崔堃鵬,王建偉,林金良,寧占金,石 寬,汪 雁,耿 超
(中國消防救援學院,北京 102201)
2021年7月,歐洲西部受“伯恩德”的低壓渦旋系統(tǒng)影響,給瑞士、法國、盧森堡、比利時、德國、捷克、荷蘭等國帶來十幾天的持續(xù)降雨,局部發(fā)生極端強降雨,釀成自二戰(zhàn)以來,歐洲遭受的最嚴重的洪澇災害;同年7月以來,我國多地出現(xiàn)大到暴雨,河南等地持續(xù)遭遇強降雨,鄭州等城市發(fā)生嚴重內(nèi)澇,河流出現(xiàn)超預警水位以上洪水,個別水庫潰壩,造成鐵路停運、航班取消,帶來重大人員傷亡和財產(chǎn)損失,洪澇災害防控形勢十分嚴峻[1]。
從全國范圍來看,我國近四分之三的國土面積上存在著不同類型及不同程度的洪澇災害,60%以上的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、40%的人口、35%的耕地和600多座城市,以及主要鐵路、公路、油田和許多工礦企業(yè)均受到洪澇災害的威脅,我國的應急救援力量面對出警量高、多災種耦合、處置復雜、專業(yè)化要求高的局面[2]。
本文綜合國內(nèi)外預防洪澇災害的工程措施、非工程措施以及應急救援研究現(xiàn)狀,并調(diào)研了水利水文部門、抗洪搶險救援力量等單位,針對目前洪澇災害搶險中技術、裝備及應急保障需求,除了應積極發(fā)揮應急管理、水利部門和消防救援隊伍在搶險、救援、搜救等方面優(yōu)勢以外,還應在水情預報預警、險情隱患偵測、水域生命救援、堤壩搶險、分洪泄流、抽水排澇、水域應急交通、抗洪綜合保障、汛期災民安置、抗洪韌性增強等10個方面進行探索,進而提出一些研究發(fā)展建議,以期提升我國科技抗洪水平,為后續(xù)防洪、抗洪、搶險救援提供科技支撐。
目前,針對降雨預報主要分為長期、中期及短期預報,實時預報隨著雷達測雨、衛(wèi)星云圖、全球氣象數(shù)值模擬等新技術在氣象部門也得到了有效應用[3-4],降雨預報的可預見時間持續(xù)加長,預報精度也不斷地提高,雷達測雨技術也可以精確地預報出數(shù)小時后流域內(nèi)降雨的強度分布、移動方向以及移動速度等參數(shù),是精準預報實時降雨的有效工具。然而各部門聯(lián)動機制不夠順暢,存在各自為戰(zhàn)和信息滯后的情況。要準確預報水情,首先必須要正確地預報出降雨,并且與應急救援力量等各種社會力量聯(lián)動,建議利用衛(wèi)星云圖通過對云層厚度、溫度、移動速度等因素的分析,輔以其它氣象條件的判斷,有效地進行短期降雨預報;利用全球氣象數(shù)值模擬技術,對全球范圍內(nèi)水汽輸送進行精準地模擬計算,從而實現(xiàn)對全球氣象形勢實時分析,再結(jié)合歷史數(shù)據(jù),與有資料記錄以來類似年份的氣象形勢進行詳細地對比分析,從而更加精細地預報出中、長期降水。
內(nèi)陸水域特點各異,如山東境內(nèi)河流一般較深,河北境內(nèi)河流比較寬大,安徽淮河流域及江西境內(nèi)河流多伴有湖泊特性;長江、黃河、淮河、珠江、黑龍江等國家骨干河流歷年洪水災情研究及預測需要考慮各自不同的特點,因此區(qū)域汛期洪水精準預報一直以來都是擺在水文工作者及相關科研工作者面前的一道棘手難題,存在一定瓶頸[5-6],然而及時、精確、有效地進行區(qū)域洪水預報對國家民生安全及經(jīng)濟發(fā)展具有其獨特的重要的意義。
