解建倉， 李波， 柴立， 姜仁貴

(西安理工大學(xué) 陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

對應(yīng)對城市洪澇問題的一些認(rèn)識

解建倉， 李波， 柴立， 姜仁貴

(西安理工大學(xué) 陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

城市化和氣候變化讓城市洪澇成為常態(tài)，頻發(fā)、廣發(fā)、急轉(zhuǎn)、重災(zāi)的特征顯現(xiàn)，應(yīng)對城市洪澇更加成為廣泛重視的研究主題。以往研究成果大多集中在對洪澇發(fā)生發(fā)展的機理認(rèn)識和城市建設(shè)中的防御體系加強與改造方面，交叉應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的研究成果也不少，但城市洪澇作為自然災(zāi)害的一種，目前的應(yīng)對成效還有很大差距。在相當(dāng)長的一個時期內(nèi)，就現(xiàn)存的應(yīng)對條件，特別是當(dāng)前急需要見效，研究者把重點放在機理研究和城市基礎(chǔ)改造就不妥當(dāng)，要把城市洪澇按突發(fā)事件對待，強化應(yīng)急應(yīng)對才是上策。本文遵循分治與綜合思想，建議整合信息、計算、經(jīng)驗資源，探索與事件特征和過程相適應(yīng)的情景組合、事件主題、模型方法組件、應(yīng)對預(yù)案、模擬調(diào)控等的集成應(yīng)用，提出了快速適應(yīng)、不斷積累、知識智慧服務(wù)的城市洪災(zāi)應(yīng)對新模式。

城市洪澇； 突發(fā)事件； 應(yīng)急應(yīng)對； 模擬調(diào)控

“請到城里來看海”，城市暴雨內(nèi)澇似乎成了每年夏天的定期“風(fēng)景”。有點諷刺，但“看海”事件頻發(fā)、廣發(fā)、急轉(zhuǎn)已是常態(tài)，從詞語上也表露了人們對城市洪澇的無奈。城市洪澇影響到了正常生活，也帶來了重大損失。隨著城市發(fā)展、氣候變化，受影響的人口數(shù)量和損失水平也在加劇。面對城市洪澇事件，“防災(zāi)、抗災(zāi)、救災(zāi)、減災(zāi)、賑災(zāi)”活動得到了重視，從百度上找“城市洪澇”找到相關(guān)結(jié)果約3 470 000個；從CNKI中國知網(wǎng)上查“城市內(nèi)澇”有148篇文章，但2012年以來就有110篇；從Google Scholar查“城市洪澇”找到約 8 480條結(jié)果, 找“Urban Storm Flood”就有約1 570 000 條結(jié)果。無論從科學(xué)技術(shù)上，還是政府政策上都得到了社會的廣泛關(guān)注、也成了學(xué)者們研究的熱點。

1 從以往研究獲得的啟示

2014年2月，包括首都倫敦在內(nèi)的英國多處地方風(fēng)雨交加，泰晤士河的水位上漲，引發(fā)了英國幾十年來最嚴(yán)重的洪災(zāi)。沿河城市洪災(zāi)源于持續(xù)暴雨和河水水位上漲造成的決堤。

2013年7月22日，延安長時段大暴雨造成了延安史上最嚴(yán)重的災(zāi)害損失。黃土失陷、塬岸垮失、窯洞倒塌，建筑物因年久失修而損毀嚴(yán)重。

2012年7月21日，北京市發(fā)生了破紀(jì)錄的暴雨事件，導(dǎo)致了嚴(yán)重的人員傷亡和重大損失，在城市洪澇歷史上，十分罕見。預(yù)報有暴雨，但預(yù)報量級偏低，而且是大范圍、長時間降雨。隨后，人們更多關(guān)注的是排水不暢，要求提高城市排洪標(biāo)準(zhǔn)。

2010年5月7日，席卷整個廣州市的特大暴雨，雨量之多、強度之大、范圍之廣，均“歷史罕見”。大家抱怨沒有準(zhǔn)確的預(yù)報成果，人們準(zhǔn)備不足。

2007年8月11日，青島市發(fā)生了50年來日降水量最大的暴雨，“暴雨如注，電閃雷鳴，像要把整座城市炸掉、沖走一般。”但受損不大。對比分析，青島的下水道系統(tǒng)是德國人留下來的，加之這些年也下功夫修建，排水效率很高；青島是丘陵地形，三面環(huán)海，從高到低，自然排水就直接入海。

