我国地理气候条件特殊,降雨时空分布极不均匀,由此带来水旱灾害多发频发重发。水利部认真贯彻落实习近平总书记“两个坚持、三个转变”防灾减灾救灾理念,坚持“预”字当先,关口前移,构建纵向到底、横向到边的水旱灾害防御矩阵,牢牢把握水旱灾害防御工作的主动权。水利部部长李国英多次强调,要加快补齐水旱灾害防御短板,加快推进水文现代化建设,完善国家水文站网,推进“天空地”一体化监测,加快构建气象卫星和测雨雷达、雨量站、水文站组成的雨水情监测预报“三道防线”,进一步延长雨水情预见期、提高精准度;要加密雨水情监测,强化预报、预警、预演、预案“四预”措施,抓实抓细“降雨—产流—汇流—演进”等“四个链条”,做到“一个流量、一方库容、一厘米水位”精细调度,提升国家水安全保障能力。
“三道防线”是以流域为单元,由气象卫星和测雨雷达、雨量站和水文站组成的雨水情监测预报体系。通过“天空地”立体监测手段对流域雨水情进行实时监测和预报预警,以便及时采取措施应对可能出现的洪涝等灾害。
第一道防线是气象卫星和测雨雷达系统。通过气象卫星提供的高分辨率卫星云图、图像和大范围气象数据等,对降雨情况进行测算,通过水文模型分析预测可能出现的洪水和山洪灾害,提早提出预警。测雨雷达通过发射微波信号,探测降雨云体内部的反射信号,进而获取到降雨云体的三维结构和降雨强度等信息,对流域降雨情况进行实时监测和短临预报。通过测雨雷达提供的高空间分辨率降雨信息,能够对流域内雷达覆盖区域的降雨情况进行精细化监测,以及对未来1~2h可能发生致灾暴雨区域进行自动化预警。
第二道防线是雨量站网。依靠流域内科学布设的地面雨量监测站网,控制流域暴雨的时空变化,把握降雨与径流之间的转化规律。通过对落地降雨进行实时监测,及时掌握上游降雨位置、降雨时间、降雨强度和降雨量,提前发布准确的预报预警信息,为政府和公众及时采取有效措施应对洪水灾害提供有力支撑。
第三道防线是水文站网。通过布设在流域河流干支流上的水文站网,实时监测江河、湖泊、水库的水位、流量等水文要素的变化,依据落地降雨、实时水文站数据和信息,及时准确地制作洪水预报,并根据洪水发生可能性发布洪水预警,为防汛指挥决策、保障下游防洪安全和人员及时转移避险等提供重要支撑。构建雨水情监测预报“三道防线”的重要意义体现在以下几个方面。
水旱灾害是中华民族的心腹之患。受季风气候及地形、地质自然条件的影响,我国降水时空分布不均,洪涝和干旱灾害频发且严重。特别是21世纪以来,洪涝、干旱、台风、山洪、泥石流等灾害频繁发生,量级大、频率高、灾情重,每年水旱灾害直接经济损失约占各类自然灾害直接经济总损失的70%。随着经济社会发展,我国水旱灾害会长期存在。水旱灾害防御工作关系到人民生命财产安全、粮食安全、经济安全、社会安全和国家安全。构建雨水情监测预报“三道防线”,发挥水文“尖兵”“耳目”“参谋”作用,在保障人民安全福祉中具有特殊的现实意义。这也是水文部门践行以人民为中心的发展思想,牢固树立人民至上、生命至上理念,履行服务水旱灾害防御天职的具体体现。气候变化是21世纪人类生存和发展面临的严峻挑战。世界气象组织(WMO)发布的《2022年全球气候状况》报告表明,全球气候变暖仍在持续,影响加剧,全球平均气温比1850—1900年平均值高出1.15℃。尽管在过去3年,拉尼娜事件产生了降温影响,但2015—2022年仍是1850年有仪器记录以来最暖的8年。在全球气候变暖的背景下,我国极端天气气候事件明显增多,强度明显增强,水旱灾害的多发性、突发性、极端性日益突出。比如,2021年,河南郑州“7·20”特大暴雨,最大1h雨量达201.9mm,为我国大陆短时强降水标准的10倍,突破有实测记录以来小时降雨量历史极值(198.5mm,河南林庄,1975年8月5日);黄河中下游、海河南系发生历史罕见秋汛;新疆南疆的塔克拉玛干沙漠地区发生历史罕见洪水。