向立云，張大偉 ，何曉燕 ，李 娜，劉 舒，孫東亞

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

1 引言

1987年12月，聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過(guò)決議，將1990—2000年定為“國(guó)際減輕自然災(zāi)害十年（IDNDR）”，旨在推進(jìn)各成員國(guó)提高防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家能力，并加強(qiáng)國(guó)際合作，協(xié)調(diào)一致，努力減少發(fā)展中國(guó)家因自然災(zāi)害造成的生命財(cái)產(chǎn)損失、經(jīng)濟(jì)破壞和社會(huì)混亂。

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)水科院”）積極響應(yīng)“國(guó)際減災(zāi)十年”倡議，1988年向水利部提出以中國(guó)水科院為實(shí)體，組建“水利部減災(zāi)研究中心”，為水利部“國(guó)際減災(zāi)十年”工作提供科技支撐的建議，1990年水利部同意中國(guó)水科院成立“水利部減災(zāi)研究中心籌備處”開(kāi)展相關(guān)工作。期間“籌備處”配合水利部科教司編制完成了《全國(guó)防洪科技發(fā)展規(guī)劃（1990—2000）》，1990年水利部籌資100萬(wàn)元，由“籌備處”組織全國(guó)相關(guān)研究單位開(kāi)展防洪減災(zāi)戰(zhàn)略、洪水預(yù)報(bào)模型改進(jìn)、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制、超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御等方面的研究工作。

2001年中國(guó)水科院整合全院水旱災(zāi)害研究力量，組建防洪減災(zāi)研究所。2002年，為推動(dòng)水利部減災(zāi)研究工作，水利部決定以中國(guó)水科院為依托、中國(guó)水科院減災(zāi)研究所為實(shí)體成立“水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)減災(zāi)中心）。2013年，水利史所、遙感所并入該中心，減災(zāi)中心進(jìn)入新的發(fā)展階段。

2 防洪減災(zāi)宏觀研究的發(fā)展

1991年江淮大水引發(fā)了中國(guó)水科院關(guān)于中國(guó)防洪減災(zāi)方略的較為全面的討論，1998年洪水將防洪減災(zāi)方略的研究進(jìn)一步引向深入，確立了以洪水風(fēng)險(xiǎn)管理理論為基石的防洪減災(zāi)宏觀研究方法，推動(dòng)了水利部“由控制洪水向洪水管理轉(zhuǎn)變”防洪減災(zāi)新思路的形成。

2.1 防洪減災(zāi)理念與方略關(guān)于防洪減災(zāi)理念與方略研究主要集中在洪水與洪水災(zāi)害的特性、防洪標(biāo)準(zhǔn)、防洪減災(zāi)策略與政策等方面。

2.1.1 洪水與洪水災(zāi)害的特性 在以往的概念中，多強(qiáng)調(diào)洪水為害的一面，實(shí)際上，洪水具有塑造洪泛平原、提供水資源、補(bǔ)充地下水、滋養(yǎng)耕地、維持生物多樣化等功效，可見(jiàn)洪水有利害兩重性，因此需要在防洪的同時(shí)，有意識(shí)地維持或發(fā)揮洪水興利的特性［1-3］。

洪水本身是一種自然現(xiàn)象，當(dāng)其造成生命財(cái)產(chǎn)損失、危及人類(lèi)健康、沖擊正常的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)時(shí)則成為災(zāi)害，因此洪水災(zāi)害具有自然和社會(huì)“雙重屬性”［4-5］，由此可見(jiàn)，減輕洪水災(zāi)害應(yīng)從工程防洪和調(diào)整社會(huì)以適應(yīng)洪水兩方面入手?！半p重屬性”對(duì)洪水災(zāi)害特性的揭示在一定程度上反映了“洪水風(fēng)險(xiǎn)”概念的本質(zhì)。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，人類(lèi)曾一度認(rèn)為可以通過(guò)工程措施消除洪水和洪水災(zāi)害。1990年代后，認(rèn)識(shí)到防洪工程受自然、經(jīng)濟(jì)、安全、生態(tài)及洪澇轉(zhuǎn)化等因素的制約，洪水災(zāi)害不可能消除的概念逐步成為社會(huì)共識(shí)［1，6-7］。

2.1.2 防洪標(biāo)準(zhǔn) 1991年大水后，周魁一通過(guò)國(guó)內(nèi)外比較或直觀判斷，認(rèn)為中國(guó)流域和城市有必要進(jìn)一步提高防洪標(biāo)準(zhǔn)［8］；1998年大水后，劉樹(shù)坤基于中國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、經(jīng)濟(jì)效益和流域整體防洪效果的分析，認(rèn)為堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)流域防洪要求，明確保護(hù)對(duì)象，按其重要性確定［9］，程曉陶建議建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)適度、功能合理、安全可靠的防洪工程體系，充分發(fā)揮水利工程體系的綜合效益［10］。2002年在中國(guó)水科院承擔(dān)的《全國(guó)防洪規(guī)劃》專(zhuān)題研究項(xiàng)目“防洪標(biāo)準(zhǔn)研究”中，向立云等進(jìn)一步提出了基于洪水風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)，通過(guò)洪水年期望損失減少值與防洪工程投入年費(fèi)用的比較，確定適宜的流域、區(qū)域和局地防洪標(biāo)準(zhǔn)的方法［11］。

