黃 艷，李昌文，李安強，王 強，朱思蓉

（1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.長江信達軟件技術（武漢）有限責任公司，湖北 武漢 430010）

1 研究背景

我國洪災頻繁，巨災風險集中。1949年以后，我國經(jīng)過大規(guī)模水利建設，主要江河流域防洪體系不斷完善、整體防洪能力顯著提高，常遇洪水得到有效控制，但特大洪水的威脅依然存在，一旦遭遇超過防御標準的洪水，現(xiàn)有堤防、水庫等手段仍不能完全控制，需通過蓄滯洪區(qū)分洪、洲灘民垸（灘區(qū)）行洪、低標準保護區(qū)破堤納洪等措施臨時攔蓄部分洪水，降低洪水風險，減輕災害損失，保障重點防洪對象安全。受全球氣候變化與人類活動交互作用及影響，發(fā)生大洪水[1]并導致堤防潰決、突發(fā)崩岸、堰塞湖等需迅速轉(zhuǎn)移高風險區(qū)人口的“黑天鵝”事件概率增大[2-4]，超過流域防洪工程體系設計防洪標準的洪水（簡稱超標準洪水）災害形勢日趨復雜。洪水威脅對象、孕災環(huán)境與致災因子、承災體脆弱性與暴露量、成災模式與損失構成、洪水風險特性等均發(fā)生了顯著變化[5-7]，人口財富集聚效應導致洪災規(guī)模不確定性劇增[8]，河流行蓄洪空間日漸減少[9-10]，遇超標準洪水時，“蓄與泄”與“守與棄”面臨兩難困境[11-12]，加劇了超標準洪水應急避險的艱巨性和復雜性。洲灘民垸、蓄滯洪區(qū)、防洪保護區(qū)都存在受淹人群轉(zhuǎn)移避險的可能性，亟待深入研究各區(qū)域的防洪應急避險方案。

應急避險是應對超標準洪水的重要非工程措施，包括避險規(guī)劃、準備、預案、預警感知、疏散撤離、救援避險和個人避洪等內(nèi)容[13]。防洪應急避險具有較強的時代特征，我國傳統(tǒng)意義上通過敲鑼、廣播等方式進行預警和疏導轉(zhuǎn)移，與不斷涌現(xiàn)的新一代信息技術相比，現(xiàn)有科技儲備不足，如對變化環(huán)境下超標準洪水風險進行快速預判[14-15]等基礎理論及技術停留在研究和規(guī)劃層面，由于數(shù)據(jù)、計算方式等限制，在實時洪水風險管理中應用較少；對風險人群精準識別與實時預警[16-17]、避險轉(zhuǎn)移方案優(yōu)化[18-19]等關鍵技術的認知還不深入，應急避險科技支撐能力尚需提升。

2 防洪應急避險決策支持問題分析

2.1 現(xiàn)有防洪應急避險轉(zhuǎn)移方式和技術目前，我國編制了各大流域防御洪水方案、干支流洪水調(diào)度方案，國家、流域、省、市、縣級防汛應急預案，蓄滯洪區(qū)運用應急預案、防御山洪災害預案等專項預案，以及水利工程防洪調(diào)度預案、防御超標準洪水預案、江心洲人員撤退預案、重點防洪城市應急預案、水庫防汛搶險應急預案等區(qū)域預案，防洪保護區(qū)、蓄滯洪區(qū)、洪泛區(qū)、中小河流、城市等重點地區(qū)洪水風險圖。2020年，各流域編制了超標準洪水防御預案；為指導上述工作，頒布了《洪水調(diào)度方案編制導則》《水庫調(diào)度規(guī)程編制導則》《蓄滯洪區(qū)運用預案編制導則》《防洪風險評價導則》《洪水風險圖編制導則》《潰壩洪水模擬技術規(guī)程》《堰塞湖應急處置技術導則》等標準規(guī)范。

在經(jīng)常遭受洪水威脅的區(qū)域，防洪應急避險一般依據(jù)上述方案、預案、風險圖識別洪水風險區(qū)域，制定應急避險方案，如蓄滯洪區(qū)運用預案。以荊江分洪區(qū)2019年運用預案為例（避險流程見圖1），在遇達荊江河段100年以上洪水，如1998年型200年一遇洪水條件下，將分蓄洪量26.39億m3、最大分洪流量7700 m3/s、分洪歷時120 h，需轉(zhuǎn)移人口39.53萬人、機動車9.19萬輛，在洪水來臨前，需結合區(qū)內(nèi)防洪工程及安全設施現(xiàn)狀及問題，制定預警警報、轉(zhuǎn)移安置方案：在分洪運用準備階段，采用電視、廣播、電話、短信、鳴鑼、掛旗等多種通信方式或挨戶通知等形式迅速傳播分洪轉(zhuǎn)移命令，做好?；房焖俎D(zhuǎn)移、人員財產(chǎn)轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)移人員接收等準備工作；在轉(zhuǎn)移安置實施階段，按指定時間完成居民轉(zhuǎn)移清場工作；在分洪階段，對沒有轉(zhuǎn)移出來或落水的人員進行搶救，對臨時避洪人員實行轉(zhuǎn)移[20]。

