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        防洪減災(zāi)研究進(jìn)展

        2018-01-28 10:55:32向立云張大偉何曉燕孫東亞
        關(guān)鍵詞:減災(zāi)防洪洪水

        向立云,張大偉 ,何曉燕 ,李 娜,劉 舒,孫東亞

        (1.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038;2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心,北京 100038)

        1 引言

        1987年12月,聯(lián)合國大會通過決議,將1990—2000年定為“國際減輕自然災(zāi)害十年(IDNDR)”,旨在推進(jìn)各成員國提高防災(zāi)減災(zāi)國家能力,并加強(qiáng)國際合作,協(xié)調(diào)一致,努力減少發(fā)展中國家因自然災(zāi)害造成的生命財產(chǎn)損失、經(jīng)濟(jì)破壞和社會混亂。

        中國水利水電科學(xué)研究院(以下簡稱“中國水科院”)積極響應(yīng)“國際減災(zāi)十年”倡議,1988年向水利部提出以中國水科院為實體,組建“水利部減災(zāi)研究中心”,為水利部“國際減災(zāi)十年”工作提供科技支撐的建議,1990年水利部同意中國水科院成立“水利部減災(zāi)研究中心籌備處”開展相關(guān)工作。期間“籌備處”配合水利部科教司編制完成了《全國防洪科技發(fā)展規(guī)劃(1990—2000)》,1990年水利部籌資100萬元,由“籌備處”組織全國相關(guān)研究單位開展防洪減災(zāi)戰(zhàn)略、洪水預(yù)報模型改進(jìn)、洪水風(fēng)險圖編制、超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御等方面的研究工作。

        2001年中國水科院整合全院水旱災(zāi)害研究力量,組建防洪減災(zāi)研究所。2002年,為推動水利部減災(zāi)研究工作,水利部決定以中國水科院為依托、中國水科院減災(zāi)研究所為實體成立“水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心”(以下簡稱減災(zāi)中心)。2013年,水利史所、遙感所并入該中心,減災(zāi)中心進(jìn)入新的發(fā)展階段。

        2 防洪減災(zāi)宏觀研究的發(fā)展

        1991年江淮大水引發(fā)了中國水科院關(guān)于中國防洪減災(zāi)方略的較為全面的討論,1998年洪水將防洪減災(zāi)方略的研究進(jìn)一步引向深入,確立了以洪水風(fēng)險管理理論為基石的防洪減災(zāi)宏觀研究方法,推動了水利部“由控制洪水向洪水管理轉(zhuǎn)變”防洪減災(zāi)新思路的形成。

        2.1 防洪減災(zāi)理念與方略關(guān)于防洪減災(zāi)理念與方略研究主要集中在洪水與洪水災(zāi)害的特性、防洪標(biāo)準(zhǔn)、防洪減災(zāi)策略與政策等方面。

        2.1.1 洪水與洪水災(zāi)害的特性 在以往的概念中,多強(qiáng)調(diào)洪水為害的一面,實際上,洪水具有塑造洪泛平原、提供水資源、補(bǔ)充地下水、滋養(yǎng)耕地、維持生物多樣化等功效,可見洪水有利害兩重性,因此需要在防洪的同時,有意識地維持或發(fā)揮洪水興利的特性[1-3]。

        洪水本身是一種自然現(xiàn)象,當(dāng)其造成生命財產(chǎn)損失、危及人類健康、沖擊正常的社會經(jīng)濟(jì)活動時則成為災(zāi)害,因此洪水災(zāi)害具有自然和社會“雙重屬性”[4-5],由此可見,減輕洪水災(zāi)害應(yīng)從工程防洪和調(diào)整社會以適應(yīng)洪水兩方面入手。“雙重屬性”對洪水災(zāi)害特性的揭示在一定程度上反映了“洪水風(fēng)險”概念的本質(zhì)。

        隨著技術(shù)的進(jìn)步,人類曾一度認(rèn)為可以通過工程措施消除洪水和洪水災(zāi)害。1990年代后,認(rèn)識到防洪工程受自然、經(jīng)濟(jì)、安全、生態(tài)及洪澇轉(zhuǎn)化等因素的制約,洪水災(zāi)害不可能消除的概念逐步成為社會共識[1,6-7]。

        2.1.2 防洪標(biāo)準(zhǔn) 1991年大水后,周魁一通過國內(nèi)外比較或直觀判斷,認(rèn)為中國流域和城市有必要進(jìn)一步提高防洪標(biāo)準(zhǔn)[8];1998年大水后,劉樹坤基于中國經(jīng)濟(jì)實力、經(jīng)濟(jì)效益和流域整體防洪效果的分析,認(rèn)為堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)流域防洪要求,明確保護(hù)對象,按其重要性確定[9],程曉陶建議建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)適度、功能合理、安全可靠的防洪工程體系,充分發(fā)揮水利工程體系的綜合效益[10]。2002年在中國水科院承擔(dān)的《全國防洪規(guī)劃》專題研究項目“防洪標(biāo)準(zhǔn)研究”中,向立云等進(jìn)一步提出了基于洪水風(fēng)險分析技術(shù),通過洪水年期望損失減少值與防洪工程投入年費用的比較,確定適宜的流域、區(qū)域和局地防洪標(biāo)準(zhǔn)的方法[11]。

