變化環境下流域超標準洪水綜合應對研究

黃 艷，李 昌 文，李 安 強，郝 振 純，閔 要 武，任 明 磊

(1.水利部長江水利委員會，湖北 武漢 430010； 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；3.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098； 4.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010； 5.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

大范圍持續強降雨產生的流域洪水災害一直以來威脅著流域社會經濟可持續發展，特別是超過流域防洪工程體系防御標準的洪水，甚至能給社會經濟發展帶來毀滅性影響。例如1870年，長江流域發生了近800 a來最大的洪水，四川、湖北、湖南等省遭受空前罕見的洪澇災害，洪水在松滋老城下10 km處的龐家灣黃家鋪處潰口，遂沖成松滋河，導致宜昌至漢口間約3萬余 km2平原地區受災嚴重[1]；1931年，淮河流域發生超標準洪水，造成100多個縣2 100多萬人受災，7.5萬人死亡，513余萬hm2農田受淹，經濟損失高達5.64億銀元[2]；1998年，松遼流域發生超標準洪水，造成1 733萬人、494.5萬hm2農作物受災，直接經濟損失480.23億元(當年價)[3]；2020年7月，長江中下游湖口附近河段，特別是鄱陽湖水系發生超過堤防設計標準洪水，致使僅江西省就有200多個洲灘民垸被淹，損失嚴重。因此，流域超標準洪水導致經濟損失嚴重、社會影響巨大，一直以來都是我國災害防御的重點。同時，受氣候變化與人類活動的交互影響，21世紀全球年度洪水威脅較20世紀增加了4～14倍[4]，洪澇災害進入了多發、群發時期[5]，加劇了流域超標準洪水應對的復雜性和艱巨性。因此，不斷提升流域超標準洪水災害的防范和應對能力，是我國經濟社會發展中一項重大而又艱巨的戰略任務。

2018年4月習近平總書記考察長江時強調要“認真研究在實現‘兩個一百年’奮斗目標的進程中，防災減災的短板是什么，要拿出戰略舉措”。2018年10月在中央財經委員會第三次會議上，習近平總書記強調“針對關鍵領域和薄弱環節，堅決推進實施防汛抗旱水利提升工程”。時任水利部部長鄂竟平在2019年全國水利工作會議上提出，按照“水利工程補短板、水利行業強監管”的水利改革發展總基調要求，強化水旱災害防御行業監管的總體思路，堅持底線思維，嚴格落實責任，細化防御措施，有效防范風險，全力保障防洪安全，補齊水旱災害防御領域短板，全面提升水旱災害防御能力。

我國主要流域大部分地區人口密集、發展變化迅速，洪水受下墊面變化和水利工程調度應用影響大，超標準洪水應對問題突出，現有理論和技術難以滿足其實時監測、預報預警、災害評估、風險調控與綜合應急等方面需求，面臨規律重新認知、技術亟需提升和措施體系亟待完善等重大挑戰，其難度和復雜程度世界少有，相關研究成果距應用需求仍有較大差距。發達國家由于人口相對較少，防洪措施體系相對完善，防洪標準高，流域超標準洪水應對問題沒有我國突出，針對性研究不多。總體而言，國內外對超標準洪水應對理論障礙和技術問題均開展了不同程度的研究，但成熟可用的成果并不多見。我國對流域超標準洪水演變規律及其致災機理認知不足，現有理論和技術難以滿足在實時監測、預報預警、災害評估、風險調控與綜合應急等方面需求。因此，開展變化環境下流域超標準洪水及其綜合應對關鍵技術研究對于保障國家防洪安全、支撐經濟社會可持續發展具有重要的戰略意義和科學價值。

1 國內外研究現狀

1.1 極端暴雨洪水演變規律及致災機理

在氣候變化與高強度人類活動綜合作用下，極端氣象和水文事件時空格局發生了變異[6-8]，極端洪水發生頻次和強度加劇[9]，流域超標準洪水演變和時空組合規律呈現出新的特點，水文序列的不一致性[10]導致流域超標準洪水難以界定，應對難度加大。國內外對極端水文氣象事件的研究比較多，但針對流域超標準洪水的研究很少，大多還是停留在防洪斷面超標準洪水應急處理措施和對策的定性分析。在氣候變化下流域極端降水事件演變規律方面，雖然在流域的極端降水方面做了大量的研究，但是對未來氣候預估仍存在許多不確定性[11]，模式模擬的系統性偏差仍然較大。如何改進傳統的預估計算方法，開發多模式降尺度模擬結果誤差訂正技術，客觀揭示氣候變化下極端降水事件演變規律與發展趨勢，減少不確定性亟待研究。同時，流域超標準洪水演變規律及其致災機理認識還存在不足，雖然國內外對極端洪水已有系統研究，但對氣候變化、下墊面變化特別是水利工程群組應用等綜合影響下的設計洪水[12-14]及流域超標準洪水機理研究仍然欠缺，針對流域超標準洪水高強度、長歷時等特征，其致災機理需進一步研究。

