李 剛

2012年7月21日的北京，暴雨瘋狂肆虐，雨量歷史罕見。暴雨引發(fā)房山地區(qū)山洪暴發(fā)，拒馬河上游洪峰下泄。全市受災(zāi)人口達(dá)190萬人，其中79人遇難，經(jīng)濟(jì)損失近百億元。

2020年6月開始，安徽、江西、湖北、重慶等地發(fā)生大范圍強(qiáng)降雨，引發(fā)嚴(yán)重暴雨洪澇災(zāi)害。截至2020年7月10日14時(shí)，洪澇災(zāi)害造成全國27省（區(qū)、市）3385萬人次受災(zāi)，141人死亡失蹤，195.8萬人次緊急轉(zhuǎn)移安置，81.5萬人次須緊急生活救助；2.3萬間房屋倒塌，26.9萬間不同程度損壞；農(nóng)作物受災(zāi)面積2983千公頃；直接經(jīng)濟(jì)損失695.9億元……

一組組數(shù)據(jù)告訴我們，在洪水面前，人類是多么渺小無助。在這樣一個(gè)洪災(zāi)日益多發(fā)，造成的災(zāi)情日益嚴(yán)重的時(shí)代，建立“政府主導(dǎo)、部門聯(lián)動(dòng)、社會(huì)參與”的防災(zāi)減災(zāi)體系，是可行且刻不容緩的。減免洪水災(zāi)害損失有兩類措施：一類是工程性措施，即修建水庫、閘壩、堤防、分蓄洪區(qū)等；另一類是非工程性措施，即通過改變?yōu)暮Φ挠绊憗磉_(dá)到減少災(zāi)害損失的目的，洪水預(yù)報(bào)工作就是最主要的非工程性措施之一?！昂樗A(yù)報(bào)調(diào)度是重要城市防洪或水工建筑物進(jìn)行水科學(xué)管理的必要手段。準(zhǔn)確及時(shí)的預(yù)報(bào)可使工程合理調(diào)度，及時(shí)采取防洪搶險(xiǎn)措施，力求使洪災(zāi)損失降到最低限度?！敝袊娍茖W(xué)研究院水資源所水資源調(diào)度室教授級(jí)高級(jí)工程師廖衛(wèi)紅說。

廖衛(wèi)紅2014年在新疆某水電站調(diào)研

“冥冥之中自有天意”

“北京市氣象臺(tái)2021年6月25日22時(shí)20分發(fā)布暴雨藍(lán)色預(yù)警信號(hào)：受強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)影響，預(yù)計(jì)當(dāng)前至26日0時(shí)，城區(qū)及東南部地區(qū)將出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng)30～50毫米的強(qiáng)降水，請(qǐng)注意防范?！笨吹巾撁鎻棾龅倪@則新聞，緊盯電腦顯示屏的廖衛(wèi)紅不免心頭一緊。北京“七·二一”特大暴雨事件仍然歷歷在目，北京市密云水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的研發(fā)負(fù)責(zé)人廖衛(wèi)紅一到下雨天，就會(huì)遠(yuǎn)程值班，及時(shí)關(guān)注水庫水位變化，做好預(yù)警工作。好在第二天，天空放晴了，她那顆懸著的心也終于放了下來。

廖衛(wèi)紅說：“洪水預(yù)報(bào)是當(dāng)今水文水資源學(xué)科中一個(gè)重要的分支。它是根據(jù)流域上發(fā)生的暴雨或河流上游的來水，經(jīng)過水情信息采集、傳輸、存貯、處理和一系列的科學(xué)計(jì)算，最終預(yù)估在其一控制斷面即將發(fā)生的實(shí)際洪水過程。由于洪水預(yù)報(bào)要求準(zhǔn)確、及時(shí)，因此，我需要隨時(shí)掌握相關(guān)數(shù)據(jù)變化。”

當(dāng)被問及是如何與這一研究領(lǐng)域結(jié)緣時(shí)，她笑著回答道：“冥冥之中自有天意吧！”2003年，17歲的廖衛(wèi)紅考上了武漢大學(xué)，進(jìn)入水利水電工程專業(yè)。廖衛(wèi)紅自小便對(duì)理工科感興趣，通過學(xué)習(xí)，她慢慢認(rèn)識(shí)到水利水電的重要性。秉持著“做一行愛一行”的理念，廖衛(wèi)紅從本科、碩士到博士一直都沒有改變研究方向。2012年畢業(yè)后，她便留在了讀博單位——中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所工作。

