寒区河道-堤防-泛区凌汛灾害风险评估防控研究进展

田福昌，苑希民，何立新，王秀杰，王丽娜，郭立兵

（1．天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2．天津大学 建筑工程学院，天津 300072；3．河北工程大学 水利水电学院，河北邯郸 075000；4．中国市政工程华北设计研究总院有限公司智慧水务分公司，天津 300074；5．宁夏回族自治区水旱灾害防御中心，宁夏银川 750002）

1 研究背景

凌汛是冰凌堆积堵塞产生水流阻力而引起江河水位明显上涨的一种水文现象［1］，普遍发生于高纬度高海拔寒区河流，而我国是世界上凌汛灾害影响最严重的国家之一。由于特殊的地理位置和水文气象条件影响，我国寒区河流凌汛灾害（即“凌灾”）频繁发生并造成严重损失，为冬春季节北方江河的重大自然灾害之一，凌汛灾害风险的科学评估与防控十分困难［2］。古人云：“伏汛易抢、凌汛难防”，一语道出了凌汛险情自古难以防御且抢险极为困难，更有“凌汛决口、河官无罪”，映射出了凌汛堤防溃决灾害防守难度和人类面对凌汛决口事件的脆弱度，尤其北方黄河宁蒙段淤积形成新悬河，防凌形势更加严峻，已成为影响我国重大战略——黄河流域生态保护和高质量发展先行区建设的主要因素之一。加强凌汛灾害风险管理与科学防控，提高寒区防凌减灾能力，切实减轻凌灾风险，既是寒区自然灾害防治的必然需要，也是国家可持续发展和重大战略顺利实施的需要。

近年来，我国寒区河流凌汛灾害问题引起了冰冻圈和水利学者的高度关注，同时也是防凌减灾领域研究的热点和难点。由于气温变化、水流条件、河道边界和人类活动等多重因素影响，凌汛灾害孕灾环境越趋复杂，呈现致灾因子多样、承灾体脆弱性大等显著特征［3-4］。寒区凌汛灾害的孕育、发生及演变与河道-堤防-泛区紧密关联，目前对于河道-堤防-泛区系统凌汛致灾成灾过程、规律、机制及风险评估防控方法的研究还不够深入，在新时代水利高质量发展以及气候变化和人类活动耦合作用愈发凸显的背景下，有必要归纳总结国内外关于寒区河道-堤防-泛区凌汛灾害评估与防控的研究进展，剖析现有研究不足，展望未来研究方向，以期为变化条件下凌汛灾害科学防御与风险量化管理提供支持。本文将分析探讨凌汛成因与凌汛灾害特征、河冰及凌汛洪水数值模型、河道凌汛灾害风险评估、凌汛期堤防险情与溃堤淹没风险评估、凌汛灾害风险防控措施等方面的研究进展，并在寒区河道-堤防-泛区凌汛灾害的理解与认识的基础上，剖析现有研究存在的不足，进而提出气候变化与人类活动耦合驱动下凌汛灾害风险评估防控领域未来有待深入研究和取得创新突破的主要方向。

2 国内外研究动态

2.1 凌汛成因与凌汛灾害特征研究 凌汛形成、演变及其致灾成灾过程的影响因素众多，主要包括气温变化、水流条件、河道边界和人类活动等［5］，以上因素导致凌汛灾害系统的结构构成十分复杂，呈现多维性、模糊性以及不确定性等复杂特性。目前国内外学者更多是根据寒区河流的地理环境、水文、气象及工程情况，研究探讨了不同因素对凌情与凌汛灾害及其变化的影响。

