田福昌，苑希民，何立新，王秀杰，王麗娜，郭立兵

（1．天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2．天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；3．河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北邯鄲 075000；4．中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司智慧水務(wù)分公司，天津 300074；5．寧夏回族自治區(qū)水旱災(zāi)害防御中心，寧夏銀川 750002）

1 研究背景

凌汛是冰凌堆積堵塞產(chǎn)生水流阻力而引起江河水位明顯上漲的一種水文現(xiàn)象［1］，普遍發(fā)生于高緯度高海拔寒區(qū)河流，而我國是世界上凌汛災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國家之一。由于特殊的地理位置和水文氣象條件影響，我國寒區(qū)河流凌汛災(zāi)害（即“凌災(zāi)”）頻繁發(fā)生并造成嚴(yán)重?fù)p失，為冬春季節(jié)北方江河的重大自然災(zāi)害之一，凌汛災(zāi)害風(fēng)險的科學(xué)評估與防控十分困難［2］。古人云：“伏汛易搶、凌汛難防”，一語道出了凌汛險情自古難以防御且搶險極為困難，更有“凌汛決口、河官無罪”，映射出了凌汛堤防潰決災(zāi)害防守難度和人類面對凌汛決口事件的脆弱度，尤其北方黃河寧蒙段淤積形成新懸河，防凌形勢更加嚴(yán)峻，已成為影響我國重大戰(zhàn)略——黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)建設(shè)的主要因素之一。加強凌汛災(zāi)害風(fēng)險管理與科學(xué)防控，提高寒區(qū)防凌減災(zāi)能力，切實減輕凌災(zāi)風(fēng)險，既是寒區(qū)自然災(zāi)害防治的必然需要，也是國家可持續(xù)發(fā)展和重大戰(zhàn)略順利實施的需要。

近年來，我國寒區(qū)河流凌汛災(zāi)害問題引起了冰凍圈和水利學(xué)者的高度關(guān)注，同時也是防凌減災(zāi)領(lǐng)域研究的熱點和難點。由于氣溫變化、水流條件、河道邊界和人類活動等多重因素影響，凌汛災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境越趨復(fù)雜，呈現(xiàn)致災(zāi)因子多樣、承災(zāi)體脆弱性大等顯著特征［3-4］。寒區(qū)凌汛災(zāi)害的孕育、發(fā)生及演變與河道-堤防-泛區(qū)緊密關(guān)聯(lián)，目前對于河道-堤防-泛區(qū)系統(tǒng)凌汛致災(zāi)成災(zāi)過程、規(guī)律、機制及風(fēng)險評估防控方法的研究還不夠深入，在新時代水利高質(zhì)量發(fā)展以及氣候變化和人類活動耦合作用愈發(fā)凸顯的背景下，有必要歸納總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于寒區(qū)河道-堤防-泛區(qū)凌汛災(zāi)害評估與防控的研究進展，剖析現(xiàn)有研究不足，展望未來研究方向，以期為變化條件下凌汛災(zāi)害科學(xué)防御與風(fēng)險量化管理提供支持。本文將分析探討凌汛成因與凌汛災(zāi)害特征、河冰及凌汛洪水?dāng)?shù)值模型、河道凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估、凌汛期堤防險情與潰堤淹沒風(fēng)險評估、凌汛災(zāi)害風(fēng)險防控措施等方面的研究進展，并在寒區(qū)河道-堤防-泛區(qū)凌汛災(zāi)害的理解與認(rèn)識的基礎(chǔ)上，剖析現(xiàn)有研究存在的不足，進而提出氣候變化與人類活動耦合驅(qū)動下凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估防控領(lǐng)域未來有待深入研究和取得創(chuàng)新突破的主要方向。

2 國內(nèi)外研究動態(tài)

2.1 凌汛成因與凌汛災(zāi)害特征研究 凌汛形成、演變及其致災(zāi)成災(zāi)過程的影響因素眾多，主要包括氣溫變化、水流條件、河道邊界和人類活動等［5］，以上因素導(dǎo)致凌汛災(zāi)害系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成十分復(fù)雜，呈現(xiàn)多維性、模糊性以及不確定性等復(fù)雜特性。目前國內(nèi)外學(xué)者更多是根據(jù)寒區(qū)河流的地理環(huán)境、水文、氣象及工程情況，研究探討了不同因素對凌情與凌汛災(zāi)害及其變化的影響。

近年來，國外學(xué)者主要關(guān)注氣候變化對凌汛形成與災(zāi)害風(fēng)險的影響。其中Beltaos［6］研究了氣候變化和人類活動調(diào)控下河道封河水位、流量對Peace-Athabasca Delta 冰塞洪水的影響，證明凌汛形成及其致災(zāi)過程對氣候和水動力因素比較敏感，認(rèn)為量化不同因素對凌汛洪水災(zāi)害的影響程度，具有重要意義。Takács 等［7］分析了氣候變化條件下Drava River 下游1875年以來河冰演變的時間特征，主要體現(xiàn)在河冰封凍時間推遲、解凍時間提前，河冰覆蓋的時間明顯減少，認(rèn)為氣溫與河冰生消演變的相關(guān)性最強。Rokaya 等［8］評估了氣候變化條件下加拿大Athabasca River 未來2041年至2070年發(fā)生冰塞洪水的可能性。Turcotte 等［9］提出了一個描述氣候變化、河道流量、河流形態(tài)與河冰過程及輸沙響應(yīng)的研究框架，并初步建立了各類影響因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，探討了氣候變化對加拿大Quebec 冰壩潰決事件頻率和冰塞洪水風(fēng)險的影響。