由于與河流水域打交道，廖衛(wèi)紅經(jīng)常需要去實(shí)地考察，出差已是家常便飯?！耙话闱闆r下，我一個(gè)月得出差兩次。多的時(shí)候，差不多就得一個(gè)星期一次了，而且經(jīng)常出去一次就是一周時(shí)間?！绷涡l(wèi)紅說，她還清楚地記得，第一次出差是在讀博期間，跟著單位主任去了長春。那會(huì)兒恰逢她的生日。由于當(dāng)時(shí)做的水文模型也不成熟，生日那天，她還跟著主任在酒店熬夜加班調(diào)代碼?！澳菚?huì)兒我覺得特別委屈，還偷偷哭過，但也清楚工作還得好好做下去?，F(xiàn)在回想起來，雖然出差時(shí)難免有心酸，但更多的還是收獲！”有一次，廖衛(wèi)紅遠(yuǎn)赴新疆庫爾勒，在那里她看到了從未見過的河流地貌特征，“在庫爾勒，不管是水庫建設(shè)還是用水需求，都跟內(nèi)地不同。中東部地區(qū)都是‘百川異源而皆歸于?！?，可那里的水循環(huán)規(guī)律就不同了，有的河流到中下游就斷了流”。

一次次的實(shí)地勘探讓廖衛(wèi)紅掌握了許多書本上學(xué)不到的知識(shí)，再加上十余年的潛心研究，現(xiàn)如今，她在分布式水文模型、集合預(yù)報(bào)等領(lǐng)域取得了豐碩的成果。主持或參加20多項(xiàng)科研項(xiàng)目，獲得省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)4項(xiàng)，發(fā)表論文80余篇，其中SCI檢索23篇，EI檢索15篇；出版專著5本，其中譯著1本；授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)；獲批軟件著作權(quán)13項(xiàng)；參編標(biāo)準(zhǔn)2部等。

開展流域高性能水文模擬應(yīng)用研究

隨著科技的發(fā)展，水文學(xué)作為一門歷史悠久的學(xué)科也越來越趨向于數(shù)字化與定量化，水文模型應(yīng)運(yùn)而生。它是數(shù)學(xué)模型用數(shù)字語言將自然現(xiàn)象符號(hào)化的水文學(xué)應(yīng)用。相對(duì)于河口水文模型、山坡水文模型等其他水文模型而言，流域水文模型的研究更加具有實(shí)際意義。

“流域水文模型把流域總體看成是一個(gè)系統(tǒng)，輸入為降雨等，輸出為出流流量等。流域內(nèi)的水文過程則是系統(tǒng)的狀態(tài)，是根據(jù)水文概念推理計(jì)算出來的。”廖衛(wèi)紅介紹道，“近年來，流域水文模型研究實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。一個(gè)很重要的原因就是計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的快速提高?，F(xiàn)如今，我們可以充分利用這些高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行超大計(jì)算量的數(shù)據(jù)分析。這在以前是想都不敢想的?！?/p>

2017年，基于高性能計(jì)算技術(shù)支持，廖衛(wèi)紅所在團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“面向E級(jí)計(jì)算的流域高性能水文模擬應(yīng)用示范”的課題研究。該課題基于E級(jí)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了流域水系分級(jí)嵌套耦合大規(guī)模高性能水文模擬軟件系統(tǒng)在全國范圍內(nèi)的應(yīng)用示范，為國家流域一體化防洪和跨區(qū)域水資源科學(xué)配置提供支撐：首先，搭建大規(guī)模水文模擬分析的海量異構(gòu)數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)；隨后，研制多源數(shù)據(jù)、多模型與參數(shù)組合流域洪水/徑流超級(jí)集合預(yù)報(bào)技術(shù)；開發(fā)多尺度嵌套水文模擬與預(yù)報(bào)可視化系統(tǒng)；在全國范圍內(nèi)開展跨越山洪溝-中小河流-大江大河的流域洪水/徑流過程精細(xì)化模擬與預(yù)報(bào)應(yīng)用示范，獲得一批重要的高精度水文數(shù)值模擬/預(yù)報(bào)成果。

歷時(shí)3年的研究，廖衛(wèi)紅帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功研制出并實(shí)現(xiàn)了快速精確的流域水文超級(jí)集合預(yù)報(bào)及可視化展示。該項(xiàng)目不僅極大地推進(jìn)了我國先進(jìn)的高性能計(jì)算機(jī)在重大行業(yè)的應(yīng)用，提升了我國科學(xué)研究的綜合水平，而且其應(yīng)用的大規(guī)模精細(xì)化水文模擬技術(shù)，能夠有效提高變化環(huán)境下大范圍水文情勢(shì)變化的模擬預(yù)報(bào)精度，提升了我國在流域一體化防洪、區(qū)域水災(zāi)害方面的應(yīng)急響應(yīng)及科學(xué)決策能力。

探索城市洪澇實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)

從2018年開始，廖衛(wèi)紅往返福州50多次，開始從流域洪水預(yù)報(bào)進(jìn)一步拓展到城市洪澇預(yù)報(bào)。

福州具有沿海重要城市環(huán)境特點(diǎn)決定了福州城市水系統(tǒng)模型的復(fù)雜性。首先，福州地處海峽西岸，面臨大海背靠武夷山山脈。東南方向水汽輸送能力強(qiáng)，而西北部武夷山地形隆起，因而臺(tái)風(fēng)雨、局部短歷時(shí)強(qiáng)降雨易發(fā)頻發(fā)。其次，福州市區(qū)地處低洼易澇區(qū)，三面環(huán)山，一面臨海。上游山洪來襲，中無城市蓄滯空間，下游閩江潮位頂托，由此造成福州市本體就是一個(gè)大水缸，有進(jìn)無出；此外，福州城市后天的防洪排澇設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，大部分內(nèi)河防洪標(biāo)準(zhǔn)低于5年一遇，城市排水工程建設(shè)不完整、質(zhì)量不過關(guān)，排水能力不足，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低。1年一遇、2年一遇管網(wǎng)比重在整個(gè)城市排水系統(tǒng)中高達(dá)71%以上。