近年来，国外学者主要关注气候变化对凌汛形成与灾害风险的影响。其中Beltaos［6］研究了气候变化和人类活动调控下河道封河水位、流量对Peace-Athabasca Delta 冰塞洪水的影响，证明凌汛形成及其致灾过程对气候和水动力因素比较敏感，认为量化不同因素对凌汛洪水灾害的影响程度，具有重要意义。Takács 等［7］分析了气候变化条件下Drava River 下游1875年以来河冰演变的时间特征，主要体现在河冰封冻时间推迟、解冻时间提前，河冰覆盖的时间明显减少，认为气温与河冰生消演变的相关性最强。Rokaya 等［8］评估了气候变化条件下加拿大Athabasca River 未来2041年至2070年发生冰塞洪水的可能性。Turcotte 等［9］提出了一个描述气候变化、河道流量、河流形态与河冰过程及输沙响应的研究框架，并初步建立了各类影响因素之间的关联关系，探讨了气候变化对加拿大Quebec 冰坝溃决事件频率和冰塞洪水风险的影响。

国内学者主要以黄河凌汛为研究对象，探讨了凌汛成因及其对凌情及凌汛灾害的影响，揭示了凌汛灾害演变特征。其中冯国华等［10］分析了成冰期、结冰期、融冰期、消冰期的冰情演变特征，认为热力、动力和河势是凌汛三大主要成因。闫新光［11］研究得出封河冰面低、冰下过流能力弱、槽蓄水增量大、冰层偏厚、气温变幅大、河道堆冰壅高水位等是黄河特大凌汛成因。近年来，刘吉峰等［12］、邓宇等［13］分析了气温变化对黄河宁蒙段流凌时间、封河时间、开河时间以及冰盖厚度等凌情的影响。雷鸣等［14］、冀鸿兰等［15］研究了龙羊峡和刘家峡水库联合调控以及万家寨水库运用对黄河宁蒙段凌情及凌汛灾害的影响，认为水库调度对凌汛威胁减轻具有重要作用。苏腾等［16］探讨了黄河宁蒙段水文-水温过程和河道形态变化对凌汛的影响，认为凌汛期径流量、水温、河道断面面积和平均水深等均呈现逐年增大趋势，有助于减小凌汛灾害发生几率，缓解开河期可能出现的凌汛灾情。关于凌汛灾害特征研究，郜国明等［2］认为黄河凌汛灾害具有孕灾环境复杂、突发链发性强、防御困难等特征，是我国冬春季节大江大河中极为突出的自然灾害。刘吉峰等［17］总结了冰凌灾害变化特征，即表现为流凌、封河与开河时间推迟，首封地点下移，封开河不稳定，冰下过流能力降低、槽蓄水增量增大，封开河水位偏高、凌峰流量偏小、凌情形势更复杂。潘进军等［18］认为黄河内蒙古段开河期灾情重于封河期，凌汛漫堤决口灾害具有突发性。郭立兵等［5］根据黄河宁蒙段历年凌汛期实测凌情及灾害统计数据，分析了凌汛致灾影响因素及灾害演变特征，但尚未建立影响因素与灾害特征之间的量化关系。张金良等［19］建立了黄河宁蒙段河道冲淤演变特征指标（平滩流量）与凌情变化表征指标（冰下过流能力、槽蓄水增量）的响应关系。田福昌等［4］研究了黄河宁蒙段凌汛壅水漫滩、穿堤沟渠凌洪倒灌、凌洪漫溃堤和工程设施破坏等各类风险的分布特征。