從眾多的歷史事件看，城市洪澇源于暴雨和城市河流，消于排泄。暴雨及成災(zāi)過程十分復(fù)雜，有預(yù)報問題、城市建設(shè)問題、應(yīng)急管理問題、人們防災(zāi)素質(zhì)問題等等，自然因素與人為因素混雜，近幾年來，針對城市暴雨洪澇問題，研究重點多集中在對洪澇過程的特征分析、機理探討、模擬與仿真、應(yīng)對管理這四個方面。

1) 城市暴雨洪澇特征與成因分析

極端降水是關(guān)鍵性誘因；城市化進(jìn)程的加快使得城市水文效應(yīng)加大。暴雨連同復(fù)雜的城市下墊面狀況共同作用形成城市暴雨洪澇[1];城市熱島效應(yīng)的形成機理和演化機制非常受關(guān)注[2]。

2) 暴雨洪澇的形成機理

以大氣環(huán)流特征以及對天氣系統(tǒng)演化規(guī)律的認(rèn)識為重點的研究工作開展得比較多，以葉篤正院士和陶詩言院士等為代表的著名氣象學(xué)家開創(chuàng)性地采用大氣環(huán)流演變過程分析暴雨形成機理[3]。以阻塞高壓和副熱帶高壓為代表的天氣系統(tǒng)與我國近年來發(fā)生的暴雨洪澇天氣密切相關(guān)[4]。文獻(xiàn)[5]利用氣象站觀測和NCEP/NCAR分析，認(rèn)為副熱帶高壓北移和低渦演變特征是“2012.7.21”北京特大暴雨的主要環(huán)流特征。氣候異常對降雨的影響也受到重視。2010 年汛期，中國南部遭遇的特大暴雨洪澇與強烈的“厄爾尼諾與南方濤動(ENSO)”和“北極震蕩(AO)”現(xiàn)象有關(guān)。城市熱島(Urban Heat Island, UHI)效應(yīng)、高層建筑物的阻擋以及大氣凝結(jié)核效應(yīng)使得城區(qū)的強對流與災(zāi)害性天氣增加，年降水量增加5%，汛期暴雨強度和頻率增加超過10%。下墊面狀況發(fā)生變化，使得地表暴雨徑流量增加，匯流時間縮短，洪水過程線向高、瘦、尖方向發(fā)展，加大了城市防洪和排澇壓力，加重了城市暴雨洪澇災(zāi)害程度[6]。

3) 城市暴雨洪澇過程的模擬與仿真

從相對簡單的經(jīng)驗性和概念性模型發(fā)展到較為復(fù)雜的水動力學(xué)物理模型，國外有QQS 模型[7]、SWMM模型[8]、MIKE-SWMM 模型[9]、Wallingford 模型[10]、HSPF 模型以及城市水量水質(zhì)耦合模型等[11]。國內(nèi)有雨水徑流計算模型、城市地表與明渠河道水流運動的城市暴雨內(nèi)澇數(shù)學(xué)模型、基于二維非恒定水力學(xué)模型、分布式模型InfoworksCS、耦合不同時空尺度的多種統(tǒng)計降尺度模型和水文模型、二維洪水淹沒模型等[12-14]?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)(GIS)平臺，計算和模擬城市內(nèi)澇積水面積和漲消過程，可對城市暴雨積水實現(xiàn)可視化仿真，基于數(shù)字地球平臺可實現(xiàn)對洪澇淹沒過程的分析和三維動態(tài)仿真[12,15]。