1.2 極端洪水監測與預報預警

流域超標準洪水發生時，具有覆蓋氣象水文全方位的立體實時監測體系是預報預警的基礎。超標準洪水具有極大的破壞性，往往會引起水情監測設施損毀、常規監測手段失效、信息傳輸不暢等問題。因此，傳統水文監測方法無法解決高洪測量及堤防潰決洪水等應急監測問題，亟待研究超標準洪水非常規狀態水文監測技術并構建監測機制。目前，美國地質勘探局已研制出一種“非接觸法”流量測驗方法和儀器設備，正在研究利用空基遙感系統雷達測高技術測量河流水位，通過星載干涉合成孔徑雷達測量水面流速，進而實現全球范圍內的流量信息測量。國內研究了基于計算機圖像處理的水位與流速監測[15]，推出了基于影像識別的水位監測產品，但其監測精度、環境條件適宜性等都有待提高。此外，面臨超標準洪水情景時，由于信息采集面廣，數據量龐大，亟需一個高效、精準、穩定的數據融合處理解決方案。

國內外在氣象-水文-水動力學耦合預報模型的研究和應用方面均已取得豐碩成果，但極端降雨數值預報準確率以及考慮堤防潰漫的洪水預報精度仍待提高，HEPEX、GEOSS、EFAS、澳洲氣象局、武漢大學等機構采用水文集合概率預報技術提高了洪水預報精度[16-17]。在實時預報過程中，通常以干支流控制性河道監測站及重要水庫作為預報節點，以串并聯的形式搭建洪水預報方案體系。由于流域超標準洪水具有破壞力強、超堤防防御標準、高水位歷時較長等特性，除常規預報方案體系外，還需考慮蓄滯洪區和洲灘民垸運用、岸堤決口等諸多臨時突發節點水情變化影響，以準確反映實時洪水預報所需的水文水力學邊界。因此，揭示堤防潰決機理，準確模擬預測洲灘民垸和蓄滯洪區運用、潰壩潰堤所引起的洪水演進規律變化，是解決流域超標準洪水實時預報技術的關鍵技術難點之一。現有研究多側重土石壩和均質土堤潰決[18-19]，而在實際防御洪水過程中通常會修筑子堤臨時加高堤防，高洪時期堤防通常具有明顯的二元結構。因此，有必要對二元結構非均質土堤的漫溢潰決機理展開研究，建立預測模型。經過多年的發展，模擬一般河道、蓄滯洪區內是洪水演進的一維、二維水動力模型已經非常成熟，不僅國內開發了許多模型[20-21]，國際上也有不少成熟的商業軟件，并已在國內得到廣泛應用[22]。目前，潰壩洪水已能夠實現較好模擬[23]，但復雜地形、多工程調控下的洪水模擬技術仍有待推進。在水文氣象耦合的暴雨洪水預報預警技術方面，國內外相關研究已取得了相當豐富的成果，但是大多局限于標準內、河道及水庫工程運行條件下的暴雨洪水模擬，在超標準洪水發生時水流臨時進入蓄滯洪區或堤防超高運行等稀遇工況下相關研究成果較少。總體來看，流域超標準洪水預報預警技術尚缺乏針對性研究，預報精度亟待提升。

1.3 流域超標準洪水災害動態評估

超標準洪水災害評估是進行洪水風險調控、采取綜合應急措施的重要基礎與技術手段，但目前在時效性、準確性、動態性等方面難以滿足風險調控、綜合應急管理等方面的實際需求。

從災害監測而言，國內外洪災監測以采用衛星影像資料進行災后評估為主，鮮有實時監測，衛星、雷達、影像等非接觸式監測技術的出現為解決這些難題提供了機會[24-26]，但其準確性、環境適應性仍有待提高，且無法實現洪災實時監測。而無人機因其機動性、靈活性、安全性以及高分辨率的特點，在災害監測中應用也越來越廣泛[27-28]。

風險評估尺度方面，流域超標準洪水具有洪水時間和空間尺度大，與洪水影響范圍和災害損失風險程度在流域層面多尺度分布相對應的特點。目前，國內外對流域尺度、區域尺度超標準洪水災害評估研究薄弱，模型和方法的研究都處于探索階段，對局部尺度超標準洪水災害評估大都局限于針對特定洪水事件的、靜態的災害經濟損失后果評估。因此，不同空間尺度超標準洪水災害影響計算方法是流域超標準洪水災損評估的重要組成部分。近年來國內外眾多洪水模擬模型如丹麥的MIKE Flood等得到了廣泛應用，但由于超標準洪水危害性大、影響范圍廣，需綜合考慮防洪工程體系聯合運用場景和復雜邊界[29]，增加了這些模型靈活應用的難度，且實時調度管理決策時間緊張，因此，亟待進一步提高模型的通用性和計算效率。

