变化环境下流域超标准洪水综合应对研究

黄 艳，李 昌 文，李 安 强，郝 振 纯，闵 要 武，任 明 磊

(1.水利部长江水利委员会，湖北 武汉 430010； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；3.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098； 4.长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010； 5.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

大范围持续强降雨产生的流域洪水灾害一直以来威胁着流域社会经济可持续发展，特别是超过流域防洪工程体系防御标准的洪水，甚至能给社会经济发展带来毁灭性影响。例如1870年，长江流域发生了近800 a来最大的洪水，四川、湖北、湖南等省遭受空前罕见的洪涝灾害，洪水在松滋老城下10 km处的庞家湾黄家铺处溃口，遂冲成松滋河，导致宜昌至汉口间约3万余 km2平原地区受灾严重[1]；1931年，淮河流域发生超标准洪水，造成100多个县2 100多万人受灾，7.5万人死亡，513余万hm2农田受淹，经济损失高达5.64亿银元[2]；1998年，松辽流域发生超标准洪水，造成1 733万人、494.5万hm2农作物受灾，直接经济损失480.23亿元(当年价)[3]；2020年7月，长江中下游湖口附近河段，特别是鄱阳湖水系发生超过堤防设计标准洪水，致使仅江西省就有200多个洲滩民垸被淹，损失严重。因此，流域超标准洪水导致经济损失严重、社会影响巨大，一直以来都是我国灾害防御的重点。同时，受气候变化与人类活动的交互影响，21世纪全球年度洪水威胁较20世纪增加了4～14倍[4]，洪涝灾害进入了多发、群发时期[5]，加剧了流域超标准洪水应对的复杂性和艰巨性。因此，不断提升流域超标准洪水灾害的防范和应对能力，是我国经济社会发展中一项重大而又艰巨的战略任务。

2018年4月习近平总书记考察长江时强调要“认真研究在实现‘两个一百年’奋斗目标的进程中，防灾减灾的短板是什么，要拿出战略举措”。2018年10月在中央财经委员会第三次会议上，习近平总书记强调“针对关键领域和薄弱环节，坚决推进实施防汛抗旱水利提升工程”。时任水利部部长鄂竟平在2019年全国水利工作会议上提出，按照“水利工程补短板、水利行业强监管”的水利改革发展总基调要求，强化水旱灾害防御行业监管的总体思路，坚持底线思维，严格落实责任，细化防御措施，有效防范风险，全力保障防洪安全，补齐水旱灾害防御领域短板，全面提升水旱灾害防御能力。

我国主要流域大部分地区人口密集、发展变化迅速，洪水受下垫面变化和水利工程调度应用影响大，超标准洪水应对问题突出，现有理论和技术难以满足其实时监测、预报预警、灾害评估、风险调控与综合应急等方面需求，面临规律重新认知、技术亟需提升和措施体系亟待完善等重大挑战，其难度和复杂程度世界少有，相关研究成果距应用需求仍有较大差距。发达国家由于人口相对较少，防洪措施体系相对完善，防洪标准高，流域超标准洪水应对问题没有我国突出，针对性研究不多。总体而言，国内外对超标准洪水应对理论障碍和技术问题均开展了不同程度的研究，但成熟可用的成果并不多见。我国对流域超标准洪水演变规律及其致灾机理认知不足，现有理论和技术难以满足在实时监测、预报预警、灾害评估、风险调控与综合应急等方面需求。因此，开展变化环境下流域超标准洪水及其综合应对关键技术研究对于保障国家防洪安全、支撑经济社会可持续发展具有重要的战略意义和科学价值。

1 国内外研究现状

1.1 极端暴雨洪水演变规律及致灾机理

在气候变化与高强度人类活动综合作用下，极端气象和水文事件时空格局发生了变异[6-8]，极端洪水发生频次和强度加剧[9]，流域超标准洪水演变和时空组合规律呈现出新的特点，水文序列的不一致性[10]导致流域超标准洪水难以界定，应对难度加大。国内外对极端水文气象事件的研究比较多，但针对流域超标准洪水的研究很少，大多还是停留在防洪断面超标准洪水应急处理措施和对策的定性分析。在气候变化下流域极端降水事件演变规律方面，虽然在流域的极端降水方面做了大量的研究，但是对未来气候预估仍存在许多不确定性[11]，模式模拟的系统性偏差仍然较大。如何改进传统的预估计算方法，开发多模式降尺度模拟结果误差订正技术，客观揭示气候变化下极端降水事件演变规律与发展趋势，减少不确定性亟待研究。同时，流域超标准洪水演变规律及其致灾机理认识还存在不足，虽然国内外对极端洪水已有系统研究，但对气候变化、下垫面变化特别是水利工程群组应用等综合影响下的设计洪水[12-14]及流域超标准洪水机理研究仍然欠缺，针对流域超标准洪水高强度、长历时等特征，其致灾机理需进一步研究。