4) 城市暴雨洪澇的應(yīng)對管理

目前，國際上典型的城市暴雨洪澇管理理念有美國的最佳管理實踐(Best Management Practices, BMPs)[16]和低影響開發(fā)(Low Impact Development, LID)[17]、新西蘭的低影響城市設(shè)計與開發(fā)(Low Impact Urban Design and Development, LIUDD)以及英國的可持續(xù)城市排水系統(tǒng)(Sustainable Urban Drainage Systems, SUDS)[18]等。國內(nèi)方面主要有：從工程措施和非工程措施兩個方面，建設(shè)雨洪公園以提高對雨水的蓄滯能力；在國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于做好城市排水防澇設(shè)施建設(shè)工作的通知》(國辦發(fā)[2013]23 號)中，要求積極推行LID 模式；城市暴雨洪澇智能防控聯(lián)合策略[19]；集監(jiān)測、預(yù)報以及模擬等為一體的城市雨洪智能管理系統(tǒng)[20]等。在城市暴雨洪澇應(yīng)對方面，Turoff[21]建立了動態(tài)應(yīng)急管理信息系統(tǒng)，用于對暴雨突發(fā)事件的快速應(yīng)對。Jason[22]則通過建立群決策支持系統(tǒng)為洪澇災(zāi)害風(fēng)險管理提供輔助決策支持。李原園[23]指出，從協(xié)調(diào)城市防洪與建設(shè)關(guān)系、提高城市防洪標(biāo)準(zhǔn)等方面出發(fā)，制定了城市防洪減災(zāi)對策。張亞州[24]針對強暴雨洪澇，提出了科學(xué)調(diào)度、及時預(yù)警以及規(guī)范響應(yīng)的應(yīng)對策略。李帥杰[25]建議通過建立城市防洪預(yù)案體系以降低城市防洪風(fēng)險。

綜上，以下幾點應(yīng)當(dāng)是關(guān)注的焦點。

啟示1：暴雨的預(yù)報問題能解決，就解決了洪澇根本。但實際情況很不樂觀，突發(fā)暴雨的預(yù)報成果靠不住。

以歐洲中尺度天氣預(yù)報中心(ECMWF)、英國氣象局和美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)等為代表的全球氣候預(yù)測模型在短期(日)天氣預(yù)報準(zhǔn)確率較高(>80%)，然而仍難以實現(xiàn)對暴雨的定時、定點和定量精準(zhǔn)預(yù)報。北京市氣象臺首席預(yù)報員孫繼松說，影響天氣變化的因素復(fù)雜多變，要想達(dá)到100%準(zhǔn)確率，別說我們這代人不可能實現(xiàn)，下一代人也做不到。統(tǒng)計表明，我國暴雨預(yù)報準(zhǔn)確率平均為15%左右，明顯低于美國平均22%的水平；另外，能提前幾個小時預(yù)警也不易。雖然目前定時、定點、定量的“三定”預(yù)報問題還未被解決，但我們也不能被動等待。現(xiàn)階段把重點放在應(yīng)對上才是上策。

啟示2：對暴雨洪水快速排泄也是解決洪災(zāi)的關(guān)鍵。但大量人力、物力、財力的投入，也不是短期能見效的最好辦法。

“加強城市防洪排澇工程建設(shè)，提高城市排澇標(biāo)準(zhǔn)”已寫入了2011年出臺的中央一號文件和中央水利工作會議文件中，李克強總理在2013 年9 月18 日主持召開的國務(wù)院常務(wù)會議上要求“提高城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治能力”，在國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于加強城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的意見》(國發(fā)[2013]36 號)中指出用10年左右時間建成較為完善的城市排水防澇與防洪工程體系，以解決城市積水內(nèi)澇問題?？磥頉Q心已下，積極投入，讓洪澇安全搬走。

不過，中國水利水電科學(xué)研究院防洪抗旱減災(zāi)研究所向立云教授認(rèn)為：單純強調(diào)增加排水能力并不科學(xué)?！耙员本槔?，清河、通惠河等河道的排水能力有限。如果一味增加城市排水能力，一旦超過河道限制，將會釀成更大的災(zāi)難。”

國家減災(zāi)委專家委員會專家程曉陶教授認(rèn)為：加大排水遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有想象的那么簡單，加粗排水管比拓寬道路要難得多。大面積整修排水管道，整個城市都有可能癱瘓。事實上，排水是要受到限制的。因為單純靠排水確保自己不受淹，就是把風(fēng)險轉(zhuǎn)給別人，讓別人接收你的洪水。

如此看來，大面積徹底的改造可行么？單從排泄考慮還存在爭議。排泄不暢，要求改建、修改設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，但提高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)一定要科學(xué)、慎重、權(quán)衡。龐大的改造工程，要多少人力、物力、財力投入；還要等待多久？何況，如何退水也有待研究。

在合理提高城市排澇能力的同時，應(yīng)充分利用滲漏、調(diào)蓄等措施，就地消化降雨。蓄水是可以遍地開花的，修雨水調(diào)節(jié)池，把水裝起來，分散蓄水。