圖1 荊江分洪區(qū)避險流程圖

對于上述已有相對成熟可操作預案的區(qū)域，在實際運用過程中，存在預案應用條件（如轉(zhuǎn)移預留時間不足、分洪設施設備老舊、安置房屋不夠等）問題，影響分洪效果；對于超標準洪水可能涉及的多數(shù)防洪保護區(qū)等沒有預案的區(qū)域，遭受洪水威脅時，應急轉(zhuǎn)移可能存在無序行為及效果不佳等情形。

2.2 變化環(huán)境對防洪應急避險的影響在新形勢變化環(huán)境下，降雨、洪水及防洪工程情況往往具有較大不確定性，給現(xiàn)有防洪應急避洪技術框架下的轉(zhuǎn)移安置帶來極大挑戰(zhàn)。下面仍以荊江地區(qū)蓄滯洪區(qū)為例，分析變化環(huán)境對防洪應急避險的影響。

（1）水情不確定性的影響。根據(jù)《長江流域防洪規(guī)劃》，荊江河段防洪標準為100年一遇。基于此，荊江分洪區(qū)針對1998年型200年一遇洪水，涴市擴大分洪區(qū)[21]、虎西預備分蓄洪區(qū)[22]基于1954年實際分洪情況分別擬定分洪運用預案。但隨著長江上游水庫群的建成和投運，現(xiàn)有防洪工況下，荊江分洪區(qū)、涴市擴大區(qū)和虎西備蓄區(qū)的啟用機率由100年一遇分別下降至300年、千年和萬年一遇，故逢200年一遇洪水，可充分發(fā)揮上游水庫群的攔蓄作用，而不需啟用這些蓄滯洪區(qū)。國務院批復的《長江流域綜合規(guī)劃（2012—2030年）》規(guī)定：“荊江河段對遭遇類似1870年（約1000年一遇）洪水應有可靠的措施保證荊江兩岸干堤不發(fā)生自然漫潰，防止發(fā)生毀滅性災害?！庇捎谒榈牟淮_定性，如遇1870年洪水、千年一遇洪水甚至萬年一遇洪水，上述方案將失效，即便在分洪區(qū)圍堤都安全運行的條件下，按照《荊江分洪區(qū)運用預案》，至少需要8 h進行準備、48 h進行轉(zhuǎn)移的分洪運用預警方案，而分洪控制站沙市的有效預見期為3～5 d，可能存在避險轉(zhuǎn)移時間來不及的風險。已有洪水風險圖為靜態(tài)“死圖”，其以歷史洪水數(shù)據(jù)構建的風險模型難以準確反映實際發(fā)生的超標準洪水動態(tài)，無法滿足應急避險的實時動態(tài)風險預判與快速響應及反饋需求。

（2）工情不確定性的影響。目前受上游水庫建設運用“清水”下泄、河道非法采砂等影響，長江干流河道沖刷、崩岸加劇；長江干流分流入洞庭湖的松滋口、藕池口、調(diào)弦口等支流河道淤積嚴重（三口河道1952—2003年總淤積量為6.16億m3，三峽水庫蓄水后雖略有沖刷，但較1952年仍表現(xiàn)為嚴重淤積）、分流比逐步減少（三口多年平均分流比從1956—1966年的29%減少至2003—2017年的12%）；洞庭湖區(qū)經(jīng)過40年淤積調(diào)蓄洪水能力降低，加大了長江干流防洪壓力，遇大洪水時水位抬高，1996、1998、1999和2002年大洪水城陵磯河段均出現(xiàn)超防洪控制水位34.4 m的情況；蓄滯洪區(qū)內(nèi)涴里隔堤、山崗隔堤建設未達標，堤防安全隱患依然存在，一旦分洪運用損失巨大。此外，流域內(nèi)蓄滯洪區(qū)長期未運用，北閘啟閉設施老化、南閘底板淤塞嚴重，能否正常運用未經(jīng)檢驗，臨時進退洪口門工程能否在規(guī)定時間內(nèi)爆破開并達到下泄的分洪流量等未經(jīng)演練，實際運用時，可能發(fā)生意料之外的分洪、潰口、漫溢情景。然而，分洪區(qū)運用預案雖提及了上述工情的風險，但受時間、經(jīng)費、技術等限制，目前預案中的分洪預案仍基于偏理想運用工況（即假定分洪、潰口、漫溢方案）擬定，如發(fā)生工程非正常運行或潰堤事件，可能導致轉(zhuǎn)移安置準備及實施時間不夠，防洪預案失效。