        2.1.3 防洪減災(zāi)策略與政策 在1990年代連續(xù)發(fā)生的幾場大洪水(1991年江淮洪水,1996年長江洪水,1998長江、嫩江、珠江洪水,1999年太湖洪水等)、國際減災(zāi)十年活動的推進(jìn)以及對洪水、洪水災(zāi)害特性、洪水風(fēng)險和防洪減災(zāi)措施認(rèn)識深化的背景下,中國水科院相關(guān)研究人員意識到中國防洪減災(zāi)策略和政策已進(jìn)入戰(zhàn)略調(diào)整期。

        劉樹坤在分析中國以工程為主導(dǎo)的防洪策略得失的基礎(chǔ)上,提出了以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo),綜合考慮社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境、資源等因素,以流域為單元,推行洪水風(fēng)險管理的防洪減災(zāi)策略[12-14],認(rèn)為強(qiáng)化和擴(kuò)展流域管理機(jī)構(gòu)的職能是實現(xiàn)全流域洪水風(fēng)險管理的體制保障[15],防洪減災(zāi)工作的重點應(yīng)由農(nóng)村向城市轉(zhuǎn)移[16]。周魁一認(rèn)為中國防洪工程體系雖然規(guī)模不斷擴(kuò)大、標(biāo)準(zhǔn)逐步提高,但水災(zāi)損失依然增加的主要原因是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展,包括無序發(fā)展造成的,單一的工程措施難以應(yīng)對,建議深入認(rèn)識洪水災(zāi)害的“雙重屬性(自然屬性與社會屬性)”,將防洪減災(zāi)方針由工程防洪向工程與非工程措施相結(jié)合轉(zhuǎn)變,重點發(fā)展非工程防洪措施,調(diào)整社會、適應(yīng)洪水,同時建立與之相適應(yīng)的法規(guī)體系、社會化減災(zāi)體系和防洪減災(zāi)領(lǐng)導(dǎo)體制[8,11,17-19]。程曉陶建議,在深入細(xì)致把握中國各流域水系洪水風(fēng)險特性與演變趨向的基礎(chǔ)上,因地制宜,將工程與非工程措施有機(jī)地結(jié)合起來,以法律、行政、經(jīng)濟(jì)、科技、教育等非工程措施來推動更加有利于全局與長遠(yuǎn)利益、標(biāo)準(zhǔn)適度的工程措施,輔以風(fēng)險分擔(dān)與風(fēng)險補(bǔ)償政策,形成與洪水共存的治水方略[10]。向立云在中國洪水災(zāi)害特性變化分析、洪水風(fēng)險總體分析評價、洪水管理約束分析的基礎(chǔ)上,提出了由控制洪水轉(zhuǎn)向洪水管理的防洪減災(zāi)政策建議[20-22],認(rèn)為中國洪水管理策略的重點方向是維持現(xiàn)有防洪工程體系,強(qiáng)化洪水風(fēng)險區(qū)管理,提升內(nèi)澇尤其是城市內(nèi)澇治理能力,推行山洪風(fēng)險區(qū)劃、規(guī)避山洪風(fēng)險等[23]。

        上述策略與政策研究,為2003年水利部“由控制洪水向洪水管理轉(zhuǎn)變”的防洪減災(zāi)新思路的提出提供了有力支撐。

        2.2 洪水風(fēng)險與洪水風(fēng)險管理風(fēng)險指自然事件或人類活動可能造成的負(fù)面后果或損失,洪水風(fēng)險指洪水事件對人類社會或人類生存環(huán)境可能造成的負(fù)面后果或損失[23-25],可見洪水風(fēng)險反映的是洪水為害的一面。構(gòu)成洪水風(fēng)險需具備三個要素,缺一不可:某區(qū)域有發(fā)生洪水的可能性、該區(qū)域內(nèi)有暴露于洪水之中的承災(zāi)體(人、資產(chǎn)、人類活動、人類生存環(huán)境)和在洪水作用下承災(zāi)體會出現(xiàn)損傷、破壞或功能失常,常簡稱為危險性、暴露度和脆弱性[26]。由于洪水為隨機(jī)事件,因此通常采用期望損失和極端損失定量表達(dá)洪水風(fēng)險的程度[20,27]。

        由構(gòu)成洪水風(fēng)險的三要素可見,洪水風(fēng)險管理措施包括減少洪水發(fā)生可能性的措施,減少承災(zāi)體暴露性的措施和降低承災(zāi)體脆弱性的措施,前者需改變洪水運動特性,基本為工程措施,后兩者需改變、調(diào)整和引導(dǎo)人的行為,屬于非工程措施[28-29]。