針對區(qū)域水文防洪抗汛信息化關鍵技術的提升,深入開展洪水形成的物理規(guī)律及特性的研究,具有非常重要的意義。借助計算機、物理、氣象及地理信息等多學科交叉優(yōu)勢,對水文三要素(降雨、流量和水位)與洪水形成的關系深入分析,尋找出區(qū)域洪水預報理論、技術方法、實踐應用的突破性關鍵結(jié)合點。
重點區(qū)域洪水災害往往是具有規(guī)律性的,但現(xiàn)階段的研究,如總結(jié)歸納等方面工作做得不夠深入、系統(tǒng),建議采用案例分析、實地調(diào)研和專家訪談等方式,梳理重點防護或洪水災害高發(fā)等重點區(qū)域洪水災害風險底數(shù),形成重點區(qū)域洪水災害風險清單;研究區(qū)域洪水災害綜合風險評估指標體系、綜合風險量化評估方法和風險等級表征方法,構(gòu)建重點區(qū)域洪水災害風險分布圖;基于洪水災害風險評估研究成果,從應急管理和工程措施兩個方面,構(gòu)建洪水災害風險以應對能力和工程措施為核心的防控技術體系,實現(xiàn)重點區(qū)域洪水災害風險的主動預防和洪水災害應急管理的關口前移[7-11]。
新型探測技術在城市地下空間探測、地下空洞探測、煤礦安全隱患檢測、垃圾填埋場滲漏探測及考古等領域已經(jīng)廣泛應用[12],然而在洪澇災害方面,特別是監(jiān)測滑坡、泥石流等方面研究應用較少,具體可以開展高速成像位移監(jiān)測技術,預埋預設傳感器監(jiān)測位移、應力,動力響應反推監(jiān)測災害,射線掃描成像等技術的研究。
橋梁是道路交通的咽喉,洪峰期間水流速度快,嚴重沖刷橋梁基礎,有時候甚至處于懸空狀態(tài),然而水下橋梁檢測監(jiān)測在國內(nèi)幾乎屬于空白,相關設備更是匱乏,建議研制水下檢測機器人,研究機器人機械手局部修復等技術;洪水期間,會帶來各種不同漂浮物(例如冰凌),甚至是失控的船舶,連續(xù)撞擊橋梁,給橋梁安全帶來巨大災害,相關安全評估標準缺乏且偏保守,建議通過能量法、沖量法、數(shù)值法研究漂流物對橋梁的破壞作用,研究各種撞擊力的時域和頻域特性,評估橋梁搶修快速通過能力及安全狀態(tài)[13]。
我國堤壩運行安全,特別針對堤壩水下病害、表觀病害、結(jié)構(gòu)性能的感知技術研究遠遠落后于發(fā)達國家,目前應用相關技術有堤壩空洞地質(zhì)雷達探測技術、輕型動力觸探對危險地段壩體進行動態(tài)監(jiān)測技術、用電阻率成像探測堤壩有無滲漏、利用小型激振器通過構(gòu)筑物動力響應判斷構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全等技術,建議從堤壩運行規(guī)律入手,研究堤壩運行狀態(tài)智能監(jiān)測方法,建立堤壩滲流、變形、溫度等關鍵參數(shù)的傳感設備布置、數(shù)據(jù)傳輸和批量處理技術;引進前沿機器視覺掃描技術,結(jié)合無人船、無人機等自動巡航裝置,構(gòu)建堤壩水下病害和表觀病害的自動智能巡檢及識別技術;借助神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能算法,搭建堤壩運行狀態(tài)智慧預警系統(tǒng),實現(xiàn)堤壩運行狀態(tài)實時監(jiān)測、定期巡檢及預警預報的自動化、可視化、智慧化。本技術可應用于堤壩運行期監(jiān)測、日常巡檢,解決堤壩運行期監(jiān)測、檢測方面的重大技術難題,及時發(fā)現(xiàn)堤壩病險隱患,扭轉(zhuǎn)堤壩被動防治狀態(tài),實現(xiàn)災害的主動防控,對于堤壩運行過程中的災害防治具有重要意義。