2.2 河冰及凌汛洪水数值模型研究 国内外对于凌汛洪水演进数值模拟方法及模型研究，基本可分为两类：一类是河冰生消演变及冰塞壅水过程模拟的“机理”模型，即通过水力模型、热力模型和冰冻模型的集成耦合，模拟河流结冰、封冻和解冻过程，比如RICE、DynaRICE、CE-QUAL-W2、RIVICE 等；另一类是凌汛壅水风险模拟的“概念”模型，即通过输入冰盖、冰塞、冰坝相关描述参数，计算冰盖厚度、凌汛水位、水深等水力要素，比如HEC-2、River 2D、ICEJAM 等。1970年代后，河流凌汛灾害逐渐引起国际专家学者关注［20-22］。在国外，Beltaos［23-24］提出基于漂浮冰块内外力静态平衡关系的表面冰最大堆积厚度计算方法。Shen 等［25］通过冰盖生长的动态表达，实现了表面冰输移受阻形成冰塞冰坝演变过程的模拟，并研发了DynaRICE 模型。Huang等［26］构建了St．Lawrence 河道岸冰与冰盖形成发展过程模拟的二维河冰模型。Hirayama 等［27］和Liu 等［28］研究了日本河冰现象及机理问题，应用DynaRICE二维河冰模型模拟了日本Shokotsu河冰期武开河冰坝形成演变过程。Ian等［29］将DynaRICE 模型应用于St．Marys 河冰盖下水内冰输移、堆积与开河冰坝形成的模拟。Brayall［30］应用River 2D 模型模拟了Hay River 三角洲卡冰条件下不同流量对应河道水位的变化情况。Lindenschmidt［31-33］研发了一维河冰模型RIVICE，模拟了Athabasca River 冰盖形成、推移及冰塞壅水过程，并探讨了凌汛洪水风险分析结果对模型参数的敏感性。Krylenko 等［34］建立了河流智能监管系统中的冰塞洪水模型架构。我国在天然河道与输水渠道河冰数值模拟方面同样取得较大研究进展，杨开林、王军和郭新蕾等［35-37］梳理了河流冰塞数值模拟与冰水力学研究进展，提出较为系统的河冰数值模型理论。茅泽育和吴剑疆等［38-39］建立了河道水内冰及冰塞形成演变的冰水耦合数学模型。徐国宾［40］、赵新［41］研究河冰演变一维数学模型理论，构建了大型输水工程冰期输水能力模拟模型。王军等［42-43］和程保磊［44］模拟了弯道河冰运动特性、冰盖形成及冰厚变化、冰塞堆积以及封冻期桥墩壅水过程。穆祥鹏等［45-46］和郭新蕾等［47］通过长距离输水渠道流冰输移演变数值模拟，研究了渠道冰期安全运行措施。王涛等［48］应用一维冰情数学模型模拟了黄河内蒙古段典型冰情发展过程。潘佳佳等［49-50］建立了涵盖二维水沙数值模拟、河冰动力学模拟和岸滩侵蚀模拟的河流水冰沙耦合模型。李超［51］和赵水霞［52］应用DynaRICE 模型，分析了黄河内蒙古段河冰生消演变特性和封开河冰塞热力学原理。我国于2008年编制了《凌汛计算规范》（SL 428-2008）［53］。

2.3 河道凌汛灾害风险评估研究 寒区河流凌汛灾害风险通常暴露于不同的结构单元，主要有河道凌汛（冰塞/冰坝）壅水风险、堤防渗透滑塌及漫溃决风险、堤外泛区凌汛洪水淹没风险，相比于伏汛洪水风险研究而言，国内外关于河道凌汛灾害风险评估的研究成果还相对较少。国外学者主要是采用数值模拟和情景分析相结合的方法，近年来，Beltaos［54］提出了冰塞洪水风险评估的数值模拟方法，同时明确了其在冰塞位置、冰凌堵塞程度等条件设定方面的局限性。Frolova 等［55］计算了俄罗斯北部河道不同冰塞洪水水位条件下的淹没水深与淹没历时，并评估了经济损失。Lindenschmidt 等［56-59］应用冰塞数值模型RIVICE模拟了加拿大Peace River和Red River不同冰塞情景对应的水位剖面，绘制了凌汛洪水风险图和灾害损失脆弱性图，之后总结了冰凌洪水研究现状及面临的挑战，强调了冰凌灾害分析及凌洪风险图重要性，构建了适应气候变化的寒区河流凌汛洪水风险评估和风险图研究架构，为未来防凌减灾理论技术研究提供了重要方向。而国内学者主要是构建了凌汛灾害风险评估指标体系及模型，其中罗党等［60-61］构建了凌汛灾害风险评估指标体系（水位、流量、气温），并建立了基于VIKOR 扩展法和GMP（1，1，N）的黄河内蒙古段凌汛灾害风险评估模型。李钰雯［62］构建了河道断面凌汛灾害风险评估指标体系（水位、流量、流凌历时和封河历时）及灰色预测决策评估模型。李诗［63］建立了长距离河段冰塞险情发生可能性的评估指标体系（流量、流凌密度、气温和水温）、冰坝灾害风险评估指标体系（流量、气温、流凌密度、河道状况和工程影响）、凌情风险评估指标体系（流量、气温和工程影响）及对应的灰色决策模型。吴佳林［64］构建了河道断面冰塞灾害发生可能性的评估指标体系（气温、流量、水深和河道宽度）、凌汛易发性风险评估指标体系（流量、气温和水位）。吴岚［65］建立了基于分形理论的黄河头道拐至万家寨段凌汛灾前风险预测模型以及内蒙古段历史凌汛洪水灾害（灾后损失）评估模型。之后，Mao 等［66］归纳了前人构建的凌汛灾害风险评估指标体系，并提出了风险指标相互作用分析的灰色粗糙DEMATEL 方法，初步揭示了凌汛灾害风险指标之间复杂的关联关系，可为河流凌汛灾害风险评估提供重要参考。苑希民等［67］提出了一种基于分形理论和SVM 的高分遥感凌汛灾害信息智能识别提取方法，为凌汛灾害河冰快速识别与智能分类提供了技术支持。