國內(nèi)學(xué)者主要以黃河凌汛為研究對象，探討了凌汛成因及其對凌情及凌汛災(zāi)害的影響，揭示了凌汛災(zāi)害演變特征。其中馮國華等［10］分析了成冰期、結(jié)冰期、融冰期、消冰期的冰情演變特征，認(rèn)為熱力、動力和河勢是凌汛三大主要成因。閆新光［11］研究得出封河冰面低、冰下過流能力弱、槽蓄水增量大、冰層偏厚、氣溫變幅大、河道堆冰壅高水位等是黃河特大凌汛成因。近年來，劉吉峰等［12］、鄧宇等［13］分析了氣溫變化對黃河寧蒙段流凌時間、封河時間、開河時間以及冰蓋厚度等凌情的影響。雷鳴等［14］、冀鴻蘭等［15］研究了龍羊峽和劉家峽水庫聯(lián)合調(diào)控以及萬家寨水庫運用對黃河寧蒙段凌情及凌汛災(zāi)害的影響，認(rèn)為水庫調(diào)度對凌汛威脅減輕具有重要作用。蘇騰等［16］探討了黃河寧蒙段水文-水溫過程和河道形態(tài)變化對凌汛的影響，認(rèn)為凌汛期徑流量、水溫、河道斷面面積和平均水深等均呈現(xiàn)逐年增大趨勢，有助于減小凌汛災(zāi)害發(fā)生幾率，緩解開河期可能出現(xiàn)的凌汛災(zāi)情。關(guān)于凌汛災(zāi)害特征研究，郜國明等［2］認(rèn)為黃河凌汛災(zāi)害具有孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜、突發(fā)鏈發(fā)性強、防御困難等特征，是我國冬春季節(jié)大江大河中極為突出的自然災(zāi)害。劉吉峰等［17］總結(jié)了冰凌災(zāi)害變化特征，即表現(xiàn)為流凌、封河與開河時間推遲，首封地點下移，封開河不穩(wěn)定，冰下過流能力降低、槽蓄水增量增大，封開河水位偏高、凌峰流量偏小、凌情形勢更復(fù)雜。潘進軍等［18］認(rèn)為黃河內(nèi)蒙古段開河期災(zāi)情重于封河期，凌汛漫堤決口災(zāi)害具有突發(fā)性。郭立兵等［5］根據(jù)黃河寧蒙段歷年凌汛期實測凌情及災(zāi)害統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析了凌汛致災(zāi)影響因素及災(zāi)害演變特征，但尚未建立影響因素與災(zāi)害特征之間的量化關(guān)系。張金良等［19］建立了黃河寧蒙段河道沖淤演變特征指標(biāo)（平灘流量）與凌情變化表征指標(biāo)（冰下過流能力、槽蓄水增量）的響應(yīng)關(guān)系。田福昌等［4］研究了黃河寧蒙段凌汛壅水漫灘、穿堤溝渠凌洪倒灌、凌洪漫潰堤和工程設(shè)施破壞等各類風(fēng)險的分布特征。