城市排水防澇是一個綜合工程，要排、漏、蓄結(jié)合，逐步完善并使其最終成為城市內(nèi)澇防御體系的基礎(chǔ)設(shè)施。

針對防御體系開展定量計算，回答爭議，科學(xué)協(xié)調(diào)排、漏、蓄，適時調(diào)控，主動防御洪澇，這樣才更有意義。

啟示3：在城市內(nèi)澇防御體系中除排漏蓄工程措施以外，非工程措施發(fā)揮作用潛力很大。

一方面，機理研究很難，另一方面，工程投入太大，所以走非工程研究見效相對較快。

去年國家基金委重點建議還在機理研究，但今年就是“城市洪澇特征與減災(zāi)方法”了，更趨向于應(yīng)用基礎(chǔ)與應(yīng)用實際。

城市洪澇成因近似明確，但機理研究還有很長的路要走。研究已經(jīng)取得了不少成果，可以以此為基礎(chǔ)強化應(yīng)用，先有一點就用一點。把理論與實踐結(jié)合，通過實際應(yīng)用檢驗理論，更進(jìn)一步提高理論研究的推動力。以往的研究成果要經(jīng)過應(yīng)用檢驗，用上哪怕是一點才是硬道理。

不斷提高人們認(rèn)識水平、應(yīng)急意識、基本素質(zhì)，加強警示作用，充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用。飛速發(fā)展的現(xiàn)代信息技術(shù)是促進(jìn)應(yīng)用的條件，用好才能見效。

城市洪澇事件屬于突發(fā)事件，突發(fā)事件應(yīng)急管理的理念和成果要充分考慮，沿著這個方向走下去一定不會走錯。

從應(yīng)急管理上下功夫，應(yīng)急應(yīng)對以減少損失，急需要而且能見效。在相當(dāng)一段時間內(nèi)，研究的核心還要放在發(fā)揮人的能動性方面，盡可能減少損失。在這一目標(biāo)的驅(qū)動下，快速應(yīng)對就是重中之重。

2 對問題的科學(xué)認(rèn)識及定位

在城市化與氣候變化雙重作用下，城市洪災(zāi)出現(xiàn)新特點：人口資產(chǎn)密度提高，同等淹沒情況下?lián)p失增加；城里城外的行洪渠道、河道受到影響，局部水系紊亂，河道與排水管網(wǎng)淤塞，加重了防洪負(fù)擔(dān)；城市空間立體開發(fā)，立體損失亦在所難免，恢復(fù)更加困難；城市作為社會、經(jīng)濟、文化中心，損失影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出受淹范圍，間接損失甚至超過直接損失；城市傍河洪水洪峰流量快速增加，洪峰出現(xiàn)時間提前，已有堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)相對降低；市區(qū)暴雨的頻率與強度高于周邊地區(qū)。

嚴(yán)格講，洪與澇也有區(qū)別，澇常規(guī)點，靠排；洪水就可能不一定常規(guī)了，不是簡單的排了。常規(guī)也好、非常規(guī)也好，暴雨洪水就是突發(fā)事件，要按照突發(fā)事件來應(yīng)對。

既然局地暴雨難以預(yù)報或預(yù)報成果靠不住，在目前來看，定時、定點、定量的暴雨基本上就是不可預(yù)報的。明確了這一點，大眾就不要過分依賴預(yù)報成果，而要靠預(yù)估、預(yù)警、預(yù)案來發(fā)揮作用。否則"狼來了"的預(yù)報結(jié)果，也會產(chǎn)生強大的副作用。缺乏判斷正誤的能力，失去信服力。

暴雨內(nèi)澇易發(fā)地點、范圍是容易標(biāo)志的。預(yù)警是重要途徑，一是投入，二是公眾，是一個過程。為大眾服務(wù)的手段多式多樣(如手機、公示牌等)，對水災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行評估，以風(fēng)險圖的形式向社會公布評估的信息。從信息技術(shù)入手，特別是把預(yù)警與預(yù)估和預(yù)案融合一體，切實發(fā)揮出預(yù)案的作用。

實際發(fā)生的洪澇災(zāi)害事件不重復(fù)，事前、事中、事后各個環(huán)節(jié)的應(yīng)對都很重要，強化過程，不管是演變還是反演都只能在計算機上模擬，這種實際事件發(fā)生過程與計算機上的虛擬仿真過程同步平行，對決策會有重大影響。

