科學手段防山洪 未雨綢繆惠四方
——記中國水科院減災中心防洪工程室主任劉昌軍

□ 衛婷婷

劉昌軍

隨著社會化進程的加劇，全球自然災害頻發給人類發展帶來了極大的負面影響。作為由山區小流域降水引起的突發性、暴漲暴落的地表徑流，山洪以其成災快、預測難、破壞性強等特點，已成為災害性最強、預警預報最難的自然災害之一。據世界氣象組織（WMO）統計，全球由山洪災害引發的人員傷亡比率逐漸上漲，經濟損失每年達數百萬美元，因此進一步加強對山洪災害防治的研究至關重要。

我國山洪災害頻發，危害極其嚴重。為做好山洪災害防御工作，2006年國務院批復了《全國山洪災害防治規劃》，隨后開展了山洪災害防御的試點工作，摸索出了行之有效的山洪災害防治非工程措施體系。在此基礎上，2010年以來我國正式啟動了2058個縣的山洪災害防治非工程措施建設和全國山洪災害防治項目建設，提出了自動監測體系和群測群防體系相結合的山洪災害防治思路，開展了山洪災害調查評價、非工程措施建設和山洪溝治理等工作，為其他國家和地區的山洪災害防治工作提供借鑒和參考。2017年，水利部印發了《全國山洪災害防治項目實施方案（2017—2020年）》，確定了根據經濟社會變化新形勢和新要求，基于現有山洪災害防御理論技術基礎，結合未來大數據、人工智能等現代信息技術成熟應用，提出了下一步我國山洪災害防御的戰略方向，研發國家級山洪災害動態預報預警技術，拓展提升省級山洪災害監測預警系統，并有序推進重點山洪溝（山區河道）防洪治理試點的防治思路。

洪水如猛獸，但是科學的防范與預警，卻能將這頭猛獸的威力減半，危害減小。在中國水科院減災中心防洪工程室主任、全國山洪災害防治項目組技術部負責人劉昌軍的科研道路中，山洪災害防治、水土保持監測監管、堤壩安全評價等方面的研究不僅是自己工作的一部分，更是他心中的一項使命，多年來，他將研究視野放眼于全國，在水文模型、人工智能和大數據應用方面取得了突破性研究成果，為全國的山洪災害防治工作做出了諸多貢獻。

筑夢科研，巧遇水文地質

1978年，劉昌軍出生于山東省鄆城縣。雖然家境普通，但劉昌軍從未放棄過對學習的渴望，并決心通過自己的不斷奮斗，用知識來改變命運。

1998年，劉昌軍以優異的成績考入河海大學水文地質專業，開始了自己的大學生涯。在此之后，他又通過不斷研究探索，于2005年6月獲得了河海大學水工結構專業的碩士學位。雖然，最初走進地質專業并不是劉昌軍的初心所在，但是，在研究生時期真正接觸科研工作的時候，他卻發現，地質專業的涉獵面十分廣泛，每當遇到水工結構工程領域的一些攻關難題時，地質領域的相關知識會給研究工作的開展提供很好的研究思路、技術支撐，慢慢地，劉昌軍在水工結構工程領域的研究工作開展得愈加順利，以此作為積淀，他開始了在這一領域的研究之路。

研究生畢業后，劉昌軍正式來到了中國水科院減災中心防洪工程技術研究部，從事山洪災害防治、防洪工程安全評價、水土保持監測監管等方面研究工作，開始了全新的科研征程，并于2012年6月獲得了中國水科院巖土工程專業博士學位。

堅定目標，著眼全國山洪災害防治

山洪災害防治是一場持久戰，選擇這一領域研究需要具有很強的社會責任感。一路走來，劉昌軍從一名學生成功蛻變成為中國水科院減災中心防洪工程室主任、全國山洪災害防治項目組技術部負責人，他在科研道路上所走過的足跡，均成為了山洪災害防治的經驗積累，也凝結成了自己科研人生的寶貴財富。

在山洪災害監測預警方面，西方發達國家起步較早。我國山洪災害防治雖然起步晚，但已建山洪災害防治體系發揮了顯著成效，人員傷亡大幅減少。從已有研究成果的應用情況和經濟社會快速發展的需求看，進一步提高山洪災害監測預報預警的精準度是必然趨勢。針對暴雨山洪災害的特點和關鍵問題，在小流域暴雨山洪分析模擬和預報預警等關鍵環節，小流域下墊面特征及產匯流特性、缺資料地區小流域暴雨洪水規律、新一代缺資料小流域產匯流模型及分布式水文模型、預警指標體系和風險評價理論、小流域山洪災害動態預報預警技術仍然是山洪災害防御急需解決的關鍵技術問題。