2.1.3 防洪減災(zāi)策略與政策 在1990年代連續(xù)發(fā)生的幾場(chǎng)大洪水（1991年江淮洪水，1996年長(zhǎng)江洪水，1998長(zhǎng)江、嫩江、珠江洪水，1999年太湖洪水等）、國(guó)際減災(zāi)十年活動(dòng)的推進(jìn)以及對(duì)洪水、洪水災(zāi)害特性、洪水風(fēng)險(xiǎn)和防洪減災(zāi)措施認(rèn)識(shí)深化的背景下，中國(guó)水科院相關(guān)研究人員意識(shí)到中國(guó)防洪減災(zāi)策略和政策已進(jìn)入戰(zhàn)略調(diào)整期。

劉樹(shù)坤在分析中國(guó)以工程為主導(dǎo)的防洪策略得失的基礎(chǔ)上，提出了以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，綜合考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境、資源等因素，以流域?yàn)閱卧?，推行洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的防洪減災(zāi)策略［12-14］，認(rèn)為強(qiáng)化和擴(kuò)展流域管理機(jī)構(gòu)的職能是實(shí)現(xiàn)全流域洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的體制保障［15］，防洪減災(zāi)工作的重點(diǎn)應(yīng)由農(nóng)村向城市轉(zhuǎn)移［16］。周魁一認(rèn)為中國(guó)防洪工程體系雖然規(guī)模不斷擴(kuò)大、標(biāo)準(zhǔn)逐步提高，但水災(zāi)損失依然增加的主要原因是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，包括無(wú)序發(fā)展造成的，單一的工程措施難以應(yīng)對(duì)，建議深入認(rèn)識(shí)洪水災(zāi)害的“雙重屬性（自然屬性與社會(huì)屬性）”，將防洪減災(zāi)方針由工程防洪向工程與非工程措施相結(jié)合轉(zhuǎn)變，重點(diǎn)發(fā)展非工程防洪措施，調(diào)整社會(huì)、適應(yīng)洪水，同時(shí)建立與之相適應(yīng)的法規(guī)體系、社會(huì)化減災(zāi)體系和防洪減災(zāi)領(lǐng)導(dǎo)體制［8，11，17-19］。程曉陶建議，在深入細(xì)致把握中國(guó)各流域水系洪水風(fēng)險(xiǎn)特性與演變趨向的基礎(chǔ)上，因地制宜，將工程與非工程措施有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，以法律、行政、經(jīng)濟(jì)、科技、教育等非工程措施來(lái)推動(dòng)更加有利于全局與長(zhǎng)遠(yuǎn)利益、標(biāo)準(zhǔn)適度的工程措施，輔以風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)與風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償政策，形成與洪水共存的治水方略［10］。向立云在中國(guó)洪水災(zāi)害特性變化分析、洪水風(fēng)險(xiǎn)總體分析評(píng)價(jià)、洪水管理約束分析的基礎(chǔ)上，提出了由控制洪水轉(zhuǎn)向洪水管理的防洪減災(zāi)政策建議［20-22］，認(rèn)為中國(guó)洪水管理策略的重點(diǎn)方向是維持現(xiàn)有防洪工程體系，強(qiáng)化洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)管理，提升內(nèi)澇尤其是城市內(nèi)澇治理能力，推行山洪風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、規(guī)避山洪風(fēng)險(xiǎn)等［23］。

上述策略與政策研究，為2003年水利部“由控制洪水向洪水管理轉(zhuǎn)變”的防洪減災(zāi)新思路的提出提供了有力支撐。

2.2 洪水風(fēng)險(xiǎn)與洪水風(fēng)險(xiǎn)管理風(fēng)險(xiǎn)指自然事件或人類(lèi)活動(dòng)可能造成的負(fù)面后果或損失，洪水風(fēng)險(xiǎn)指洪水事件對(duì)人類(lèi)社會(huì)或人類(lèi)生存環(huán)境可能造成的負(fù)面后果或損失［23-25］，可見(jiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)反映的是洪水為害的一面。構(gòu)成洪水風(fēng)險(xiǎn)需具備三個(gè)要素，缺一不可：某區(qū)域有發(fā)生洪水的可能性、該區(qū)域內(nèi)有暴露于洪水之中的承災(zāi)體（人、資產(chǎn)、人類(lèi)活動(dòng)、人類(lèi)生存環(huán)境）和在洪水作用下承災(zāi)體會(huì)出現(xiàn)損傷、破壞或功能失常，常簡(jiǎn)稱(chēng)為危險(xiǎn)性、暴露度和脆弱性［26］。由于洪水為隨機(jī)事件，因此通常采用期望損失和極端損失定量表達(dá)洪水風(fēng)險(xiǎn)的程度［20，27］。

由構(gòu)成洪水風(fēng)險(xiǎn)的三要素可見(jiàn)，洪水風(fēng)險(xiǎn)管理措施包括減少洪水發(fā)生可能性的措施，減少承災(zāi)體暴露性的措施和降低承災(zāi)體脆弱性的措施，前者需改變洪水運(yùn)動(dòng)特性，基本為工程措施，后兩者需改變、調(diào)整和引導(dǎo)人的行為，屬于非工程措施［28-29］。