        洪水風(fēng)險分析,即風(fēng)險識別、風(fēng)險評估(評估危險性、暴露度和脆弱性)和風(fēng)險評價(什么是可接受風(fēng)險),為解決洪水管理決策者的困境和難題,確定適宜的措施提供了有效的方法和手段。因此,洪水風(fēng)險管理是指在洪水風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上,政府以公平的方式,采取綜合措施管理洪水和人的行為,改進(jìn)效率,保障生命安全的過程[23,25,28]。

        3 防洪減災(zāi)技術(shù)發(fā)展

        3.1 洪水分析方法與數(shù)學(xué)模型中國水科院的洪水分析方法研究源起于林秉南先生[30-31],自1980年代起,隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,洪水分析方法和洪水模擬數(shù)學(xué)模型進(jìn)入快速發(fā)展階段,劉樹坤在國內(nèi)率先開發(fā)了規(guī)則網(wǎng)格的二維洪水模擬模型,龔正贏、陸吉康等研究了潰壩洪水分析方法,開發(fā)了一維潰壩洪水模擬模型。1990年代,程曉陶等研發(fā)了無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格二維水沙運動仿真模型,有效模擬出黃河下游洪水淤灘刷槽、灘槽水沙交換、洪峰傳播變形的特征,達(dá)到國際領(lǐng)先水平[32-34];同一時期開發(fā)完成了高含沙水流和多沙河流的數(shù)學(xué)模型[35-37]。程曉陶、仇近衛(wèi)、李娜、陸吉康等針對城市地貌、地物的特點做了相關(guān)的研究,相繼發(fā)展和完善了原有模型[38-40],在深圳、廣州、北京、天津、上海等十多個城市應(yīng)用[41-42]。馬建明和陸吉康研發(fā)了地形自適應(yīng)的網(wǎng)格剖分技術(shù)[43]。黃金池等開發(fā)完成了統(tǒng)一的二維潰壩洪水分析模型和堰塞壩漫頂潰決流量過程模擬模型,分析了相關(guān)參數(shù)的敏感性,并在丹江口、溫泉水庫等多個水庫潰決案例中應(yīng)用[44-45]。張大偉等對上述模型進(jìn)行升級改造,使其能用于多庫連潰的洪水模擬中[46]。以上模型針對不同模擬對象進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母呕幚?,在保證計算穩(wěn)定性和計算效率的同時,又能滿足良好的精度,在技術(shù)上處于同時期國內(nèi)外相關(guān)模型的領(lǐng)先水平。

        進(jìn)入21世紀(jì),數(shù)值算法的改進(jìn)與計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,為精準(zhǔn)、高效的洪水分析模擬提供了條件。在二維模型方面,采用完整的二維淺水方程組進(jìn)行非結(jié)構(gòu)離散,采用具有激波捕捉能力的高分辨率計算格式開發(fā)了新的二維模型,能夠自動適應(yīng)流態(tài)變化,捕捉激波,在潰壩、潰堤等洪水類型的模擬中具有獨特的優(yōu)勢[47-49]。張大偉等基于潰壩的物理模型試驗,研發(fā)了一種具有物理機(jī)制的概念性潰口模型[50]。在一維模型方面,使用高分辨率的計算格式開發(fā)完成能夠進(jìn)行激波捕捉的潰壩洪水分析模型[51-52],不僅能應(yīng)用到平原河網(wǎng)地區(qū),也適用于坡度較陡峭的山丘區(qū)[53]。在城市管網(wǎng)水流計算模型方面,對國際主流的SWMM模型進(jìn)行了改造,使其便于與地表一維、二維模型耦合。為擴(kuò)大模型的適用范圍,完成了一維河網(wǎng)模型與二維模型的耦合,除較常使用的側(cè)向耦合和垂向耦合外,還創(chuàng)新地提出了在二維網(wǎng)格邊上直接進(jìn)行一維計算的耦合方式,進(jìn)一步提升整體的計算效率。相關(guān)模型達(dá)到了國際先進(jìn)水平,并在全國范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用,經(jīng)過了大量實踐算例的檢驗[54]。

        3.2 洪水預(yù)報預(yù)警技術(shù)中國水科院減災(zāi)中心自1990年代起,陸續(xù)開展了一系列洪水預(yù)報研究工作。中心依托全國山洪災(zāi)害防治項目,開展了山洪預(yù)警預(yù)報、風(fēng)險指標(biāo)確定、預(yù)警預(yù)報導(dǎo)則編制等研究,構(gòu)建了覆蓋全國范圍的山洪預(yù)警預(yù)報指標(biāo)體系。對于大江大河洪水預(yù)報,中心開展了江西全省洪水預(yù)報的研究與應(yīng)用,為洪水預(yù)報與水庫調(diào)度雙向耦合奠定了理論、方法和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[55]。針對中小河流和干旱半干旱流域洪水預(yù)報,中心基于概念性水文模型和經(jīng)驗方法開展了大量模型構(gòu)建、參數(shù)率定和實時預(yù)報的研究與實踐,在陜西省多個干旱半干旱流域率先實現(xiàn)了基于超滲產(chǎn)流和混合產(chǎn)流水文模型的洪水預(yù)報,取得了良好的應(yīng)用效果[56]。對于精細(xì)洪水預(yù)報,基于分布式水文模擬技術(shù),構(gòu)建了具有較強(qiáng)物理基礎(chǔ)的分布式洪水預(yù)報模型[57]。針對無資料地區(qū)洪水預(yù)報難題,利用遙感產(chǎn)品等多源數(shù)據(jù),研發(fā)了基于水熱平衡的新型分布式水文模型,為解決無資料地區(qū)洪水預(yù)報問題提供了全新的研究思路。對于模型參數(shù)率定方面,基于物理基礎(chǔ)方法和最優(yōu)化方法開展了模型參數(shù)先驗估計與自動率定研究,顯著提升了洪水預(yù)報模型的可靠性和精度[58]。