2022年,珠江流域旱涝急转,连续发生8次编号洪水,其中北江发生1915年以来最大洪水;长江流域遭遇历史罕见气象水文干旱,7—10月降雨量之少、平均气温之高、高温日数之长,均创下1961年以来历史同期之最,长江口发生历史罕见咸潮入侵。要始终坚持“防”的理念和意识,主动适应和把握全球气候变化和水旱灾害的新特点和新规律,加快构建雨水情监测预报“三道防线”,全面加强水文监测预警能力建设,进一步提高预测精度,延长预见期,从整体上增强应对气候变化和防御水旱灾害的能力,最大限度减轻人员伤亡。
水利部根据新阶段水利高质量发展需求,提出加快建设数字孪生水利的战略任务。水利部部长李国英在2023年全国水利工作会议上强调,要大力推进数字孪生流域、数字孪生水网和数字孪生工程建设,构建“天空地”一体化水利监测感知网,实现重要水信息及时掌握,支撑保障“四预”工作,提升流域防洪数字化、网络化、智能化水平。水文测报现代化建设是推动水文现代化的重要抓手。“十四五”水文工作目标和重点任务是以流域为单元提升水情测报能力,加快水文现代化建设步伐,持续完善国家水文站网;推进“天空地”水文监测自动化,实现雨量、水位、流量、泥沙等水文要素全量程自动在线监测;推进水文预报预警实时化,提升水文监测、分析评价、预测预报等自动化和智能化水平;不断丰富水文产品,深化水文数据共享,满足经济社会和水利高质量发展需求。雨水情监测预报“三道防线”是数字孪生水利感知(监测)体系的重要组成,“三道防线”功能各异、相互联系、优势互补,共同构建“天空地”立体监测网络,进一步延长雨水情预见期、提高精准度,为防洪“四预”业务提供支撑和保障。
雨水情监测预报“第一道防线”——气象卫星和测雨雷达系统中,气象卫星主要由气象部门承担,测雨雷达主要由水利部门负责建设。在气象卫星方面,中国气象局目前有8颗气象卫星(极轨卫星风云3号4颗,静止轨道卫星风云2号2颗、风云4号2颗)在轨运行,用于我国及周边区域全天候气象探测的主要是风云4号卫星。水利部目前主要应用中国风云4号静止和日本葵花9号气象卫星实时资料,实现卫星云图强降雨风险预警。在雷达方面,包括天气雷达和水利测雨雷达。天气雷达对地面以上20km探测高度范围内的雨、冰、雪、雷暴大风、龙卷、下击暴流等气象目标进行快速探测和预警。中国气象局已建天气雷达280多部(S、C、X等多波段,机械型和相控阵型)。配合风云气象卫星和自动气象站,中国气象局在业务上已开发了融合风云4号卫星、天气雷达和地面雨量计三源观测数据的逐小时5km×5km实时降水监测产品。但由于卫星资料和实时产品的延迟影响,实际业务应用中,用气象卫星和天气雷达仅能实现雨水情监测预报“第一道防线”的低分辨率监测和初步定性预警,难以实现自动化精细化监测预报预警。目前,水利部共享了中国气象局70部天气雷达基数据和雷达PUB产品,利用天气雷达应用系统,汛期对可能发生强降雨地区(地市级)进行自动化风险预警。水利测雨雷达以地面以上2km垂直高度大气中的液态水为主要探测目标物,通过以雷达站为中心、半径≥45km水平范围内、地面以上2km垂直高度大气中无缝的连续仰角步进扫描作业,实现近地面层液态水含量的精细化测量,提高面雨量监测精度。