洪水風(fēng)險(xiǎn)分析，即風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（評(píng)估危險(xiǎn)性、暴露度和脆弱性）和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（什么是可接受風(fēng)險(xiǎn)），為解決洪水管理決策者的困境和難題，確定適宜的措施提供了有效的方法和手段。因此，洪水風(fēng)險(xiǎn)管理是指在洪水風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，政府以公平的方式，采取綜合措施管理洪水和人的行為，改進(jìn)效率，保障生命安全的過(guò)程［23，25，28］。

3 防洪減災(zāi)技術(shù)發(fā)展

3.1 洪水分析方法與數(shù)學(xué)模型中國(guó)水科院的洪水分析方法研究源起于林秉南先生［30-31］，自1980年代起，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，洪水分析方法和洪水模擬數(shù)學(xué)模型進(jìn)入快速發(fā)展階段，劉樹(shù)坤在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)發(fā)了規(guī)則網(wǎng)格的二維洪水模擬模型，龔正贏、陸吉康等研究了潰壩洪水分析方法，開(kāi)發(fā)了一維潰壩洪水模擬模型。1990年代，程曉陶等研發(fā)了無(wú)結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格二維水沙運(yùn)動(dòng)仿真模型，有效模擬出黃河下游洪水淤灘刷槽、灘槽水沙交換、洪峰傳播變形的特征，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平［32-34］；同一時(shí)期開(kāi)發(fā)完成了高含沙水流和多沙河流的數(shù)學(xué)模型［35-37］。程曉陶、仇近衛(wèi)、李娜、陸吉康等針對(duì)城市地貌、地物的特點(diǎn)做了相關(guān)的研究，相繼發(fā)展和完善了原有模型［38-40］，在深圳、廣州、北京、天津、上海等十多個(gè)城市應(yīng)用［41-42］。馬建明和陸吉康研發(fā)了地形自適應(yīng)的網(wǎng)格剖分技術(shù)［43］。黃金池等開(kāi)發(fā)完成了統(tǒng)一的二維潰壩洪水分析模型和堰塞壩漫頂潰決流量過(guò)程模擬模型，分析了相關(guān)參數(shù)的敏感性，并在丹江口、溫泉水庫(kù)等多個(gè)水庫(kù)潰決案例中應(yīng)用［44-45］。張大偉等對(duì)上述模型進(jìn)行升級(jí)改造，使其能用于多庫(kù)連潰的洪水模擬中［46］。以上模型針對(duì)不同模擬對(duì)象進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母呕幚?，在保證計(jì)算穩(wěn)定性和計(jì)算效率的同時(shí)，又能滿(mǎn)足良好的精度，在技術(shù)上處于同時(shí)期國(guó)內(nèi)外相關(guān)模型的領(lǐng)先水平。

進(jìn)入21世紀(jì)，數(shù)值算法的改進(jìn)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，為精準(zhǔn)、高效的洪水分析模擬提供了條件。在二維模型方面，采用完整的二維淺水方程組進(jìn)行非結(jié)構(gòu)離散，采用具有激波捕捉能力的高分辨率計(jì)算格式開(kāi)發(fā)了新的二維模型，能夠自動(dòng)適應(yīng)流態(tài)變化，捕捉激波，在潰壩、潰堤等洪水類(lèi)型的模擬中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［47-49］。張大偉等基于潰壩的物理模型試驗(yàn)，研發(fā)了一種具有物理機(jī)制的概念性潰口模型［50］。在一維模型方面，使用高分辨率的計(jì)算格式開(kāi)發(fā)完成能夠進(jìn)行激波捕捉的潰壩洪水分析模型［51-52］，不僅能應(yīng)用到平原河網(wǎng)地區(qū)，也適用于坡度較陡峭的山丘區(qū)［53］。在城市管網(wǎng)水流計(jì)算模型方面，對(duì)國(guó)際主流的SWMM模型進(jìn)行了改造，使其便于與地表一維、二維模型耦合。為擴(kuò)大模型的適用范圍，完成了一維河網(wǎng)模型與二維模型的耦合，除較常使用的側(cè)向耦合和垂向耦合外，還創(chuàng)新地提出了在二維網(wǎng)格邊上直接進(jìn)行一維計(jì)算的耦合方式，進(jìn)一步提升整體的計(jì)算效率。相關(guān)模型達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，并在全國(guó)范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，經(jīng)過(guò)了大量實(shí)踐算例的檢驗(yàn)［54］。

3.2 洪水預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)中國(guó)水科院減災(zāi)中心自1990年代起，陸續(xù)開(kāi)展了一系列洪水預(yù)報(bào)研究工作。中心依托全國(guó)山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目，開(kāi)展了山洪預(yù)警預(yù)報(bào)、風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)確定、預(yù)警預(yù)報(bào)導(dǎo)則編制等研究，構(gòu)建了覆蓋全國(guó)范圍的山洪預(yù)警預(yù)報(bào)指標(biāo)體系。對(duì)于大江大河洪水預(yù)報(bào)，中心開(kāi)展了江西全省洪水預(yù)報(bào)的研究與應(yīng)用，為洪水預(yù)報(bào)與水庫(kù)調(diào)度雙向耦合奠定了理論、方法和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［55］。針對(duì)中小河流和干旱半干旱流域洪水預(yù)報(bào)，中心基于概念性水文模型和經(jīng)驗(yàn)方法開(kāi)展了大量模型構(gòu)建、參數(shù)率定和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)的研究與實(shí)踐，在陜西省多個(gè)干旱半干旱流域率先實(shí)現(xiàn)了基于超滲產(chǎn)流和混合產(chǎn)流水文模型的洪水預(yù)報(bào)，取得了良好的應(yīng)用效果［56］。對(duì)于精細(xì)洪水預(yù)報(bào)，基于分布式水文模擬技術(shù)，構(gòu)建了具有較強(qiáng)物理基礎(chǔ)的分布式洪水預(yù)報(bào)模型［57］。針對(duì)無(wú)資料地區(qū)洪水預(yù)報(bào)難題，利用遙感產(chǎn)品等多源數(shù)據(jù)，研發(fā)了基于水熱平衡的新型分布式水文模型，為解決無(wú)資料地區(qū)洪水預(yù)報(bào)問(wèn)題提供了全新的研究思路。對(duì)于模型參數(shù)率定方面，基于物理基礎(chǔ)方法和最優(yōu)化方法開(kāi)展了模型參數(shù)先驗(yàn)估計(jì)與自動(dòng)率定研究，顯著提升了洪水預(yù)報(bào)模型的可靠性和精度［58］。