        高新技術(shù)跨學(xué)科交叉研究與應(yīng)用方面,利用人工智能技術(shù),開展了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的洪水預(yù)報研究,具有精度高、靈活性好的優(yōu)勢?;诟咝阅蹸PU+GPU異構(gòu)并行計算技術(shù)開展了水文模型模擬和參數(shù)率定加速方面的研究,相對傳統(tǒng)CPU串行計算,并行軟件取得了幾十倍的加速效果,顯著提升了計算效率[59]。

        3.3 洪水調(diào)度技術(shù)洪水調(diào)度技術(shù)主要利用一系列相互具有水文、水力、水利聯(lián)系的水庫及相關(guān)工程設(shè)施(如堤防、滯洪區(qū)、分蓄洪區(qū)等)進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)調(diào)度,在保證防洪設(shè)施自身安全的前提下,提高流域整體防洪能力,盡量減輕流域洪水影響與損失[60-61]。

        中心先后以松花江、嫩江、淮河等流域以及廣東、江西、河南、陜西、河北、湖南、遼寧、云南、北京、上海等省市的防洪工程體系為對象,開展了防洪聯(lián)合調(diào)度算法與模型研究,并在此基礎(chǔ)上,研發(fā)了基于CPU和GPU異構(gòu)并行加速技術(shù),將原有模型的計算速度提高到百倍以上[62-63]。將下山搜索策略引入到粒子群智能算法中,提出了改進(jìn)的粒子群算法并應(yīng)用于水庫群防洪優(yōu)化調(diào)度模型求解中,為水庫優(yōu)化調(diào)度模型求解提供了新的途徑;采用自適應(yīng)遺傳算法和廣度變異模塊相結(jié)合的分層收斂算法,應(yīng)用于水庫防洪調(diào)度中,在一定程度上避免了自適應(yīng)遺傳算法陷入局部最優(yōu)的缺陷,實現(xiàn)了水庫聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度[64]。

        在實際應(yīng)用方面,針對贛江、撫河、信江、饒河、修河和鄱陽湖區(qū)(“五河一湖”),編制了洪水預(yù)報與防洪調(diào)度方案,研制了統(tǒng)一的洪水預(yù)報子系統(tǒng)與防洪調(diào)度子系統(tǒng),開發(fā)了包括氣象產(chǎn)品應(yīng)用、實時汛情監(jiān)視、洪災(zāi)評估、防汛管理及三維仿真等子系統(tǒng)的防汛輔助支持系統(tǒng),實現(xiàn)了“五河一湖”的洪水預(yù)報調(diào)度與防汛輔助支持的全方位協(xié)同應(yīng)用,作為全國第一個真正意義上的集預(yù)報、調(diào)度和輔助決策于一體的防汛決策支持系統(tǒng)已運行多個汛期[65],全面提升了洪水調(diào)度技術(shù)水平;在調(diào)度展示方面,建立了三維場景構(gòu)建、仿真模型和三維高程分層設(shè)色圖,實現(xiàn)了流域、水系、地形地貌、主要城市、水庫、堤防、蓄滯洪區(qū)等地理要素、社會經(jīng)濟(jì)要素、重要水利工程要素等信息的直觀仿真表達(dá)[66-67]。

        3.4 水庫汛期水位動態(tài)控制方法與技術(shù)中國大多數(shù)水庫興建于1950—1970年代,受當(dāng)時的認(rèn)識水平、技術(shù)條件、水文設(shè)計資料系列短缺的限制,許多水庫未能結(jié)合當(dāng)?shù)乇┯旰樗募竟?jié)性變化規(guī)律,對汛期進(jìn)行合理劃分,水庫在整個汛期采用固定的汛期限制水位度汛,往往造成水庫汛期不敢蓄水且棄水較多、汛后卻難以蓄滿的問題,這種現(xiàn)象在北方地區(qū)尤為普遍。

        2001年中國水科院結(jié)合國家防辦水庫汛限水位設(shè)計與運用重大課題研究,初步形成了中國水庫汛期分期與分期洪水設(shè)計方法、洪水預(yù)報調(diào)度規(guī)劃設(shè)計方法、分期汛限水位確定、汛限水位實時動態(tài)調(diào)度運用技術(shù)等。