1.2 极端洪水监测与预报预警

流域超标准洪水发生时，具有覆盖气象水文全方位的立体实时监测体系是预报预警的基础。超标准洪水具有极大的破坏性，往往会引起水情监测设施损毁、常规监测手段失效、信息传输不畅等问题。因此，传统水文监测方法无法解决高洪测量及堤防溃决洪水等应急监测问题，亟待研究超标准洪水非常规状态水文监测技术并构建监测机制。目前，美国地质勘探局已研制出一种“非接触法”流量测验方法和仪器设备，正在研究利用空基遥感系统雷达测高技术测量河流水位，通过星载干涉合成孔径雷达测量水面流速，进而实现全球范围内的流量信息测量。国内研究了基于计算机图像处理的水位与流速监测[15]，推出了基于影像识别的水位监测产品，但其监测精度、环境条件适宜性等都有待提高。此外，面临超标准洪水情景时，由于信息采集面广，数据量庞大，亟需一个高效、精准、稳定的数据融合处理解决方案。

国内外在气象-水文-水动力学耦合预报模型的研究和应用方面均已取得丰硕成果，但极端降雨数值预报准确率以及考虑堤防溃漫的洪水预报精度仍待提高，HEPEX、GEOSS、EFAS、澳洲气象局、武汉大学等机构采用水文集合概率预报技术提高了洪水预报精度[16-17]。在实时预报过程中，通常以干支流控制性河道监测站及重要水库作为预报节点，以串并联的形式搭建洪水预报方案体系。由于流域超标准洪水具有破坏力强、超堤防防御标准、高水位历时较长等特性，除常规预报方案体系外，还需考虑蓄滞洪区和洲滩民垸运用、岸堤决口等诸多临时突发节点水情变化影响，以准确反映实时洪水预报所需的水文水力学边界。因此，揭示堤防溃决机理，准确模拟预测洲滩民垸和蓄滞洪区运用、溃坝溃堤所引起的洪水演进规律变化，是解决流域超标准洪水实时预报技术的关键技术难点之一。现有研究多侧重土石坝和均质土堤溃决[18-19]，而在实际防御洪水过程中通常会修筑子堤临时加高堤防，高洪时期堤防通常具有明显的二元结构。因此，有必要对二元结构非均质土堤的漫溢溃决机理展开研究，建立预测模型。经过多年的发展，模拟一般河道、蓄滞洪区内是洪水演进的一维、二维水动力模型已经非常成熟，不仅国内开发了许多模型[20-21]，国际上也有不少成熟的商业软件，并已在国内得到广泛应用[22]。目前，溃坝洪水已能够实现较好模拟[23]，但复杂地形、多工程调控下的洪水模拟技术仍有待推进。在水文气象耦合的暴雨洪水预报预警技术方面，国内外相关研究已取得了相当丰富的成果，但是大多局限于标准内、河道及水库工程运行条件下的暴雨洪水模拟，在超标准洪水发生时水流临时进入蓄滞洪区或堤防超高运行等稀遇工况下相关研究成果较少。总体来看，流域超标准洪水预报预警技术尚缺乏针对性研究，预报精度亟待提升。

1.3 流域超标准洪水灾害动态评估

超标准洪水灾害评估是进行洪水风险调控、采取综合应急措施的重要基础与技术手段，但目前在时效性、准确性、动态性等方面难以满足风险调控、综合应急管理等方面的实际需求。

从灾害监测而言，国内外洪灾监测以采用卫星影像资料进行灾后评估为主，鲜有实时监测，卫星、雷达、影像等非接触式监测技术的出现为解决这些难题提供了机会[24-26]，但其准确性、环境适应性仍有待提高，且无法实现洪灾实时监测。而无人机因其机动性、灵活性、安全性以及高分辨率的特点，在灾害监测中应用也越来越广泛[27-28]。

风险评估尺度方面，流域超标准洪水具有洪水时间和空间尺度大，与洪水影响范围和灾害损失风险程度在流域层面多尺度分布相对应的特点。目前，国内外对流域尺度、区域尺度超标准洪水灾害评估研究薄弱，模型和方法的研究都处于探索阶段，对局部尺度超标准洪水灾害评估大都局限于针对特定洪水事件的、静态的灾害经济损失后果评估。因此，不同空间尺度超标准洪水灾害影响计算方法是流域超标准洪水灾损评估的重要组成部分。近年来国内外众多洪水模拟模型如丹麦的MIKE Flood等得到了广泛应用，但由于超标准洪水危害性大、影响范围广，需综合考虑防洪工程体系联合运用场景和复杂边界[29]，增加了这些模型灵活应用的难度，且实时调度管理决策时间紧张，因此，亟待进一步提高模型的通用性和计算效率。