在防洪實踐過程中，需要根據洪水發生、發展過程和風險變化范圍進行洪水風險動態評估，為洪水實時調度管理提供技術支持。目前，我國在洪水分析、災害評估以及洪水風險圖編制等方面有豐富的經驗及技術積累，但制定的洪水場景一般以設計洪水和既定分洪位置參數等為計算情景，無法反映實時防洪管理中洪水形成和演變過程以及洪水災害、風險的動態變化；洪水風險往往也只考慮洪水本身及其短期影響，未能將流域長期氣候氣象因子及洪水所處風險階段所面臨的剩余未來風險作為背景因素加以考慮，可能因忽略未來的風險而造成風險評估不完整；洪災評估成果以洪水風險圖為主要表達手段，且大部分僅展示洪水要素的危險性，較少疊加承災體易損性，更無法提供面向超標準洪水演變全過程的時空態勢圖譜[30]，此外，可視化能力遠不及交通等領域，且不能滿足流域超標準洪水災害實時動態評估與風險調控技術要求。

在災害損失評估方面，流域超標準洪水易造成大范圍受災和次生災害，目前洪災直接經濟損失評估的技術比較全面系統，而間接經濟損失評估和非經濟損失方面的研究較少[31]。總體來看，國內外尚未建立實用簡單且又能充分反映洪水風險系統特性的洪水災害評估指標體系(包括輸入考慮變量、輸出風險指標)，一些評估模型也存在計算量大、操作復雜、精度低、影響因素考慮不全等缺陷，難以精確快速定量評估洪水災害。因此，利用先進的洪水災害監測技術，獲得準確的洪水空間分布信息及動態變化，建立和利用多尺度洪災評估指標體系，進行洪災多尺度動態監測與評估，完善超標準洪水災害評估理論體系；創新流域、區域、局部不同空間尺度，結合近期、遠期洪水風險因素綜合考慮，提出系統的流域超標準洪水災害評估方法；建立多尺度多防洪工程措施運用情景下洪水災害影響模擬模型，開展流域超標準洪水實時動態快速評估研究，大幅度提高流域超標準洪水評估的精度、速度，達到實用化目標，具有重要的學術意義和實踐意義。

1.4 超標準洪水調度和風險調控

洪水調度與風險調控是流域超標準洪水災害風險管理理論及技術的重要組成，但目前，實測流域超標準洪水較少。實時調度層面，受風險評估及預報等不確定性影響，多種工程聯合調度及非工程措施聯合應用下的風險調控技術有待提高，現有方法和技術難以滿足超標準洪水調度及防災減災需求。以往防洪調度手段多以在流域模擬基礎上進行“經驗+分析”調度為主，與防洪精準智能調度新要求、防洪保安降風險減損失的新期盼存在不相適應的地方。目前，數據挖掘、機器學習、人工智能等信息化技術的迅猛發展為提升防洪調度智能化程度提供了有力支撐，也為進一步提升防洪智能決策支持水平提供了可能[32-34]。

為充分發揮防洪工程體系效益，以長江為例的流域管理機構、大型水電公司等近年來組織各方開展了大量水工程聯合調度研究，并編制了流域水工程聯合調度方案和標準體系，基本實現了對流域洪水的科學調度和有效管理，明晰了防洪工程在大體系中扮演的角色和作用，并發展了多工程聯合調度耦合模型構建理論[35-36]。但是，尚無法對多種工程類別的聯合調度規則[37]進行有機集成或建立知識圖譜，在實時動態協調防洪工程體系的攔、分、蓄、排能力上，缺乏系統調度聯動性，急需進一步提升調度方案信息化、規則化技術和能力。此外，工程調控為流域超標準洪水災害演變提供了緩沖區，但洪水風險依然存在，標準內洪水的防洪調度規則較為完善，衍生災害相對可控，而流域超標準洪水來勢兇猛，已超過流域安全防控設計標準，給流域防洪安全帶來巨大壓力，調度目標已從盡可能降低河道水位轉變為盡可能降低流域洪災影響程度。由于受災區的地域性和重要性存在差異，相同分洪量在不同受災區造成的洪災損失具有顯著區別，結合洪水發生、發展、致災、消退等不同階段演變規律，根據災害實時評估結果開展風險調控，權衡“保與棄”的決策關系，是減少超標準洪水災害影響的重要內容。