        基于上述研究成果,何曉燕等陸續(xù)開展了河南板橋水庫、山西漳澤水庫、廣西巖灘水電站、甘肅碧口水電站的汛限水位動態(tài)控制研究[68-71],進(jìn)一步完善了汛期水位動態(tài)控制方法與技術(shù)。任明磊等在洪水預(yù)報信息、降雨預(yù)報信息的可利用性及其在動態(tài)控制實時調(diào)度中的應(yīng)用等方面進(jìn)行了針對性研究[72-73]。

        針對汛期水位動態(tài)控制風(fēng)險問題,2007年水利部設(shè)立了“汛限水位調(diào)整風(fēng)險評估與控制研究”項目,何曉燕等提出汛期水位動態(tài)控制風(fēng)險指的是由于水庫調(diào)度過程中自然、人為等不確定因素的影響,水庫系統(tǒng)在實施汛期水位動態(tài)控制前后的風(fēng)險變化,系統(tǒng)提出了水庫汛限水位調(diào)整風(fēng)險因子分類與辨識理論和方法[74];任明磊等利用java、jsp、flex技術(shù)、hiberbate數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)、ssh系統(tǒng)架構(gòu)、extjs等計算機(jī)技術(shù)及建立了水庫汛限水位調(diào)整綜合風(fēng)險評估指標(biāo)體系和評估模型,設(shè)計開發(fā)了通用的水庫汛限水位調(diào)整風(fēng)險評估系統(tǒng)[75]。

        為規(guī)范水庫汛期水位動態(tài)控制方案的技術(shù)管理,支撐《水庫汛期水位動態(tài)控制方案編制技術(shù)導(dǎo)則》的編制,中國水科院開展了“水庫汛期水位動態(tài)控制風(fēng)險評估指標(biāo)及可接受風(fēng)險研究”,何曉燕等在以往水庫汛期水位動態(tài)控制風(fēng)險概念基礎(chǔ)上,提出了汛期水位動態(tài)控制風(fēng)險評估指標(biāo)體系以及能夠綜合多種風(fēng)險因素的風(fēng)險評估方法,確定了水庫汛期水位動態(tài)控制的可接受風(fēng)險,提出了相應(yīng)的風(fēng)險控制措施[76]。任明磊等提出了汛期水位動態(tài)控制效益定量評估指標(biāo)體系及定量評估方法,并建立了風(fēng)險效益綜合評估模型[77];何曉燕等在以往研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合梯級水庫特點,將單庫汛期水位動態(tài)控制及其風(fēng)險效益評估的理論方法推廣應(yīng)用在梯級水庫群中[78]。目前,汛期水位動態(tài)控制的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)基本形成,并經(jīng)過了23座試點水庫的應(yīng)用實踐。

        3.5 洪水損失評估方法與技術(shù)洪災(zāi)損失評估可為洪水影響評價、防洪效益評價、洪水應(yīng)急預(yù)案的編制、防洪規(guī)劃的合理性分析,防洪減災(zāi)對策措施的制定等提供重要支持,是防洪減災(zāi)研究領(lǐng)域的一項基礎(chǔ)性研究工作。

        中國水科院減災(zāi)中心自1990年代起,持續(xù)開展了洪澇災(zāi)害損失評估方法、技術(shù)研究,王艷艷探討了不同尺度下的洪澇災(zāi)害損失評估模式[79],陳浩[80]等在調(diào)查黃河灘區(qū)歷史洪澇災(zāi)害損失的基礎(chǔ)上,建立房屋、家庭財產(chǎn)損失率線性函數(shù)關(guān)系,以及國家與集體財產(chǎn)、農(nóng)作物損失率等級關(guān)系;基于廣州市海珠區(qū)歷史災(zāi)害損失調(diào)查,得出城市分類財產(chǎn)淹沒水深-洪水損失率關(guān)系,同時考慮了流速和洪水到達(dá)時間對洪災(zāi)損失率的影響。王艷艷根據(jù)上海市洪澇災(zāi)害損失歷史記錄以及保險理賠資料分析建立了7種資產(chǎn)類型的淹沒水深-損失率關(guān)系,對于風(fēng)暴潮引起的洪水將臺風(fēng)風(fēng)力作為洪水損失率的重要調(diào)整因素予以考慮[81];在分析太湖流域的歷史洪水災(zāi)害數(shù)據(jù)以及相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上建立了太湖流域各類資產(chǎn)的洪災(zāi)損失率關(guān)系,并根據(jù)太湖流域1999年大水淹沒情況對損失評估模型進(jìn)行了驗證[82]。在《洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則》中對洪水影響和損失評估的數(shù)據(jù)、流程和方法等進(jìn)行了規(guī)范性的規(guī)定,用以指導(dǎo)全國洪水風(fēng)險圖編制中的洪水影響和損失評估[83]。