在劉昌軍的介紹下，記者了解到：大約在2010年—2012年間，有些廠商開始研制面向山洪災害的簡易報警器等設備，在同一時期，諸多科研院所、高校也針對山洪災害監測預警中的一些關鍵技術難題，開展了研究工作。十幾年來，他作為主要技術骨干，全程參與了全國山洪災害防治項目，參與編制了項目規劃、實施方案、建設任務、技術要求和標準規范等40余項，在項目建設管理、基礎理論和關鍵技術研發與推廣應用等方面積累了豐富經驗。

自2012年6月，劉昌軍就開始參與全國山洪災害防治項目，這一項目的覆蓋面極其廣泛，全國29個省，2058個縣都有項目的實施任務，目前已投資300多億元。作為項目的主要參與人，劉昌軍全程參與了項目規劃、方案實施、技術制定等，經過多年的攻關，取得了一系列創新性科研成果。

山洪災害防治，必須堅持以防為主，而預警預報則是防御山洪的關鍵。在山洪災害監測預警的信息鏈中，他們針對信息采集、信息傳輸等環節做了大量的工作。通過全國山洪災害項目建設，解決了山洪災害監測預警信息“一橫一縱”的通信傳輸問題。所謂“一縱”即從每一個雨量站點傳到村，再傳到鄉鎮、縣、市、省、國家；“一縱”是將國家氣象局、國家土地資源部、國家水利部等一系列監測信息進行共享，以此形成“一橫一縱”的信息采集以及傳輸體系。在此基礎之上，他們還將各個數據信息、監測預警信息都存在統一的數據庫里邊，并將這些數據實現同步共享。通過對這些數據進行分析，他們開始對山洪預警指標進行了計算，并提出了山洪預警指標體系。這一體系歷經十余年的發展，實現了山洪災害預警從經驗預警到靜態預警再到動態預警的飛躍進步。經過多年的研究開拓，已初步建立了以監測預警體系、群測群防體系、數據支撐體系、工程治理措施等為支撐的山洪災害防御體系，在這些體系的支撐下最大程度地減少山洪災害所帶來的人員傷亡。

在這一項目中，劉昌軍團隊還根據我國山洪災害暴發現狀背景，解決了一系列技術難題。在劉昌軍的介紹下，記者了解到：山洪災害防御核心的最大難點就是預警指標不準、預警時間較短，因為山區的水來得比較快，留給老百姓預警的時間非常短。國內外現有的降水—徑流模型通常只適用于大中流域的徑流分析計算，對山丘區小流域短歷時，強降雨條件下的洪水過程模擬精度偏低，達不到山洪災害預警的要求，特別是對無資料的山丘區小流域降雨產流機理刻畫不清晰，無法為山丘區小流域洪水預警提供可用的模型。圍繞著小流域暴雨洪水計算難題，劉昌軍及其團隊提出了時空變源的混合產流模型，實現了時變混合產流機制的精細模擬，小流域暴雨山洪模擬精度提高約30%。

這一模型針對中國復雜地貌山丘區特征，提出以山坡地貌水文響應單元為基礎的超滲/蓄滿時空轉變的混合產流模型。這一研究是國內外首次提出針對山丘區小流域暴雨洪水分析計算的時空變源混合產流機理和建模研究。研究具有創新性和實用價值，也可以為其他無資料地區的小流域洪水計算應用起到示范作用。

在受災現場

除此之外，針對缺資料小流域參數區域化難題，在小流域基礎屬性數據集、下墊面參數數據集和土壤質地數據集的基礎上，劉昌軍研發了基于機器學習的小流域參數區域化方法。采用機器學習方法，他們學習了10個省110個流域1000余場洪水特征及參數，初步建立了河南、福建、甘肅、北京和吉林等5省、直轄市的無資料小流域區域化參數庫，在河南省2016年—2018年小流域洪水預報預警中得到很好應用，顯著提高了小流域山洪災害預報預警精度。劉昌軍團隊針對小流域山洪災害風險評估的難題，提出了短歷時暴雨特征、單位洪峰模數及匯流時間和房屋危險性等3個關鍵風險因子，構建了以小流域為單元的山洪災害風險因子指標體系，開發了基于數據挖掘和機器學習等智能算法的山洪災害風險識別技術，利用53235場不同時期的歷史山洪災害事件評價結果吻合度超過90%，大幅提高了山洪災害風險識別精準度。