2.2 河冰及凌汛洪水?dāng)?shù)值模型研究 國內(nèi)外對于凌汛洪水演進數(shù)值模擬方法及模型研究，基本可分為兩類：一類是河冰生消演變及冰塞壅水過程模擬的“機理”模型，即通過水力模型、熱力模型和冰凍模型的集成耦合，模擬河流結(jié)冰、封凍和解凍過程，比如RICE、DynaRICE、CE-QUAL-W2、RIVICE 等；另一類是凌汛壅水風(fēng)險模擬的“概念”模型，即通過輸入冰蓋、冰塞、冰壩相關(guān)描述參數(shù)，計算冰蓋厚度、凌汛水位、水深等水力要素，比如HEC-2、River 2D、ICEJAM 等。1970年代后，河流凌汛災(zāi)害逐漸引起國際專家學(xué)者關(guān)注［20-22］。在國外，Beltaos［23-24］提出基于漂浮冰塊內(nèi)外力靜態(tài)平衡關(guān)系的表面冰最大堆積厚度計算方法。Shen 等［25］通過冰蓋生長的動態(tài)表達，實現(xiàn)了表面冰輸移受阻形成冰塞冰壩演變過程的模擬，并研發(fā)了DynaRICE 模型。Huang等［26］構(gòu)建了St．Lawrence 河道岸冰與冰蓋形成發(fā)展過程模擬的二維河冰模型。Hirayama 等［27］和Liu 等［28］研究了日本河冰現(xiàn)象及機理問題，應(yīng)用DynaRICE二維河冰模型模擬了日本Shokotsu河冰期武開河冰壩形成演變過程。Ian等［29］將DynaRICE 模型應(yīng)用于St．Marys 河冰蓋下水內(nèi)冰輸移、堆積與開河冰壩形成的模擬。Brayall［30］應(yīng)用River 2D 模型模擬了Hay River 三角洲卡冰條件下不同流量對應(yīng)河道水位的變化情況。Lindenschmidt［31-33］研發(fā)了一維河冰模型RIVICE，模擬了Athabasca River 冰蓋形成、推移及冰塞壅水過程，并探討了凌汛洪水風(fēng)險分析結(jié)果對模型參數(shù)的敏感性。Krylenko 等［34］建立了河流智能監(jiān)管系統(tǒng)中的冰塞洪水模型架構(gòu)。我國在天然河道與輸水渠道河冰數(shù)值模擬方面同樣取得較大研究進展，楊開林、王軍和郭新蕾等［35-37］梳理了河流冰塞數(shù)值模擬與冰水力學(xué)研究進展，提出較為系統(tǒng)的河冰數(shù)值模型理論。茅澤育和吳劍疆等［38-39］建立了河道水內(nèi)冰及冰塞形成演變的冰水耦合數(shù)學(xué)模型。徐國賓［40］、趙新［41］研究河冰演變一維數(shù)學(xué)模型理論，構(gòu)建了大型輸水工程冰期輸水能力模擬模型。王軍等［42-43］和程保磊［44］模擬了彎道河冰運動特性、冰蓋形成及冰厚變化、冰塞堆積以及封凍期橋墩壅水過程。穆祥鵬等［45-46］和郭新蕾等［47］通過長距離輸水渠道流冰輸移演變數(shù)值模擬，研究了渠道冰期安全運行措施。王濤等［48］應(yīng)用一維冰情數(shù)學(xué)模型模擬了黃河內(nèi)蒙古段典型冰情發(fā)展過程。潘佳佳等［49-50］建立了涵蓋二維水沙數(shù)值模擬、河冰動力學(xué)模擬和岸灘侵蝕模擬的河流水冰沙耦合模型。李超［51］和趙水霞［52］應(yīng)用DynaRICE 模型，分析了黃河內(nèi)蒙古段河冰生消演變特性和封開河冰塞熱力學(xué)原理。我國于2008年編制了《凌汛計算規(guī)范》（SL 428-2008）［53］。

2.3 河道凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估研究 寒區(qū)河流凌汛災(zāi)害風(fēng)險通常暴露于不同的結(jié)構(gòu)單元，主要有河道凌汛（冰塞/冰壩）壅水風(fēng)險、堤防滲透滑塌及漫潰決風(fēng)險、堤外泛區(qū)凌汛洪水淹沒風(fēng)險，相比于伏汛洪水風(fēng)險研究而言，國內(nèi)外關(guān)于河道凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估的研究成果還相對較少。國外學(xué)者主要是采用數(shù)值模擬和情景分析相結(jié)合的方法，近年來，Beltaos［54］提出了冰塞洪水風(fēng)險評估的數(shù)值模擬方法，同時明確了其在冰塞位置、冰凌堵塞程度等條件設(shè)定方面的局限性。Frolova 等［55］計算了俄羅斯北部河道不同冰塞洪水水位條件下的淹沒水深與淹沒歷時，并評估了經(jīng)濟損失。Lindenschmidt 等［56-59］應(yīng)用冰塞數(shù)值模型RIVICE模擬了加拿大Peace River和Red River不同冰塞情景對應(yīng)的水位剖面，繪制了凌汛洪水風(fēng)險圖和災(zāi)害損失脆弱性圖，之后總結(jié)了冰凌洪水研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)，強調(diào)了冰凌災(zāi)害分析及凌洪風(fēng)險圖重要性，構(gòu)建了適應(yīng)氣候變化的寒區(qū)河流凌汛洪水風(fēng)險評估和風(fēng)險圖研究架構(gòu)，為未來防凌減災(zāi)理論技術(shù)研究提供了重要方向。而國內(nèi)學(xué)者主要是構(gòu)建了凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系及模型，其中羅黨等［60-61］構(gòu)建了凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系（水位、流量、氣溫），并建立了基于VIKOR 擴展法和GMP（1，1，N）的黃河內(nèi)蒙古段凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估模型。李鈺雯［62］構(gòu)建了河道斷面凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系（水位、流量、流凌歷時和封河歷時）及灰色預(yù)測決策評估模型。李詩［63］建立了長距離河段冰塞險情發(fā)生可能性的評估指標(biāo)體系（流量、流凌密度、氣溫和水溫）、冰壩災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系（流量、氣溫、流凌密度、河道狀況和工程影響）、凌情風(fēng)險評估指標(biāo)體系（流量、氣溫和工程影響）及對應(yīng)的灰色決策模型。吳佳林［64］構(gòu)建了河道斷面冰塞災(zāi)害發(fā)生可能性的評估指標(biāo)體系（氣溫、流量、水深和河道寬度）、凌汛易發(fā)性風(fēng)險評估指標(biāo)體系（流量、氣溫和水位）。吳嵐［65］建立了基于分形理論的黃河頭道拐至萬家寨段凌汛災(zāi)前風(fēng)險預(yù)測模型以及內(nèi)蒙古段歷史凌汛洪水災(zāi)害（災(zāi)后損失）評估模型。之后，Mao 等［66］歸納了前人構(gòu)建的凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系，并提出了風(fēng)險指標(biāo)相互作用分析的灰色粗糙DEMATEL 方法，初步揭示了凌汛災(zāi)害風(fēng)險指標(biāo)之間復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可為河流凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估提供重要參考。苑希民等［67］提出了一種基于分形理論和SVM 的高分遙感凌汛災(zāi)害信息智能識別提取方法，為凌汛災(zāi)害河冰快速識別與智能分類提供了技術(shù)支持。