        陳浩等在GIS平臺上基于洪水仿真模型和損失評估模型開發(fā)了“北江大堤洪水風(fēng)險信息管理系統(tǒng)”[84],王艷艷等結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫和土地利用圖層,在GIS平臺上建立洪災(zāi)損失評估模型[85]。李娜等基于GIS技術(shù)建立了洪災(zāi)風(fēng)險管理系統(tǒng)[86],對黃河下游山東段堤防潰決的損失進(jìn)行了分析。李紀(jì)人等建立了洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測評估方法[87],丁志雄建立了遙感與GIS技術(shù)相結(jié)合的洪澇災(zāi)害損失評估技術(shù)方法體系[88]。

        3.6 洪水情景分析技術(shù)洪水風(fēng)險管理是全面提升水安全保障水平的必然選擇和發(fā)展方向[89]。情景分析技術(shù)可為洪水風(fēng)險管理策略和政策提供支持,屬于未來預(yù)見研究的范疇。未來預(yù)見是探索未來社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、科技等的變化趨勢,通過系統(tǒng)地識別、整合不確定性來研究未來可能發(fā)生的各種情景,為決策者提供調(diào)整現(xiàn)行政策、應(yīng)對未來風(fēng)險的決策支持信息[90]。2001年,英國科學(xué)家首次將未來預(yù)見的理念引入到未來洪水風(fēng)險預(yù)見的研究領(lǐng)域,并利用情景分析方法研究了英國的未來洪水風(fēng)險問題[91-93]。

        在洪水情景分析研究中,程曉陶等構(gòu)建了未來洪水風(fēng)險情景分析技術(shù)框架,結(jié)合中國國情從洪水風(fēng)險的角度,提出了洪水災(zāi)害系統(tǒng)概念模型,為開展太湖流域未來洪水風(fēng)險情景研究奠定了基礎(chǔ)[94]。韓松等通過歸納分析太湖流域洪水、社會經(jīng)濟(jì)以及防洪措施等的特征及其發(fā)展變化,建立影響洪水風(fēng)險的各因素之間的動因響應(yīng)關(guān)系,并研究了各因素在未來的變化趨勢[95]。王艷艷等建立的太湖流域洪災(zāi)損失評估模型,為太湖流域未來不同洪水特性與社會經(jīng)濟(jì)情景下洪水災(zāi)害的風(fēng)險分析提供了技術(shù)手段[82]。胡昌偉、王靜等人研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大尺度水力學(xué)模型,更好地反映出平原河網(wǎng)區(qū)多級圩堤及城鎮(zhèn)化過程中流域洪水特性的變化[96]。

        3.7 堤基管涌分析及防治技術(shù)圍繞堤基管涌機(jī)理、動態(tài)模擬和除險合理設(shè)計等內(nèi)容開展物理模型試驗和數(shù)值分析研究,系統(tǒng)研究了管涌發(fā)展過程中的各種滲透破壞現(xiàn)象(包括流土、接觸沖刷等)及其相互作用,分析了不同堤基條件下管涌機(jī)理的特點和差異。

        丁留謙等研究發(fā)現(xiàn)三層堤基中下臥強(qiáng)透水砂礫石層對堤基管涌破壞臨界水頭(水力比降)的巨大影響以及與單層和雙層堤基不同的管涌發(fā)展機(jī)理和破壞模式[97],豐富了對堤基管涌機(jī)理的認(rèn)識;提出了管涌發(fā)展動態(tài)模擬的概化數(shù)學(xué)模型,研究了管涌發(fā)展過程中滲流場變化的特點,給出了管涌破壞鋒面滲透坡降變化的過程和特點,解釋了管涌物理模型試驗中直觀上難以理解的現(xiàn)象[98];將布萊-萊茵滲徑系數(shù)方法的思想擴(kuò)展應(yīng)用到雙層堤基的滲流控制中,提出了蓋重的合理寬度和管涌搶險的合理范圍,研究了雙層堤基懸掛式防滲墻在控制管涌發(fā)展和提高堤基抵抗管涌破壞能力方面的作用和效果,提出了雙層堤基上懸掛式防滲墻的設(shè)計理念、設(shè)計準(zhǔn)則和設(shè)計計算方法[99],關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容已納入中國堤防工程設(shè)計規(guī)范。孫東亞、解家畢等開展了堤壩工程失事概率分析方法及潰決模式、事件樹法原理及其在堤壩風(fēng)險分析中的應(yīng)用等研究,收集整理全國自1949年以來3498座水庫潰壩案例,建立了潰壩案例庫,分析了中國潰壩率高的原因及其主要潰決模式,可應(yīng)用于堤壩潰決洪水分析、防汛應(yīng)急預(yù)案制訂和應(yīng)急搶險決策[100-102]。