（3）數(shù)學模型不確定性的影響。荊江河段地處復雜河網(wǎng)地區(qū)，不同洪水組合下的水動力學條件差異顯著，加之蓄泄關系的不斷調(diào)整和蓄滯洪區(qū)下墊面條件的變化，已有的水文、水動力學模型一般為固定配置，難以適應快速變化環(huán)境下復雜水情、不確定工情的準確模擬，原有模型往往對洪水、物理邊界條件做了較多假定[23]，同時對蓄滯洪區(qū)的調(diào)度運用及進退洪過程做了簡化處理，既不滿足如1870年等稀遇洪水邊界條件及糙率系數(shù)的快速擬定，也不能高效應對水庫超蓄運用、河道超堤防設計水位行洪、圍堤潰決、隔堤漫溢、安全區(qū)（臺）或外轉(zhuǎn)安置地潰堤、北閘與南閘非正常運用、臨時進退洪口門不按計劃扒口等可能出現(xiàn)的各種突發(fā)情形。此外，發(fā)生稀遇洪水時，決策時間極為緊張，需要及時構建模型，而現(xiàn)有模型計算需要大量預設資料，且耗時長，支撐作用不強，較難在決策需要的短時范圍內(nèi)（一般1～2 d或24 h以內(nèi)）準確模擬計算洪水風險的時空量多維信息，較難滿足實時動態(tài)分析評估與快速預判預警，對決策支持效果有限。

（4）人口遷徙不確定性的影響。蓄滯洪區(qū)避險人群識別信息化程度低，主要采用調(diào)查統(tǒng)計手段登記區(qū)內(nèi)人口信息。然而，受人力、資金等限制，蓄滯洪區(qū)內(nèi)人口無法做到每年都開展調(diào)查；同時，遇不同量級的特大洪水，蓄滯洪區(qū)的蓄滿率差異較大，需轉(zhuǎn)移的人口各不相同，傳統(tǒng)調(diào)查手段很難快速適應不同分洪需求。受新形勢下區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟發(fā)展和人員流動等的影響，一旦發(fā)生稀遇洪水，很難實時有效獲取受災人群總數(shù)及其分布。分洪運用準備至返遷階段，區(qū)內(nèi)人員頻繁出入，難以全面掌控和規(guī)范人群轉(zhuǎn)移安置行為，傳統(tǒng)調(diào)查手段可能出現(xiàn)信息盲點，大量人力復雜統(tǒng)計亦會降低避險人群識別效率，無法快速精準反映運用準備、轉(zhuǎn)移清場、開閘分洪、返遷等全過程風險人群的屬性、流向、安置、返遷進展信息。

（5）預警通信條件不確定性的影響。荊江分洪區(qū)內(nèi)通訊專網(wǎng)設備陳舊老化，通信手段單一，已不能滿足分洪運用需要。涴市擴大分洪區(qū)、虎西預備分蓄洪區(qū)地面高程較平，起水時間較快，一旦運用，人員必須盡快轉(zhuǎn)移到安全地帶，但目前沒有建立分洪通訊預警專網(wǎng)，預警完全依靠地方通訊和廣播電臺等設施，難以保證各項分洪指令的及時傳遞。此外，避險轉(zhuǎn)移通知響應信息化水平低，避險資源尚待集成，預警難以精準到人，一方面，區(qū)內(nèi)群眾難以實時直觀查閱預警信息和動態(tài)地圖、撤離安置方案及交通路況等關注信息，受困群眾亦難以根據(jù)專家意見開展有效自救或等待現(xiàn)場救援；另一方面，各行政區(qū)域管理人員難以對轄區(qū)群眾進行信息準確實時上報與復核校正，準確度得不到保證。

（6）轉(zhuǎn)移安置工程不確定性的影響。荊江蓄滯洪區(qū)安全工程建設滯后，荊江分洪區(qū)埠河安全區(qū)圍堤尚未達設計標準，大部分安全臺欠高0.5～1 m，多數(shù)磚木結構安置房破損嚴重，涴市擴大分洪區(qū)、虎西預備分蓄洪區(qū)安全工程建設至今未啟動，在分洪運用中普遍存在著避險無場地、安置無設施、災后難恢復等問題，加之國家尚未健全有效的補償保障機制，居民轉(zhuǎn)移安置難度很大。一旦發(fā)生預案之外的水情、工情，部分安全區(qū)、安全臺及外轉(zhuǎn)安置區(qū)域都可能受淹，亟待在現(xiàn)有工作基礎上提升轉(zhuǎn)移路線與安置方案的快速識別能力。此外，蓄滯洪區(qū)存在轉(zhuǎn)移工程建設不配套、區(qū)內(nèi)有轉(zhuǎn)移死角等突出問題，很難實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)移，同時農(nóng)戶擁有的機動車和小型運輸車輛等迅速增長，僅荊江分洪區(qū)就達9.2萬輛，一旦轉(zhuǎn)移勢必造成混亂和擁堵。因此，如何處理好“轉(zhuǎn)移死角+大規(guī)模的人員流動+海量機動車輛”等源匯及中間動態(tài)信息等多源異構數(shù)據(jù)的匯集與融合應用，給避險組織工作帶來了極大挑戰(zhàn)，增大了轉(zhuǎn)移安置方案的多目標動態(tài)協(xié)調(diào)難度。