2.4 凌汛期堤防險情與潰堤淹沒風(fēng)險評估研究 國內(nèi)外學(xué)者對于凌汛期堤防險情與潰堤淹沒風(fēng)險評估的研究，主要集中于采用實測資料分析、數(shù)值模擬、模型試驗等方法研究堤防險情的動態(tài)變化過程。關(guān)于凌汛期堤防險情演化過程及特性研究，李錦榮等［68］研究了黃河烏蘭布和沙漠段歷年凌汛期河岸動態(tài)變化情況，認(rèn)為隨著冰面萎縮-擴張-萎縮的動態(tài)變化，下游溫差與兩岸地勢是凌汛期河岸變化的主要影響因素。戴長雷等［69］和CHEN［70］利用Geo-studio 軟件構(gòu)建了凌汛期堤防滲流計算模型，模擬了凍結(jié)殼影響下堤防滲流路徑變化，與伏汛期相比，凌汛期堤防內(nèi)部滲透系數(shù)較小，滲流最大速度與最大坡降均較伏汛期明顯提升，更易引起管涌、崩塌等險情。李洋［71］建立了變水位條件下凌汛影響的堤防滲流模擬模型，并分析了堤防內(nèi)部壓力線、滲流路徑、滲流速率、滲透坡降、最小安全系數(shù)的變化情況，為凌汛期堤防險情演化特性研究及風(fēng)險預(yù)測提供了有利借鑒。劉昉等［72］建立了無黏性土堤彎道水槽物理模型，將凍土條件下無黏性土堤漫頂潰決過程分為滲透過流、堤后沖刷、橫向展寬、沖淤平衡四個階段，進一步深化了對凌汛期堤防潰決演化過程的認(rèn)識。關(guān)于潰堤淹沒風(fēng)險評估研究，Vorogushyn 等［73］研發(fā)了一種考慮潰堤概率的洪水災(zāi)害評估模型IHAM，能夠輔助生成概率性洪水危險地圖與某種破壞概率下堤防災(zāi)害圖，實現(xiàn)了洪水危險性與堤防災(zāi)害耦合考慮。隨著我國重點地區(qū)洪水風(fēng)險圖編制，潰堤洪水淹沒風(fēng)險評估研究取得長足進展，比如，苑希民等［74-75］和田福昌［76］較為系統(tǒng)地研究了河道-泛區(qū)一二維耦合與全二維水動力耦合模型，開展了漫潰堤洪水耦合計算與風(fēng)險評估。

2.5 凌汛災(zāi)害風(fēng)險防控措施研究 流量控制、切割冰蓋、河道開孔、爆破和機械破冰是防凌破冰緩解災(zāi)害風(fēng)險的主要防控措施，其中爆破法破凌包括飛機投彈轟炸、迫擊炮破冰、人工定點爆破等［77］。早在1758年，德國第一次成功實施了冰凌爆破。美國陸軍工程兵團［78-80］利用多年冰下爆破試驗資料，建立了爆破坑半徑、炸藥用量和冰蓋厚度之間的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)爆破效果與炸藥類型基本無關(guān)。加拿大最早在1989年就將河道動力破冰機應(yīng)用于河流凌汛災(zāi)害風(fēng)險防控，1995年之后，美國也開始使用。而我國主要以黃河和黑龍江凌汛災(zāi)害風(fēng)險防控措施的研究成果最具代表性。1990年代，徐劍鋒［81］首次系統(tǒng)梳理黃河內(nèi)蒙古段凌汛災(zāi)害事件，提出加固堤防、整治河道、加強冰情預(yù)報、控制水庫調(diào)度、運用破冰措施、新建海勃灣水庫等防凌綜合措施。之后，牛運光［82］提出利用水庫調(diào)節(jié)河道流量與分泄河槽蓄水，減少開河期來水量，配合破冰措施和防護方法，綜合防控凌汛災(zāi)害；閆新光［83］提出了“提前分凌、主動破冰、嚴(yán)防死守、應(yīng)急滯洪”的防凌總方針，研究了“撤、調(diào)、分、泄、疏、堵、安”的防凌搶險措施；孟聞遠(yuǎn)等［84］和蔡彬等［85］提出了“變被動防御為主動防御、變軍隊?wèi)?yīng)急機制為軍民聯(lián)合防治”理念的黃河防凌減災(zāi)新方案；郜國明等［86］和滕翔等［87］提出黃河凌汛險情應(yīng)急處置措施，并分析了黃河內(nèi)蒙古段應(yīng)急分凌區(qū)運用成效；孫宗義等［88］認(rèn)為上游梯級水庫調(diào)度對下游河段洪水增溫和寧蒙段凌汛威脅減輕具有重要作用；鄧宇等［89］、何厚軍等［90］和劉彩鳳［91］研究了無人機航測、遙感及遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警技術(shù)在凌情、凌汛災(zāi)害管控過程中的試驗應(yīng)用。徐路凱等［92］設(shè)計了具備凌汛災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、風(fēng)險管理、調(diào)控決策與效果評估等功能的黃河智慧防凌云平臺。在防凌破冰措施方面，丁留謙等［77］探討了河道動力破冰機和氣墊船輔助爆破兩種破冰防凌技術(shù)，為新型破冰技術(shù)研究起到一定推動作用；劉一川等［93］對比分析了國內(nèi)外常用的防凌破冰方法，認(rèn)為機械破冰是實踐應(yīng)用的首選；劉之平等［94］和路錦枝等［95］在黑龍江進行了防凌爆破現(xiàn)場試驗，提出并驗證了爆破坑半徑計算公式；楊開林等［96］基于黑龍江爆破試驗，提出了冰下爆破形成溫度場預(yù)防冰壩的基礎(chǔ)理論；焦廣昶等［97］和許冠超等［98］開展了冰凌定點爆破的數(shù)值模擬，可與現(xiàn)場爆破試驗結(jié)果相互驗證。