接下來，劉昌軍團隊還要投入到國家山洪災害預報預警平臺研發中，結合氣象部門的預報降雨量實時預報全國小流域山洪過程，使山洪災害預警可以提前，最終將動態實時監測、實時分析、實時預報、實時預警等形成整體的技術研發和技術支撐，建設國家級品牌。

不懈前行，大數據時代的山洪防御

科學研究需要實地考察與實驗探索相結合。從2006年5月來到中國水科院減災中心防洪工程技術研究部從事山洪災害防治、水土保持監測監管、堤壩安全評價等方面的研究工作，多年來，劉昌軍越來越感受到自己研究工作的意義以及肩上所承擔的責任，而他也將這份使命感付諸每一天的日常工作中，雖然忙碌但也十分充實。

十幾年的科研歷程所帶來的是沉甸甸的科研碩果，他主持或參與了國際合作項目3項，國家科技支撐項目5項，省部級項目50余項；近年來全程參與了全國山洪災害防治項目建設管理和技術研發工作，主編水利部行業規范1部，參與編制山洪災害防治方面的規劃、實施方案和技術要求等40余項，發表論文150余篇，SCI/EI收錄30余篇，ESI高被引用論文1篇，獲得省部級獎勵6項，廳局級獎勵4項。

在這其中，他們圍繞水土保持監管的核心技術難題，研發了基于深度學習的遙感影像和激光點云的分類和變化圖斑檢測的系列關鍵算法，在北京市、陜西、內蒙、河北等水土保持生產建設項目天地一體化監管業務中進行應用，顯著提升和強化了水土保持監管部門的信息化應用水平和監督管理能力，該項成果獲得中國水土保持學會科學技術獎二等獎。

如今，十幾年的時光匆匆即逝，劉昌軍的研究團隊已經擴展到30多人，并一直前行在全國山洪災害防治的一線。科研之外，他們還為這一領域研究培養了一大批優秀的科研學子，在教學引領中，他們結合跨學科融合的趨勢，將機器學習、大數據等方向與山洪災害防治相結合，使學生的綜合能力得到了極大提升，并在實際項目中加以應用，多年來給這一領域輸入了一批優秀的科研血液。

山洪災害防治工作是一條漫漫長路，未來劉昌軍還將引領團隊投入到“時空變源混合產流模型與機理研究”項目中，利用前期山洪災害調查評價成果，選取全國多個省份的典型小流域研究山坡地貌水文響應單元劃分標準和技術，在小流域下墊面洪水產流機制認知的基礎上，建立不同地貌響應單元的產流機制，發展適用于短歷時、強降雨條件下的小流域時變超滲/蓄滿產流機制的混合產流計算方法，開展小流域洪水時空變源混合產流建模關鍵技術和理論支撐的研究。在全國山洪災害防治欒川試驗示范基地開展室內和野外暴雨產流試驗，驗證山坡地貌水文響應單元劃分標準及不同山坡地貌水文響應單元產流機制的對應關系；驗證時空變源混合產流模型的合理性，并在全國典型小流域開展示范應用，將時空變源混合產流模型在無資料地區進行推廣應用。

根據經濟社會變化新形勢和新要求，他們還將充分利用互聯網+大數據等新技術，構建全國山洪災害的大數據中心，將調查得到的全國降水數據、社會經濟數據、人員分布律以及災害數據等進行整合、分析，將研究的關注點不僅僅集中在山洪災害一個方向上，還將結合中國水科院減災中心各部門之力，為全國水旱災害防御提供基礎數據，在此基礎之上構建水旱災害預報預警的模型體系。這一體系的建立涉及800萬平方公里的大陸范圍，需要考慮到不同地區的氣候類型、地貌特征，需要搞清楚其所存在的災害機理，而國內現有的數據模型并不能解決所有問題，需要將不同區域問題進行綜合考量，建立相關模型。同時，這項研究涉及53萬個小流域、170多萬個鄉村，300多萬個水系網絡，工作量巨大，需要面對防御地區的分散性，降雨的隨機性等一系列難題，而這些都是未來劉昌軍研究團隊所要攻克的。

研究之路任重而道遠，但劉昌軍從未怯步。多年來，他秉持著作為一名科研人的使命，曾前往荷蘭、法國、德國等國家進行交流和學習，介紹和推廣中國山洪災害防冶經驗，將科研成果惠及更多的國家。面對中國山洪災害防治的難題，他和團隊仍在前行的道路上攻關不輟，決心讓團隊的科研成果惠及祖國乃至世界更多的地方。