2.3 應急避險瓶頸問題分析基于靜態(tài)預案、假定情景、預設模型計算、手工填報、傳統(tǒng)通訊預警等方式的防洪應急避險方案由于手段有限、技術落后，造成防洪風險動態(tài)識別能力不足、風險人群識別追蹤預警技術落后、實時洪災避險路徑優(yōu)化技術匱乏、防洪應急避險決策支持平臺缺乏等技術問題。

2.3.1 防洪風險動態(tài)預判能力不足 我國的防洪風險動態(tài)預判在河道內(nèi)預報精度較高，但是一旦超過堤防設防標準，受限于決策支持系統(tǒng)敏捷搭建能力不夠、快速資料獲取能力不足，特別是對不同區(qū)域變化環(huán)境與復雜水力條件下稀遇洪水的動態(tài)演進規(guī)律及致災機理認識不夠深入等，現(xiàn)有模型無法快速預測計算蓄滯洪區(qū)、洲灘民垸、保護區(qū)等高風險區(qū)域進洪分洪情況及淹沒進程，給及時有效采取措施預警、轉(zhuǎn)移人群帶來較大不確定性，亟需研究能適應未知水情、工情以及可快速求解超標準洪水風險信息，且具有普適性的精細化洪水演進模型。

2.3.2 風險人群識別與響應短板突出 目前擁有的流域防洪決策支持系統(tǒng)或蓄滯洪區(qū)管理決策支持系統(tǒng)，由于洪水風險與居民信息時空疊加能力不足，無法快速確定不同風險等級的受災人群分布及轉(zhuǎn)移實施時間；其次，缺乏對風險人群的動態(tài)及快速識別與追蹤技術，難以實時有效獲取與全過程動態(tài)跟蹤避險人群分布及其屬性、流向等信息，無法保證風險人群識別的精準性、避險預警的時效性?；谖恢梅眨↙BS）的人群屬性分析技術具備應用于超標準洪水條件下避險人群識別的可能性，但目前國內(nèi)外采用位置信息服務的防洪應急避險技術研究基本屬于空白，多集中在導航、購物、廣告等純粹的移動互聯(lián)網(wǎng)應用場景中[24]，少部分應用于森林火災、地震災害等的應急指揮服務等[25-26]；有預案地區(qū)人員撤離避險信息化程度較低，通知效率低、應急響應慢、轉(zhuǎn)移安置低效等問題凸顯；無預案地區(qū)更難以快速確定受影響人群并對其實施高效轉(zhuǎn)移。電子圍欄技術具備應用于人群預警與疏散的可能性，國內(nèi)外多應用于火車軌道人員越界實時預警[27]、共享單車服務[28]等，尚未應用于洪災避險預警；既定預案的避險轉(zhuǎn)移準備與實施時間多為單一方案，難以針對不確定性水情、工情和災情進行調(diào)整變化。

2.3.3 實時洪災避險路徑優(yōu)化技術匱乏 新形勢下避洪轉(zhuǎn)移對象復雜，包括人口、居民財產(chǎn)、企事業(yè)單位資產(chǎn)、?；返?，人流量大、交通工具海量增長，亟需實現(xiàn)大規(guī)模流動人、財、物的多目標動態(tài)調(diào)度及轉(zhuǎn)移路徑空間優(yōu)化，解決交通堵塞難題。海量的人員流動、交通轉(zhuǎn)移、接收安置等源匯及中間動態(tài)信息給建模工作帶來極大挑戰(zhàn)，轉(zhuǎn)移安置方案的多目標動態(tài)協(xié)調(diào)難度大，現(xiàn)有研究成果多利用靜態(tài)的人口與交通數(shù)據(jù)[29-30]，基于實時人群、交通的洪災避險模型研究鮮有報道。