高新技術(shù)跨學(xué)科交叉研究與應(yīng)用方面，利用人工智能技術(shù)，開(kāi)展了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的洪水預(yù)報(bào)研究，具有精度高、靈活性好的優(yōu)勢(shì)?；诟咝阅蹸PU+GPU異構(gòu)并行計(jì)算技術(shù)開(kāi)展了水文模型模擬和參數(shù)率定加速方面的研究，相對(duì)傳統(tǒng)CPU串行計(jì)算，并行軟件取得了幾十倍的加速效果，顯著提升了計(jì)算效率［59］。

3.3 洪水調(diào)度技術(shù)洪水調(diào)度技術(shù)主要利用一系列相互具有水文、水力、水利聯(lián)系的水庫(kù)及相關(guān)工程設(shè)施（如堤防、滯洪區(qū)、分蓄洪區(qū)等）進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)調(diào)度，在保證防洪設(shè)施自身安全的前提下，提高流域整體防洪能力，盡量減輕流域洪水影響與損失［60-61］。

中心先后以松花江、嫩江、淮河等流域以及廣東、江西、河南、陜西、河北、湖南、遼寧、云南、北京、上海等省市的防洪工程體系為對(duì)象，開(kāi)展了防洪聯(lián)合調(diào)度算法與模型研究，并在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了基于CPU和GPU異構(gòu)并行加速技術(shù)，將原有模型的計(jì)算速度提高到百倍以上［62-63］。將下山搜索策略引入到粒子群智能算法中，提出了改進(jìn)的粒子群算法并應(yīng)用于水庫(kù)群防洪優(yōu)化調(diào)度模型求解中，為水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型求解提供了新的途徑；采用自適應(yīng)遺傳算法和廣度變異模塊相結(jié)合的分層收斂算法，應(yīng)用于水庫(kù)防洪調(diào)度中，在一定程度上避免了自適應(yīng)遺傳算法陷入局部最優(yōu)的缺陷，實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度［64］。

在實(shí)際應(yīng)用方面，針對(duì)贛江、撫河、信江、饒河、修河和鄱陽(yáng)湖區(qū)（“五河一湖”），編制了洪水預(yù)報(bào)與防洪調(diào)度方案，研制了統(tǒng)一的洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)與防洪調(diào)度子系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了包括氣象產(chǎn)品應(yīng)用、實(shí)時(shí)汛情監(jiān)視、洪災(zāi)評(píng)估、防汛管理及三維仿真等子系統(tǒng)的防汛輔助支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“五河一湖”的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度與防汛輔助支持的全方位協(xié)同應(yīng)用，作為全國(guó)第一個(gè)真正意義上的集預(yù)報(bào)、調(diào)度和輔助決策于一體的防汛決策支持系統(tǒng)已運(yùn)行多個(gè)汛期［65］，全面提升了洪水調(diào)度技術(shù)水平；在調(diào)度展示方面，建立了三維場(chǎng)景構(gòu)建、仿真模型和三維高程分層設(shè)色圖，實(shí)現(xiàn)了流域、水系、地形地貌、主要城市、水庫(kù)、堤防、蓄滯洪區(qū)等地理要素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素、重要水利工程要素等信息的直觀仿真表達(dá)［66-67］。

3.4 水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制方法與技術(shù)中國(guó)大多數(shù)水庫(kù)興建于1950—1970年代，受當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)水平、技術(shù)條件、水文設(shè)計(jì)資料系列短缺的限制，許多水庫(kù)未能結(jié)合當(dāng)?shù)乇┯旰樗募竟?jié)性變化規(guī)律，對(duì)汛期進(jìn)行合理劃分，水庫(kù)在整個(gè)汛期采用固定的汛期限制水位度汛，往往造成水庫(kù)汛期不敢蓄水且棄水較多、汛后卻難以蓄滿(mǎn)的問(wèn)題，這種現(xiàn)象在北方地區(qū)尤為普遍。

2001年中國(guó)水科院結(jié)合國(guó)家防辦水庫(kù)汛限水位設(shè)計(jì)與運(yùn)用重大課題研究，初步形成了中國(guó)水庫(kù)汛期分期與分期洪水設(shè)計(jì)方法、洪水預(yù)報(bào)調(diào)度規(guī)劃設(shè)計(jì)方法、分期汛限水位確定、汛限水位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度運(yùn)用技術(shù)等。