在防洪实践过程中，需要根据洪水发生、发展过程和风险变化范围进行洪水风险动态评估，为洪水实时调度管理提供技术支持。目前，我国在洪水分析、灾害评估以及洪水风险图编制等方面有丰富的经验及技术积累，但制定的洪水场景一般以设计洪水和既定分洪位置参数等为计算情景，无法反映实时防洪管理中洪水形成和演变过程以及洪水灾害、风险的动态变化；洪水风险往往也只考虑洪水本身及其短期影响，未能将流域长期气候气象因子及洪水所处风险阶段所面临的剩余未来风险作为背景因素加以考虑，可能因忽略未来的风险而造成风险评估不完整；洪灾评估成果以洪水风险图为主要表达手段，且大部分仅展示洪水要素的危险性，较少叠加承灾体易损性，更无法提供面向超标准洪水演变全过程的时空态势图谱[30]，此外，可视化能力远不及交通等领域，且不能满足流域超标准洪水灾害实时动态评估与风险调控技术要求。

在灾害损失评估方面，流域超标准洪水易造成大范围受灾和次生灾害，目前洪灾直接经济损失评估的技术比较全面系统，而间接经济损失评估和非经济损失方面的研究较少[31]。总体来看，国内外尚未建立实用简单且又能充分反映洪水风险系统特性的洪水灾害评估指标体系(包括输入考虑变量、输出风险指标)，一些评估模型也存在计算量大、操作复杂、精度低、影响因素考虑不全等缺陷，难以精确快速定量评估洪水灾害。因此，利用先进的洪水灾害监测技术，获得准确的洪水空间分布信息及动态变化，建立和利用多尺度洪灾评估指标体系，进行洪灾多尺度动态监测与评估，完善超标准洪水灾害评估理论体系；创新流域、区域、局部不同空间尺度，结合近期、远期洪水风险因素综合考虑，提出系统的流域超标准洪水灾害评估方法；建立多尺度多防洪工程措施运用情景下洪水灾害影响模拟模型，开展流域超标准洪水实时动态快速评估研究，大幅度提高流域超标准洪水评估的精度、速度，达到实用化目标，具有重要的学术意义和实践意义。

1.4 超标准洪水调度和风险调控

洪水调度与风险调控是流域超标准洪水灾害风险管理理论及技术的重要组成，但目前，实测流域超标准洪水较少。实时调度层面，受风险评估及预报等不确定性影响，多种工程联合调度及非工程措施联合应用下的风险调控技术有待提高，现有方法和技术难以满足超标准洪水调度及防灾减灾需求。以往防洪调度手段多以在流域模拟基础上进行“经验+分析”调度为主，与防洪精准智能调度新要求、防洪保安降风险减损失的新期盼存在不相适应的地方。目前，数据挖掘、机器学习、人工智能等信息化技术的迅猛发展为提升防洪调度智能化程度提供了有力支撑，也为进一步提升防洪智能决策支持水平提供了可能[32-34]。

为充分发挥防洪工程体系效益，以长江为例的流域管理机构、大型水电公司等近年来组织各方开展了大量水工程联合调度研究，并编制了流域水工程联合调度方案和标准体系，基本实现了对流域洪水的科学调度和有效管理，明晰了防洪工程在大体系中扮演的角色和作用，并发展了多工程联合调度耦合模型构建理论[35-36]。但是，尚无法对多种工程类别的联合调度规则[37]进行有机集成或建立知识图谱，在实时动态协调防洪工程体系的拦、分、蓄、排能力上，缺乏系统调度联动性，急需进一步提升调度方案信息化、规则化技术和能力。此外，工程调控为流域超标准洪水灾害演变提供了缓冲区，但洪水风险依然存在，标准内洪水的防洪调度规则较为完善，衍生灾害相对可控，而流域超标准洪水来势凶猛，已超过流域安全防控设计标准，给流域防洪安全带来巨大压力，调度目标已从尽可能降低河道水位转变为尽可能降低流域洪灾影响程度。由于受灾区的地域性和重要性存在差异，相同分洪量在不同受灾区造成的洪灾损失具有显著区别，结合洪水发生、发展、致灾、消退等不同阶段演变规律，根据灾害实时评估结果开展风险调控，权衡“保与弃”的决策关系，是减少超标准洪水灾害影响的重要内容。