要按照突發(fā)事件來應(yīng)對，應(yīng)急應(yīng)對會商就是應(yīng)急管理的核心。對此研究潛力還很大。

基于上述認(rèn)識，兼顧機理、過程、模擬、調(diào)控，相關(guān)城市洪澇的科學(xué)問題目前應(yīng)當(dāng)為：在以往機理認(rèn)識的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有的城市基礎(chǔ)設(shè)施上，在現(xiàn)代信息技術(shù)的支撐下，采用可視的模擬手段、快速的計算能力、大量的數(shù)據(jù)資源，對實際事件發(fā)生過程與計算機上的虛擬仿真過程同步平行服務(wù)，對事件全過程應(yīng)對、處置流程邏輯清楚可信、適應(yīng)變化并能有效調(diào)控，確保減少洪災(zāi)損失。

3 能支持研究的科學(xué)思路及技術(shù)基礎(chǔ)

對于上述科學(xué)問題，目前已具備了良好的研究基礎(chǔ)，下述幾個方面將是目前研究的基礎(chǔ)保障。

1) 對突發(fā)事件的應(yīng)對十分重視，認(rèn)識也在不斷提高。

城市洪災(zāi)也屬于突發(fā)事件，能成災(zāi)緣于暴雨來得突然，不好控制。這對我們的預(yù)見能力和應(yīng)對能力是一個考驗。發(fā)生前兆不充分、預(yù)報成果不明確，難以預(yù)料或即使有所察覺用常規(guī)管理方式應(yīng)對也無力或低效，其具有明顯復(fù)雜性特征和潛在衍生危害[26-28]。

城市洪災(zāi)事件可以分為非常規(guī)的和常規(guī)的，區(qū)別在于對事件掌握程度、出現(xiàn)次數(shù)的多少、損失大小、影響深度等等。重要的是，筆者已比較清楚地認(rèn)識到，對非常規(guī)事件，只能依賴發(fā)展情景來應(yīng)急應(yīng)對，“情景-應(yīng)對”是方向；對常規(guī)事件，可以依賴有限的預(yù)測來應(yīng)急應(yīng)對，“預(yù)測-應(yīng)對”是方向。

雖然有預(yù)測可以依賴，但預(yù)測成果并沒有讓人們放心，準(zhǔn)確預(yù)測一直是人們追尋的科研方向和要解決的難點，這樣重心又落到了“預(yù)案-應(yīng)對”。

長期多次對城市洪災(zāi)事件的處置實踐及應(yīng)急應(yīng)對，使人們的研究重點從突發(fā)事件發(fā)生、發(fā)展、演化的機理逐步轉(zhuǎn)移到了應(yīng)急應(yīng)對[29-30]?？焖龠m應(yīng)變化是基本、快速服務(wù)是生命、系統(tǒng)可操作是實效；對突發(fā)事件要預(yù)防、要積極編制預(yù)案，要應(yīng)急應(yīng)對；利用一切可以利用的資源，靠綜合集成服務(wù)平臺支撐，充分發(fā)揮人的能動作用，強化服務(wù)快速應(yīng)對，提高應(yīng)急管理水平。

2) 綜合集成思想的作用在不斷增強。

復(fù)雜性理論自20世紀(jì)60年代出現(xiàn)以來，在短短幾十年的時間里進(jìn)展神速，從天文、地理、物理、化學(xué)、生物、社會，小至粒子，大到宇宙，到處可以看到復(fù)雜性的影子[31-34]。相對于國際上流行的研究模式，我國錢學(xué)森先生等人創(chuàng)建了綜合集成思想方法體系[35-37]，綜合集成發(fā)展了還原論和整體論，它的實質(zhì)是將專家群體、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和信息資料、計算機技術(shù)三者結(jié)合起來，構(gòu)成一個高度智能化的人-機結(jié)合系統(tǒng)。在國家自然科學(xué)基金重大項目"支持宏觀經(jīng)濟決策的人機結(jié)合綜合集成研討廳體系研究"的帶動下，“集大成、成智慧”成了一個重要方向。

在錢學(xué)森等人綜合集成思想指導(dǎo)下，在應(yīng)用手段要落實的強烈需求下，在信息技術(shù)發(fā)展成果的支持下，由平臺來集成實現(xiàn)新的應(yīng)用成為可能。