基于上述研究成果，何曉燕等陸續(xù)開(kāi)展了河南板橋水庫(kù)、山西漳澤水庫(kù)、廣西巖灘水電站、甘肅碧口水電站的汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究［68-71］，進(jìn)一步完善了汛期水位動(dòng)態(tài)控制方法與技術(shù)。任明磊等在洪水預(yù)報(bào)信息、降雨預(yù)報(bào)信息的可利用性及其在動(dòng)態(tài)控制實(shí)時(shí)調(diào)度中的應(yīng)用等方面進(jìn)行了針對(duì)性研究［72-73］。

針對(duì)汛期水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，2007年水利部設(shè)立了“汛限水位調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制研究”項(xiàng)目，何曉燕等提出汛期水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)指的是由于水庫(kù)調(diào)度過(guò)程中自然、人為等不確定因素的影響，水庫(kù)系統(tǒng)在實(shí)施汛期水位動(dòng)態(tài)控制前后的風(fēng)險(xiǎn)變化，系統(tǒng)提出了水庫(kù)汛限水位調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)因子分類(lèi)與辨識(shí)理論和方法［74］；任明磊等利用java、jsp、flex技術(shù)、hiberbate數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)、ssh系統(tǒng)架構(gòu)、extjs等計(jì)算機(jī)技術(shù)及建立了水庫(kù)汛限水位調(diào)整綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系和評(píng)估模型，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了通用的水庫(kù)汛限水位調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)［75］。

為規(guī)范水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案的技術(shù)管理，支撐《水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案編制技術(shù)導(dǎo)則》的編制，中國(guó)水科院開(kāi)展了“水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)及可接受風(fēng)險(xiǎn)研究”，何曉燕等在以往水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)概念基礎(chǔ)上，提出了汛期水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系以及能夠綜合多種風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，確定了水庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制的可接受風(fēng)險(xiǎn)，提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施［76］。任明磊等提出了汛期水位動(dòng)態(tài)控制效益定量評(píng)估指標(biāo)體系及定量評(píng)估方法，并建立了風(fēng)險(xiǎn)效益綜合評(píng)估模型［77］；何曉燕等在以往研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合梯級(jí)水庫(kù)特點(diǎn)，將單庫(kù)汛期水位動(dòng)態(tài)控制及其風(fēng)險(xiǎn)效益評(píng)估的理論方法推廣應(yīng)用在梯級(jí)水庫(kù)群中［78］。目前，汛期水位動(dòng)態(tài)控制的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)基本形成，并經(jīng)過(guò)了23座試點(diǎn)水庫(kù)的應(yīng)用實(shí)踐。

3.5 洪水損失評(píng)估方法與技術(shù)洪災(zāi)損失評(píng)估可為洪水影響評(píng)價(jià)、防洪效益評(píng)價(jià)、洪水應(yīng)急預(yù)案的編制、防洪規(guī)劃的合理性分析，防洪減災(zāi)對(duì)策措施的制定等提供重要支持，是防洪減災(zāi)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究工作。

中國(guó)水科院減災(zāi)中心自1990年代起，持續(xù)開(kāi)展了洪澇災(zāi)害損失評(píng)估方法、技術(shù)研究，王艷艷探討了不同尺度下的洪澇災(zāi)害損失評(píng)估模式［79］，陳浩［80］等在調(diào)查黃河灘區(qū)歷史洪澇災(zāi)害損失的基礎(chǔ)上，建立房屋、家庭財(cái)產(chǎn)損失率線性函數(shù)關(guān)系，以及國(guó)家與集體財(cái)產(chǎn)、農(nóng)作物損失率等級(jí)關(guān)系；基于廣州市海珠區(qū)歷史災(zāi)害損失調(diào)查，得出城市分類(lèi)財(cái)產(chǎn)淹沒(méi)水深-洪水損失率關(guān)系，同時(shí)考慮了流速和洪水到達(dá)時(shí)間對(duì)洪災(zāi)損失率的影響。王艷艷根據(jù)上海市洪澇災(zāi)害損失歷史記錄以及保險(xiǎn)理賠資料分析建立了7種資產(chǎn)類(lèi)型的淹沒(méi)水深-損失率關(guān)系，對(duì)于風(fēng)暴潮引起的洪水將臺(tái)風(fēng)風(fēng)力作為洪水損失率的重要調(diào)整因素予以考慮［81］；在分析太湖流域的歷史洪水災(zāi)害數(shù)據(jù)以及相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上建立了太湖流域各類(lèi)資產(chǎn)的洪災(zāi)損失率關(guān)系，并根據(jù)太湖流域1999年大水淹沒(méi)情況對(duì)損失評(píng)估模型進(jìn)行了驗(yàn)證［82］。在《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》中對(duì)洪水影響和損失評(píng)估的數(shù)據(jù)、流程和方法等進(jìn)行了規(guī)范性的規(guī)定，用以指導(dǎo)全國(guó)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制中的洪水影響和損失評(píng)估［83］。