2.4 凌汛期堤防险情与溃堤淹没风险评估研究 国内外学者对于凌汛期堤防险情与溃堤淹没风险评估的研究，主要集中于采用实测资料分析、数值模拟、模型试验等方法研究堤防险情的动态变化过程。关于凌汛期堤防险情演化过程及特性研究，李锦荣等［68］研究了黄河乌兰布和沙漠段历年凌汛期河岸动态变化情况，认为随着冰面萎缩-扩张-萎缩的动态变化，下游温差与两岸地势是凌汛期河岸变化的主要影响因素。戴长雷等［69］和CHEN［70］利用Geo-studio 软件构建了凌汛期堤防渗流计算模型，模拟了冻结壳影响下堤防渗流路径变化，与伏汛期相比，凌汛期堤防内部渗透系数较小，渗流最大速度与最大坡降均较伏汛期明显提升，更易引起管涌、崩塌等险情。李洋［71］建立了变水位条件下凌汛影响的堤防渗流模拟模型，并分析了堤防内部压力线、渗流路径、渗流速率、渗透坡降、最小安全系数的变化情况，为凌汛期堤防险情演化特性研究及风险预测提供了有利借鉴。刘昉等［72］建立了无黏性土堤弯道水槽物理模型，将冻土条件下无黏性土堤漫顶溃决过程分为渗透过流、堤后冲刷、横向展宽、冲淤平衡四个阶段，进一步深化了对凌汛期堤防溃决演化过程的认识。关于溃堤淹没风险评估研究，Vorogushyn 等［73］研发了一种考虑溃堤概率的洪水灾害评估模型IHAM，能够辅助生成概率性洪水危险地图与某种破坏概率下堤防灾害图，实现了洪水危险性与堤防灾害耦合考虑。随着我国重点地区洪水风险图编制，溃堤洪水淹没风险评估研究取得长足进展，比如，苑希民等［74-75］和田福昌［76］较为系统地研究了河道-泛区一二维耦合与全二维水动力耦合模型，开展了漫溃堤洪水耦合计算与风险评估。