由綜合集成服務(wù)平臺，可以支持主題化服務(wù)；支持預(yù)案的描述、預(yù)案的管理、預(yù)案與信息的融合、預(yù)案的執(zhí)行、預(yù)案的評價；實現(xiàn)一體化應(yīng)用；支持決策會商。

3) 信息采集技術(shù)已飛速發(fā)展，信息獲取已十分方便，大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來。

水利行業(yè)信息化建設(shè)一直是按照工程來建設(shè)，沒有信息如何調(diào)控？成了常識，信息采集技術(shù)的快速發(fā)展致使人們對采集測站建設(shè)的重視，采集測站從1萬到10萬很自然。加之還有其他行業(yè)的測站建設(shè)，如市政、氣象、環(huán)境、地質(zhì)等，不同來源的信息(直接、間接；專業(yè)、非專業(yè)；本行業(yè)、外行業(yè)等)，使信息豐富到了我們來不及全部使用。提高采集信息的利用效率成了當(dāng)務(wù)之急。先集成，后融合，再充分利用已成共識。更為重要的是把應(yīng)用應(yīng)當(dāng)放在首位，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)需要或缺失哪方面信息，再去有目的地去采集，變被動為主動。

空間數(shù)據(jù)增長很快，大尺度、高分辨率的城市相關(guān)數(shù)據(jù)已經(jīng)積累到非常好用的階段。

另一方面，國際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是人類科學(xué)奇跡之一，網(wǎng)絡(luò)資源(重要的是信息資源)極速膨脹，已成為獲取信息的主要途徑。依賴網(wǎng)絡(luò)、融合網(wǎng)絡(luò)信息逐步成了應(yīng)用的增長點。

盡管物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)是近期的研究熱點，會對預(yù)報城市洪澇災(zāi)害發(fā)揮最要作用，但目前還處在嘗試階段。在快速發(fā)展過程中，將會逐步成熟。這些非常好的理念，就會用于該類問題的應(yīng)用研究之中。

4) 計算機軟件硬件發(fā)展迅速。

建立應(yīng)用支撐平臺是信息化的又一熱點。軟件硬件日新月異，技術(shù)上保障程度越來越高。中間件、云計算、云服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)格及高效能計算等已是國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略，是研究和應(yīng)用的熱點[38-43]。一方面在積極建設(shè)強大的基礎(chǔ)硬件平臺；另一方面更是十分看重軟件支撐平臺的建設(shè)[44-47]。

網(wǎng)格及高效能計算、云計算云服務(wù)以硬件資源虛擬化為核心，提供與用戶無關(guān)的龐大的計算力，集成硬件計算資源的技術(shù)和應(yīng)用已成熟，快速高效的計算有了保障[48-51]。

軟件支撐平臺雖然有基礎(chǔ)軟件平臺與行業(yè)應(yīng)用平臺之分，但二者之間的分界線長期不清。都在不同程度推進(jìn)，但效果的核心在于：基于平臺還要二次開發(fā)應(yīng)用程序，還是基于平臺不需要用戶二次開發(fā)，而是直接在平臺上組建或搭建應(yīng)用系統(tǒng)？很顯然，后者才是方向。

隨著技術(shù)的進(jìn)步及應(yīng)用的深入，大量的工作都是以不同形態(tài)的中間件來實現(xiàn)了。隨著中間件的豐富及統(tǒng)一管理，就自然形成了應(yīng)用的支撐平臺，在這個平臺之上，應(yīng)用就成為了組織，而不是程序開發(fā)。這樣的模式將對支持應(yīng)急應(yīng)對有光明前景。