陳浩等在GIS平臺(tái)上基于洪水仿真模型和損失評(píng)估模型開(kāi)發(fā)了“北江大堤洪水風(fēng)險(xiǎn)信息管理系統(tǒng)”［84］，王艷艷等結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)和土地利用圖層，在GIS平臺(tái)上建立洪災(zāi)損失評(píng)估模型［85］。李娜等基于GIS技術(shù)建立了洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)［86］，對(duì)黃河下游山東段堤防潰決的損失進(jìn)行了分析。李紀(jì)人等建立了洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)評(píng)估方法［87］，丁志雄建立了遙感與GIS技術(shù)相結(jié)合的洪澇災(zāi)害損失評(píng)估技術(shù)方法體系［88］。

3.6 洪水情景分析技術(shù)洪水風(fēng)險(xiǎn)管理是全面提升水安全保障水平的必然選擇和發(fā)展方向［89］。情景分析技術(shù)可為洪水風(fēng)險(xiǎn)管理策略和政策提供支持，屬于未來(lái)預(yù)見(jiàn)研究的范疇。未來(lái)預(yù)見(jiàn)是探索未來(lái)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、科技等的變化趨勢(shì)，通過(guò)系統(tǒng)地識(shí)別、整合不確定性來(lái)研究未來(lái)可能發(fā)生的各種情景，為決策者提供調(diào)整現(xiàn)行政策、應(yīng)對(duì)未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)的決策支持信息［90］。2001年，英國(guó)科學(xué)家首次將未來(lái)預(yù)見(jiàn)的理念引入到未來(lái)洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)見(jiàn)的研究領(lǐng)域，并利用情景分析方法研究了英國(guó)的未來(lái)洪水風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題［91-93］。

在洪水情景分析研究中，程曉陶等構(gòu)建了未來(lái)洪水風(fēng)險(xiǎn)情景分析技術(shù)框架，結(jié)合中國(guó)國(guó)情從洪水風(fēng)險(xiǎn)的角度，提出了洪水災(zāi)害系統(tǒng)概念模型，為開(kāi)展太湖流域未來(lái)洪水風(fēng)險(xiǎn)情景研究奠定了基礎(chǔ)［94］。韓松等通過(guò)歸納分析太湖流域洪水、社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及防洪措施等的特征及其發(fā)展變化，建立影響洪水風(fēng)險(xiǎn)的各因素之間的動(dòng)因響應(yīng)關(guān)系，并研究了各因素在未來(lái)的變化趨勢(shì)［95］。王艷艷等建立的太湖流域洪災(zāi)損失評(píng)估模型，為太湖流域未來(lái)不同洪水特性與社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景下洪水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)分析提供了技術(shù)手段［82］。胡昌偉、王靜等人研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大尺度水力學(xué)模型，更好地反映出平原河網(wǎng)區(qū)多級(jí)圩堤及城鎮(zhèn)化過(guò)程中流域洪水特性的變化［96］。

3.7 堤基管涌分析及防治技術(shù)圍繞堤基管涌機(jī)理、動(dòng)態(tài)模擬和除險(xiǎn)合理設(shè)計(jì)等內(nèi)容開(kāi)展物理模型試驗(yàn)和數(shù)值分析研究，系統(tǒng)研究了管涌發(fā)展過(guò)程中的各種滲透破壞現(xiàn)象（包括流土、接觸沖刷等）及其相互作用，分析了不同堤基條件下管涌機(jī)理的特點(diǎn)和差異。

丁留謙等研究發(fā)現(xiàn)三層堤基中下臥強(qiáng)透水砂礫石層對(duì)堤基管涌破壞臨界水頭（水力比降）的巨大影響以及與單層和雙層堤基不同的管涌發(fā)展機(jī)理和破壞模式［97］，豐富了對(duì)堤基管涌機(jī)理的認(rèn)識(shí)；提出了管涌發(fā)展動(dòng)態(tài)模擬的概化數(shù)學(xué)模型，研究了管涌發(fā)展過(guò)程中滲流場(chǎng)變化的特點(diǎn)，給出了管涌破壞鋒面滲透坡降變化的過(guò)程和特點(diǎn)，解釋了管涌物理模型試驗(yàn)中直觀上難以理解的現(xiàn)象［98］；將布萊-萊茵滲徑系數(shù)方法的思想擴(kuò)展應(yīng)用到雙層堤基的滲流控制中，提出了蓋重的合理寬度和管涌搶險(xiǎn)的合理范圍，研究了雙層堤基懸掛式防滲墻在控制管涌發(fā)展和提高堤基抵抗管涌破壞能力方面的作用和效果，提出了雙層堤基上懸掛式防滲墻的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)計(jì)算方法［99］，關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容已納入中國(guó)堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范。孫東亞、解家畢等開(kāi)展了堤壩工程失事概率分析方法及潰決模式、事件樹(shù)法原理及其在堤壩風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用等研究，收集整理全國(guó)自1949年以來(lái)3498座水庫(kù)潰壩案例，建立了潰壩案例庫(kù)，分析了中國(guó)潰壩率高的原因及其主要潰決模式，可應(yīng)用于堤壩潰決洪水分析、防汛應(yīng)急預(yù)案制訂和應(yīng)急搶險(xiǎn)決策［100-102］。