由于流域超标准洪水风险调控方案影响范围大，影响因素多，时间方面具有累积效应，需从流域层面构建综合评价指标体系，形成科学的调控与效果互馈关系，以改善流域超标准洪水风险调控方案评价的适应能力。目前，以往水库(群)系统调度决策方案多针对风险效益评价指标的计算方法研究[38]，风险与效益评价指标体系构建的研究还不够完整[39-40]。实时调度中，防洪工程体系方案比选从本质上来讲是一个多目标、多属性、多轮次的决策过程[41]，而由于各调度目标和价值函数之间相互影响制约以及不可公度，专家意见难以量化，无法形成客观的调度优化决策结果，导致决策过程带有较强的主观性[42-44]。此外，传统决策方法处理此类问题时，难以挖掘历史方案中所传递的信息，决策的智慧能力不足，难以吸收历史调度方案中可借鉴的地方。

基于上述认识，为了更加科学合理地处理超标准洪水风险调控及实时调度决策与方案优选问题，亟待根据水工程(包括水库、蓄滞洪区等工程措施)实时调度方案优选过程的特点，研究可均衡考虑多个目标、多个工程种类组合的联合调度方案多属性决策方法，实现超标准洪水调控实时调度风险调控和方案的评价优选。

1.5 超标准洪水调度决策支持技术

防洪决策支持系统是防洪非工程措施的重要组成部分。国际上已形成较多成熟的商业软件(如丹麦MIKE、荷兰FWES、英国ICMLIVE等)并在多个流域成功运用；我国各大流域、各省市相继开展了防汛决策支持系统的研究和开发工作，取得了一些实用性与先进性较好的成果。但这些系统业务多针对标准洪水，范围主要集中于单个流域，缺少应对超标准洪水的关键技术和功能模块，普适性欠缺。超标准洪水情景下事件决策任务不确定性高，当前系统多为定制化开发[45]，无法应对超标准洪水发生时各种变化决策场景(如启用洲滩民垸、蓄滞洪区等计算)的敏捷响应需求。国外系统需要大量数据作为支持，在国内的适用性较差，其专业模型也一般较难直接应用于国内各流域的具体研究和应用环境，集成难，无法有效支撑超标准洪水调控业务计算需求；同时，因其产品体系高度封闭，无法在我国流域管理机构开展快速集成和调用[46]。

综上，目前无论是国际通用模型软件还是我国已建洪水调度决策系统，尚不能满足我国变化环境下流域超标准洪水综合应对需求，亟需突破流域超标准洪水综合应对理论障碍及技术瓶颈，研发具有自主知识产权、适配性强的流域超标准洪水调度决策支持系统。从规范标准、模型管理、动态业务敏捷响应、决策会商动态配置等多个层次和角度出发，在整合集成精细预报及模拟、水工程智能调度及风险调控、防洪避险转移辅助服务等技术攻关成果基础上，建设流域超标准洪水决策支持系统，实现超标准洪水决策模型与服务集成。

1.6 流域超标准洪水综合应对措施

风险管理是现代防洪的重要理论依据，也是流域超标准洪水综合应对需要遵循的原则，在世界各地广泛应用，除各项调度及调控技术体系外，还需要应急预案等风险管理保障机制，才能对洪水实施有效风险管理。荷兰、英国、瑞士等发达国家开展了大量防洪风险管理研究，建立了较为完善的防洪风险管理应急预案和保障机制。我国在标准洪水上风险管理应对措施相对完善，但在应对复杂多变、多角色协调的流域超标准洪水综合应对措施的相关研究较少，防洪工程体系联合运用防御超标准洪水的调度方案以及超标准洪水预案可操作性不强，避险手段落后，协同联动机制不健全、风险管理保障体系不够完善，亟需完善。

基于“补短板”思路，现有流域超标准洪水应对措施主要存在以下五大难题。

(1) 流域超标准洪水定义、划分及应对缺乏精准性和针对性。在各大流域防汛抗旱应急预案中当发生流域超标准洪水时均划分为I级应急响应。但是，受预报精度不确定性及预见期限制，一般情况下无法提前预判本场洪水是否为流域超标准洪水，预案中的防洪应急响应措施缺乏足够的针对性。在实时调度中对流域水库、蓄滞洪区、堤防等防洪工程的运用范围、运用程度、运用时机等存在预判的不确定性，相应防洪工程体系联合运用调度方案缺乏可操作性，在灾情范围、人口转移范围等方面预判的不确定性，使得工程调度、应急避险等非工程措施的高效性和精准性受到一定限制。