2.5 凌汛灾害风险防控措施研究 流量控制、切割冰盖、河道开孔、爆破和机械破冰是防凌破冰缓解灾害风险的主要防控措施，其中爆破法破凌包括飞机投弹轰炸、迫击炮破冰、人工定点爆破等［77］。早在1758年，德国第一次成功实施了冰凌爆破。美国陆军工程兵团［78-80］利用多年冰下爆破试验资料，建立了爆破坑半径、炸药用量和冰盖厚度之间的关系，并发现爆破效果与炸药类型基本无关。加拿大最早在1989年就将河道动力破冰机应用于河流凌汛灾害风险防控，1995年之后，美国也开始使用。而我国主要以黄河和黑龙江凌汛灾害风险防控措施的研究成果最具代表性。1990年代，徐剑锋［81］首次系统梳理黄河内蒙古段凌汛灾害事件，提出加固堤防、整治河道、加强冰情预报、控制水库调度、运用破冰措施、新建海勃湾水库等防凌综合措施。之后，牛运光［82］提出利用水库调节河道流量与分泄河槽蓄水，减少开河期来水量，配合破冰措施和防护方法，综合防控凌汛灾害；闫新光［83］提出了“提前分凌、主动破冰、严防死守、应急滞洪”的防凌总方针，研究了“撤、调、分、泄、疏、堵、安”的防凌抢险措施；孟闻远等［84］和蔡彬等［85］提出了“变被动防御为主动防御、变军队应急机制为军民联合防治”理念的黄河防凌减灾新方案；郜国明等［86］和滕翔等［87］提出黄河凌汛险情应急处置措施，并分析了黄河内蒙古段应急分凌区运用成效；孙宗义等［88］认为上游梯级水库调度对下游河段洪水增温和宁蒙段凌汛威胁减轻具有重要作用；邓宇等［89］、何厚军等［90］和刘彩凤［91］研究了无人机航测、遥感及远程监控预警技术在凌情、凌汛灾害管控过程中的试验应用。徐路凯等［92］设计了具备凌汛灾害监测预警、风险管理、调控决策与效果评估等功能的黄河智慧防凌云平台。在防凌破冰措施方面，丁留谦等［77］探讨了河道动力破冰机和气垫船辅助爆破两种破冰防凌技术，为新型破冰技术研究起到一定推动作用；刘一川等［93］对比分析了国内外常用的防凌破冰方法，认为机械破冰是实践应用的首选；刘之平等［94］和路锦枝等［95］在黑龙江进行了防凌爆破现场试验，提出并验证了爆破坑半径计算公式；杨开林等［96］基于黑龙江爆破试验，提出了冰下爆破形成温度场预防冰坝的基础理论；焦广昶等［97］和许冠超等［98］开展了冰凌定点爆破的数值模拟，可与现场爆破试验结果相互验证。

3 研究存在的不足

近30年来，国内外寒区河道-堤防-泛区凌汛灾害风险评估防控的研究成果显著，推动了防凌减灾领域理论方法体系的构建与发展，尤其体现在凌汛成因与凌汛灾害特征、河冰及凌汛洪水数值模型、河道凌汛灾害风险评估、凌汛期堤防险情与溃堤淹没风险评估、凌汛灾害风险防控措施等方面。然而在新时代水利高质量发展的迫切需求牵引下，凌汛灾害风险评估防控研究还需要进一步深化与拓展，下面结合作者对于寒区河道-堤防-泛区关联系统凌汛灾害的理解与认识，剖析现有研究存在的不足。

3.1 寒区河道-堤防-泛区凌汛灾害的理解与认识 寒区河道-堤防-泛区是一个整体关联、复杂开放的非线性动力系统，该系统凌汛灾害风险主要包括：河道凌汛（冰塞/冰坝）壅水风险、堤防渗透和坍塌风险、堤防漫溃决风险、堤外泛区凌汛洪水淹没风险［4］，以堤防工程作为中间载体，存在对应于“河道-堤防-泛区”的凌汛“壅水-溃堤-淹没”灾害风险链（图1），在气温变化、水流条件、河道边界和人类活动等各类因素耦合驱动下，凌汛灾害风险的产生归因于凌灾系统内部结构险情的动态突变，并在相邻结构单元之间层层传递连接，且存在相互影响。由此可见，寒区河道-堤防-泛区关联系统凌汛致灾成灾过程复杂且影响因素繁多，存在凌汛灾害风险链条效应，但目前尚缺少对凌汛灾害风险整体性和系统性的深刻认识，需要从系统论整体视角深化对河道-堤防-泛区关联系统凌汛致灾成灾过程、规律及机制的认识，围绕“河道-堤防-泛区”这一整体，深入开展凌汛灾害风险链条效应及其驱动机制、凌汛险生致灾全过程耦合数值模型、凌汛灾害风险链定量化评估、凌汛期堤防险情演化机制及智能预测、凌汛灾害风险应急防控决策支持系统、凌汛灾害“预报、预警、预演、预案”数字孪生平台等研究，以进一步丰富和提升新时期凌汛灾害防治的理论方法体系。