由于流域超標準洪水風險調控方案影響范圍大，影響因素多，時間方面具有累積效應，需從流域層面構建綜合評價指標體系，形成科學的調控與效果互饋關系，以改善流域超標準洪水風險調控方案評價的適應能力。目前，以往水庫(群)系統調度決策方案多針對風險效益評價指標的計算方法研究[38]，風險與效益評價指標體系構建的研究還不夠完整[39-40]。實時調度中，防洪工程體系方案比選從本質上來講是一個多目標、多屬性、多輪次的決策過程[41]，而由于各調度目標和價值函數之間相互影響制約以及不可公度，專家意見難以量化，無法形成客觀的調度優化決策結果，導致決策過程帶有較強的主觀性[42-44]。此外，傳統決策方法處理此類問題時，難以挖掘歷史方案中所傳遞的信息，決策的智慧能力不足，難以吸收歷史調度方案中可借鑒的地方。

基于上述認識，為了更加科學合理地處理超標準洪水風險調控及實時調度決策與方案優選問題，亟待根據水工程(包括水庫、蓄滯洪區等工程措施)實時調度方案優選過程的特點，研究可均衡考慮多個目標、多個工程種類組合的聯合調度方案多屬性決策方法，實現超標準洪水調控實時調度風險調控和方案的評價優選。

1.5 超標準洪水調度決策支持技術

防洪決策支持系統是防洪非工程措施的重要組成部分。國際上已形成較多成熟的商業軟件(如丹麥MIKE、荷蘭FWES、英國ICMLIVE等)并在多個流域成功運用；我國各大流域、各省市相繼開展了防汛決策支持系統的研究和開發工作，取得了一些實用性與先進性較好的成果。但這些系統業務多針對標準洪水，范圍主要集中于單個流域，缺少應對超標準洪水的關鍵技術和功能模塊，普適性欠缺。超標準洪水情景下事件決策任務不確定性高，當前系統多為定制化開發[45]，無法應對超標準洪水發生時各種變化決策場景(如啟用洲灘民垸、蓄滯洪區等計算)的敏捷響應需求。國外系統需要大量數據作為支持，在國內的適用性較差，其專業模型也一般較難直接應用于國內各流域的具體研究和應用環境，集成難，無法有效支撐超標準洪水調控業務計算需求；同時，因其產品體系高度封閉，無法在我國流域管理機構開展快速集成和調用[46]。

綜上，目前無論是國際通用模型軟件還是我國已建洪水調度決策系統，尚不能滿足我國變化環境下流域超標準洪水綜合應對需求，亟需突破流域超標準洪水綜合應對理論障礙及技術瓶頸，研發具有自主知識產權、適配性強的流域超標準洪水調度決策支持系統。從規范標準、模型管理、動態業務敏捷響應、決策會商動態配置等多個層次和角度出發，在整合集成精細預報及模擬、水工程智能調度及風險調控、防洪避險轉移輔助服務等技術攻關成果基礎上，建設流域超標準洪水決策支持系統，實現超標準洪水決策模型與服務集成。

1.6 流域超標準洪水綜合應對措施

風險管理是現代防洪的重要理論依據，也是流域超標準洪水綜合應對需要遵循的原則，在世界各地廣泛應用，除各項調度及調控技術體系外，還需要應急預案等風險管理保障機制，才能對洪水實施有效風險管理。荷蘭、英國、瑞士等發達國家開展了大量防洪風險管理研究，建立了較為完善的防洪風險管理應急預案和保障機制。我國在標準洪水上風險管理應對措施相對完善，但在應對復雜多變、多角色協調的流域超標準洪水綜合應對措施的相關研究較少，防洪工程體系聯合運用防御超標準洪水的調度方案以及超標準洪水預案可操作性不強，避險手段落后，協同聯動機制不健全、風險管理保障體系不夠完善，亟需完善。

基于“補短板”思路，現有流域超標準洪水應對措施主要存在以下五大難題。

(1) 流域超標準洪水定義、劃分及應對缺乏精準性和針對性。在各大流域防汛抗旱應急預案中當發生流域超標準洪水時均劃分為I級應急響應。但是，受預報精度不確定性及預見期限制，一般情況下無法提前預判本場洪水是否為流域超標準洪水，預案中的防洪應急響應措施缺乏足夠的針對性。在實時調度中對流域水庫、蓄滯洪區、堤防等防洪工程的運用范圍、運用程度、運用時機等存在預判的不確定性，相應防洪工程體系聯合運用調度方案缺乏可操作性，在災情范圍、人口轉移范圍等方面預判的不確定性，使得工程調度、應急避險等非工程措施的高效性和精準性受到一定限制。