(2) 流域超标准洪水条件下工程运用能力亟待挖潜。随着蓄滞洪区内社会经济的发展，启用蓄滞洪区的难度越来越大，对提高堤防工程、水库运用潜力的期望越来越高。但是，大部分水工程特别是堤防、水库工程等调度方案主要针对保护对象标准洪水的调度，在超标准洪水条件下如何科学利用流域防洪工程体系联合调度，特别是如何提高防洪潜力等方面研究仍较为薄弱，亟待研究。

(3) 应急避险技术亟待升级。应急避险转移是流域应对超标准洪水的重要非工程措施，但是传统的应急避险技术存在对人群通知效率低、应急响应慢、安置转移低效等问题[47-49]，特别是在人员流动大等新形势下，给以往基于户籍的人员转移方式提出了新的挑战。

(4) 防洪应急管理机制与长效风险管理机制亟需完善。2018年以来，我国实施水工程调度与应急大部制改革，需要研究新常态下防洪应急管理新机制及长效风险管理新机制[50-52]。如何面对机构改革现状，建立健全洪灾应急分布式管理体系，是流域超标准洪水应急管理的研究重点。

(5) 流域超标准洪水综合应对措施体系亟待完善。我国七大流域均存在中下游人口密集、发展变化迅速，超标准洪水应对问题突出的特点，在极端天气条件下，现有理论和技术难以满足在实时监测、预报预警、灾害评估、风险调控与综合应急等方面需求，面临技术亟需提升和措施体系亟待完善等重大挑战。

综上，已有研究尚不能满足我国变化环境下流域超标准洪水综合应对需求，亟需揭示变化环境下流域水文气象极端事件演变规律及超标准洪水致灾机理，突破流域超标准洪水监测、预报预警、灾害评估、风险调控与综合应对等关键技术瓶颈，研发具有自主知识产权的流域超标准洪水调度决策支持系统，提出流域超标准洪水综合应对理论基础、技术架构与标准体系，提升我国流域防洪减灾保障能力。

2 研究内容

2.1 拟解决的关键科学技术问题

针对流域超标准洪水综合应对在理论研究与技术运用中的重大需求、相关学科国际学术前沿以及国内外研究现状，梳理出拟解决的3个关键科学问题和5项关键技术问题。

2.1.1关键科学问题

(1) 揭示变化环境下流域水文气象极端事件演变规律与发展趋势。揭示在气候变化和人类活动影响下流域极端降水事件的时空演变规律，建立多模式集成的动力降尺度和误差订正模拟方案，预测未来极端降水事件发展趋势；揭示天然洪水要素系列变化特征，研究气候变化、下垫面变化及水利工程运用等综合影响下极端洪水要素及其统计特征的变化规律及发展趋势，解析非一致条件下洪峰与洪量、上游与下游等多维时空组合下流域设计洪水特性，预测未来气候变化下流域极端洪水事件发生的可能性及量级。

(2) 揭示流域超标准洪水响应机理与致灾机理。界定流域超标准洪水特征，揭示变化环境下流域极端降雨与超标准洪水的响应机理，研究流域超标准洪水灾害形成机理。从洪水灾害链出发，研究其致灾因子、孕灾环境、承灾体变化情势，揭示超标准洪水致灾机理及变化规律，为超标准洪水应对提供理论依据。

(3) 建立流域超标准洪水灾害风险管理理论与方法。提出多尺度灾害评估理论及方法，提出基于实时动态灾害评估的风险综合调控理论与方法。从灾前的风险预防与减灾计划、预警预报机制建设、应急响应机制建设、洪灾风险转移机制等入手，考虑流域随时间变化的洪水本底风险变化情况，提出流域超标准洪水灾害全过程风险管理的理论与方法。

2.1.2关键技术问题

(1) 研发流域超标准洪水“空天地水”立体监测与多源数据融合技术。在常规接触式水文应急监测手段基础上，研发高洪及堤防溃口影像识别水位、流速自动监测及流量分析推算技术，洪水淹没监测分析等非接触式洪水要素监测技术体系，建立“空天地水”超标准洪水多维组合式测洪体系，提出超标准洪水监测技术指南，解决超标准洪水测不到、测不准的关键技术难题。利用机器学习及数据挖掘技术，对二维流场及洪水监测数据进行去噪、清洗、同化、融合，提出基于规则自分析、自适应的多源信息融合方法，提升洪水监测要素收集传输速度和精度。