图1 寒区河道-堤防-泛区凌汛灾害风险链逻辑框图

3.2 研究不足剖析 目前国内外对于河道-堤防-泛区关联系统凌汛灾害风险评估防控的研究，主要存在以下几方面不足：（1）现有成果已经基本厘清凌汛主要成因与灾害特征，更多研究了气温变化、水库调度、河道冲淤等单一因素影响下凌情及凌汛灾害的变化规律或趋势，但尚未深入揭示气温变化、水流条件、河道边界和人类活动等多因素耦合驱动下凌情与凌汛灾害的演变特征及其驱动机制，且少有学者研究河道-堤防-泛区关联系统凌汛灾害链条效应。此外，已有学者主要基于热力环境和水流动力因素，建立了凌汛灾害风险评估的理论框架，从不同角度构建了河道凌汛灾害评估指标体系，但较少考虑堤防工程条件、河势弯道参数和防凌调控工程的影响，且研究尺度多为河道固定断面或长距离河段，仍局限于河道内部凌汛灾害风险评估，尚需进一步构建更为全面、涵盖河道-堤防-泛区关联系统的小尺度河段凌汛灾害风险评估指标体系及模型；（2）现有成果多集中于河冰形成及演变过程的数值模拟，主要体现在运用河道一维冰情模型或二维冰水（沙）模型模拟河冰生消演变或凌汛壅水风险，虽已形成较为成熟的河冰计算模型，但少有学者研究河道-堤防-泛区整体关联系统的凌汛洪水耦合数值模型；（3）现有成果已经逐步关注凌汛期堤防险情及溃堤灾害问题研究，在凌汛期堤防险情演化过程分析、伏汛期溃堤洪水风险评估等方面取得一定进展，但较少开展凌汛期堤防危险性评价及险情预测研究，且未能建立河道-堤防-泛区关联系统的整体分析视角，缺少考虑堤防危险性或失事概率的凌汛溃堤淹没风险评估成果；（4）现有成果更多关注凌汛灾害风险防控工程措施研究，目前虽已初步构建防凌决策智慧平台，未来还需在智慧水利与高新信息技术高度融合发展背景下，继续加强凌汛灾害风险防控非工程措施研究，以更好满足新时代社会经济可持续发展对防凌减灾安全保障的迫切需要。

4 研究展望

随着人工智能、物联网、大数据、云计算等前沿技术的快速发展，并在防洪防凌减灾领域逐渐深入融合与应用，面对气候变化和人类活动的耦合驱动作用愈发凸显，凌汛灾害风险评估防控还存在亟需解决的关键科学问题和技术瓶颈。笔者基于寒区凌汛灾害“数据驱动-凌灾机制-演变规律-防凌决策”的贯通思路，提出河道-堤防-泛区关联系统凌汛灾害风险评估防控未来主要的发展趋势或研究方向。

4.1 河道-堤防-泛区系统凌汛灾害链条效应及其驱动机制研究 笔者认为河道、堤防、泛区实质构成一个整体关联的系统，但目前尚缺少凌汛灾害风险整体性和系统性的深刻认识，对于复杂环境凌汛灾害驱动机制的研究，需调整分析问题的思维视角，从系统论和灾害风险管理角度，分析寒区河道-堤防-泛区系统凌汛致灾因子、孕灾环境和承灾体三类要素指标，构建凌汛致灾-孕灾-承灾三层架构体系，深入揭示河道-堤防-泛区系统凌汛壅水-溃堤-淹没灾害风险的产生、传递、连接和反馈过程及机理，并利用人工智能深度学习算法和混沌分形理论辨识气温变化、水流条件（动力因素、小流量高水位）、河道边界（冰塞冰坝弯道效应、河床冲淤演变）和人类活动（以水库与分凌区应急调控为主）等多因素耦合作用下的凌汛灾害演变规律及其驱动机制（图2），通过数据挖掘和解耦技术，探讨凌汛灾害关键驱动因子，从而进一步深化对河道-堤防-泛区系统凌汛致灾成灾过程、规律及机制的认识，为寒区凌汛灾害风险识别、评估、防控及防凌减灾决策提供更为丰富的基础理论依据。

