科學(xué)手段防山洪 未雨綢繆惠四方
——記中國水科院減災(zāi)中心防洪工程室主任劉昌軍

□ 衛(wèi)婷婷

劉昌軍

隨著社會(huì)化進(jìn)程的加劇，全球自然災(zāi)害頻發(fā)給人類發(fā)展帶來了極大的負(fù)面影響。作為由山區(qū)小流域降水引起的突發(fā)性、暴漲暴落的地表徑流，山洪以其成災(zāi)快、預(yù)測難、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為災(zāi)害性最強(qiáng)、預(yù)警預(yù)報(bào)最難的自然災(zāi)害之一。據(jù)世界氣象組織（WMO）統(tǒng)計(jì)，全球由山洪災(zāi)害引發(fā)的人員傷亡比率逐漸上漲，經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)數(shù)百萬美元，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對山洪災(zāi)害防治的研究至關(guān)重要。

我國山洪災(zāi)害頻發(fā)，危害極其嚴(yán)重。為做好山洪災(zāi)害防御工作，2006年國務(wù)院批復(fù)了《全國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》，隨后開展了山洪災(zāi)害防御的試點(diǎn)工作，摸索出了行之有效的山洪災(zāi)害防治非工程措施體系。在此基礎(chǔ)上，2010年以來我國正式啟動(dòng)了2058個(gè)縣的山洪災(zāi)害防治非工程措施建設(shè)和全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目建設(shè)，提出了自動(dòng)監(jiān)測體系和群測群防體系相結(jié)合的山洪災(zāi)害防治思路，開展了山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)、非工程措施建設(shè)和山洪溝治理等工作，為其他國家和地區(qū)的山洪災(zāi)害防治工作提供借鑒和參考。2017年，水利部印發(fā)了《全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目實(shí)施方案（2017—2020年）》，確定了根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)變化新形勢和新要求，基于現(xiàn)有山洪災(zāi)害防御理論技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合未來大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)成熟應(yīng)用，提出了下一步我國山洪災(zāi)害防御的戰(zhàn)略方向，研發(fā)國家級(jí)山洪災(zāi)害動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)，拓展提升省級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并有序推進(jìn)重點(diǎn)山洪溝（山區(qū)河道）防洪治理試點(diǎn)的防治思路。

洪水如猛獸，但是科學(xué)的防范與預(yù)警，卻能將這頭猛獸的威力減半，危害減小。在中國水科院減災(zāi)中心防洪工程室主任、全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目組技術(shù)部負(fù)責(zé)人劉昌軍的科研道路中，山洪災(zāi)害防治、水土保持監(jiān)測監(jiān)管、堤壩安全評(píng)價(jià)等方面的研究不僅是自己工作的一部分，更是他心中的一項(xiàng)使命，多年來，他將研究視野放眼于全國，在水文模型、人工智能和大數(shù)據(jù)應(yīng)用方面取得了突破性研究成果，為全國的山洪災(zāi)害防治工作做出了諸多貢獻(xiàn)。

筑夢科研，巧遇水文地質(zhì)

1978年，劉昌軍出生于山東省鄆城縣。雖然家境普通，但劉昌軍從未放棄過對學(xué)習(xí)的渴望，并決心通過自己的不斷奮斗，用知識(shí)來改變命運(yùn)。

1998年，劉昌軍以優(yōu)異的成績考入河海大學(xué)水文地質(zhì)專業(yè)，開始了自己的大學(xué)生涯。在此之后，他又通過不斷研究探索，于2005年6月獲得了河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)專業(yè)的碩士學(xué)位。雖然，最初走進(jìn)地質(zhì)專業(yè)并不是劉昌軍的初心所在，但是，在研究生時(shí)期真正接觸科研工作的時(shí)候，他卻發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)專業(yè)的涉獵面十分廣泛，每當(dāng)遇到水工結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的一些攻關(guān)難題時(shí)，地質(zhì)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)會(huì)給研究工作的開展提供很好的研究思路、技術(shù)支撐，慢慢地，劉昌軍在水工結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的研究工作開展得愈加順利，以此作為積淀，他開始了在這一領(lǐng)域的研究之路。

研究生畢業(yè)后，劉昌軍正式來到了中國水科院減災(zāi)中心防洪工程技術(shù)研究部，從事山洪災(zāi)害防治、防洪工程安全評(píng)價(jià)、水土保持監(jiān)測監(jiān)管等方面研究工作，開始了全新的科研征程，并于2012年6月獲得了中國水科院巖土工程專業(yè)博士學(xué)位。