5) 基于數(shù)字地球與三維GIS的實景可視化。

基于數(shù)字地球的可視化服務(wù)模式由一系列層次遞進(jìn)的模型框架構(gòu)成。其底層為遙感影像和數(shù)字高程數(shù)據(jù)所構(gòu)造出的空間區(qū)域內(nèi)的地形地貌模型，并建立基本的水利實體要素仿真和虛擬現(xiàn)實環(huán)境，從而豐富仿真過程中的信息資源量；然后通過WebGIS與遙感影像的無縫對接，形成一個3S集成平臺，增強GIS系統(tǒng)的服務(wù)效能；其后融合OGC(OpenGIS Consortium)和KML(Keyhole Markup Language)等多種空間信息規(guī)范以及水利標(biāo)準(zhǔn)，以瓦片金字塔和數(shù)據(jù)中間件方式對空間信息資源和城市洪澇事件數(shù)據(jù)資源進(jìn)行有效整合，將道路、水系、建筑物等以透明圖層方式在數(shù)字地球上疊加；然后建立空間信息緩存機制和數(shù)據(jù)通信交換協(xié)議，完成虛擬現(xiàn)實環(huán)境的配置、管理和維護(hù)；最后集成文本、圖像和視頻數(shù)據(jù)，構(gòu)建用于描述與城市洪澇相關(guān)的關(guān)鍵信息的圖元表示，并結(jié)合圖層控制、效果設(shè)置、比例尺等表現(xiàn)方法配置方案，在互操作綜合服務(wù)環(huán)境的支撐下面向洪澇事件提供虛擬現(xiàn)實和模擬仿真環(huán)境，進(jìn)而依靠高性能計算力來支持實時監(jiān)視、預(yù)警、預(yù)案、應(yīng)急響應(yīng)、模擬、情景方案展現(xiàn)等服務(wù)，并提供對比分析、預(yù)測評價、虛擬視察、演化、情景模擬、事件查詢、實體標(biāo)示等上層服務(wù)接口，基于數(shù)字地球和大尺度的三維GIS平臺可以對洪澇模擬仿真[52-53]。

6) 計算實驗及平行系統(tǒng)。

高的計算力使計算實驗和平行系統(tǒng)可行。城市洪澇不可能對其進(jìn)行"試驗"，更不用說是“實驗”或“重復(fù)性”試驗了。其中的主觀和不可控因素太多，結(jié)果和結(jié)論往往不具有一般性。無法對其進(jìn)行分解還原分析，因為分解后的系統(tǒng)已在本質(zhì)上不具有原系統(tǒng)的功能和作用了。在并行計算、分布式計算和網(wǎng)格計算等大型模擬方法和結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用的今天，仿真也完全可以從基于微分差分方程的自然過程模擬，到對社會系統(tǒng)和人的行為等人造或混合過程的計算機模擬。把“仿真”結(jié)果作為現(xiàn)實的一個替代版本，或一種可能出現(xiàn)的現(xiàn)實，而把實際系統(tǒng)也作為可能出現(xiàn)的現(xiàn)實中的一種，同仿真結(jié)果“等價”。從系統(tǒng)仿真走向計算實驗[54]。

當(dāng)計算實驗逐步逼近現(xiàn)實，就可以由一個自然的現(xiàn)實系統(tǒng)和對應(yīng)的一個或多個虛擬或理想的人工系統(tǒng)來組成共同系統(tǒng)(平行系統(tǒng))。利用平行系統(tǒng)來引導(dǎo)、管理和控制人類活動[55-56]。

對于城市洪澇這一復(fù)雜系統(tǒng)，多數(shù)情況下既沒有系統(tǒng)的足夠精確的模型，無法或非常困難對復(fù)雜系統(tǒng)的行為進(jìn)行解析的分析和預(yù)報，也不可能對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究，許多時間只能按照“摸著石頭過河”的方式一步步對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行決策和控制。不斷挖掘平行系統(tǒng)中人工系統(tǒng)的潛力，使其角色從被動到主動、靜態(tài)到動態(tài)、離線到在線，不斷交互，以至最后從從屬的地位提高到相等的地位，使人工系統(tǒng)在實際復(fù)雜系統(tǒng)的管理與控制中充分發(fā)揮作用[57]。

這些觀點及嘗試在推進(jìn)，但可以利用人工系統(tǒng)以比較容易操縱和重復(fù)的形式，將方便抓住洪澇突發(fā)事件模擬系統(tǒng)的復(fù)雜性特征，方便對其行為和各種影響因素進(jìn)行“量化”地分析和評估。

7) 反問題對非常規(guī)問題的研究可以換個思路。

在城市洪澇過程中，我們常常會知道事件發(fā)展的現(xiàn)在狀態(tài)，希望了解它的過去，對過去反演，反問題就存在了[58-60]。人們對時間順序、空間順序、因果順序等已經(jīng)習(xí)慣，一般是按著這種自然順序來研究演化過程或分布形態(tài)，由因推果[61]。但特殊事件，常常面對的是演化結(jié)果，并伴隨著可觀測的很多現(xiàn)象，由此也可以探求事件的內(nèi)部規(guī)律或所受的外部影響，由表及里，索隱探秘，倒果求因。