3.8 崩岸治理軟體排技術(shù)針對(duì)長(zhǎng)江崩岸治理，開(kāi)發(fā)了軟體排護(hù)岸技術(shù)。黃永健等通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，論證了傳統(tǒng)拋石散體護(hù)岸的缺陷和軟體排拋石壓重整體平順護(hù)岸的優(yōu)越性，結(jié)合試驗(yàn)工程完善了軟體排材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及施工工藝等［103-105］。該技術(shù)在長(zhǎng)江干流江西省棉船洲和安徽蕪湖東梁山河段、珠海白蕉聯(lián)圍燈籠東3險(xiǎn)段得到應(yīng)用，多年觀測(cè)結(jié)果揭示，3個(gè)崩岸治理河段均出現(xiàn)不同程度的淤積，河勢(shì)平穩(wěn)，岸坡穩(wěn)定。該項(xiàng)技術(shù)核心內(nèi)容已納入中國(guó)堤防工程設(shè)計(jì)和施工規(guī)范。

3.9 岸坡防護(hù)生態(tài)工程技術(shù)針對(duì)自然河道治理渠道化和硬質(zhì)化等導(dǎo)致的自然棲息地質(zhì)量下降等問(wèn)題，提出了河流生態(tài)修復(fù)理論，開(kāi)發(fā)了生態(tài)水利工程技術(shù)。董哲仁、孫東亞等提出河道整治工程設(shè)計(jì)應(yīng)強(qiáng)調(diào)人與自然和諧的生態(tài)建設(shè)要求，采用與周?chē)匀痪坝^協(xié)調(diào)的河道岸坡防護(hù)工程結(jié)構(gòu)形式，在滿(mǎn)足工程安全的前提下，確保生態(tài)和景觀的多種護(hù)岸形式，如植物纖維墊、植物梢料、生態(tài)型混凝土護(hù)坡、生態(tài)型擋土墻、土工織物扁袋、塊石和植被等，為植物生長(zhǎng)及魚(yú)類(lèi)、兩棲類(lèi)動(dòng)物和昆蟲(chóng)的棲息與繁殖創(chuàng)造條件［106-107］。

3.10 洪水風(fēng)險(xiǎn)信息表達(dá)技術(shù)洪水風(fēng)險(xiǎn)信息包括洪水淹沒(méi)信息、可能受洪水淹沒(méi)或影響的承災(zāi)體及其脆弱性信息、洪水損失及影響信息，以及相關(guān)的水文信息、預(yù)報(bào)信息、調(diào)度信息、水利工程信息、基礎(chǔ)地理信息等［108］，涉及GIS、三維、數(shù)據(jù)模型、虛擬仿真等技術(shù)等，程曉陶等總結(jié)了三維展示技術(shù)在防汛減災(zāi)工作中的重要作用［109-110］；李紀(jì)人等認(rèn)為空間信息技術(shù)是防洪減災(zāi)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，總結(jié)了空間信息技術(shù)在信息展示、防洪模擬等方面的作用［111］。

黃詩(shī)峰等將GIS的空間顯示功能，應(yīng)用到防汛指揮決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)洪水相關(guān)信息及背景數(shù)據(jù)的綜合展示及決策結(jié)果的可視化表達(dá)［112］；陳煜等利用GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了洪水信息的在線表達(dá)和地圖展示［113］。2003年，中國(guó)水科院減災(zāi)中心牽頭研發(fā)了全國(guó)七大流域及省級(jí)三維電子沙盤(pán)，首次實(shí)現(xiàn)了大尺度場(chǎng)景中遙感信息、防洪工程、洪水災(zāi)害等相關(guān)信息的三維可視化展示，并先后應(yīng)用于汶川地震應(yīng)急會(huì)商、流域防汛演習(xí)等方面［114-115］。2013年，減災(zāi)中心主持編寫(xiě)了《防汛抗旱用圖圖式（SL73.7-2013）》，規(guī)范了相關(guān)信息的表達(dá)。徐美等利用數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等數(shù)據(jù)技術(shù)，首次將地圖表達(dá)及模型驅(qū)動(dòng)技術(shù)引入到洪水風(fēng)險(xiǎn)圖研究中，建立水利地圖數(shù)據(jù)模型、實(shí)現(xiàn)地圖符號(hào)智能優(yōu)化［116］，推動(dòng)洪水風(fēng)險(xiǎn)信息表達(dá)向動(dòng)態(tài)化、智慧化方向發(fā)展。當(dāng)前人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)發(fā)展迅速，為洪水風(fēng)險(xiǎn)信息的表達(dá)提供了新的方法和手段，中國(guó)水科院減災(zāi)中心開(kāi)展了相應(yīng)研究，包括綜合BIM、GIS、VR等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)模型支撐下的城市洪水過(guò)程的智能化虛擬仿真，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量多源洪水風(fēng)險(xiǎn)信息的動(dòng)態(tài)化表達(dá)等［117-118］。

3.11 防洪決策支持技術(shù)防洪決策支持技術(shù)包括信息處理技術(shù)、洪水預(yù)報(bào)技術(shù)、洪水調(diào)度技術(shù)、洪災(zāi)損失評(píng)估技術(shù)等，是水利信息化建設(shè)的主要內(nèi)容之一［119-120］。中國(guó)防洪決策支持系統(tǒng)建設(shè)始于1990年代，先后開(kāi)展了流域、省和國(guó)家防洪決策支持系統(tǒng)的研究、開(kāi)發(fā)和建設(shè)，2005—2011年，水利部建設(shè)完成了國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程，成為水利信息化的龍頭和骨干工程，并于2014年，啟動(dòng)二期工程建設(shè)［121-122］。為配合各級(jí)防汛指揮系統(tǒng)的建設(shè)，減災(zāi)中心逐步形成了防洪決策支持技術(shù)體系［109］。