        3.8 崩岸治理軟體排技術(shù)針對長江崩岸治理,開發(fā)了軟體排護(hù)岸技術(shù)。黃永健等通過室內(nèi)模型試驗,論證了傳統(tǒng)拋石散體護(hù)岸的缺陷和軟體排拋石壓重整體平順護(hù)岸的優(yōu)越性,結(jié)合試驗工程完善了軟體排材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計以及施工工藝等[103-105]。該技術(shù)在長江干流江西省棉船洲和安徽蕪湖東梁山河段、珠海白蕉聯(lián)圍燈籠東3險段得到應(yīng)用,多年觀測結(jié)果揭示,3個崩岸治理河段均出現(xiàn)不同程度的淤積,河勢平穩(wěn),岸坡穩(wěn)定。該項技術(shù)核心內(nèi)容已納入中國堤防工程設(shè)計和施工規(guī)范。

        3.9 岸坡防護(hù)生態(tài)工程技術(shù)針對自然河道治理渠道化和硬質(zhì)化等導(dǎo)致的自然棲息地質(zhì)量下降等問題,提出了河流生態(tài)修復(fù)理論,開發(fā)了生態(tài)水利工程技術(shù)。董哲仁、孫東亞等提出河道整治工程設(shè)計應(yīng)強(qiáng)調(diào)人與自然和諧的生態(tài)建設(shè)要求,采用與周圍自然景觀協(xié)調(diào)的河道岸坡防護(hù)工程結(jié)構(gòu)形式,在滿足工程安全的前提下,確保生態(tài)和景觀的多種護(hù)岸形式,如植物纖維墊、植物梢料、生態(tài)型混凝土護(hù)坡、生態(tài)型擋土墻、土工織物扁袋、塊石和植被等,為植物生長及魚類、兩棲類動物和昆蟲的棲息與繁殖創(chuàng)造條件[106-107]。

        3.10 洪水風(fēng)險信息表達(dá)技術(shù)洪水風(fēng)險信息包括洪水淹沒信息、可能受洪水淹沒或影響的承災(zāi)體及其脆弱性信息、洪水損失及影響信息,以及相關(guān)的水文信息、預(yù)報信息、調(diào)度信息、水利工程信息、基礎(chǔ)地理信息等[108],涉及GIS、三維、數(shù)據(jù)模型、虛擬仿真等技術(shù)等,程曉陶等總結(jié)了三維展示技術(shù)在防汛減災(zāi)工作中的重要作用[109-110];李紀(jì)人等認(rèn)為空間信息技術(shù)是防洪減災(zāi)現(xiàn)代化的基礎(chǔ),總結(jié)了空間信息技術(shù)在信息展示、防洪模擬等方面的作用[111]。

        黃詩峰等將GIS的空間顯示功能,應(yīng)用到防汛指揮決策支持系統(tǒng)的設(shè)計中,實現(xiàn)洪水相關(guān)信息及背景數(shù)據(jù)的綜合展示及決策結(jié)果的可視化表達(dá)[112];陳煜等利用GIS平臺實現(xiàn)了洪水信息的在線表達(dá)和地圖展示[113]。2003年,中國水科院減災(zāi)中心牽頭研發(fā)了全國七大流域及省級三維電子沙盤,首次實現(xiàn)了大尺度場景中遙感信息、防洪工程、洪水災(zāi)害等相關(guān)信息的三維可視化展示,并先后應(yīng)用于汶川地震應(yīng)急會商、流域防汛演習(xí)等方面[114-115]。2013年,減災(zāi)中心主持編寫了《防汛抗旱用圖圖式(SL73.7-2013)》,規(guī)范了相關(guān)信息的表達(dá)。徐美等利用數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)倉庫等數(shù)據(jù)技術(shù),首次將地圖表達(dá)及模型驅(qū)動技術(shù)引入到洪水風(fēng)險圖研究中,建立水利地圖數(shù)據(jù)模型、實現(xiàn)地圖符號智能優(yōu)化[116],推動洪水風(fēng)險信息表達(dá)向動態(tài)化、智慧化方向發(fā)展。當(dāng)前人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)發(fā)展迅速,為洪水風(fēng)險信息的表達(dá)提供了新的方法和手段,中國水科院減災(zāi)中心開展了相應(yīng)研究,包括綜合BIM、GIS、VR等技術(shù),實現(xiàn)專業(yè)模型支撐下的城市洪水過程的智能化虛擬仿真,采用大數(shù)據(jù)技術(shù),實現(xiàn)海量多源洪水風(fēng)險信息的動態(tài)化表達(dá)等[117-118]。

        3.11 防洪決策支持技術(shù)防洪決策支持技術(shù)包括信息處理技術(shù)、洪水預(yù)報技術(shù)、洪水調(diào)度技術(shù)、洪災(zāi)損失評估技術(shù)等,是水利信息化建設(shè)的主要內(nèi)容之一[119-120]。中國防洪決策支持系統(tǒng)建設(shè)始于1990年代,先后開展了流域、省和國家防洪決策支持系統(tǒng)的研究、開發(fā)和建設(shè),2005—2011年,水利部建設(shè)完成了國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程,成為水利信息化的龍頭和骨干工程,并于2014年,啟動二期工程建設(shè)[121-122]。為配合各級防汛指揮系統(tǒng)的建設(shè),減災(zāi)中心逐步形成了防洪決策支持技術(shù)體系[109]。