近年来,水文部门在面雨量雷达探索研究试点基础上,指导各雷达厂商逐步定型的专业测雨雷达装备,能够实现大范围高精度快速面雨量监测预报预警作业。2011年以来,水文部门开展了测雨雷达暴雨山洪监测预警试点应用,辽宁、安徽、江西、广西、四川、云南等省(自治区)水文部门通过项目投资开展了面雨量雷达试点应用,共布设面雨量雷达12部,其中8部是早期的X波段单极化机械型(速调管)雷达,4部是新建设的X波段双极化机械型(全固态)雷达。水旱灾害防御部门组织实施的全国山洪灾害防治项目,2022年在8个省(自治区)山洪灾害重点区域也开展了雷达测雨应用,共在江西、湖北、湖南、广西、四川、贵州、云南、陕西等地布设17部双极化机械型(全固态)测雨雷达。2020年以来,水利部信息中心会同黄河水利委员会水文局,以及河北、湖南、安徽水文部门,联合相关公司在河北雄安新区(4部)、湖南湘江流域(3部)、山陕区间无定河流域(3部)和安徽巢湖(1部)开展了高精度X波段水利测雨雷达(双极化相控阵型和双极化机械型)试点应用。
雨水情监测预报“第二道防线”——雨量监测站网主要由水利部门、气象部门承担。目前,水利系统水文部门共有雨量站5.3万处,若包括有雨量观测项目的水文站、水位站,监测雨量的水文测站合计达6.9万处。水利系统其他部门通过全国山洪灾害防治项目、小型水库除险加固项目等也建设了大量的雨水情测报设施。近年来,我国中小河流洪水、山洪灾害频发多发重发,西部、北部等暴雨洪水、山洪灾害易发区雨量站网尚存在很多空白,难以有效监测预警。据了解,气象系统也有约7万处观测降雨量的气象站。目前,水利部信息中心实时共享接收2170个国家一级自动气象站实时雨量数据。
雨水情监测预报“第三道防线”——水文监测站网主要由流域管理机构、地方水利部门负责。截至2022年年底,全国共建成水文站8063处和水位站18761处,实现对全国大江大河及其主要支流、有防洪任务的中小河流水文监测全覆盖,有效控制主要江河水文情势,但仍存在站网密度不足、布设不平衡等问题,中小河流洪水易发区、大江大河支流等水文站网亟须补充完善。
在气象水文信息共享方面,流域管理机构和广东等经济发达地区水文部门通过购买服务的方式,与气象部门签署合作协议,共享应用了部分区域级自动观测雨量站信息和气象部门提供的精细化网格降水预报预测成果,开展暴雨洪水预报预警;陕西、广西等大多数省份水文部门,通过水利部信息中心转发或浏览中国气象局网站的方式获取气象卫星云图、天气雷达回波监视等气象信息服务。
水利测雨雷达是对近地面大气中的液态水实现无盲区超精细化格点扫描和测量的X波段固态双极化雷达,主要有相控阵型和机械型两种。机械型测雨雷达采用抛物面反射天线,通过机械旋转和俯仰的方式调整单波束方向进行空间扫描;雷达可以同时发射水平和垂直极化电磁波,可探测到降雨目标的双极化信息,从而实现较为精细的面雨量监测。相控阵型雷达由数量众多、独立控制的小型天线收发单元排列成天线阵面,通过控制阵列各个单元的馈电相位来改变波束指向,进行电子多波束扫描;水利双极化相控阵型测雨雷达将相控阵技术与双极化偏振技术相结合,既具备相控阵雷达快速电子扫描的特点,又拥有双极化雷达获取天气系统丰富探测信息的优势。在性能指标方面,机械型测雨雷达的时间分辨率小于等于5min,空间分辨率小于等于75m,无故障运行时间可达3000h;相控阵测雨雷达的时间分辨率小于等于1min,空间分辨率小于等于30m,无故障运行时间长达4000h。
降水量自动监测设备主要有翻斗式雨量计、称重式雨量计、雨雪量观测仪器等成熟设备,在水文行业已得到广泛应用,降水量观测自动化基本实现。
水位自动监测设备主要有浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计、雷达水位计、激光水位计等,先进技术和成熟设备在水文行业已得到广泛应用,水位观测自动化基本实现。基于高性能视频的水位观测系统已在长江委、黄委、浙江、广西等地得到成熟应用,目前正逐步在全国推广应用。