(2) 流域超標準洪水條件下工程運用能力亟待挖潛。隨著蓄滯洪區內社會經濟的發展，啟用蓄滯洪區的難度越來越大，對提高堤防工程、水庫運用潛力的期望越來越高。但是，大部分水工程特別是堤防、水庫工程等調度方案主要針對保護對象標準洪水的調度，在超標準洪水條件下如何科學利用流域防洪工程體系聯合調度，特別是如何提高防洪潛力等方面研究仍較為薄弱，亟待研究。

(3) 應急避險技術亟待升級。應急避險轉移是流域應對超標準洪水的重要非工程措施，但是傳統的應急避險技術存在對人群通知效率低、應急響應慢、安置轉移低效等問題[47-49]，特別是在人員流動大等新形勢下，給以往基于戶籍的人員轉移方式提出了新的挑戰。

(4) 防洪應急管理機制與長效風險管理機制亟需完善。2018年以來，我國實施水工程調度與應急大部制改革，需要研究新常態下防洪應急管理新機制及長效風險管理新機制[50-52]。如何面對機構改革現狀，建立健全洪災應急分布式管理體系，是流域超標準洪水應急管理的研究重點。

(5) 流域超標準洪水綜合應對措施體系亟待完善。我國七大流域均存在中下游人口密集、發展變化迅速，超標準洪水應對問題突出的特點，在極端天氣條件下，現有理論和技術難以滿足在實時監測、預報預警、災害評估、風險調控與綜合應急等方面需求，面臨技術亟需提升和措施體系亟待完善等重大挑戰。

綜上，已有研究尚不能滿足我國變化環境下流域超標準洪水綜合應對需求，亟需揭示變化環境下流域水文氣象極端事件演變規律及超標準洪水致災機理，突破流域超標準洪水監測、預報預警、災害評估、風險調控與綜合應對等關鍵技術瓶頸，研發具有自主知識產權的流域超標準洪水調度決策支持系統，提出流域超標準洪水綜合應對理論基礎、技術架構與標準體系，提升我國流域防洪減災保障能力。

2 研究內容

2.1 擬解決的關鍵科學技術問題

針對流域超標準洪水綜合應對在理論研究與技術運用中的重大需求、相關學科國際學術前沿以及國內外研究現狀，梳理出擬解決的3個關鍵科學問題和5項關鍵技術問題。

2.1.1關鍵科學問題

(1) 揭示變化環境下流域水文氣象極端事件演變規律與發展趨勢。揭示在氣候變化和人類活動影響下流域極端降水事件的時空演變規律，建立多模式集成的動力降尺度和誤差訂正模擬方案，預測未來極端降水事件發展趨勢；揭示天然洪水要素系列變化特征，研究氣候變化、下墊面變化及水利工程運用等綜合影響下極端洪水要素及其統計特征的變化規律及發展趨勢，解析非一致條件下洪峰與洪量、上游與下游等多維時空組合下流域設計洪水特性，預測未來氣候變化下流域極端洪水事件發生的可能性及量級。

(2) 揭示流域超標準洪水響應機理與致災機理。界定流域超標準洪水特征，揭示變化環境下流域極端降雨與超標準洪水的響應機理，研究流域超標準洪水災害形成機理。從洪水災害鏈出發，研究其致災因子、孕災環境、承災體變化情勢，揭示超標準洪水致災機理及變化規律，為超標準洪水應對提供理論依據。

(3) 建立流域超標準洪水災害風險管理理論與方法。提出多尺度災害評估理論及方法，提出基于實時動態災害評估的風險綜合調控理論與方法。從災前的風險預防與減災計劃、預警預報機制建設、應急響應機制建設、洪災風險轉移機制等入手，考慮流域隨時間變化的洪水本底風險變化情況，提出流域超標準洪水災害全過程風險管理的理論與方法。

2.1.2關鍵技術問題

(1) 研發流域超標準洪水“空天地水”立體監測與多源數據融合技術。在常規接觸式水文應急監測手段基礎上，研發高洪及堤防潰口影像識別水位、流速自動監測及流量分析推算技術，洪水淹沒監測分析等非接觸式洪水要素監測技術體系，建立“空天地水”超標準洪水多維組合式測洪體系，提出超標準洪水監測技術指南，解決超標準洪水測不到、測不準的關鍵技術難題。利用機器學習及數據挖掘技術，對二維流場及洪水監測數據進行去噪、清洗、同化、融合，提出基于規則自分析、自適應的多源信息融合方法，提升洪水監測要素收集傳輸速度和精度。