图2 寒区河道-堤防-泛区系统凌汛灾害链条效应及其驱动机制研究架构图

4.2 河冰演变-凌汛壅水-堤防险情-泛区淹没灾害风险耦合模型研究 河道-堤防-泛区关联系统凌汛灾害风险主要体现在凌汛壅水（河道）、堤防渗透坍塌与漫溃决（堤防）、漫溃堤洪水淹没（泛区），而这三类风险存在密切的灾害链诱发联动关系，当前多是对于单类型凌汛灾害风险进行研究，缺乏灾害风险链耦合模拟模型。因此在凌汛灾害风险理论不断完善、计算机技术不断进步的推动下，考虑河道水沙冰耦合输移过程、凌汛冰塞冰坝形成演变、凌汛壅水漫滩和堤防边坡冲蚀、堤防渗透破坏险情、堤防漫溢和溃决淹没等风险链条全过程的动态响应，研究建立河冰演变-凌汛壅水-堤防险情-泛区淹没灾害风险链耦合模型，实现灾害全过程的耦合联动模拟，既是未来凌汛灾害风险精细化数值仿真的必然发展趋势，也是凌汛灾害防御与风险管理的实际需要，亟需取得突破。

4.3 河道凌汛壅水-堤防溃决-泛区淹没耦合风险定量评估研究 国内外目前初步开展了凌汛（冰塞/冰坝）壅水、堤防工程破坏、堤外泛区淹没等单一风险的变化及其影响程度评估研究，但更多是假定凌汛冰塞或冰坝发生条件下的灾害风险评估，建立的凌汛灾害风险评估指标体系还不够全面，尤其缺少堤防工程这一重要媒介性环境载体，尚未构成较为完整的、面向河道凌汛壅水-堤防溃决-泛区淹没风险链的凌汛致灾-孕灾-承灾架构指标体系，而且难以支撑防凌决策对于凌汛易发河段、堤防险工段、重点防控洪泛区域的分级分区判定需求，笔者认为下一步需要在河道-堤防-泛区系统凌汛灾害风险链条效应和驱动机制辨识的基础上，综合变异系数法、层次分析法（AHP）、模糊层次分法（FAHP）、熵权法等多种方法相结合，考虑气温变化、水流条件、河道边界和人类活动等凌汛成因，研究凌汛（冰塞/冰坝）易发河段与堤防险工段定量诊断以及凌汛壅水作用下溃堤淹没风险定量评估的指标体系和方法（图3），基于河冰演变-凌汛壅水-堤防险情-泛区淹没灾害链风险耦合模型，实现灾害链风险的定量评估，从而进一步丰富凌汛灾害风险评估理论。