(2) 暴雨洪水预报预警及精细模拟。结合全球数值天气预报模式、区域中尺度数值预报模式和快速更新循环同化技术，研究流域致洪暴雨0～7 d无缝隙定量预报技术，实现3～7 d流域暴雨过程趋势预报、1～3 d暴雨定量降水预报、0～12 h短时强对流天气的定量降水预报；以定量降雨预报作为输入，结合流域水文学预报模型，研发物理模型试验与数学模型相互验证的溃口形成和发展模拟模型，揭示堤防溃决机理；结合典型流域地形地貌、河道形态等自然特性及堤、闸、堰、库等多工程阻断特性，构建复杂地形河道工况条件下的河道-蓄滞洪区-溃堤超标准洪水演进一二维水动力学耦合模型；根据气象、水文、水力学以及防洪与调度控制性节点、河网及流域等要素，在现代预报技术手段的基础上，构建气象-水文-水动力学相结合、流域及关键节点相融合的洪水预报模型；在实时监测的基础上，结合洪水预报的不确定性特性，分层次、分级别考虑河道关键断面、控制性水库、重点防洪对象的防御洪水需求及预警阈值，提出流域超标准洪水判别方法，实现超标准洪水发生条件下的预报、预判、预警机制创新，为超标准洪水预报预警和调度决策提供技术支撑。

(3) 流域超标准洪水灾害动态评估与风险调控。识别流域超标准洪水灾害多维风险，结合流域洪水本底风险随时间变化特性，建立不同空间尺度流域超标准洪水灾害评估理论体系，构建多尺度、多防洪工程措施下洪水模拟模型，结合超标准洪水灾害实时监测技术与监测信息，构建面向超标准洪水全过程的时空态势图谱，实现多尺度流域超标准洪水灾害实时动态快速定量评估。结合流域超标准洪水多主题场景数据结构模拟发生器及洪灾风险传递结构特征分析技术，挖掘不同场景模式下流域超标准洪水调控数据关系，提出不同防洪工程体系联动响应调度模型和动态风险调控技术，实现基于灾害评估的流域超标准洪水风险调控及方案智能优选，解决流域超标准洪水风险管理中的决策支持难题，提升流域超标准洪水调度与风险综合调控能力，减少洪灾损失。

(4) 流域超标准洪水应急避险技术。立足解决防洪应急避险中在风险预判与通知、人群信息获取、人群转移安置、安置效果评估等方面手段有限、技术落后等关键问题，结合位置信息服务(LBS)人群属性分析信息技术，提出基于实时反馈驱动的综合应急避险技术和解决方案。

(5) 多场景协同流域超标准洪水调度决策支持。针对超标准洪水情况下的洪水模拟及调度复杂性强、不可预见性高等问题，提出集预报预警、调度、灾害评估、风险调控于一体的多组合敏捷响应技术，集成超标准洪水应对关键技术功能模块，研发强适配性的多场景协同流域超标准洪水调度决策支持系统。

2.2 主要研究课题

围绕拟解决的3个科学问题及5项关键技术，采取多学科交叉、多手段结合，从基础研究、技术研发、策略研究及应用示范4个层次，设置6个课题开展研究。课题1是整个项目的研究理论基础。课题2，3，4研发流域超标准洪水的监测、预报预警、调度模拟、灾害风险评估与风险调控技术，课题5研发流域超标准洪水综合应急技术并提出综合应对措施体系，为课题6超标准洪水调度支持系统以及在典型流域开展应用示范提供技术支持。项目各课题间逻辑关系见图1。

图1 课题之间逻辑关系Fig.1 Diagram of logical relationships between tasks

2.2.1基础研究

课题1剖析流域极端降水事件时空变化规律及发展趋势，揭示流域极端暴雨洪水响应机理，研究气候变化与水利工程综合作用下流域超标准洪水演变规律，阐明流域超标准洪水孕灾成因与致灾机理，预测气候变化-人类活动联合驱动下流域超标准洪水的发展趋势，为超标准洪水科学应对提供理论基础。

2.2.2技术研发

课题2研究“空天地水”一体化、多源数据融合的超标准洪水监测技术，攻克极端洪水及分洪溃口“测不到、测不准”的难题；建立定量降雨预报模型，形成短中期无缝隙水文气象耦合预报体系，提高暴雨预报精度；建立堤防溃决物理数学模型，研究揭示超高超泄条件下堤防溃决形成与发展机理；研发气象水文水力学深度耦合、流域及关键节点相融合的超标准洪水预报预警技术，提出流域超标准洪水预判及触发应急响应的预警阈值，提升洪水预报水平，降低洪水预警不确定性。

课题3研究超标准洪水不同空间尺度灾害动态评估理论方法，利用基于遥感、雷达以及无人机等地面观测技术，构建“空天地水”一体化洪灾实时立体监测技术体系，以此作为洪灾评估的输入及验证信息；应用数值模型技术构建不同空间尺度多防洪工程措施运用情景下洪灾影响模拟模型，建立面向超标准洪水演变全过程的时空态势图谱，研发超标准洪水灾害动态定量评估模型，实现超标准洪水灾害动态评估及实时校正，提升洪灾评估的准确性和时效性。