(2) 暴雨洪水預報預警及精細模擬。結合全球數值天氣預報模式、區域中尺度數值預報模式和快速更新循環同化技術，研究流域致洪暴雨0～7 d無縫隙定量預報技術，實現3～7 d流域暴雨過程趨勢預報、1～3 d暴雨定量降水預報、0～12 h短時強對流天氣的定量降水預報；以定量降雨預報作為輸入，結合流域水文學預報模型，研發物理模型試驗與數學模型相互驗證的潰口形成和發展模擬模型，揭示堤防潰決機理；結合典型流域地形地貌、河道形態等自然特性及堤、閘、堰、庫等多工程阻斷特性，構建復雜地形河道工況條件下的河道-蓄滯洪區-潰堤超標準洪水演進一二維水動力學耦合模型；根據氣象、水文、水力學以及防洪與調度控制性節點、河網及流域等要素，在現代預報技術手段的基礎上，構建氣象-水文-水動力學相結合、流域及關鍵節點相融合的洪水預報模型；在實時監測的基礎上，結合洪水預報的不確定性特性，分層次、分級別考慮河道關鍵斷面、控制性水庫、重點防洪對象的防御洪水需求及預警閾值，提出流域超標準洪水判別方法，實現超標準洪水發生條件下的預報、預判、預警機制創新，為超標準洪水預報預警和調度決策提供技術支撐。

(3) 流域超標準洪水災害動態評估與風險調控。識別流域超標準洪水災害多維風險，結合流域洪水本底風險隨時間變化特性，建立不同空間尺度流域超標準洪水災害評估理論體系，構建多尺度、多防洪工程措施下洪水模擬模型，結合超標準洪水災害實時監測技術與監測信息，構建面向超標準洪水全過程的時空態勢圖譜，實現多尺度流域超標準洪水災害實時動態快速定量評估。結合流域超標準洪水多主題場景數據結構模擬發生器及洪災風險傳遞結構特征分析技術，挖掘不同場景模式下流域超標準洪水調控數據關系，提出不同防洪工程體系聯動響應調度模型和動態風險調控技術，實現基于災害評估的流域超標準洪水風險調控及方案智能優選，解決流域超標準洪水風險管理中的決策支持難題，提升流域超標準洪水調度與風險綜合調控能力，減少洪災損失。

(4) 流域超標準洪水應急避險技術。立足解決防洪應急避險中在風險預判與通知、人群信息獲取、人群轉移安置、安置效果評估等方面手段有限、技術落后等關鍵問題，結合位置信息服務(LBS)人群屬性分析信息技術，提出基于實時反饋驅動的綜合應急避險技術和解決方案。

(5) 多場景協同流域超標準洪水調度決策支持。針對超標準洪水情況下的洪水模擬及調度復雜性強、不可預見性高等問題，提出集預報預警、調度、災害評估、風險調控于一體的多組合敏捷響應技術，集成超標準洪水應對關鍵技術功能模塊，研發強適配性的多場景協同流域超標準洪水調度決策支持系統。

2.2 主要研究課題

圍繞擬解決的3個科學問題及5項關鍵技術，采取多學科交叉、多手段結合，從基礎研究、技術研發、策略研究及應用示范4個層次，設置6個課題開展研究。課題1是整個項目的研究理論基礎。課題2，3，4研發流域超標準洪水的監測、預報預警、調度模擬、災害風險評估與風險調控技術，課題5研發流域超標準洪水綜合應急技術并提出綜合應對措施體系，為課題6超標準洪水調度支持系統以及在典型流域開展應用示范提供技術支持。項目各課題間邏輯關系見圖1。

圖1 課題之間邏輯關系Fig.1 Diagram of logical relationships between tasks

2.2.1基礎研究

課題1剖析流域極端降水事件時空變化規律及發展趨勢，揭示流域極端暴雨洪水響應機理，研究氣候變化與水利工程綜合作用下流域超標準洪水演變規律，闡明流域超標準洪水孕災成因與致災機理，預測氣候變化-人類活動聯合驅動下流域超標準洪水的發展趨勢，為超標準洪水科學應對提供理論基礎。

2.2.2技術研發

課題2研究“空天地水”一體化、多源數據融合的超標準洪水監測技術，攻克極端洪水及分洪潰口“測不到、測不準”的難題；建立定量降雨預報模型，形成短中期無縫隙水文氣象耦合預報體系，提高暴雨預報精度；建立堤防潰決物理數學模型，研究揭示超高超泄條件下堤防潰決形成與發展機理；研發氣象水文水力學深度耦合、流域及關鍵節點相融合的超標準洪水預報預警技術，提出流域超標準洪水預判及觸發應急響應的預警閾值，提升洪水預報水平，降低洪水預警不確定性。

