达公式不尽一致，一般都是选取与洪水计算要素密切相关的因子，构建其与洪水要素的地区经验关系进行应用，需根据实际条件进行选择，并结合各个地区的水文手册应用。
一、计算洪峰流量的经验公式一般可采用以下两种方法：
洪峰面积相关法计算洪峰流量，其公式 为
（1）
式中：KN、n为重现期为N的经验参数；F为流域面积，km2。
采用综合参数法计算洪峰流量，其公式为
（2）
（3）
（4）
式中：Cl为洪峰地理参数；HP为频率为P的流域中心点3 h（或6 h）降雨量，mm；λ为流域形状系数；α、m、β、n为经验参数；
为流域最大3 h（或6 h）暴雨均值，mm。
二、洪水总量可按经验公式（5）或（6）进行计算。
（5）
式中：Wp设计洪水总量，104m3；α为洪水总量径流系数，可由当地水文手册查得。
（6）
式中：A、m为洪水总量地理参数及指标。
三、结合式（2）～（6）的计算结果，基于24 h降雨预报数据，考虑淤地坝控制流域的地形、地质、植被等下垫面特征和人员居住分布等社会经济情况，以及坝体工程特性和坝系影响，利用山洪灾害模型，计算黄土高原地区淤地坝的暴雨-洪水风险预警指标，综合确定淤地坝暴雨-洪水风险预警区域和预警级别，向相关主管部门推送预警信息。淤地坝暴雨-洪水预警分为1级预警、2级预警和3级预警三级。通过淤地坝预警分析模型，进行未来24 h淤地坝暴雨-洪水预警计算分析。根据计算结果，当洪水入库量占剩余库容的95%时，为1级；当洪水入库量占剩余库容的80%时，为2级；当洪水入库量占剩余库容的60%时，为3级。
（2）预警信息查询。将暴雨-洪水预警计算结果以图例的形式显示在GIS底图中，包含不同预警等级下的淤地坝数量、影响人数、影响设施数、流域分布、老旧坝病险坝分布等，也可以按行政区划分进行查询归类。同时在GIS底图中显示不同预警等级淤地坝的位置，并可点击任意一处查询预警淤地坝的详细信息，如图2.4-1所示。
图2.4-1 预警信息驾驶舱
（3）预警信息发布。在计算预警信息结果的基础上，系统可在线发送淤地坝预警信息，下级负责人登录系统后即可查询信息。预警信息包含预警淤地坝分布情况、数量、降雨预报等信息，如图2.4-2。
图2.4-2 预警信息发送、
3.5 暴雨洪水预演
针对重点淤地坝，淤地坝暴雨洪水预演功能包括实时预演和汛前演习两类。预演内容包括蓄泄过程预演、溃坝过程预演、人员转移安置预演。
实时预演。根据流域洪水预报和洪水监测信息、淤地坝库容条件和泄流条件，进行坝体蓄水与泄流过程预演；根据坝体安全监测信息、洪水蓄泄过程的动态研判，进行溃坝过程、溃坝洪水泄流过程、下游洪水传播演进过程及灾害影响预演；根据洪水淹没过程的预演结果，实时调用当地防汛应急预案中的转移安置方案，进行人员撤离转移安置预演，为预案优化提供技术支撑。
结合设计洪水、校核洪水等设计数据，基于云河地球利用数字孪生场景对蓄泄过程进行预演，支持真实水面、流向示意图、最大淹没水深、洪水到达时间、淹没历时、最大流速等多种渲染模式，为安全预警与预案的优化提供支撑。如图2.5-1所示。
图2.5-1 左：基于网格模型的溢洪过程预演；右：基于材质的蓄洪过程预演
3.6 暴雨洪水预案
针对重点淤地坝，开发淤地坝预案缺失警告通知、预案录入存储、预案修订更新、预案查询调用等功能的预案管理模块。根据洪水淹没过程的预演结果，为预案优化调整提供技术支持，如图2.6-1所示。
图2.6-1 单坝预案查询
4. 系统应用
本系统利用历史数据与实时监测信息、模型计算、数据分析等技术手段，能够第一时间反馈淤地坝的运行管理动态，加之与交换共享的气象信息、实时水文预报信息等的整合分析，以降雨预报作为业务的出发点，实现中型淤地坝的预报预警及重要淤地坝的预演预案，提高淤地坝安全度汛能力，满足国家、部位要求的淤地坝“四预”度汛能力，为黄河流域淤地坝覆盖区域的公众提供更为有效的应急避险信息，有效保护人民生命与财产安全。
5. 总 结
通过对现状的解析与需求的分析，在《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》指导下，开展了淤地坝四预系统总体架构设计，搭建了核心数据库，基于二三维GIS技术开发了“四预”等核心功能，实现了淤地坝安全运行基本信息的掌握，为淤地坝信息化管理、“四预”的功能实现提供了可参考的技术模式。
鉴于淤地坝数量大、分布广，基本信息核准困难，在经验公式法的基础上，需要对不同地区的径流系数进行逐一核准，在预演预案模块仅针对重点淤地坝，覆盖面较窄，应用探索深度不够，淤地坝四预系统仍需进一步深化完善，以便提供更科学、更高效的信息化手段
【参考文献】
[1].李晓洋.淤地坝自动化监测预警系统探讨[J].中国水土保持,2022,(07):65-67.
[2].李智广,王楠,王英顺,樊晓华.大中型淤地坝安全度汛“四预”模型的重点主题及其算据[J].中国水利,2022,(09):30-33.
[3].蔡阳,成建国,曾焱,张阿哲.加快构建具有“四预”功能的智慧水利体系[J].中国水利,2021,(20):2-5.
[4].石继海,宋松柏,李航.中长期径流预报模型优选研究[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2019,47(07):147-154.
[5]. 许五弟,杨勤科,梁剑辉.淤地坝溃坝预报预警地理信息模型初探[J].中国水土保持,2010,(01):42-43+54.