2.3.4 防洪應急避險決策支持平臺缺乏 目前，我國的防洪避險智慧管理缺少系統(tǒng)性平臺支撐，大部分蓄滯洪區(qū)（如荊江分洪區(qū)、淮河沂沭泗流域黃墩湖滯洪區(qū)等）具有一些用于信息查詢的管理系統(tǒng)，但是信息化和智能化對應急避險的支撐力度不夠，無法完全反映避險管控對人群精準識別、準確引導等實際需要，避險決策、管理、組織人員無法從繁雜的數(shù)據(jù)報表、左右兩難的決策中解脫出來，洪水風險、避險人群、安置場所、轉(zhuǎn)移路徑的動態(tài)互饋及其與應急指揮的結合不深入，急待探索新技術。此外，大部分應急避險方案場景展示落后，多采用傳統(tǒng)的專題地圖方式來展示，在固定大小的圖幅里標注轉(zhuǎn)移聚集點、轉(zhuǎn)移線路及轉(zhuǎn)移目的地，對應表格注明每批次轉(zhuǎn)移的人口數(shù)量，使用時需打印出來，無法查看局部區(qū)域的詳情，不方便與避險轉(zhuǎn)移過程中的其他信息動態(tài)疊加，無法反映轉(zhuǎn)移的動態(tài)過程。

綜上，傳統(tǒng)應急避險技術主要存在防洪風險動態(tài)辨識與預警響應能力不足、風險人群信息獲取與識別追蹤手段落后、實時洪災避險路徑優(yōu)化技術匱乏、防洪應急避險決策支持平臺缺乏等“卡脖子”技術問題，難以適應新形勢下避洪轉(zhuǎn)移人流物流大、轉(zhuǎn)移交通工具海量增長、超標準洪水精準管理的新情況，無法滿足超標準洪水條件下分洪潰口位置不確定性、撤離路徑動態(tài)尋優(yōu)、安置方案動態(tài)調(diào)整、轉(zhuǎn)移人口實時反饋驅(qū)動的要求，即沒有解決應急避險中“水”（洪水風險信息預判）、“人”（受災人群識別追蹤）、“地”（撤離路徑實時優(yōu)化）動態(tài)反饋驅(qū)動的問題。

3 超標準洪水應急避險決策支持技術

為解決上述技術難題，立足我國流域超標準洪水防御實際，貫徹底線思維和防風險意識，以突破防洪應急避險技術瓶頸、實現(xiàn)避險資源全過程全要素的實時精準調(diào)度與智慧管理、提升應急避險組織實施能力為總目標，緊緊圍繞洪水風險算的準、算的快，風險人群找的到、可追蹤、轉(zhuǎn)移快、安置好，避險技術可示范、能推廣等具體目標，以洪水風險預判-避險人群識別預警-轉(zhuǎn)移安置方案擬定-應急避險系統(tǒng)研發(fā)為主線，融合水文學、水力學、災害學、信息學、運籌學等多學科理論與前沿技術，采用現(xiàn)場調(diào)查、水文分析、水文水動力耦合數(shù)值模擬、衛(wèi)星遙感、無人機、GIS、多源實時LBS、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、電子圍欄、實時通訊等方法，采取理論與實踐、傳統(tǒng)方法與信息化相結合的綜合思路，開展超標準洪水精準應急智慧避險決策支持技術研究。該技術包含按照避險信息獲取、理論方法研究、系統(tǒng)平臺研發(fā)、管控措施凝練、流域示范應用等五大板塊，基于空天地水立體監(jiān)測對潰口（或分洪閘）、水文、人群、災情等關鍵信息提取，研究可根據(jù)不同分漫潰情景快速構建水動力學模型與洪水風險動態(tài)評估技術、風險人群識別及避險人群全過程快速預警和實時跟蹤、避險轉(zhuǎn)移與安置方案的動態(tài)優(yōu)化、應急避險決策支持等技術問題（技術路線見圖2）。

圖2 技術路線圖

3.1 適應不同分漫潰情景的洪水風險快速建模與研判技術災前基礎地理數(shù)據(jù)庫的建設是進行洪水風險預判和避險救災的基礎。在現(xiàn)有雨、水、工情海量感知體系基礎上，集成衛(wèi)星遙感、無人機影像快速獲取、機載LiDAR 快速應急測繪、GIS 等技術，形成立體多維的對地綜合觀測體系。利用天基中/高分辨率衛(wèi)星（如高分四號、北京二號、高分二號衛(wèi)星等）及無人直升機搭載航攝相機，快速動態(tài)采集流域、區(qū)域超標準洪水空間數(shù)據(jù)，對洪水洪災的發(fā)展演變趨勢進行全天時全天候遠程監(jiān)控及整體感知，亦為構建大尺度洪水演進模型提供基礎信息；利用高分辨率衛(wèi)星、低空無人機傾斜攝影測量技術，動態(tài)跟蹤觀測重要防洪保護區(qū)、蓄滯洪區(qū)、洲灘民垸等局地重要監(jiān)測目標并采集相關指標，快速獲取并發(fā)布三維地形，為構建潰堤等精細尺度洪水演進模型并識別避險要素及安置區(qū)提供數(shù)據(jù)支撐。