決策支持技術(shù)涉及眾多信息技術(shù)包括數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GIS、遙感技術(shù)、洪水仿真技術(shù)、情景分析技術(shù)等。李紀(jì)人等認(rèn)為空間信息技術(shù)是防洪減災(zāi)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，將遙感、GIS、導(dǎo)航等技術(shù)應(yīng)用到防洪決策支持工作中［123］；劉舒等利用套接字技術(shù)解決了水動(dòng)力模型的網(wǎng)絡(luò)化問(wèn)題［124］；苑希民等利用三維信息技術(shù)，解決了大范圍洪水信息的三維可視化問(wèn)題［114］。減災(zāi)中心先后完成了一系列不同層次的決策支持系統(tǒng)研發(fā)，起到了示范和引領(lǐng)作用。1992年開(kāi)發(fā)的“淮河中游防洪決策支持系統(tǒng)”，首次將河網(wǎng)一維非恒定流實(shí)時(shí)分析模型和洪水信息動(dòng)態(tài)展示技術(shù)用于防洪決策支持；在北京城市防汛應(yīng)急系統(tǒng)預(yù)報(bào)預(yù)警調(diào)度平臺(tái)中，將網(wǎng)格化管理應(yīng)用到城市防洪突發(fā)事件的應(yīng)急處置中，提高了城市防汛突發(fā)事件決策的流程化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化［125］；在廣東省三防指揮系統(tǒng)二期工程決策支持業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中，首次在防汛指揮系統(tǒng)采用基于業(yè)務(wù)流程的功能組織方式［126］。針對(duì)目前防洪中的城市內(nèi)澇問(wèn)題、山洪災(zāi)害預(yù)警等熱點(diǎn)難點(diǎn)，先后在北京市、上海市、深圳市、成都市、佛山市等城市展開(kāi)研究，將水利專(zhuān)業(yè)模型與大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)結(jié)合，推進(jìn)城市洪澇災(zāi)害防治決策支持的智能化。

4 結(jié)語(yǔ)

1990年減災(zāi)中心成立以來(lái)，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，防洪減災(zāi)學(xué)科體系基本形成。初步建立了以洪水風(fēng)險(xiǎn)管理理論為指導(dǎo)，以洪水風(fēng)險(xiǎn)分析方法和技術(shù)為核心的防洪減災(zāi)策略、政策、措施研究體系，以此為基礎(chǔ)提出的宏觀研究成果，為中國(guó)防洪減災(zāi)方略的調(diào)整與完善提供了科學(xué)依據(jù)和理論支撐；在水文分析、洪水預(yù)報(bào)預(yù)警、洪水?dāng)?shù)值分析、洪水損失評(píng)估、洪水調(diào)度、工程安全、洪水資源化、防洪減災(zāi)信息仿真展示和防洪決策支持方法、技術(shù)方面開(kāi)展了持續(xù)系統(tǒng)的研究，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，形成了較為完善的防洪減災(zāi)技術(shù)工具體系。在中國(guó)，上述理論、方法、技術(shù)和模型一直處于領(lǐng)先地位，并總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。減災(zāi)中心針對(duì)防洪減災(zāi)實(shí)際工作需求，以上述技術(shù)和模型體系為核心，建立了洪水（山洪、內(nèi)澇）預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)、防洪調(diào)度系統(tǒng)、防洪決策支持系統(tǒng)、洪水分析系列軟件、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制系統(tǒng)等，在全國(guó)范圍內(nèi)陸續(xù)得到推廣應(yīng)用，取得了良好效果。

目前，中國(guó)防洪減災(zāi)策略仍處于戰(zhàn)略調(diào)整期，由工程防洪向洪水風(fēng)險(xiǎn)綜合管理的轉(zhuǎn)變面臨觀念、政策、法規(guī)、體制等方面的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，迫切需要在洪水風(fēng)險(xiǎn)管理理論框架下融合社會(huì)科學(xué)、政策科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、行政科學(xué)等，建立適合國(guó)情的應(yīng)對(duì)相關(guān)問(wèn)題與挑戰(zhàn)的理論方法體系，為防洪減災(zāi)策略的合理有效地調(diào)整和相關(guān)政策的制定提供科學(xué)依據(jù)?？焖侔l(fā)展并持續(xù)實(shí)用化的精細(xì)探測(cè)感知、大數(shù)據(jù)、超級(jí)計(jì)算、人工智能和桌面推演等技術(shù)為洪水全過(guò)程、精細(xì)化、高效率分析模擬和檢驗(yàn)提供了有效手段和支撐，充分利用上述技術(shù)，研究洪水形成、發(fā)展、演變和致災(zāi)機(jī)理，不斷提升各類(lèi)模型的效能，構(gòu)建滿(mǎn)足防洪減災(zāi)應(yīng)用需求的實(shí)用化工具和系統(tǒng)是未來(lái)防洪減災(zāi)技術(shù)發(fā)展的方向之一。社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與防洪減災(zāi)的關(guān)系、受洪水威脅的承災(zāi)體脆弱性與恢復(fù)力、洪水威脅區(qū)人類(lèi)行為、降低洪水暴露度與脆弱性方法措施、極端洪水評(píng)估與應(yīng)對(duì)等方面的研究十分薄弱，甚至處于空白狀態(tài)，是亟待探索和拓展的研究領(lǐng)域。