3 研究存在的不足

近30年來，國內(nèi)外寒區(qū)河道-堤防-泛區(qū)凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估防控的研究成果顯著，推動了防凌減災(zāi)領(lǐng)域理論方法體系的構(gòu)建與發(fā)展，尤其體現(xiàn)在凌汛成因與凌汛災(zāi)害特征、河冰及凌汛洪水?dāng)?shù)值模型、河道凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估、凌汛期堤防險情與潰堤淹沒風(fēng)險評估、凌汛災(zāi)害風(fēng)險防控措施等方面。然而在新時代水利高質(zhì)量發(fā)展的迫切需求牽引下，凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估防控研究還需要進一步深化與拓展，下面結(jié)合作者對于寒區(qū)河道-堤防-泛區(qū)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)凌汛災(zāi)害的理解與認(rèn)識，剖析現(xiàn)有研究存在的不足。

3.1 寒區(qū)河道-堤防-泛區(qū)凌汛災(zāi)害的理解與認(rèn)識 寒區(qū)河道-堤防-泛區(qū)是一個整體關(guān)聯(lián)、復(fù)雜開放的非線性動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)凌汛災(zāi)害風(fēng)險主要包括：河道凌汛（冰塞/冰壩）壅水風(fēng)險、堤防滲透和坍塌風(fēng)險、堤防漫潰決風(fēng)險、堤外泛區(qū)凌汛洪水淹沒風(fēng)險［4］，以堤防工程作為中間載體，存在對應(yīng)于“河道-堤防-泛區(qū)”的凌汛“壅水-潰堤-淹沒”災(zāi)害風(fēng)險鏈（圖1），在氣溫變化、水流條件、河道邊界和人類活動等各類因素耦合驅(qū)動下，凌汛災(zāi)害風(fēng)險的產(chǎn)生歸因于凌災(zāi)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)險情的動態(tài)突變，并在相鄰結(jié)構(gòu)單元之間層層傳遞連接，且存在相互影響。由此可見，寒區(qū)河道-堤防-泛區(qū)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)凌汛致災(zāi)成災(zāi)過程復(fù)雜且影響因素繁多，存在凌汛災(zāi)害風(fēng)險鏈條效應(yīng)，但目前尚缺少對凌汛災(zāi)害風(fēng)險整體性和系統(tǒng)性的深刻認(rèn)識，需要從系統(tǒng)論整體視角深化對河道-堤防-泛區(qū)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)凌汛致災(zāi)成災(zāi)過程、規(guī)律及機制的認(rèn)識，圍繞“河道-堤防-泛區(qū)”這一整體，深入開展凌汛災(zāi)害風(fēng)險鏈條效應(yīng)及其驅(qū)動機制、凌汛險生致災(zāi)全過程耦合數(shù)值模型、凌汛災(zāi)害風(fēng)險鏈定量化評估、凌汛期堤防險情演化機制及智能預(yù)測、凌汛災(zāi)害風(fēng)險應(yīng)急防控決策支持系統(tǒng)、凌汛災(zāi)害“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”數(shù)字孿生平臺等研究，以進一步豐富和提升新時期凌汛災(zāi)害防治的理論方法體系。