堅(jiān)定目標(biāo)，著眼全國山洪災(zāi)害防治

山洪災(zāi)害防治是一場持久戰(zhàn)，選擇這一領(lǐng)域研究需要具有很強(qiáng)的社會(huì)責(zé)任感。一路走來，劉昌軍從一名學(xué)生成功蛻變成為中國水科院減災(zāi)中心防洪工程室主任、全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目組技術(shù)部負(fù)責(zé)人，他在科研道路上所走過的足跡，均成為了山洪災(zāi)害防治的經(jīng)驗(yàn)積累，也凝結(jié)成了自己科研人生的寶貴財(cái)富。

在山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警方面，西方發(fā)達(dá)國家起步較早。我國山洪災(zāi)害防治雖然起步晚，但已建山洪災(zāi)害防治體系發(fā)揮了顯著成效，人員傷亡大幅減少。從已有研究成果的應(yīng)用情況和經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的需求看，進(jìn)一步提高山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警的精準(zhǔn)度是必然趨勢。針對暴雨山洪災(zāi)害的特點(diǎn)和關(guān)鍵問題，在小流域暴雨山洪分析模擬和預(yù)報(bào)預(yù)警等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，小流域下墊面特征及產(chǎn)匯流特性、缺資料地區(qū)小流域暴雨洪水規(guī)律、新一代缺資料小流域產(chǎn)匯流模型及分布式水文模型、預(yù)警指標(biāo)體系和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論、小流域山洪災(zāi)害動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)仍然是山洪災(zāi)害防御急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

在劉昌軍的介紹下，記者了解到：大約在2010年—2012年間，有些廠商開始研制面向山洪災(zāi)害的簡易報(bào)警器等設(shè)備，在同一時(shí)期，諸多科研院所、高校也針對山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的一些關(guān)鍵技術(shù)難題，開展了研究工作。十幾年來，他作為主要技術(shù)骨干，全程參與了全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目，參與編制了項(xiàng)目規(guī)劃、實(shí)施方案、建設(shè)任務(wù)、技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等40余項(xiàng)，在項(xiàng)目建設(shè)管理、基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與推廣應(yīng)用等方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

自2012年6月，劉昌軍就開始參與全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目，這一項(xiàng)目的覆蓋面極其廣泛，全國29個(gè)省，2058個(gè)縣都有項(xiàng)目的實(shí)施任務(wù)，目前已投資300多億元。作為項(xiàng)目的主要參與人，劉昌軍全程參與了項(xiàng)目規(guī)劃、方案實(shí)施、技術(shù)制定等，經(jīng)過多年的攻關(guān)，取得了一系列創(chuàng)新性科研成果。

山洪災(zāi)害防治，必須堅(jiān)持以防為主，而預(yù)警預(yù)報(bào)則是防御山洪的關(guān)鍵。在山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的信息鏈中，他們針對信息采集、信息傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)做了大量的工作。通過全國山洪災(zāi)害項(xiàng)目建設(shè)，解決了山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息“一橫一縱”的通信傳輸問題。所謂“一縱”即從每一個(gè)雨量站點(diǎn)傳到村，再傳到鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣、市、省、國家；“一縱”是將國家氣象局、國家土地資源部、國家水利部等一系列監(jiān)測信息進(jìn)行共享，以此形成“一橫一縱”的信息采集以及傳輸體系。在此基礎(chǔ)之上，他們還將各個(gè)數(shù)據(jù)信息、監(jiān)測預(yù)警信息都存在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫里邊，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步共享。通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，他們開始對山洪預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，并提出了山洪預(yù)警指標(biāo)體系。這一體系歷經(jīng)十余年的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了山洪災(zāi)害預(yù)警從經(jīng)驗(yàn)預(yù)警到靜態(tài)預(yù)警再到動(dòng)態(tài)預(yù)警的飛躍進(jìn)步。經(jīng)過多年的研究開拓，已初步建立了以監(jiān)測預(yù)警體系、群測群防體系、數(shù)據(jù)支撐體系、工程治理措施等為支撐的山洪災(zāi)害防御體系，在這些體系的支撐下最大程度地減少山洪災(zāi)害所帶來的人員傷亡。