目前,無人機搭載高清云臺攝像機技術已經(jīng)成功應用,可以實現(xiàn)迅速穿越山區(qū)、河流等人員及常規(guī)設備不易出入的嚴重災情地區(qū),深入腹地第一時間搜集受災情況、實時監(jiān)控洪水的發(fā)展情況,并傳回高清圖像[15]。指揮中心可以通過無人機采集傳回的圖像直觀地判斷洪澇災害的強度及分布發(fā)展情況,結(jié)合汛情的發(fā)展和駐地應急救援力量及時做出處置方案,有效地控制和降低災害風險。
針對道路受阻并且通訊中斷的情況,應急救援人員可以采用無人機在空中主動搜尋遇險人員的具體位置。在鎖定具體被困人員的位置后,可以用無人機自帶擴音器與被困人員進行實時隔空交流。無人機還可以攜帶救生裝備、食品、藥物等應急物資,以精準空投的方式快速投放到遇險者手里,將救援的方法告訴遇險人員并安撫其情緒,引導遇險人員如何配合救援,這有利于快速穩(wěn)定局勢并且高效開展救援。
針對光纜維修區(qū)域山勢險峻的情況,考慮其橫跨水面大,采用傳統(tǒng)的人力方式重新布設光纜耗時耗力,效率低下甚至無法實施。然而利用重載無人機布設光纜,可以有效克服地理障礙以及其他阻礙光纜布設搶修的不利因素,尤其是適用于自然災害頻發(fā)的山區(qū)和跨河等復雜區(qū)域,既能保證搶險安全,也能節(jié)省財力、物力,保證搶修的時效性。因此,建議開展無人機全天候執(zhí)行任務情況研究、無人機人工智能自主學習記憶功能、輕型通訊光纜機快速搶鋪技術、無人機自主拋圈救援學習技術、無人機巡查險情自主判斷預上報技術、紅外無人機精準定位被救助對象技術。
湍流水域,人工救援往往存在危險大、成功率低、時間緊迫的情況,相關救援裝備和技術研究匱乏,建議開展靜水救援機器人救援技術、湍流水域救援機器人單機救援技術、湍流水域救援機器人群組救援技術。
我國空中、水面、水下救援往往各自為戰(zhàn),全方位綜合救援裝備及技術研究匱乏,建議開展利用無人機、無人船、水下機器人進行洪水及構(gòu)筑物監(jiān)控、監(jiān)測技術,無人機、無人船、水下機器人紅外、聲吶生命探測技術,無人機單機智能拋圈救人技術,無人船(沖鋒舟)單艇、群艇救人以及水下機器人水下搜救等技術研究。
目前,我國航空應急救援力量雖然跟發(fā)達國家有很大差距,但是已經(jīng)得到了一定程度的應用和發(fā)展。鑒于水上機場建設投資少、建設周期短、節(jié)約土地、運營簡單成本低的特點,日本US-2水上飛機、中國蛟龍-600水陸兩棲飛機等得到了一定應用,在汛期河道巡邏、大面積水域救援有獨特優(yōu)勢,然而總體上航空救援基礎設施薄弱,資源分布不均,我國航空救援能力、體系建設亟待加強,水上航空救援力量(水上機場)場點布設問題要綜合考慮水面資源應用、低空空域管制、水(地)面服務保障設施、飛機、各類專業(yè)人員隊伍、醫(yī)療、氣象、人口、經(jīng)濟、預測監(jiān)控、調(diào)度指揮等諸多因素,建議深入展開相關救援力量優(yōu)化、場點布局研究[16]。