建立洪水風險快速建模分析算法，考慮超標準洪水災害可能引發(fā)的放大性、級聯(lián)性、突變性等嚴重后果，快速推演稀遇洪水和各種可能工況組合導致的不確定性分洪、潰口、漫溢位置及規(guī)模情景下的洪水風險信息，包括洪水前鋒到達時間、最大淹沒范圍、最大淹沒水深、洪水淹沒歷時等，及時掌握洪水風險的發(fā)生、發(fā)展、趨勢和程度。為指導洪水可能淹沒危險區(qū)內(nèi)群眾及時撤退避險，采用兩種技術實現(xiàn)洪水風險信息與災情信息的時空疊加，動態(tài)辨識應急避險對象、安全轉(zhuǎn)移道路、應急安置（逃生）場所等要素，快速劃分洪水風險區(qū)等級并確定洪水風險區(qū)內(nèi)避險轉(zhuǎn)移批次及各批次避險轉(zhuǎn)移準備與實施時間：一是根據(jù)不同水情、工情條件下水動力學模型的水面線計算成果，提取河道各斷面的洪水位，疊加數(shù)字高程模型，分析獲取洪水淹沒范圍，將解譯得到的淹沒范圍圖層與房屋、道路、土地等社會經(jīng)濟圖層通過空間地理關系進行拓撲疊加，分析獲取洪水淹沒區(qū)內(nèi)影響人口、社會經(jīng)濟不同財產(chǎn)類型的價值及其分布等信息。二是采用人工智能識別與目視解譯相融合的淹沒實物指標解譯調(diào)查技術，對淹沒風險范圍內(nèi)影像進行識別與判讀，實現(xiàn)對超標準洪水可能影像的受災人口、房屋及土地三大類信息的智能獲取，并基于數(shù)據(jù)存儲技術實現(xiàn)解譯成果的統(tǒng)計分析，基于GIS技術實現(xiàn)專題圖繪制。

洪水風險快速分析主要采取兩種方式：

（1）將傳統(tǒng)一維、二維水動力學模型簡化，在水文、地形、地理信息和遙感影像等資料收集的基礎上，建立基于GIS+DEM的水位-面積（容積）實時填洼計算及洪水風險動態(tài)評估模型，實現(xiàn)河網(wǎng)與受洪水威脅的堤防保護區(qū)、蓄滯洪區(qū)、洲灘民垸、山洪防治區(qū)、水庫潰壩及堰塞湖下游影響區(qū)等的一、二維水力學耦合計算，并根據(jù)災損曲線等進一步分析可能的洪災損失，為應急避險提供決策參考。

（2）在已有或開發(fā)水文、水動力學模型的基礎上，考慮地區(qū)組成、洪水遭遇、防洪標準等多因素影響，隨機模擬各種場景超標準洪水，分析工程調(diào)度影響與行洪狀態(tài)要素在河道控制斷面、河段或區(qū)域的時空關系，結合模擬的多場景流域超標準洪水，采用超標準洪水多組合敏捷響應技術，將不同水情、工情、目標對象（如流域、區(qū)域、河流、河段、河道斷面、水文站、防洪工程、預報區(qū)間等）、模型參數(shù)（如產(chǎn)流模型、坡面與河道匯流模型、水庫調(diào)度模型等）、方案模塊（如洪水預報、水庫調(diào)度、洪水演進、決策分析、潰壩模擬、防洪風險分析等）進行任意組合配置和微服務調(diào)用，分析水庫群攔洪、蓄滯洪區(qū)分洪、河段堤防行洪、涵閘泵站排洪等綜合防洪能力，挖掘不同水情、工情、災情條件下的洪水調(diào)控數(shù)據(jù)深層屬性關系，研究覆蓋“時、空、量”跨維度效用信息的“水情-工情-災情”關聯(lián)圖的構建方式，建立洪水與風險信息關系，形成洪水風險數(shù)據(jù)庫，并對相應量級洪水災害進行匹配。