在這一項(xiàng)目中，劉昌軍團(tuán)隊(duì)還根據(jù)我國山洪災(zāi)害暴發(fā)現(xiàn)狀背景，解決了一系列技術(shù)難題。在劉昌軍的介紹下，記者了解到：山洪災(zāi)害防御核心的最大難點(diǎn)就是預(yù)警指標(biāo)不準(zhǔn)、預(yù)警時(shí)間較短，因?yàn)樯絽^(qū)的水來得比較快，留給老百姓預(yù)警的時(shí)間非常短。國內(nèi)外現(xiàn)有的降水—徑流模型通常只適用于大中流域的徑流分析計(jì)算，對山丘區(qū)小流域短歷時(shí)，強(qiáng)降雨條件下的洪水過程模擬精度偏低，達(dá)不到山洪災(zāi)害預(yù)警的要求，特別是對無資料的山丘區(qū)小流域降雨產(chǎn)流機(jī)理刻畫不清晰，無法為山丘區(qū)小流域洪水預(yù)警提供可用的模型。圍繞著小流域暴雨洪水計(jì)算難題，劉昌軍及其團(tuán)隊(duì)提出了時(shí)空變源的混合產(chǎn)流模型，實(shí)現(xiàn)了時(shí)變混合產(chǎn)流機(jī)制的精細(xì)模擬，小流域暴雨山洪模擬精度提高約30%。

這一模型針對中國復(fù)雜地貌山丘區(qū)特征，提出以山坡地貌水文響應(yīng)單元為基礎(chǔ)的超滲/蓄滿時(shí)空轉(zhuǎn)變的混合產(chǎn)流模型。這一研究是國內(nèi)外首次提出針對山丘區(qū)小流域暴雨洪水分析計(jì)算的時(shí)空變源混合產(chǎn)流機(jī)理和建模研究。研究具有創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值，也可以為其他無資料地區(qū)的小流域洪水計(jì)算應(yīng)用起到示范作用。

在受災(zāi)現(xiàn)場

除此之外，針對缺資料小流域參數(shù)區(qū)域化難題，在小流域基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)集、下墊面參數(shù)數(shù)據(jù)集和土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，劉昌軍研發(fā)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的小流域參數(shù)區(qū)域化方法。采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，他們學(xué)習(xí)了10個(gè)省110個(gè)流域1000余場洪水特征及參數(shù)，初步建立了河南、福建、甘肅、北京和吉林等5省、直轄市的無資料小流域區(qū)域化參數(shù)庫，在河南省2016年—2018年小流域洪水預(yù)報(bào)預(yù)警中得到很好應(yīng)用，顯著提高了小流域山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警精度。劉昌軍團(tuán)隊(duì)針對小流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的難題，提出了短歷時(shí)暴雨特征、單位洪峰模數(shù)及匯流時(shí)間和房屋危險(xiǎn)性等3個(gè)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因子，構(gòu)建了以小流域?yàn)閱卧纳胶闉?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因子指標(biāo)體系，開發(fā)了基于數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別技術(shù)，利用53235場不同時(shí)期的歷史山洪災(zāi)害事件評(píng)價(jià)結(jié)果吻合度超過90%，大幅提高了山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別精準(zhǔn)度。

接下來，劉昌軍團(tuán)隊(duì)還要投入到國家山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)研發(fā)中，結(jié)合氣象部門的預(yù)報(bào)降雨量實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)全國小流域山洪過程，使山洪災(zāi)害預(yù)警可以提前，最終將動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)預(yù)警等形成整體的技術(shù)研發(fā)和技術(shù)支撐，建設(shè)國家級(jí)品牌。

不懈前行，大數(shù)據(jù)時(shí)代的山洪防御

科學(xué)研究需要實(shí)地考察與實(shí)驗(yàn)探索相結(jié)合。從2006年5月來到中國水科院減災(zāi)中心防洪工程技術(shù)研究部從事山洪災(zāi)害防治、水土保持監(jiān)測監(jiān)管、堤壩安全評(píng)價(jià)等方面的研究工作，多年來，劉昌軍越來越感受到自己研究工作的意義以及肩上所承擔(dān)的責(zé)任，而他也將這份使命感付諸每一天的日常工作中，雖然忙碌但也十分充實(shí)。

十幾年的科研歷程所帶來的是沉甸甸的科研碩果，他主持或參與了國際合作項(xiàng)目3項(xiàng)，國家科技支撐項(xiàng)目5項(xiàng)，省部級(jí)項(xiàng)目50余項(xiàng)；近年來全程參與了全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目建設(shè)管理和技術(shù)研發(fā)工作，主編水利部行業(yè)規(guī)范1部，參與編制山洪災(zāi)害防治方面的規(guī)劃、實(shí)施方案和技術(shù)要求等40余項(xiàng)，發(fā)表論文150余篇，SCI/EI收錄30余篇，ESI高被引用論文1篇，獲得省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)6項(xiàng)，廳局級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)4項(xiàng)。