航空應急救援有著響應速度快、救援半徑大、救援效率高、受地形限制少等無可比擬的優(yōu)勢,在應急救援體系中占據(jù)重要地位。然而我國航空應急救援起步較晚,體系建設發(fā)展相對滯后,當前我國的航空救援隊伍主要由現(xiàn)役部隊(空軍、陸航、海航、武警部隊)、警航、政府專業(yè)飛行救援隊和通用航空企業(yè)救援力量共同組成。在人口密度大的都市及高速公路沿線,分別可以按照面狀和線狀的空中救援區(qū)域進行區(qū)域規(guī)劃。在規(guī)劃區(qū)域內(nèi)航空救援的響應時間可控制在40 min以內(nèi)(有些國家和地區(qū)可控制在20 min之內(nèi))。在野外緊急搜索與營救時,高速公路、道路交通、水面救援,配合都市高層建筑消防救援等空中應急響應時間可控制在40 min以內(nèi)。以直升機為承載平臺的偵查巡護、搜索營救、力量(物資)投送、吊桶(水箱)滅火、傷員轉(zhuǎn)移、醫(yī)療救護、圖像傳輸?shù)饶芰υ谏譁缁稹⒌卣?、山岳、水域等航空應急救援任務得到發(fā)揮應用。另外,針對極端天氣救援過程指南建設是我們的下一步研究方向[17-18]。比如汛期雨延綿不斷或風雪交加的情況,救援過程會受到極大干擾,飛行員心里狀況會出現(xiàn)波動,飛行自身安全情況難以保證,面對這種情況如何做出風險等級劃分,指揮員如何準確做出救援指令或者停止救援指令等。
我國渾濁水域救援裝備及技術研發(fā)比較薄弱,與國外發(fā)達國家相比差距大,建議研制作業(yè)深度20 m、遙控距離 800 m的智能水下救援裝備,具備清淤、推障、拖曳功能,能加裝各類作業(yè)屬具:作業(yè)手臂、挖掘臂、推土鏟、裝載斗、清淤泵等,滿足城市內(nèi)澇如被淹橋洞、地下車庫等水底人員搜救、車輛清理、障礙破拆等,滿足河流、水庫、淺海沉船救援、水下工程作業(yè)等。突破深水環(huán)境下作業(yè)裝備的密封防腐、水下定位、穩(wěn)定作業(yè)等關鍵技術,開發(fā)水下作業(yè)可視化遙控操作平臺與長距離線纜收放系統(tǒng),實現(xiàn)水下推土裝備作業(yè)智能化。
面對流速過大的決口或決口合龍時所需要的大塊料,而當?shù)鼐徒鶡o大塊填筑封堵材料的情形,針對近距離實施決口封堵時可能帶來的突發(fā)性、災難性的安全風險研究較少,不能滿足突發(fā)情況下險情處置要求,建議研發(fā)四面體材料速成裝備、大塊體材料快速輸送、裝配式子堤、砂土袋封裝、子堤材料快運等技術,為封堵堤防決口提供機械化的作業(yè)手段。
目前防洪搶險中所使用的材料、技術手段等還是比較原始和落后的,每次搶險所付出的成本比較高,然而效果比較差。但是我國古代卻有不少防洪搶險經(jīng)驗和技術,建議深入挖掘古代抗洪經(jīng)驗,結(jié)合現(xiàn)代新材料、新技術、新方法,創(chuàng)造性的研究有效防洪抗洪搶險技術,例如黃豆等微膨脹材料、水下游弋機器人、水上鋼板樁技術、速凝注膠技術、循環(huán)填埋方法、舟船載重鑿沉封堵技術等。
有這樣一些建筑,始建于百年前,歷經(jīng)歲月洗禮,經(jīng)過數(shù)次洪水考驗,依然屹立如初。例如經(jīng)歷過1991年、2003年洪水的安徽壽縣縣城安然無恙,即使水已經(jīng)淹過城門,城外一片汪洋,但是城內(nèi)還是安居樂業(yè);江西贛州古城,是由唐末五代時楊筠松選址建造的“上水龜城”,城外形如烏龜,可以有效降低洪水對城墻的沖刷。贛州有自己獨特的排水系統(tǒng)——福壽溝,其根據(jù)街道布局和地形特點,建成了兩個排水干道系統(tǒng),因其兩條溝的流向形似篆體的“?!焙汀皦邸眰z字,故取名“福壽溝”。然而我們對于古建筑排水研究不夠深入,建議參照贛州城、故宮排水、青島地下排水系統(tǒng)等研究先進建筑排水機理和措施,借以指導當今建筑排水。