圖1 寒區(qū)河道-堤防-泛區(qū)凌汛災(zāi)害風(fēng)險鏈邏輯框圖

3.2 研究不足剖析 目前國內(nèi)外對于河道-堤防-泛區(qū)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估防控的研究，主要存在以下幾方面不足：（1）現(xiàn)有成果已經(jīng)基本厘清凌汛主要成因與災(zāi)害特征，更多研究了氣溫變化、水庫調(diào)度、河道沖淤等單一因素影響下凌情及凌汛災(zāi)害的變化規(guī)律或趨勢，但尚未深入揭示氣溫變化、水流條件、河道邊界和人類活動等多因素耦合驅(qū)動下凌情與凌汛災(zāi)害的演變特征及其驅(qū)動機制，且少有學(xué)者研究河道-堤防-泛區(qū)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)凌汛災(zāi)害鏈條效應(yīng)。此外，已有學(xué)者主要基于熱力環(huán)境和水流動力因素，建立了凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估的理論框架，從不同角度構(gòu)建了河道凌汛災(zāi)害評估指標(biāo)體系，但較少考慮堤防工程條件、河勢彎道參數(shù)和防凌調(diào)控工程的影響，且研究尺度多為河道固定斷面或長距離河段，仍局限于河道內(nèi)部凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估，尚需進一步構(gòu)建更為全面、涵蓋河道-堤防-泛區(qū)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的小尺度河段凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系及模型；（2）現(xiàn)有成果多集中于河冰形成及演變過程的數(shù)值模擬，主要體現(xiàn)在運用河道一維冰情模型或二維冰水（沙）模型模擬河冰生消演變或凌汛壅水風(fēng)險，雖已形成較為成熟的河冰計算模型，但少有學(xué)者研究河道-堤防-泛區(qū)整體關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的凌汛洪水耦合數(shù)值模型；（3）現(xiàn)有成果已經(jīng)逐步關(guān)注凌汛期堤防險情及潰堤災(zāi)害問題研究，在凌汛期堤防險情演化過程分析、伏汛期潰堤洪水風(fēng)險評估等方面取得一定進展，但較少開展凌汛期堤防危險性評價及險情預(yù)測研究，且未能建立河道-堤防-泛區(qū)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的整體分析視角，缺少考慮堤防危險性或失事概率的凌汛潰堤淹沒風(fēng)險評估成果；（4）現(xiàn)有成果更多關(guān)注凌汛災(zāi)害風(fēng)險防控工程措施研究，目前雖已初步構(gòu)建防凌決策智慧平臺，未來還需在智慧水利與高新信息技術(shù)高度融合發(fā)展背景下，繼續(xù)加強凌汛災(zāi)害風(fēng)險防控非工程措施研究，以更好滿足新時代社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展對防凌減災(zāi)安全保障的迫切需要。

4 研究展望

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿技術(shù)的快速發(fā)展，并在防洪防凌減災(zāi)領(lǐng)域逐漸深入融合與應(yīng)用，面對氣候變化和人類活動的耦合驅(qū)動作用愈發(fā)凸顯，凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估防控還存在亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)瓶頸。筆者基于寒區(qū)凌汛災(zāi)害“數(shù)據(jù)驅(qū)動-凌災(zāi)機制-演變規(guī)律-防凌決策”的貫通思路，提出河道-堤防-泛區(qū)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估防控未來主要的發(fā)展趨勢或研究方向。

4.1 河道-堤防-泛區(qū)系統(tǒng)凌汛災(zāi)害鏈條效應(yīng)及其驅(qū)動機制研究 筆者認(rèn)為河道、堤防、泛區(qū)實質(zhì)構(gòu)成一個整體關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，但目前尚缺少凌汛災(zāi)害風(fēng)險整體性和系統(tǒng)性的深刻認(rèn)識，對于復(fù)雜環(huán)境凌汛災(zāi)害驅(qū)動機制的研究，需調(diào)整分析問題的思維視角，從系統(tǒng)論和災(zāi)害風(fēng)險管理角度，分析寒區(qū)河道-堤防-泛區(qū)系統(tǒng)凌汛致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體三類要素指標(biāo)，構(gòu)建凌汛致災(zāi)-孕災(zāi)-承災(zāi)三層架構(gòu)體系，深入揭示河道-堤防-泛區(qū)系統(tǒng)凌汛壅水-潰堤-淹沒災(zāi)害風(fēng)險的產(chǎn)生、傳遞、連接和反饋過程及機理，并利用人工智能深度學(xué)習(xí)算法和混沌分形理論辨識氣溫變化、水流條件（動力因素、小流量高水位）、河道邊界（冰塞冰壩彎道效應(yīng)、河床沖淤演變）和人類活動（以水庫與分凌區(qū)應(yīng)急調(diào)控為主）等多因素耦合作用下的凌汛災(zāi)害演變規(guī)律及其驅(qū)動機制（圖2），通過數(shù)據(jù)挖掘和解耦技術(shù)，探討凌汛災(zāi)害關(guān)鍵驅(qū)動因子，從而進一步深化對河道-堤防-泛區(qū)系統(tǒng)凌汛致災(zāi)成災(zāi)過程、規(guī)律及機制的認(rèn)識，為寒區(qū)凌汛災(zāi)害風(fēng)險識別、評估、防控及防凌減災(zāi)決策提供更為豐富的基礎(chǔ)理論依據(jù)。