在這其中，他們圍繞水土保持監(jiān)管的核心技術(shù)難題，研發(fā)了基于深度學(xué)習(xí)的遙感影像和激光點(diǎn)云的分類和變化圖斑檢測的系列關(guān)鍵算法，在北京市、陜西、內(nèi)蒙、河北等水土保持生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目天地一體化監(jiān)管業(yè)務(wù)中進(jìn)行應(yīng)用，顯著提升和強(qiáng)化了水土保持監(jiān)管部門的信息化應(yīng)用水平和監(jiān)督管理能力，該項(xiàng)成果獲得中國水土保持學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

如今，十幾年的時(shí)光匆匆即逝，劉昌軍的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)擴(kuò)展到30多人，并一直前行在全國山洪災(zāi)害防治的一線?？蒲兄?，他們還為這一領(lǐng)域研究培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的科研學(xué)子，在教學(xué)引領(lǐng)中，他們結(jié)合跨學(xué)科融合的趨勢，將機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等方向與山洪災(zāi)害防治相結(jié)合，使學(xué)生的綜合能力得到了極大提升，并在實(shí)際項(xiàng)目中加以應(yīng)用，多年來給這一領(lǐng)域輸入了一批優(yōu)秀的科研血液。

山洪災(zāi)害防治工作是一條漫漫長路，未來劉昌軍還將引領(lǐng)團(tuán)隊(duì)投入到“時(shí)空變源混合產(chǎn)流模型與機(jī)理研究”項(xiàng)目中，利用前期山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果，選取全國多個(gè)省份的典型小流域研究山坡地貌水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，在小流域下墊面洪水產(chǎn)流機(jī)制認(rèn)知的基礎(chǔ)上，建立不同地貌響應(yīng)單元的產(chǎn)流機(jī)制，發(fā)展適用于短歷時(shí)、強(qiáng)降雨條件下的小流域時(shí)變超滲/蓄滿產(chǎn)流機(jī)制的混合產(chǎn)流計(jì)算方法，開展小流域洪水時(shí)空變源混合產(chǎn)流建模關(guān)鍵技術(shù)和理論支撐的研究。在全國山洪災(zāi)害防治欒川試驗(yàn)示范基地開展室內(nèi)和野外暴雨產(chǎn)流試驗(yàn)，驗(yàn)證山坡地貌水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)及不同山坡地貌水文響應(yīng)單元產(chǎn)流機(jī)制的對應(yīng)關(guān)系；驗(yàn)證時(shí)空變源混合產(chǎn)流模型的合理性，并在全國典型小流域開展示范應(yīng)用，將時(shí)空變源混合產(chǎn)流模型在無資料地區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)變化新形勢和新要求，他們還將充分利用互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，構(gòu)建全國山洪災(zāi)害的大數(shù)據(jù)中心，將調(diào)查得到的全國降水?dāng)?shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、人員分布律以及災(zāi)害數(shù)據(jù)等進(jìn)行整合、分析，將研究的關(guān)注點(diǎn)不僅僅集中在山洪災(zāi)害一個(gè)方向上，還將結(jié)合中國水科院減災(zāi)中心各部門之力，為全國水旱災(zāi)害防御提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)之上構(gòu)建水旱災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警的模型體系。這一體系的建立涉及800萬平方公里的大陸范圍，需要考慮到不同地區(qū)的氣候類型、地貌特征，需要搞清楚其所存在的災(zāi)害機(jī)理，而國內(nèi)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)模型并不能解決所有問題，需要將不同區(qū)域問題進(jìn)行綜合考量，建立相關(guān)模型。同時(shí)，這項(xiàng)研究涉及53萬個(gè)小流域、170多萬個(gè)鄉(xiāng)村，300多萬個(gè)水系網(wǎng)絡(luò)，工作量巨大，需要面對防御地區(qū)的分散性，降雨的隨機(jī)性等一系列難題，而這些都是未來劉昌軍研究團(tuán)隊(duì)所要攻克的。

研究之路任重而道遠(yuǎn)，但劉昌軍從未怯步。多年來，他秉持著作為一名科研人的使命，曾前往荷蘭、法國、德國等國家進(jìn)行交流和學(xué)習(xí)，介紹和推廣中國山洪災(zāi)害防冶經(jīng)驗(yàn)，將科研成果惠及更多的國家。面對中國山洪災(zāi)害防治的難題，他和團(tuán)隊(duì)仍在前行的道路上攻關(guān)不輟，決心讓團(tuán)隊(duì)的科研成果惠及祖國乃至世界更多的地方。