        決策支持技術(shù)涉及眾多信息技術(shù)包括數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GIS、遙感技術(shù)、洪水仿真技術(shù)、情景分析技術(shù)等。李紀(jì)人等認(rèn)為空間信息技術(shù)是防洪減災(zāi)現(xiàn)代化的基礎(chǔ),將遙感、GIS、導(dǎo)航等技術(shù)應(yīng)用到防洪決策支持工作中[123];劉舒等利用套接字技術(shù)解決了水動力模型的網(wǎng)絡(luò)化問題[124];苑希民等利用三維信息技術(shù),解決了大范圍洪水信息的三維可視化問題[114]。減災(zāi)中心先后完成了一系列不同層次的決策支持系統(tǒng)研發(fā),起到了示范和引領(lǐng)作用。1992年開發(fā)的“淮河中游防洪決策支持系統(tǒng)”,首次將河網(wǎng)一維非恒定流實時分析模型和洪水信息動態(tài)展示技術(shù)用于防洪決策支持;在北京城市防汛應(yīng)急系統(tǒng)預(yù)報預(yù)警調(diào)度平臺中,將網(wǎng)格化管理應(yīng)用到城市防洪突發(fā)事件的應(yīng)急處置中,提高了城市防汛突發(fā)事件決策的流程化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化[125];在廣東省三防指揮系統(tǒng)二期工程決策支持業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中,首次在防汛指揮系統(tǒng)采用基于業(yè)務(wù)流程的功能組織方式[126]。針對目前防洪中的城市內(nèi)澇問題、山洪災(zāi)害預(yù)警等熱點難點,先后在北京市、上海市、深圳市、成都市、佛山市等城市展開研究,將水利專業(yè)模型與大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等信息技術(shù)結(jié)合,推進(jìn)城市洪澇災(zāi)害防治決策支持的智能化。

        4 結(jié)語

        1990年減災(zāi)中心成立以來,經(jīng)過近30年的發(fā)展,防洪減災(zāi)學(xué)科體系基本形成。初步建立了以洪水風(fēng)險管理理論為指導(dǎo),以洪水風(fēng)險分析方法和技術(shù)為核心的防洪減災(zāi)策略、政策、措施研究體系,以此為基礎(chǔ)提出的宏觀研究成果,為中國防洪減災(zāi)方略的調(diào)整與完善提供了科學(xué)依據(jù)和理論支撐;在水文分析、洪水預(yù)報預(yù)警、洪水?dāng)?shù)值分析、洪水損失評估、洪水調(diào)度、工程安全、洪水資源化、防洪減災(zāi)信息仿真展示和防洪決策支持方法、技術(shù)方面開展了持續(xù)系統(tǒng)的研究,建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,形成了較為完善的防洪減災(zāi)技術(shù)工具體系。在中國,上述理論、方法、技術(shù)和模型一直處于領(lǐng)先地位,并總體達(dá)到國際先進(jìn)水平。減災(zāi)中心針對防洪減災(zāi)實際工作需求,以上述技術(shù)和模型體系為核心,建立了洪水(山洪、內(nèi)澇)預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)、防洪調(diào)度系統(tǒng)、防洪決策支持系統(tǒng)、洪水分析系列軟件、洪水風(fēng)險圖編制系統(tǒng)等,在全國范圍內(nèi)陸續(xù)得到推廣應(yīng)用,取得了良好效果。

        目前,中國防洪減災(zāi)策略仍處于戰(zhàn)略調(diào)整期,由工程防洪向洪水風(fēng)險綜合管理的轉(zhuǎn)變面臨觀念、政策、法規(guī)、體制等方面的問題與挑戰(zhàn),迫切需要在洪水風(fēng)險管理理論框架下融合社會科學(xué)、政策科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、行政科學(xué)等,建立適合國情的應(yīng)對相關(guān)問題與挑戰(zhàn)的理論方法體系,為防洪減災(zāi)策略的合理有效地調(diào)整和相關(guān)政策的制定提供科學(xué)依據(jù)??焖侔l(fā)展并持續(xù)實用化的精細(xì)探測感知、大數(shù)據(jù)、超級計算、人工智能和桌面推演等技術(shù)為洪水全過程、精細(xì)化、高效率分析模擬和檢驗提供了有效手段和支撐,充分利用上述技術(shù),研究洪水形成、發(fā)展、演變和致災(zāi)機(jī)理,不斷提升各類模型的效能,構(gòu)建滿足防洪減災(zāi)應(yīng)用需求的實用化工具和系統(tǒng)是未來防洪減災(zāi)技術(shù)發(fā)展的方向之一。社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與防洪減災(zāi)的關(guān)系、受洪水威脅的承災(zāi)體脆弱性與恢復(fù)力、洪水威脅區(qū)人類行為、降低洪水暴露度與脆弱性方法措施、極端洪水評估與應(yīng)對等方面的研究十分薄弱,甚至處于空白狀態(tài),是亟待探索和拓展的研究領(lǐng)域。

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