圖2 寒區(qū)河道-堤防-泛區(qū)系統(tǒng)凌汛災(zāi)害鏈條效應(yīng)及其驅(qū)動機制研究架構(gòu)圖

4.2 河冰演變-凌汛壅水-堤防險情-泛區(qū)淹沒災(zāi)害風(fēng)險耦合模型研究 河道-堤防-泛區(qū)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)凌汛災(zāi)害風(fēng)險主要體現(xiàn)在凌汛壅水（河道）、堤防滲透坍塌與漫潰決（堤防）、漫潰堤洪水淹沒（泛區(qū)），而這三類風(fēng)險存在密切的災(zāi)害鏈誘發(fā)聯(lián)動關(guān)系，當(dāng)前多是對于單類型凌汛災(zāi)害風(fēng)險進行研究，缺乏災(zāi)害風(fēng)險鏈耦合模擬模型。因此在凌汛災(zāi)害風(fēng)險理論不斷完善、計算機技術(shù)不斷進步的推動下，考慮河道水沙冰耦合輸移過程、凌汛冰塞冰壩形成演變、凌汛壅水漫灘和堤防邊坡沖蝕、堤防滲透破壞險情、堤防漫溢和潰決淹沒等風(fēng)險鏈條全過程的動態(tài)響應(yīng)，研究建立河冰演變-凌汛壅水-堤防險情-泛區(qū)淹沒災(zāi)害風(fēng)險鏈耦合模型，實現(xiàn)災(zāi)害全過程的耦合聯(lián)動模擬，既是未來凌汛災(zāi)害風(fēng)險精細(xì)化數(shù)值仿真的必然發(fā)展趨勢，也是凌汛災(zāi)害防御與風(fēng)險管理的實際需要，亟需取得突破。

4.3 河道凌汛壅水-堤防潰決-泛區(qū)淹沒耦合風(fēng)險定量評估研究 國內(nèi)外目前初步開展了凌汛（冰塞/冰壩）壅水、堤防工程破壞、堤外泛區(qū)淹沒等單一風(fēng)險的變化及其影響程度評估研究，但更多是假定凌汛冰塞或冰壩發(fā)生條件下的災(zāi)害風(fēng)險評估，建立的凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系還不夠全面，尤其缺少堤防工程這一重要媒介性環(huán)境載體，尚未構(gòu)成較為完整的、面向河道凌汛壅水-堤防潰決-泛區(qū)淹沒風(fēng)險鏈的凌汛致災(zāi)-孕災(zāi)-承災(zāi)架構(gòu)指標(biāo)體系，而且難以支撐防凌決策對于凌汛易發(fā)河段、堤防險工段、重點防控洪泛區(qū)域的分級分區(qū)判定需求，筆者認(rèn)為下一步需要在河道-堤防-泛區(qū)系統(tǒng)凌汛災(zāi)害風(fēng)險鏈條效應(yīng)和驅(qū)動機制辨識的基礎(chǔ)上，綜合變異系數(shù)法、層次分析法（AHP）、模糊層次分法（FAHP）、熵權(quán)法等多種方法相結(jié)合，考慮氣溫變化、水流條件、河道邊界和人類活動等凌汛成因，研究凌汛（冰塞/冰壩）易發(fā)河段與堤防險工段定量診斷以及凌汛壅水作用下潰堤淹沒風(fēng)險定量評估的指標(biāo)體系和方法（圖3），基于河冰演變-凌汛壅水-堤防險情-泛區(qū)淹沒災(zāi)害鏈風(fēng)險耦合模型，實現(xiàn)災(zāi)害鏈風(fēng)險的定量評估，從而進一步豐富凌汛災(zāi)害風(fēng)險評估理論。