建立模型，研究洪澇演變機理和規(guī)律是正問題，由于諸多方面的認(rèn)識還在深入，有效調(diào)控還有難度，與此相反，可嘗試由現(xiàn)狀反演過去、或通過已獲得的測量數(shù)據(jù)來反求數(shù)學(xué)模型及模型參數(shù)、邊界條件、初始條件、暴雨中心位置等。從歷史資料分析統(tǒng)計出一定的規(guī)律，其實就是在做反問題研究[62-63]。

探尋不同情景暴雨洪澇產(chǎn)生原因及主要影響因素，"追根溯源"的研究十分迫切，要解決這樣一個多目標(biāo)、多條件、多控制的反問題，就是在尋找各種有效的調(diào)控措施及手段。

4 結(jié) 語

綜上所述，從城市洪澇事件發(fā)生受災(zāi)的原因分析、從大量研究成果中獲得的啟發(fā)等，有大量的基礎(chǔ)可以讓我們立足，盡可能再尋突破，但實用、可用的應(yīng)用基礎(chǔ)研究更為迫切，定位于用先進(jìn)手段對城市洪澇進(jìn)行適度調(diào)控，快速提升應(yīng)對能力的應(yīng)急管理水平，是最有效的研究方向之一。

進(jìn)一步的研究重點在于可視可信，可以歸納為以下幾點。

1) 特征用情景、事件用主題、應(yīng)對用預(yù)案，都用知識圖描述。以預(yù)案為核心把應(yīng)對環(huán)節(jié)可視化，情景-應(yīng)對與預(yù)案-應(yīng)對相結(jié)合。圖的抽象描述就是應(yīng)對的模擬，易標(biāo)準(zhǔn)化。

2) 用圖描述計算需求，靠計算力，按需靈活計算。組件組合、正向演進(jìn)與反向演算互補，算法適應(yīng)，問題可算、計算過程可視可信。

3) 集數(shù)字地球與知識圖一體，在計算機上人工模擬、重現(xiàn)洪災(zāi)過程。融合實時信息的人工系統(tǒng)與事件實際發(fā)展過程平行相伴，情景再現(xiàn)、人為參與調(diào)控。在實例平行系統(tǒng)上會商研討，在線評價調(diào)控減災(zāi)效果。

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(責(zé)任編輯 王衛(wèi)勛)

Some realizations of dealing with the urban flood disaster problems

XIE Jiancang, LI Bo, CHAI Li, JIANG Rengui

(State Key Laboratory of Eco-hydraulic Engineering in Shaanxi,Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China)

Urbanization and climate change make the urban flood disaster (UFD) into normal state with characteristics of higher frequency, more influenced area, sudden turn and higher disaster. Accordingly, coping with the urban flood disasters has become the research objective with extensive attention. In the past, most of the research results focus on the mechanism of the UFD occurrence and development, and enhance and reformation of the defense system in the urban construction, and less focus on the cross-application of modern information resources. As one of the natural disasters, the efficiency of the response to the UFD still has a big disparity. In quite a long time, as far as the existing response conditions are concerned, especially it should gain the immediate results nowadays. For this reason, it is inappropriate to put our emphasis on the mechanism research and urban foundation upgrading, instead, the best plan should treat UFD as emergency event so that the control and response of UFD should be strengthened. Following the divide-and-conquer and meta-synthesis theories, this paper suggests that the study explores the integrated application of the combined scenario, event theme, model and method component, response preplan, simulation and adjustment, which adapt to the characteristics and processes of the events, integrating resources of information, computing and experience. Accordingly, the new flood disaster control methods consisted of quick adaptation, continuous accumulation and knowledge wisdom service have been proposed.

urban flood disaster; emergency event; control and response; simulation and adjustment

1006-4710(2015)01-0025-09

2014-06-20

高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20126118110011)；西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室研究基金資助項目(2013ZZKT-6)。

解建倉,男,教授,博導(dǎo),博士，研究方向為水資源管理及決策支持系統(tǒng)、水利信息化。 E-mail:jcxie@xaut.edu.cn。

TV122

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