流量自动监测主要是通过监测断面上某点、线、面的流速,采用“流速面积法”计算断面流量。流速自动监测设备主要有固定声学多普勒流速仪、超声波时差法测速仪、定点式电波测速仪、侧扫电波测速仪、影像测速仪,不同仪器设备的区别在于流速测量精简程度不同,且设备的运行稳定性受流量、流速、风速等外界条件影响较大,需采用“一站一策”、多种技术和仪器设备组合,实现高中低水条件下流量在线监测。此外,采用堰槽、水工建筑物测流的测站,通过水力学法实现流量在线监测。
在线测沙仪主要是针对悬移质泥沙进行测定,按测量原理可分为光电式测沙仪、超声波测沙仪、振动式测沙仪、激光测沙仪、同位素测沙仪、称重式测沙仪。光电测沙仪已在黄河、淮河等流域推广应用,其中小浪底水文站经过两年比测试验后,测沙范围已扩展至含沙量375kg/m3以下。量子点光谱测沙仪研发应用取得突破,已在长江宜昌、汉口、九江等9个站及黄河花园口站开展泥沙比测试验,测沙范围拓展至16kg/m3,作业方式发展到定点、走航及非接触等形式。
测雨雷达方面,为规范水利系统测雨雷达系统的建设与应用工作,水利部2022年印发了《水利测雨雷达系统建设与应用技术要求(试行)》(办信息〔2022〕337号),包括编制目的、适用范围、总体要求、编制依据、基本术语、系统组成、部署要求、维护要求、安全要求、共享要求等主要内容,对水利测雨雷达技术指标、数据格式、质量控制、安全管理和数据共享等方面提出了明确的技术要求,指导推进水利测雨雷达装备业务化应用。
降水量观测方面,观测仪器设备技术成熟,主要依据《降水量观测规范》(SL 21—2015)。
水位流量测验方面,《水位观测标准》(GB/T 50138—2010)和《河流流量测验规范》(GB 50179—2015)发布时间较早,受当时技术水平限制,难以满足当前对流量监测信息时效性要求的提升以及水文监测新技术快速发展的需要。目前,正组织开展水位、流量国家标准修订工作。泥沙测验方面,目前主要依据《河流悬移质泥沙测验规范》(GB/T 50159—2015)、《水库水文泥沙观测规范》(SL 339—2006)及《河流推移质泥沙及床沙测验规程》(SL 43—1992)。为有效应用现代化水文监测仪器设备,优化水库泥沙监测频次、监测方式,拟对《水库水文泥沙观测规范》(SL 339—2006)进行修订。
近年来,水文部门积极推进全国水文规划实施,多渠道争取投资,完善监测站网,提升监测能力,新建改建了一批测站、监测中心,加快构建雨水情监测预报“三道防线”。各地扎实开展水文监测查漏补缺工作,加快推进水文测验方式提档升级,运用各类流量在线监测系统、走航式ADCP监测设备、无人机、无人船等新装备,提高水文监测现代化能力。此外,新技术装备研发与推广应用明显增强,水利部信息中心会同河北、湖南两省在雄安新区和湘江流域开展新一代相控阵测雨雷达试点运行,实现超精细化面雨量监测和短临预警。长江委量子点光谱测沙仪研发取得新突破,含沙量测量范围、作业方式与测验项目不断拓展。黄委加强技术攻关,便携式雷达冰厚测量仪正式批复投产,定点式水冰情一体化监测雷达实现冰厚实时在线监测。安徽积极开展雷达测雨试点应用。宁夏采用定点雷达、定点ADCP、侧扫雷达、视频测流等新设备,多措并举,有效提升多沙河道、渠道、山洪沟道水量水质自动监测覆盖率。
特别是雨水情监测预报“第一道防线”在中小河流洪水、山洪灾害监测预警中发挥了重要作用。水利部信息中心通过研发风云4号和葵花9号静止轨道气象卫星多通道遥感云图产品识别强对流暴雨云团算法,实现暴雨云团覆盖范围实时提取和外推3h预报,实现了对未来1~3h可能发生强降雨风险地区(地市级)的自动化预警,但精度还有待进一步提高,定量化预警难度大。2023年以来,通过蓝信逐小时实时自动发送未来3h强降雨风险区域(地市级)预警。通过蓝信向部本级和各流域机构发送卫星云图强降雨风险预警314次、49932人次,累计涉及1507个地市。利用气象部门共享的天气雷达实时数据,开展了人工分析雷达拼图回波,制作发布地市级短临暴雨预警(1~3h)并直达防御一线。据初步统计,2023年以来,水利部通过蓝信群向水利系统内部发送雷达短临暴雨预警118次、66080人次,涉及1202个地市,合格率达55%。