圖3 寒區(qū)河道凌汛壅水-堤防潰決-泛區(qū)淹沒風(fēng)險定量評估研究架構(gòu)圖

4.4 凌汛期堤防凍融險情演化動力機制及智能預(yù)測研究 寒區(qū)凌汛（冰塞/冰壩）壅水造成堤防偎水、沖刷、淘蝕、滑塌、裂縫等險情頻繁發(fā)生，極端天氣條件下堤防漫潰決險情仍是凌汛災(zāi)害防御最為關(guān)注的焦點之一。凌汛期堤防工程存在明顯的周期性凍融過程，由于凌汛高水位期間堤防長期偎水浸泡和冰凍，導(dǎo)致土壤含水量增大、土質(zhì)松軟，堤防土體黏結(jié)力和抵御滲透滑塌破壞的能力顯著降低。堤防凍融土體在遭遇穩(wěn)封期高水位、開河期水位瞬間回落的聯(lián)合作用下，易于造成穩(wěn)封期堤防背水邊坡滑塌險情、開河期堤防臨水邊坡沖蝕坍塌險情，凌汛期堤防岸坡失穩(wěn)破壞風(fēng)險明顯加劇。因此，未來需采用原型監(jiān)測、模型試驗、數(shù)值模擬、理論分析、人工智能、混沌分形及多學(xué)科交叉融合方法，探究變化水位條件下凌汛期堤防凍融險情演化規(guī)律及其動力機制，耦合考慮凌汛變水位和土體凍融等多驅(qū)動因子，揭示單一因素及多因素組合條件與堤防滲透滑塌險情變化的關(guān)聯(lián)特性，同時建立凌汛期變水位耦合土體凍融條件下堤防險情演化機制耦合仿真模型，模擬凌汛期堤防險情演化過程及其驅(qū)動機制，并基于人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)算法，探究凌汛期堤防險情時空演化過程預(yù)測原理，利用深度學(xué)習(xí)對變水位條件下凍土堤防險情演化機制進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練和深度識別，研究建立凌汛期堤防險情時空演化過程智能預(yù)測方法；此外針對缺資料地區(qū)長距離多彎道堤防險情的同步預(yù)測難題，厘清凌汛期堤防險情關(guān)鍵驅(qū)動因子的空間差異特征，探討基于深度遷移學(xué)習(xí)的凌汛期堤防險情演化預(yù)測模型參數(shù)微調(diào)原理，明晰凌汛期堤防險情演化過程的預(yù)測思路，進而提出適用于缺資料地區(qū)凌汛期長距離多彎道堤防險情演化過程的深度學(xué)習(xí)預(yù)測方法，以上研究可為寒區(qū)凌汛期堤防險情災(zāi)害風(fēng)險的早期識別與實時預(yù)測預(yù)警提供重要支持，此為防凌減災(zāi)未來發(fā)展的另一重點研究方向。

4.5 凌汛災(zāi)害監(jiān)測-預(yù)警-評估-防控應(yīng)急決策支持系統(tǒng)研究 隨著水利信息化與智慧水利的快速發(fā)展以及防凌減災(zāi)理論技術(shù)的不斷創(chuàng)新突破，凌汛災(zāi)害防御各環(huán)節(jié)不斷耦合銜接與協(xié)同聯(lián)動，當(dāng)前已經(jīng)具備凌汛災(zāi)害監(jiān)測-預(yù)警-評估-防控全鏈條應(yīng)急決策支持系統(tǒng)建立的支撐條件，需要在此基礎(chǔ)上，進一步加強凌汛期冰情、水情及堤防滲透滑塌險情的組網(wǎng)監(jiān)測與智能預(yù)警技術(shù)研究，提出凌汛期河道冰塞冰壩災(zāi)害、堤防險情破壞災(zāi)害、泛區(qū)凌洪淹沒風(fēng)險等監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系及其定量化預(yù)警閾值，并運用高精密傳感器和高分遙感新技術(shù)提升監(jiān)測預(yù)警精度與時效性，同時集成河冰演變-凌汛壅水-堤防險情-泛區(qū)淹沒災(zāi)害風(fēng)險鏈耦合模型及風(fēng)險定量評估方法，自動化模擬與展示凌汛洪水動態(tài)變化及其致災(zāi)影響全過程，實時量化評估凌汛災(zāi)害風(fēng)險以及水庫與分凌區(qū)調(diào)控減災(zāi)效果，構(gòu)建數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的全生命周期智慧防凌系統(tǒng)，實現(xiàn)凌汛災(zāi)害監(jiān)測-預(yù)警-評估-防控全鏈條的防凌減災(zāi)應(yīng)急決策支持。此項研究有助于提升凌汛災(zāi)害防御的信息化和智能化水平，亟需在水利高質(zhì)量發(fā)展背景下取得突破性進展。

4.6 智慧水利背景下凌汛災(zāi)害“四預(yù)”數(shù)字孿生平臺研究 基于數(shù)字孿生平臺的預(yù)警、預(yù)報、預(yù)演、預(yù)案（簡稱“四預(yù)”）既是新時代智慧水利的重要建設(shè)內(nèi)容，也是凌汛災(zāi)害科學(xué)防御的重要技術(shù)手段。因此，在凌汛災(zāi)害風(fēng)險防控不斷取得創(chuàng)新突破的同時，未來需要利用3S 技術(shù)、無人機航拍、BIM 技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、模型庫、算法庫等，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，推進算據(jù)、算法、算力建設(shè)，研究凌汛災(zāi)害風(fēng)險防控領(lǐng)域數(shù)字孿生平臺的構(gòu)建與優(yōu)化展示方法，建立流域及重點工程三維虛擬仿真場景，并在數(shù)字場景中實現(xiàn)凌汛災(zāi)害在線監(jiān)測信息的實時動態(tài)展示與險情預(yù)警、凌汛災(zāi)害實時預(yù)警預(yù)報、凌汛災(zāi)害風(fēng)險與防凌指揮決策行動動態(tài)預(yù)演、凌汛災(zāi)害風(fēng)險防控預(yù)案自動化生成與智慧化管理，形成虛實結(jié)合、孿生互動、數(shù)字賦能的防凌減災(zāi)發(fā)展新形態(tài)，綜合提升凌汛災(zāi)害防御的“四預(yù)”能力。此項研究充分體現(xiàn)了水利工程、人工智能、災(zāi)害學(xué)、計算機科學(xué)、地理信息學(xué)等多學(xué)科交叉發(fā)展特色與優(yōu)勢，有助于推動防凌減災(zāi)不斷邁入新的發(fā)展階段。