課題3研究超標準洪水不同空間尺度災害動態評估理論方法，利用基于遙感、雷達以及無人機等地面觀測技術，構建“空天地水”一體化洪災實時立體監測技術體系，以此作為洪災評估的輸入及驗證信息；應用數值模型技術構建不同空間尺度多防洪工程措施運用情景下洪災影響模擬模型，建立面向超標準洪水演變全過程的時空態勢圖譜，研發超標準洪水災害動態定量評估模型，實現超標準洪水災害動態評估及實時校正，提升洪災評估的準確性和時效性。

課題4通過研究多場景超標準洪水調控數據關系模型(結構模擬發生器)，建立多位一體復雜防洪工程體系聯動響應調度模型，提出基于調控與效果互饋機制的洪水風險調控技術，提出流域超標準洪水多階段、多目標綜合調控方案評價方法及智能優選模型，形成基于災害評估的流域超標準洪水風險綜合調控技術體系。

2.2.3策略研究

課題5依據超標準洪水特征，結合防洪工程體系包括河道、水庫、蓄滯洪區等最大蓄泄洪水能力，研判流域防洪安全裕度，提出流域超標準洪水應急響應等級劃分方法，提出提高工程防洪運用標準的分級組合應急運用方式；研究基于人群屬性的動態反饋驅動應急避險技術；研究提出超標準洪水應急管理機制及災前精準預警、災中高效應對與災后快速評估的實時風險管理保障體系；針對預報→預警→調度→避險全過程，提出流域超標準洪水綜合應對措施體系。

2.2.4決策支持系統集成示范

課題6圍繞超標準洪水決策業務學科交叉、數據結構復雜、模型計算要求高、不確定性和時效性強等特點，結合云計算、大數據等IT行業先進技術，研究集預報預警、精細模擬、災情評估、風險調控和應急避險于一體的超標準洪水全業務流程敏捷響應技術，解決超標準洪水應對多場景、多目標、多對象的不同業務模塊快速搭建技術難題；基于統一的技術架構，集成前置課題專業模型成果，解決信息技術與防洪決策業務深度融合難點問題；研發流域超標準洪水多場景協同調度決策支持和信息服務平臺，實現與流域已有防汛指揮系統的集成與融合，嵌入式解決已有防汛指揮系統功能缺失或不足的問題，提升已有防汛指揮系統應對超標準洪水的綜合能力。在不同氣候類型和工程格局、洪水災害頻發、代表性較強的長江流域荊江河段、淮河沂沭泗流域、嫩江流域齊齊哈爾河段等典型流域開展示范應用，實現理論技術研究成果的落地轉化。

3 研究方法與技術路線

以突破我國流域超標準洪水綜合應對的關鍵科學理論障礙和支撐技術瓶頸、提升應對能力為總目標，以變化環境下流域超標準洪水立體監測-預報預警-洪水調度-災害評估-綜合調控-應急處置為主線，融合氣象學、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，采用現場調查、野外觀測、資料分析、理論推導、物模試驗、數模計算、綜合評估、流域示范等方法，采取理論與試驗、物模與數模、技術集成與示范應用相結合的思路開展研究。

調研國內外在監測、預報、預警、調度、災害風險評估與調控等理論及技術前沿；開展氣候變化及水利工程影響下的超標準洪水演變規律及致災機理研究，為超標準洪水應對提供理論基礎；基于遙感遙測技術，研發堤防潰口洪水、洪災實時監測技術，為超標準洪水應對提供數據支撐；構建暴雨數值預報、堤防潰漫洪水演進、多尺度洪災評估、復雜工程體系調度、風險調控及方案智能優選等模型，為流域超標準洪水預報預警、調度、災害評估及風險調控提供計算工具；研發強適配性集成關鍵技術模塊的流域超標準洪水調度決策支持系統，并在典型流域示范應用，以檢驗和提升超標準洪水綜合應對技術及措施體系能效。項目技術路線見圖2。

圖2 項目技術路線Fig.2 Project technical route

3.1 變化環境下流域水文氣象極端事件演變規律及超標準洪水致災機理

針對超標準洪水演變規律及致災機理認知不足問題，運用Mann-Kendall非參數檢驗、Morlet小波析法和泊松回歸等統計方法，分析流域極端降水事件強度和頻次的時空特征，揭示流域極端降水事件時空變化規律；基于動力降尺度和誤差訂正相結合，預測流域未來極端降水事件發展趨勢；采用水文非一致性診斷方法，揭示流域極端洪水的演變規律；采用流域水文模型和遙相關等方法，揭示變化環境下極端暴雨洪水響應機理；基于還現/還原途徑和等可靠度原則，解析非一致性條件下設計洪水變化特性；結合Copula函數理論，構建洪峰和洪量等多維水文極值變量的非一致性時變動態聯合分布函數，揭示多維時空組合下流域超標準洪水概率特征；采用氣象-水文耦合途徑，預估極端洪水的演變趨勢；基于災害系統理論分析致災因子、孕災環境、承災體的時空變化，提出超標準洪水的致災機理。