课题4通过研究多场景超标准洪水调控数据关系模型(结构模拟发生器)，建立多位一体复杂防洪工程体系联动响应调度模型，提出基于调控与效果互馈机制的洪水风险调控技术，提出流域超标准洪水多阶段、多目标综合调控方案评价方法及智能优选模型，形成基于灾害评估的流域超标准洪水风险综合调控技术体系。

2.2.3策略研究

课题5依据超标准洪水特征，结合防洪工程体系包括河道、水库、蓄滞洪区等最大蓄泄洪水能力，研判流域防洪安全裕度，提出流域超标准洪水应急响应等级划分方法，提出提高工程防洪运用标准的分级组合应急运用方式；研究基于人群属性的动态反馈驱动应急避险技术；研究提出超标准洪水应急管理机制及灾前精准预警、灾中高效应对与灾后快速评估的实时风险管理保障体系；针对预报→预警→调度→避险全过程，提出流域超标准洪水综合应对措施体系。

2.2.4决策支持系统集成示范

课题6围绕超标准洪水决策业务学科交叉、数据结构复杂、模型计算要求高、不确定性和时效性强等特点，结合云计算、大数据等IT行业先进技术，研究集预报预警、精细模拟、灾情评估、风险调控和应急避险于一体的超标准洪水全业务流程敏捷响应技术，解决超标准洪水应对多场景、多目标、多对象的不同业务模块快速搭建技术难题；基于统一的技术架构，集成前置课题专业模型成果，解决信息技术与防洪决策业务深度融合难点问题；研发流域超标准洪水多场景协同调度决策支持和信息服务平台，实现与流域已有防汛指挥系统的集成与融合，嵌入式解决已有防汛指挥系统功能缺失或不足的问题，提升已有防汛指挥系统应对超标准洪水的综合能力。在不同气候类型和工程格局、洪水灾害频发、代表性较强的长江流域荆江河段、淮河沂沭泗流域、嫩江流域齐齐哈尔河段等典型流域开展示范应用，实现理论技术研究成果的落地转化。

3 研究方法与技术路线

以突破我国流域超标准洪水综合应对的关键科学理论障碍和支撑技术瓶颈、提升应对能力为总目标，以变化环境下流域超标准洪水立体监测-预报预警-洪水调度-灾害评估-综合调控-应急处置为主线，融合气象学、水文学、水力学、灾害学、信息学、运筹学等多学科理论与前沿技术，采用现场调查、野外观测、资料分析、理论推导、物模试验、数模计算、综合评估、流域示范等方法，采取理论与试验、物模与数模、技术集成与示范应用相结合的思路开展研究。

调研国内外在监测、预报、预警、调度、灾害风险评估与调控等理论及技术前沿；开展气候变化及水利工程影响下的超标准洪水演变规律及致灾机理研究，为超标准洪水应对提供理论基础；基于遥感遥测技术，研发堤防溃口洪水、洪灾实时监测技术，为超标准洪水应对提供数据支撑；构建暴雨数值预报、堤防溃漫洪水演进、多尺度洪灾评估、复杂工程体系调度、风险调控及方案智能优选等模型，为流域超标准洪水预报预警、调度、灾害评估及风险调控提供计算工具；研发强适配性集成关键技术模块的流域超标准洪水调度决策支持系统，并在典型流域示范应用，以检验和提升超标准洪水综合应对技术及措施体系能效。项目技术路线见图2。

图2 项目技术路线Fig.2 Project technical route

3.1 变化环境下流域水文气象极端事件演变规律及超标准洪水致灾机理

针对超标准洪水演变规律及致灾机理认知不足问题，运用Mann-Kendall非参数检验、Morlet小波析法和泊松回归等统计方法，分析流域极端降水事件强度和频次的时空特征，揭示流域极端降水事件时空变化规律；基于动力降尺度和误差订正相结合，预测流域未来极端降水事件发展趋势；采用水文非一致性诊断方法，揭示流域极端洪水的演变规律；采用流域水文模型和遥相关等方法，揭示变化环境下极端暴雨洪水响应机理；基于还现/还原途径和等可靠度原则，解析非一致性条件下设计洪水变化特性；结合Copula函数理论，构建洪峰和洪量等多维水文极值变量的非一致性时变动态联合分布函数，揭示多维时空组合下流域超标准洪水概率特征；采用气象-水文耦合途径，预估极端洪水的演变趋势；基于灾害系统理论分析致灾因子、孕灾环境、承灾体的时空变化，提出超标准洪水的致灾机理。