与此同时,深入推进湖南、河北等典型流域水利相控阵测雨雷达试点区降雨监测和临近暴雨预报预警应用,结合国家重点研发计划“多尺度流域水资源和水利设施遥感监测应用示范”项目实施,目前已在河北雄安新区、湖南捞刀河浏阳河流域实现了基于7部相控阵测雨雷达的自动化乡镇级雷达短临暴雨定量化分级(蓝、黄、橙、红)预警。湖南试点区已将测雨雷达估算降水网格化数据接入浏阳河洪水预报系统,在朗梨水文站数字孪生平台“四预”系统中试运行,在圭塘河流域进行洪水预警预报试点。据湖南省水文水资源勘测中心监测分析评估,通过2022年开展的5次洪水定性预警应用,接入测雨雷达数据的预测情况与实测洪水趋势基本一致,其中在2022年5月10日圭塘河暴雨洪水预测预警中取得良好效果,提高预报精度7%,延长洪水预见期1h。
“三道防线”面向保护对象所处的整个流域,以支撑和服务洪水防御预报预警为目的,涉及“降雨—产流—汇流—演进”各个环节,统筹延长预见期和提高精准度,各道“防线”互相补充、相互支持、层层递进,共同构成了雨水情监测的完整体系。
气象卫星可以提供大范围、全局性的降水信息,将其提供的区域预报数据按流域边界对降雨情况进行测算,实现中长期“降雨—产流—汇流”预报,有效延长洪水预见期,但精度相对较低。测雨雷达可在降雨前对天气系统进行实时监测,可以提供较高精度的局部降雨信息,但覆盖范围相对较小、降雨预报预见期短(1~2h)。
雨量站可以提供更为详细的地面降雨量观测数据,是对气象卫星和测雨雷达监测结果的实时验证和补充,依靠若干雨量站接受反馈流域落地面信息,实现短期“降雨—产流—汇流”预报,进一步提高洪水预报精度。
水文站实际监测的以及通过水文站数据预报的水位、流量数据最为准确,但相对而言预留给洪水防御的反应时间较短。
第一道防线以获取大范围的天气信息、流域高分辨率面雨量监测和短临暴雨预警为主要目标,提早对洪水和山洪灾害进行预警。
第二道防线以精准监测流域暴雨时空分布和面平均降雨量为主要目标,通过“降雨—产流—汇流”计算,滚动流域洪水预报,动态调整预警阈值,在第一道防线的基础上进一步提高洪水预报精准度和预警有效性。
第三道防线是兜底措施,以洪水告警、灾害警示为主要目标。根据水文站的实时监测数据,通过洪水实况告警、洪水“演进”预报,可为洪水防御提供最精准的支撑,具有底线防守的重要意义。
在洪水防御实践中,对于山洪灾害防御,前两道防线尤为重要;对于大江大河及其主要支流、中小河流中下游有防洪对象的江河洪水防御,后两道防线更为重要。总的来说,“三道防线”是一个统一整体,各道“防线”相互促进,缺一不可,这就要统筹监测预报的精度和预见期,实现延长洪水预报预见期和提高预报精准度的有效统一,为做好水旱灾害防御调度等提供更为精准有效的技术支撑。
第一道防线的“气象卫星”数据需要由中国气象局和地方气象部门共享提供。构建第一道防线,水利部门需要与气象部门积极对接,加强气象卫星和天气雷达信息、资料互通共享,从而实现对未来1~2h可能发生致灾暴雨区域的预警。
第二道防线的雨量监测主要由水利、气象系统承担,需要气象部门、地方政府等协助和支持。构建第二道防线,一方面需要加大气象、水文信息共享力度,加强水利系统内雨量监测站网分工协作,推动雨水情监测覆盖和数据质量提升,加强信息应用和共享工作;另一方面也需要以流域为单元,针对洪水来源区和重要防御对象,按照有效防御局地暴雨洪水等要求,科学规划雨量站网的布局、密度。