3.2 變化環境下流域超標準洪水監測及預報預警

針對變化環境下流域超標準洪水監測及預報預警關鍵技術問題，通過實驗與比測，綜合影像監測、雷達側掃等非接觸式監測技術，研發超標準洪水“空天地水”一體化立體實時監測技術；利用機器學習及數據挖掘技術，提出基于規則自分析、自適應的多源信息融合方法，提升洪水監測要素收集傳輸速度和精度；采用物理試驗與數學模型相結合的方式，研究堤防潰決形成與發展機理，研發堤防潰決模擬數學模型；構建基于復雜地形河道工況條件下的超標準洪水演進水文水動力學耦合模型；采用全球及區域數值天氣預報模式，基于變分同化技術和云分析技術，建立流域0～7 d無縫隙定量降水預報模型；構建氣象-水文-水力學、流域關鍵節點相融合的超標準洪水預報模型；研究不同標準洪水下的預警指標閾值，提出流域超標準洪水的預報、預判、觸發響應的方法及機制。

3.3 流域超標準洪水災害動態評估

針對流域超標準洪水災害動態評估關鍵技術，基于監測、模擬、評估及反饋研究思路，研發基于衛星、無人機和地面終端的協同洪災監測技術，為洪災評估提供多尺度、全過程的信息服務；耦合不同空間尺度多防洪措施聯合運用情景洪水模擬，結合不同承災體洪災損失模型，實現流域超標準洪水災害動態定量評估；并基于GIS和VR技術，構建洪水淹沒及災害演變全過程的時空態勢圖譜。

3.4 流域超標準洪水調度與風險調控

針對流域超標準洪水調度與風險調控關鍵技術問題，運用多場景模擬和大數據分析技術，挖掘流域超標準洪水風險調控數據關系，構建洪災數據關系模型；以此為支撐，耦合拓撲學理論和水庫調度理論，構建防洪工程體系聯合調度模型；基于地理信息、災害學、系統學等理論方法，提出超標準洪水風險調控技術；運用智能優化決策技術，實現對調度決策方案的智能排序和快速優選。

3.5 極端天氣條件下流域超標準洪水綜合應急措施

針對極端天氣條件下流域超標準洪水綜合應急措施關鍵技術問題，采用水文、水力學方法，研究流域防洪安全裕度，提出流域超標準洪水應急響應等級劃分方法；采用不確定性概率風險分析、水文-水動力學-土力學模擬、成本效益等方法，分析在超防洪控制水位運行條件下的工程安全及防洪潛力；利用LBS技術，結合洪水淹沒演進特征，研發基于實時人群屬性和熱力圖的應急避險融合技術；應用災害學、管理學等理論，研究超標準洪水應急管理機制及實時風險管理保障體系；通過系統分析及理論總結，針對“預報→預警→調度→調控→避險”全過程需求，改進提出流域超標準洪水綜合應急措施體系。

3.6 超標準洪水調度決策支持系統集成與示范應用

針對超標準洪水調度決策支持系統集成與示范應用，采用微服務、流式組態、應用配置化架構、現場示范等方法，基于前述課題研制的專業模型，研發多組合敏捷響應技術，綜合集成多元異構數據的高性能訪問技術、多任務協同優化技術與服務端同步技術、多對象聯動協同決策技術，建立多場景協同的超標準洪水調度決策支持系統，在長江流域荊江段、淮河沂沭泗流域、嫩江齊齊哈爾段等示范應用。

4 結論與展望

圍繞目前全球氣候變化和人類活動特別是流域水工程聯合調度運用影響下，我國流域超標準洪水演進規律及災害全過程風險管理理論與方法重新認知、致災機理揭示深度不足等三大關鍵科學問題，在超標準洪水“測不到、測不準”，暴雨洪水預報精度不夠、預見期相對工程調度需求不足、不確定性高，災害實時動態評估能力差、風險調控技術落后、調度方案操作性不強、人群轉移避險手段落后、協同聯動機制不健全、決策支持系統普適性不強等方面的關鍵技術問題開展攻關。

研究成果將揭示變化環境下流域水文氣象極端事件演變規律及超標準洪水致災機理，形成流域超標準洪水監測、預報預警、調度、災害風險評估與綜合應對技術體系，建立流域超標準洪澇災害數據庫，研發具有自主知識產權的流域超標準洪水調度決策支持系統，編制流域超標準洪水監測、調度及應急等技術規范，為國家應對流域超標準洪水提供成套解決方案，推動我國流域超標準洪水全過程全要素綜合應對的基礎理論和核心技術發展，提升流域超標準洪水應對的科技水平與效率。