廖衛(wèi)紅2012年博士畢業(yè)留影

針對(duì)福州城市水系和內(nèi)澇特點(diǎn)，廖衛(wèi)紅帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了包括水文模擬預(yù)報(bào)、一維河道水動(dòng)力模擬、一維河道水質(zhì)模型、一維管網(wǎng)模型、二維地面積水模型、智慧調(diào)度等模型體系。針對(duì)福州城區(qū)東北部山丘區(qū)和城區(qū)平原匯水區(qū)，分別建立了不同的水文模型進(jìn)行匯水區(qū)的水文模擬和預(yù)報(bào)，重點(diǎn)解決小尺度（不足20平方公里）無資料地區(qū)模擬難的問題；在河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，接入了所有河道閘泵等工程的調(diào)度規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了潮位頂托、工程調(diào)度影響的福州城區(qū)河道水動(dòng)力過程精細(xì)化模擬；考慮城區(qū)管網(wǎng)、地面匯流之間的水量交互，管網(wǎng)溢流，以及河道水位對(duì)城區(qū)管網(wǎng)的頂托作用，對(duì)城市管網(wǎng)-地表匯流-河道模型實(shí)現(xiàn)了耦合模擬。總的來說，針對(duì)福州復(fù)雜的先天環(huán)境和后天設(shè)施條件，依托實(shí)時(shí)傳入的站網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建的這套耦合模型進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬和預(yù)報(bào)，可對(duì)城市內(nèi)河水位、流量過程每半小時(shí)自動(dòng)預(yù)報(bào)，并在發(fā)生中雨及以上量級(jí)降雨情況下，自動(dòng)進(jìn)行城市內(nèi)澇預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)長為未來2～6小時(shí)。

在具體的應(yīng)用中，模型還可以實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前城市水體剩余防洪庫容、納雨能力；在雨前給出各水體控制水位，雨中、雨后給出各閘泵工程具體的調(diào)度方案。對(duì)福州市城區(qū)水系的科學(xué)調(diào)度提供7×24小時(shí)的服務(wù)。截至目前，模型已在福州市城區(qū)水系科學(xué)調(diào)度系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)行2年，累計(jì)支撐四級(jí)以上應(yīng)急預(yù)案的科學(xué)調(diào)度100余次。后續(xù)還將進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)和模擬預(yù)報(bào)情況不斷提升模型精度和效率，更好地為福州市城區(qū)內(nèi)澇的預(yù)警和調(diào)度處置提供服務(wù)支撐。

廖衛(wèi)紅在維也納參加2018年歐洲地學(xué)聯(lián)盟（EGU）會(huì)議

確保河流、河口生態(tài)安全

深入踐行以人民為中心的習(xí)近平生態(tài)文明思想，在治理理念、路徑、模式、手段等方面大膽創(chuàng)新，在加快構(gòu)建水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水經(jīng)濟(jì)、水文化等體系上，廖衛(wèi)紅也進(jìn)行了卓有成效的探索實(shí)踐。

入海污染源多，難以準(zhǔn)確追蹤定位，因而不確定性程度大、規(guī)劃難度高，河口污染治理規(guī)劃可以說是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的前沿性研究。為解決該問題，廖衛(wèi)紅帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“河流、河口污染的溯源與治理規(guī)劃”的項(xiàng)目研究。課題組圍繞河口水環(huán)境三維立體監(jiān)測(cè)、河流河口水量水質(zhì)模擬技術(shù)、突發(fā)污染追蹤溯源模型、河口水生態(tài)健康評(píng)價(jià)、河口污染治理規(guī)劃等方面實(shí)現(xiàn)了一系列技術(shù)突破。

此外，廖衛(wèi)紅還在漢江、長江等河流圍繞生態(tài)安全開展了水庫群調(diào)度研究。廖衛(wèi)紅坦言，技術(shù)創(chuàng)新的背后離不開大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興科技的支持，要實(shí)現(xiàn)“興水利、防水害”的目標(biāo)，還須不斷學(xué)習(xí)新本領(lǐng)，擴(kuò)充新知識(shí)。

大禹治水，平息了“名川三百，支流三千，小者無數(shù)”的水患，成就了千古治水偉業(yè)?？缭綌?shù)千年，九州大地風(fēng)和日麗、海晏河清、民生幸福，依然是中國人民不懈追求、為之奮斗的夢(mèng)想。廖衛(wèi)紅相信，在科技的助力下，在廣大水利工作者的共同努力下，新時(shí)代防災(zāi)減災(zāi)“安全墻”定會(huì)牢牢筑起！