第三道防线的水文监测主要由流域管理机构、地方水利部门负责。构建第三道防线,实现对全国江河水文情势的全覆盖,需要组织指导地方水行政主管部门,以流域为单元,全面检视流域内特别是控制性水工程等重要防御对象的水文站网布设情况,着眼于精准监测洪水来源及过程,合理布设控制性水文站和水位站,并加强水利工程配套水文设施的建设,做到应建尽建、应建快建、应建优建。
只有各个部门之间密切合作,才能确保雨水情监测预报“三道防线”有效运行,为洪水预报预警和防洪减灾提供可靠的数据支持。
“十四五”期间,加快水文现代化建设步伐,持续完善国家水文站网,加快在江河产汇流区、山洪灾害易发区、重要水利枢纽和跨境河流构建雨水情监测预报“三道防线”;结合数字孪生水利工程、山洪灾害防治、水库除险加固和全国水文基础设施建设项目,在重点水利工程、山洪灾害易发区、暴雨洪水重点来源区等开展测雨雷达试点建设与应用,提升中小河流洪水、山洪灾害监测预警能力;在七大江河流域洪水易发区和重大水利控制性工程上游规划建设水利测雨雷达应用系统,实现重点防洪地区、骨干水利工程的水利测雨雷达监测覆盖;在中小河流洪水易发区、大江大河支流等,进一步补充完善雨量监测站网和水文站网。加强基于气象卫星多通道分析定量化强降水监测预警技术研发应用,提升跨境河流和西部无人区、高原区强降雨定量化监测和预报预警能力。通过“三道防线”的综合运用,有效提高流域防洪“四预”业务的预报预警精准度,延长预见期。
一是推进重点水利工程的水利测雨雷达监测覆盖,结合数字孪生水利工程建设,加快在小浪底等重点水利工程构筑雨水情监测预报“三道防线”。二是结合全国水文基础设施建设“十四五”规划中期实施情况总结,加强同国家发展改革委等有关部门沟通协调,争取由流域管理机构牵头,在暴雨洪水重点来源区开展测雨雷达试点建设与应用。
三是探索将测雨雷达纳入山洪灾害雨量监测站网,强化重点山洪来源区雨水情监测预警。
四是贯彻落实《水利部关于推进水利工程配套水文设施建设的指导意见》,部署加快推进水利工程配套水文设施建设,指导湖南、浙江、江苏、广东等条件较好的省份按照加快构筑雨水情监测预报“三道防线”的要求,结合水利工程建设,对暴雨洪水重点防御区域装备测雨雷达,补充完善雨量站、水文站等。
五是加强卫星遥感、测雨雷达等技术研发应用,提升跨境河流、高原区等地强降雨监测预警能力。六是加快相关水文技术规范修订,组织做好《水文站网规划技术导则》《水位观测标准》报批阶段各项工作,抓紧修订《河流流量测验规范》等标准,争取尽快发布。科学制定人才培养规划与培训计划,加强卫星遥感解译、测雨雷达数据分析等专业化技术人员引进和培训,提升业务人员专业技能和水平。
提高思想认识,强化保障措施,确保“三道防线”建设与应用成效一是加强组织领导。按照加快构筑雨水情监测预报“三道防线”的要求,以流域为单元,加强重点水利工程、暴雨洪水重点来源区、局地暴雨山洪重点来源区水利测雨雷达建设。相关部门要加强协调配合,按照职责分工,健全工作机制,形成工作合力。
二是拓宽投入渠道。积极同发展改革、财务等部门沟通协调,多渠道筹措建设资金,健全运行维护保障机制,切实保障资金投入和运行安全。
三是强化科技引领。聚焦构建雨水情监测预报“三道防线”重大科研问题开展深入研究,多途径增加科研投入,充分发挥“三道防线”的作用,进一步延长预见期,提高精准度。加强专业化人才队伍建设,确保“三道防线”建设的先进设施设备规范管理和长效运行。
四是健全督导机制。加大对构建雨水情监测预报“三道防线”的监督检查力度,督促各流域管理机构、各省级水行政主管部门和直属水利工程单位积极落实建设资金,保障运行维护经费。相关司局依据职责分工,健全督导机制,强化监督检查和技术指导。
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