山區(qū)堰塞湖處置主要有爆破、機械開挖溝槽等工程措施[19-20],建議針對骨干河流沿線開展調(diào)查研究,結(jié)合地質(zhì)情況,針對易滑坡處進行統(tǒng)計,評估風險等級。雨季來臨之前,合理儲備防汛物資,特別是相關大型機械設備。研究局部精準爆破技術,大型機械定向開挖技術,大型機械空中投送技術、水路舟橋運輸投送技術等。
針對堤壩或者擋水建筑物拆除泄洪,通常采用機械拆除和爆破拆除兩種形式進行[21]。機械拆除受施工環(huán)境和設備調(diào)配,以及安全等各方面的影響,不能適應搶險的時間要求。采用爆破技術,可以在很短的時間內(nèi),進行拆除處理,處理規(guī)模和處理效果能夠滿足搶險需求。建議研究水下爆破技術、拆除爆破技術、拋擲爆破等,以及在進行爆破實施過程中的機械裝備選擇施工工藝、爆破參數(shù)、先進爆破器材的使用等。先進快速的爆破技術是解決抗洪搶險中人力和機械設備無法解決的瓶頸問題的高效方法,能在搶險中起到關鍵性的作用[22-23]。
城市地下空間應用越來越多,瞬間暴雨,河水倒灌,例如2007年濟南泉城廣場雨水、河水倒灌,人員在下沉廣場無法逃出。狹小空間快速排水救援技術及裝備研究匱乏,建議開展極速排水設備技術、狹小涉水空間極速救援技術的研究。
面向城市地下空間和隧道等狹小空間區(qū)域、低矮環(huán)境內(nèi)澇排水救援技術及裝備要求高,遠程控制智能化大流量排水搶險救援裝備技術的研究較少,建議重點研究具備大流量遠程控制排水救援裝備本體構(gòu)型設計技術,重點研制多情形適應的可遠程控制、智能化、可視化、自主投放與回收技術;密閉及低矮環(huán)境區(qū)域自主導航與協(xié)同精準定位技術,實現(xiàn)排澇區(qū)域內(nèi)部災情信息快速獲取與智能識別[24-25]。
洪水阻斷交通,人員和裝備過河過江成了難題。目前很多舟橋往往集中于軍方,地方儲備的少,應用的更少,不能滿足目前應急救援需求,建議根據(jù)不同搶險救援情況,輕重緩急,險情特點,合理經(jīng)濟情況下,優(yōu)化選擇各種應急舟橋,給出配置標準、要求和使用原則,建議集中研發(fā)兩棲舟橋,一車兩棲使用,具有應急機動舟橋的功能,也具有應急機械化橋的功能。
水陸兩棲救援裝備大多依賴于進口,建議研制陸上具有較高的行駛速度(≥60 km/h),具有較強機動越野能力(能在山地、雪地、沙漠行走);水上具有浮渡功能,速度不低于(5 km/h);可作為運輸平臺運輸人員、物資、救援器具、油料、滅火介質(zhì)等,也可作為工程機械的通用平臺,通過改裝可以實現(xiàn)推土、挖掘、破拆、起重等功能。
在2008年汶川大地震的救援、搶險中,有關部門頻繁調(diào)用“米-26”重型直升機空運大型工程設備及物資,深入震中地區(qū)開展堰塞湖的挖掘、疏浚工作;同時一線極端特殊情況,相關機械設備需要拆解、運輸?shù)綖暮ΜF(xiàn)場進行組裝,此方面研究應用比較薄弱,建議針對災后路橋等基礎設施破壞后,大型機械設備運輸?shù)綖那橐痪€困難的問題,研究采用水陸兩棲車、動力舟橋等裝備,實現(xiàn)大型設備整體運輸、拆解運輸機械化、信息化、智能化等技術[26-27]。