圖3 風險人群精準識別、快速預警與實時跟蹤技術基本結構圖

3.2 風險人群精準識別、快速預警與實時跟蹤技術開發(fā)防洪避險微信小程序，建立縣包鄉(xiāng)、鄉(xiāng)包村、村包組、組包戶“無縫聯(lián)接”的基層應急避險工作網(wǎng)格化管理平臺，實現(xiàn)風險人群信息上報與核查、汛情實時播報與權威發(fā)布、汛情風險等級自動更新等功能。將傳統(tǒng)戶籍人員識別方法、互聯(lián)網(wǎng)和通訊運營商LBS 大數(shù)據(jù)組成多源數(shù)據(jù)并融合利用，實現(xiàn)風險人群位置信息的實時識別與追蹤，消除信息盲點。具體實現(xiàn)方式為：風險區(qū)內(nèi)居民通過短信、微信公眾號等方式自主上報個人信息，兒童、老人等沒有手機的人群由家里或鄰居有手機用戶輔助登記，在此基礎上基于LBS技術開發(fā)人群精準識別終端應用，在服務支撐層進行標準封裝，全面支持騰訊、阿里等互聯(lián)網(wǎng)公司以及聯(lián)通、電信、移動等通訊運營商的位置大數(shù)據(jù)接口，采用GIS技術導入洪水風險區(qū)范圍，自動監(jiān)測和快速獲取風險人群位置信息，系統(tǒng)實時自動識別各行政區(qū)域（縣、鎮(zhèn)、村、組）的人口數(shù)據(jù)，各行政區(qū)域管理人員對上報信息復核校正，保證準確度。當通信中斷時，一方面通訊運營商采取應急通信車和海事衛(wèi)星電話等方案進行通信保障，以保證人群位置信息的及時獲取，另一方面采用信息化手段與傳統(tǒng)登記相結合的方法，避免漏掉部分人員信息?；谌巳寒嬒瘛⑷斯ぶ悄?、云計算等技術，動態(tài)繪制涉災區(qū)域與安全區(qū)域內(nèi)人群特征圖譜，基于GIS可視化人群狀態(tài)圖譜，實時掌握受洪水威脅區(qū)域內(nèi)人員聚集、疏散、受困、安置和返遷等情況，實現(xiàn)風險人群的精準識別、實時監(jiān)控與全過程跟蹤。充分運用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)（如LBS、交通信息等）、云計算、電子圍欄、實時通訊及小區(qū)固定式、車載移動式和無人機廣播等技術，將應急避險信息以地圖或動態(tài)信息的形式，分門別類地通過傳統(tǒng)手段與信息化平臺推送至管理決策與組織實施人員以及受災人群，做到預警的針對性和及時性，消除預警信息傳遞的“中斷點”和“擁堵點”，把預警信息在第一時間通知到村、戶、人，實現(xiàn)避險對象的點對點信息傳送和風險區(qū)內(nèi)、區(qū)外人群的快速預警，實時引導人群轉(zhuǎn)移第一時間規(guī)避風險。風險人群精準識別、快速預警與實時跟蹤技術基本結構見圖3。

3.3 洪水風險區(qū)人口避險轉(zhuǎn)移路徑實時動態(tài)優(yōu)化技術基于人工智能、優(yōu)化算法和GIS，在傳統(tǒng)避險方案的基礎上，以容量限制路徑規(guī)劃（CCRP）模型[31]為基礎，提出基于實時人群屬性的應急避險轉(zhuǎn)移方案實時優(yōu)化模型，動態(tài)辨識道路擁堵與受淹情況及安置區(qū)（或安全區(qū)、安全臺）位置與容量，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)移路徑和安置方案的實時優(yōu)化（見圖4）。

該模型綜合考慮了避洪人群、道路等級與安全性、轉(zhuǎn)移路線耗時、安置點容量、安置場所可到達性、供需平衡、安置場所就近分配、道路擁堵等約束因素及轉(zhuǎn)移交通工具、目的地、路徑等流向信息動態(tài)變化。將所有安置場所、待安置的村莊、轉(zhuǎn)移道路分別作為安置容量資源分配的出發(fā)點“源”、歸屬地“匯”以及鏈接二者的“網(wǎng)絡線”，容量資源沿著網(wǎng)絡流向待安置人員；同時將安置點容量、可達性、道路容量及可通行性作為重要的實時更新權重條件，并在人群轉(zhuǎn)移過程中實時更新人群分布狀態(tài)，以在實際疏散過程中進一步降低路徑規(guī)劃與實際疏散過程中的偏差，從而降低總體轉(zhuǎn)移耗時。利用啟發(fā)式方法代替全局最優(yōu)求解，提高CRRP或其他常規(guī)人群疏散算法的計算速度，實現(xiàn)實時轉(zhuǎn)移路徑優(yōu)化。

3.4 基于實時動態(tài)反饋驅(qū)動的應急避險決策支持技術在深入理解應急避險技術現(xiàn)狀的基礎上，針對當前存在的問題和不足，對上述核心技術進行集成并與應急指揮相結合，在統(tǒng)一標準和安全防護體系下，基于松耦合、易擴展的設計思路，采用微服務架構，分層建設防洪應急避險決策支持平臺（見圖5）。該平臺構架包括數(shù)據(jù)層、模型層、接口層及展現(xiàn)層。

圖4 洪水風險區(qū)人口避險轉(zhuǎn)移路徑實時動態(tài)優(yōu)化技術實現(xiàn)效果

圖5 基于實時動態(tài)反饋驅(qū)動的應急避險決策支持平臺全局疏散界面

數(shù)據(jù)層：主要對應急預案數(shù)據(jù)進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換及組織儲存，同時整合矢量路網(wǎng)、人口等數(shù)據(jù)，以及實現(xiàn)外部運營商LBS數(shù)據(jù)的實時接入同步，為后續(xù)的模型分析奠定數(shù)據(jù)基礎。為提高數(shù)據(jù)吞吐效能，數(shù)據(jù)層主要基于非關系型數(shù)據(jù)庫進行構建。