图3 寒区河道凌汛壅水-堤防溃决-泛区淹没风险定量评估研究架构图

4.4 凌汛期堤防冻融险情演化动力机制及智能预测研究 寒区凌汛（冰塞/冰坝）壅水造成堤防偎水、冲刷、淘蚀、滑塌、裂缝等险情频繁发生，极端天气条件下堤防漫溃决险情仍是凌汛灾害防御最为关注的焦点之一。凌汛期堤防工程存在明显的周期性冻融过程，由于凌汛高水位期间堤防长期偎水浸泡和冰冻，导致土壤含水量增大、土质松软，堤防土体黏结力和抵御渗透滑塌破坏的能力显著降低。堤防冻融土体在遭遇稳封期高水位、开河期水位瞬间回落的联合作用下，易于造成稳封期堤防背水边坡滑塌险情、开河期堤防临水边坡冲蚀坍塌险情，凌汛期堤防岸坡失稳破坏风险明显加剧。因此，未来需采用原型监测、模型试验、数值模拟、理论分析、人工智能、混沌分形及多学科交叉融合方法，探究变化水位条件下凌汛期堤防冻融险情演化规律及其动力机制，耦合考虑凌汛变水位和土体冻融等多驱动因子，揭示单一因素及多因素组合条件与堤防渗透滑塌险情变化的关联特性，同时建立凌汛期变水位耦合土体冻融条件下堤防险情演化机制耦合仿真模型，模拟凌汛期堤防险情演化过程及其驱动机制，并基于人工智能神经网络耦合机器学习、深度学习算法，探究凌汛期堤防险情时空演化过程预测原理，利用深度学习对变水位条件下冻土堤防险情演化机制进行学习训练和深度识别，研究建立凌汛期堤防险情时空演化过程智能预测方法；此外针对缺资料地区长距离多弯道堤防险情的同步预测难题，厘清凌汛期堤防险情关键驱动因子的空间差异特征，探讨基于深度迁移学习的凌汛期堤防险情演化预测模型参数微调原理，明晰凌汛期堤防险情演化过程的预测思路，进而提出适用于缺资料地区凌汛期长距离多弯道堤防险情演化过程的深度学习预测方法，以上研究可为寒区凌汛期堤防险情灾害风险的早期识别与实时预测预警提供重要支持，此为防凌减灾未来发展的另一重点研究方向。

4.5 凌汛灾害监测-预警-评估-防控应急决策支持系统研究 随着水利信息化与智慧水利的快速发展以及防凌减灾理论技术的不断创新突破，凌汛灾害防御各环节不断耦合衔接与协同联动，当前已经具备凌汛灾害监测-预警-评估-防控全链条应急决策支持系统建立的支撑条件，需要在此基础上，进一步加强凌汛期冰情、水情及堤防渗透滑塌险情的组网监测与智能预警技术研究，提出凌汛期河道冰塞冰坝灾害、堤防险情破坏灾害、泛区凌洪淹没风险等监测预警指标体系及其定量化预警阈值，并运用高精密传感器和高分遥感新技术提升监测预警精度与时效性，同时集成河冰演变-凌汛壅水-堤防险情-泛区淹没灾害风险链耦合模型及风险定量评估方法，自动化模拟与展示凌汛洪水动态变化及其致灾影响全过程，实时量化评估凌汛灾害风险以及水库与分凌区调控减灾效果，构建数字化、网络化和智能化的全生命周期智慧防凌系统，实现凌汛灾害监测-预警-评估-防控全链条的防凌减灾应急决策支持。此项研究有助于提升凌汛灾害防御的信息化和智能化水平，亟需在水利高质量发展背景下取得突破性进展。

4.6 智慧水利背景下凌汛灾害“四预”数字孪生平台研究 基于数字孪生平台的预警、预报、预演、预案（简称“四预”）既是新时代智慧水利的重要建设内容，也是凌汛灾害科学防御的重要技术手段。因此，在凌汛灾害风险防控不断取得创新突破的同时，未来需要利用3S 技术、无人机航拍、BIM 技术、人工智能技术、数字孪生技术、模型库、算法库等，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，推进算据、算法、算力建设，研究凌汛灾害风险防控领域数字孪生平台的构建与优化展示方法，建立流域及重点工程三维虚拟仿真场景，并在数字场景中实现凌汛灾害在线监测信息的实时动态展示与险情预警、凌汛灾害实时预警预报、凌汛灾害风险与防凌指挥决策行动动态预演、凌汛灾害风险防控预案自动化生成与智慧化管理，形成虚实结合、孪生互动、数字赋能的防凌减灾发展新形态，综合提升凌汛灾害防御的“四预”能力。此项研究充分体现了水利工程、人工智能、灾害学、计算机科学、地理信息学等多学科交叉发展特色与优势，有助于推动防凌减灾不断迈入新的发展阶段。