洪水災害事件的高效科學決策與處置是洪水災害救援的核心,對災害情況的準確認知和把握是決策層做出有效決策的基礎,為提高洪水災害救援效率,需要對洪水災害進行全方位的情景構(gòu)建,并基于構(gòu)建的災害情景,提出有效處置措施,從而使決策者在最短的時間內(nèi)借鑒相似情景有效處置措施,快速形成針對新情景的處置方案,做出有效決策。國內(nèi)外此方面研究沒有有效成果,建議圍繞洪水災害特征、災害損失和潛在風險等要素,研發(fā)洪水災害情景及情景鏈構(gòu)建技術;依據(jù)法律法規(guī)、應急預案、典型案例等權威資料,構(gòu)建基于洪水災害情景和災害情景鏈的“災害損失-災害級別-應急響應-事件處置-資源保障”應急指揮輔助決策模型,形成洪水災害應急指揮與處置知識庫,為洪水事件快速反應提供決策知識服務[28]。
每次汛情、洪水都有各自不同特點和共性,實戰(zhàn)可以鍛煉檢驗我們的能力和水平。但是洪水也是有歷史性、周期性的,我們不可能隨時有實戰(zhàn),也不能等到洪水來了再進行我們的隊伍教育培訓,因此利用大數(shù)據(jù)、云計算、VR技術,再現(xiàn)真實洪水情景,體驗救援與被救,鍛煉消防隊伍救援能力和心理素質(zhì)。建議開展的主要研究方向包括:洪水歷史數(shù)據(jù)收集,大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、計算技術等實現(xiàn)歷史洪水情景再現(xiàn)、新形式洪水模擬,建立教學模式,研究VR沉浸式體驗技術。
災情發(fā)生后,災民安置、生活保障等能力是政府綜合管理能力的集中體現(xiàn)。在突發(fā)的大型災難面前,災后臨時應急安置往往面臨著異常嚴峻的挑戰(zhàn),集中表現(xiàn)為場面混亂、物資匱乏、情況復雜、人手不足、經(jīng)驗有限等方面。受災人員應急安置管理、裝備及應用技術相對匱乏[28],建議研發(fā)應急安置保障信息系統(tǒng),研發(fā)高集成、模塊化應急安置方艙,研究方艙的可折疊、輕量化設計,實現(xiàn)方艙的輕量化及現(xiàn)場的一拉式搭建;研究方艙標準化和特殊化保障設施,實現(xiàn)對一般人員和特殊人員的多樣化保障,滿足應急狀態(tài)下安置人員的食宿衛(wèi)需求;研究村鎮(zhèn)及社區(qū)性整體應急搬遷方案及應急安置方艙的優(yōu)化利用等。
韌性是指載體應對外來沖擊的緩沖能力和適應能力,以及從變化和不利影響中恢復的能力。針對洪澇災害條件下復雜系統(tǒng),傳統(tǒng)的災害風險與應急管理模式已經(jīng)難以有效對新形勢下的災害治理需求作出響應,需要進一步研究洪水災害治理模式,構(gòu)思韌性治理的理論和方法,此方面研究及應用較少,建議依托洪水預防與準備、監(jiān)測與預警、處置與救援、恢復與重建全流程地應急管理評估,識別洪水災害承災載體脆弱性和災害應對短板,研究洪水高風險區(qū)域防洪工程技術,減少城市洪澇災害致災風險,不斷增強城市自身的抗洪能力;研究洪水災害環(huán)境下生命線網(wǎng)絡系統(tǒng)和洪水災害應對系統(tǒng)可持續(xù)運行技術,以及洪水災害環(huán)境下快速恢復技術,持續(xù)增強載體韌性。
洪澇災害的防治本身是一個復雜的綜合性問題,涉及工程技術問題、信息技術問題、公共管理問題、應急救援技術問題、社會經(jīng)濟問題、人文環(huán)境問題等諸多方面因素[29-31],面對“全災種、大應急”的形勢要求下,災害發(fā)生后應急救援也是擺在我們面前的新課題,在后續(xù)研究工作當中,我們應該進一步增加洪澇災害的風險研究、強化洪澇災害形成機制和綜合管理的跨學科研究、全民參與程度研究、推進實施災害保險制度研究、高新技術的研究開發(fā)和應用等,希望文中相關建議在能為提升相關消防救援技術水平提供一些幫助。