模型層：實現(xiàn)實時網(wǎng)絡流的洪災避險轉(zhuǎn)移模型及電子圍欄監(jiān)控模型，洪災避險轉(zhuǎn)移模型加入初始狀態(tài)人群熱力數(shù)據(jù)，并在人群轉(zhuǎn)移過程中實時更新人群分布狀態(tài)，從而在實際疏散過程中進一步降低路徑規(guī)劃與實際疏散過程中的偏差，以達到應急避險疏散要求。電子圍欄監(jiān)控模型主要基于安置區(qū)構建多邊形電子圍欄，結合人群實時位置，提供人群進離安全區(qū)判別算法模型。

接口層：基于模型層相應的轉(zhuǎn)移模型、電子圍欄監(jiān)控模型提供功能服務接口，結合運營商提供實時通訊傳輸接口，為展示層及上層應用提供功能調(diào)用能力。

展示層：基于前后端分離架構體系，基于地理信息平臺，提供實時避險轉(zhuǎn)移信息表達呈現(xiàn)，呈現(xiàn)內(nèi)容包括風險人群識別、轉(zhuǎn)移路徑實時規(guī)劃等，展示手段包括矢量信息展示、熱力圖等。

4 防洪應急避險決策支持技術模擬應用

4.1 防洪應急避險技術適應場景本文提出的變化環(huán)境下超標準洪水應急避險決策支持技術融合了信息技術與水利技術，主要針對受洪水威脅的防洪保護區(qū)、蓄滯洪區(qū)、洲灘民垸（灘區(qū)）、山洪防治區(qū)、病險水庫及堰塞湖下游影響河段等超標準洪水運用情況下，受影響人群的應急避險調(diào)度以及城市內(nèi)澇實時風險評估與防洪調(diào)度，可提出基于實時動態(tài)信息反饋驅(qū)動的應急避險現(xiàn)場解決方案。

4.2 防洪應急避險技術應用情況超標準洪水應急避險決策支持技術在融合雨情、水情、工情、險情、災情等信息的基礎上，提供防洪風險信息研判、避險要素提取，對風險人群識別預警跟蹤，辨識安置容量動態(tài)變化、實時優(yōu)化轉(zhuǎn)移路徑等分析計算功能模塊，提供基于避險轉(zhuǎn)移全要素多場景的數(shù)據(jù)圖譜，為應急避險決策提供技術支持。

以荊江分洪區(qū)為例，示范系統(tǒng)將避險要素點、線、面等幾何實體進行封裝，考慮空間、時態(tài)的拓撲結構及與其他對象的關系，在三維空間場景直觀立體表現(xiàn)不同時刻的人員聚集、分批撤離及安置容納狀況。荊江分洪區(qū)避洪轉(zhuǎn)移全過程態(tài)勢圖譜三維展示效果見圖6。

圖6 荊江分洪區(qū)應急避險平臺效果示意

5 結論

針對傳統(tǒng)避洪手段存在的防洪風險動態(tài)識別與預警能力不足、風險人群識別追蹤落后、實時洪災避險路徑優(yōu)化技術匱乏、防洪避險智慧決策支持平臺缺乏等“卡脖子”技術問題，基于空天地多源信息獲取與融合為基礎，研發(fā)了可適應不同分漫潰情景的洪水風險快速建模與研判技術；基于多源實時LBS、采取大數(shù)據(jù)、云計算等手段，研發(fā)了風險人群精準識別、快速預警與實時跟蹤技術及方案流程；基于優(yōu)化算法和GIS 等技術，研發(fā)了洪水風險區(qū)人口避險轉(zhuǎn)移路徑實時動態(tài)優(yōu)化技術；融合以上技術，采用微服務架構，提出了超標準洪水應急避險轉(zhuǎn)移決策支持技術，實現(xiàn)了防洪應急避險全過程、多要素的信息實時動態(tài)獲取與調(diào)度管理，可動態(tài)界定對來水不確定性、分洪、潰口、漫溢位置及規(guī)模不確定性帶來的避洪轉(zhuǎn)移范圍，提出了洪水風險人群識別預警跟蹤方案流程，通過引入LBS技術，做到了避險轉(zhuǎn)移精確到人，可實現(xiàn)新形勢下受災人群的實時監(jiān)控、全過程跟蹤與轉(zhuǎn)移效果評估；提出的轉(zhuǎn)移路徑優(yōu)化技術可解決人群轉(zhuǎn)移過程中交通堵塞、安置不合理等難題。

研究成果在長江流域荊江分洪區(qū)進行了示范模擬，效果顯著，可為提前預警重大洪災風險、降低避險轉(zhuǎn)移的成本提供重要技術支撐，提升防洪應急避險的安全性和時效性，為形成我國防洪應急避險的系統(tǒng)性智慧技術解決方案打下基礎。