3.2 变化环境下流域超标准洪水监测及预报预警

针对变化环境下流域超标准洪水监测及预报预警关键技术问题，通过实验与比测，综合影像监测、雷达侧扫等非接触式监测技术，研发超标准洪水“空天地水”一体化立体实时监测技术；利用机器学习及数据挖掘技术，提出基于规则自分析、自适应的多源信息融合方法，提升洪水监测要素收集传输速度和精度；采用物理试验与数学模型相结合的方式，研究堤防溃决形成与发展机理，研发堤防溃决模拟数学模型；构建基于复杂地形河道工况条件下的超标准洪水演进水文水动力学耦合模型；采用全球及区域数值天气预报模式，基于变分同化技术和云分析技术，建立流域0～7 d无缝隙定量降水预报模型；构建气象-水文-水力学、流域关键节点相融合的超标准洪水预报模型；研究不同标准洪水下的预警指标阈值，提出流域超标准洪水的预报、预判、触发响应的方法及机制。

3.3 流域超标准洪水灾害动态评估

针对流域超标准洪水灾害动态评估关键技术，基于监测、模拟、评估及反馈研究思路，研发基于卫星、无人机和地面终端的协同洪灾监测技术，为洪灾评估提供多尺度、全过程的信息服务；耦合不同空间尺度多防洪措施联合运用情景洪水模拟，结合不同承灾体洪灾损失模型，实现流域超标准洪水灾害动态定量评估；并基于GIS和VR技术，构建洪水淹没及灾害演变全过程的时空态势图谱。

3.4 流域超标准洪水调度与风险调控

针对流域超标准洪水调度与风险调控关键技术问题，运用多场景模拟和大数据分析技术，挖掘流域超标准洪水风险调控数据关系，构建洪灾数据关系模型；以此为支撑，耦合拓扑学理论和水库调度理论，构建防洪工程体系联合调度模型；基于地理信息、灾害学、系统学等理论方法，提出超标准洪水风险调控技术；运用智能优化决策技术，实现对调度决策方案的智能排序和快速优选。

3.5 极端天气条件下流域超标准洪水综合应急措施

针对极端天气条件下流域超标准洪水综合应急措施关键技术问题，采用水文、水力学方法，研究流域防洪安全裕度，提出流域超标准洪水应急响应等级划分方法；采用不确定性概率风险分析、水文-水动力学-土力学模拟、成本效益等方法，分析在超防洪控制水位运行条件下的工程安全及防洪潜力；利用LBS技术，结合洪水淹没演进特征，研发基于实时人群属性和热力图的应急避险融合技术；应用灾害学、管理学等理论，研究超标准洪水应急管理机制及实时风险管理保障体系；通过系统分析及理论总结，针对“预报→预警→调度→调控→避险”全过程需求，改进提出流域超标准洪水综合应急措施体系。

3.6 超标准洪水调度决策支持系统集成与示范应用

针对超标准洪水调度决策支持系统集成与示范应用，采用微服务、流式组态、应用配置化架构、现场示范等方法，基于前述课题研制的专业模型，研发多组合敏捷响应技术，综合集成多元异构数据的高性能访问技术、多任务协同优化技术与服务端同步技术、多对象联动协同决策技术，建立多场景协同的超标准洪水调度决策支持系统，在长江流域荆江段、淮河沂沭泗流域、嫩江齐齐哈尔段等示范应用。

4 结论与展望

围绕目前全球气候变化和人类活动特别是流域水工程联合调度运用影响下，我国流域超标准洪水演进规律及灾害全过程风险管理理论与方法重新认知、致灾机理揭示深度不足等三大关键科学问题，在超标准洪水“测不到、测不准”，暴雨洪水预报精度不够、预见期相对工程调度需求不足、不确定性高，灾害实时动态评估能力差、风险调控技术落后、调度方案操作性不强、人群转移避险手段落后、协同联动机制不健全、决策支持系统普适性不强等方面的关键技术问题开展攻关。

研究成果将揭示变化环境下流域水文气象极端事件演变规律及超标准洪水致灾机理，形成流域超标准洪水监测、预报预警、调度、灾害风险评估与综合应对技术体系，建立流域超标准洪涝灾害数据库，研发具有自主知识产权的流域超标准洪水调度决策支持系统，编制流域超标准洪水监测、调度及应急等技术规范，为国家应对流域超标准洪水提供成套解决方案，推动我国流域超标准洪水全过程全要素综合应对的基础理论和核心技术发展，提升流域超标准洪水应对的科技水平与效率。