廖衛(wèi)紅：“智慧”水利，筑起新時代防災(zāi)減災(zāi)“安全墻”

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，洪澇災(zāi)害造成全國27?。▍^(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。在這樣一個洪災(zāi)日益多發(fā)，造成的災(zāi)情日益嚴(yán)重的時代，建立“政府主導(dǎo)、部門聯(lián)動、社會參與”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)報工作就是最主要的非工程性措施之一?！昂樗A(yù)報調(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)確及時的預(yù)報可使工程合理調(diào)度，及時采取防洪搶險措施，力求使洪災(zāi)損失降到最低限度。”中國水利水電科學(xué)研究院水資源所水資源調(diào)度室教授級高級工程師廖衛(wèi)紅說。

“冥冥之中自有天意”

“北京市氣象臺2021年6月25日22時20分發(fā)布暴雨藍(lán)色預(yù)警信號：受強對流云團(tuán)影響，預(yù)計當(dāng)前至26日0時，城區(qū)及東南部地區(qū)將出現(xiàn)小時雨強30～50毫米的強降水，請注意防范?！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，就會遠(yuǎn)程值班，及時關(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)報是當(dāng)今水文水資源學(xué)科中一個重要的分支。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)計算，最終預(yù)估在其一控制斷面即將發(fā)生的實際洪水過程。由于洪水預(yù)報要求準(zhǔn)確、及時，因此，我需要隨時掌握相關(guān)數(shù)據(jù)變化?！?/p>

當(dāng)被問及是如何與這一研究領(lǐng)域結(jié)緣時，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)紅自小便對理工科感興趣，通過學(xué)習(xí)，她慢慢認(rèn)識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)常需要去實地考察，出差已是家常便飯?！耙话闱闆r下，我一個月得出差兩次。多的時候，差不多就得一個星期一次了，而且經(jīng)常出去一次就是一周時間?！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。那會兒恰逢她的生日。由于當(dāng)時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。“那會兒我覺得特別委屈，還偷偷哭過，但也清楚工作還得好好做下去。現(xiàn)在回想起來，雖然出差時難免有心酸，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‘百川異源而皆歸于海，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”。

一次次的實地勘探讓廖衛(wèi)紅掌握了許多書本上學(xué)不到的知識，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)報等領(lǐng)域取得了豐碩的成果。主持或參加20多項科研項目，獲得省部級獎勵4項，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;獲批軟件著作權(quán)13項;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)運而生。它是數(shù)學(xué)模型用數(shù)字語言將自然現(xiàn)象符號化的水文學(xué)應(yīng)用。相對于河口水文模型、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際意義。

“流域水文模型把流域總體看成是一個系統(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)水文概念推理計算出來的。”廖衛(wèi)紅介紹道，“近年來，流域水文模型研究實現(xiàn)了快速發(fā)展。一個很重要的原因就是計算機(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算機(jī)進(jìn)行超大計算量的數(shù)據(jù)分析。這在以前是想都不敢想的?！?/p>

2017年，基于高性能計算技術(shù)支持，廖衛(wèi)紅所在團(tuán)隊承擔(dān)了國家重點研發(fā)計劃“面向E級計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級平臺，實現(xiàn)了流域水系分級嵌套耦合大規(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;隨后，研制多源數(shù)據(jù)、多模型與參數(shù)組合流域洪水/徑流超級集合預(yù)報技術(shù);開發(fā)多尺度嵌套水文模擬與預(yù)報可視化系統(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)報成果。

歷時3年的研究，廖衛(wèi)紅帶領(lǐng)團(tuán)隊成功研制出并實現(xiàn)了快速精確的流域水文超級集合預(yù)報及可視化展示。該項目不僅極大地推進(jìn)了我國先進(jìn)的高性能計算機(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變化的模擬預(yù)報精度，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。

探索城市洪澇實時預(yù)報

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)報進(jìn)一步拓展到城市洪澇預(yù)報。

福州具有沿海重要城市環(huán)境特點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，而西北部武夷山地形隆起，因而臺風(fēng)雨、局部短歷時強降雨易發(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)計標(biāo)準(zhǔn)偏低。1年一遇、2年一遇管網(wǎng)比重在整個城市排水系統(tǒng)中高達(dá)71%以上。

針對福州城市水系和內(nèi)澇特點，廖衛(wèi)紅帶領(lǐng)的團(tuán)隊構(gòu)建了包括水文模擬預(yù)報、一維河道水動力模擬、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，重點解決小尺度（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，實現(xiàn)了潮位頂托、工程調(diào)度影響的福州城區(qū)河道水動力過程精細(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，以及河道水位對城區(qū)管網(wǎng)的頂托作用，對城市管網(wǎng)-地表匯流-河道模型實現(xiàn)了耦合模擬。總的來說，針對福州復(fù)雜的先天環(huán)境和后天設(shè)施條件，依托實時傳入的站網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建的這套耦合模型進(jìn)行實時模擬和預(yù)報，可對城市內(nèi)河水位、流量過程每半小時自動預(yù)報，并在發(fā)生中雨及以上量級降雨情況下，自動進(jìn)行城市內(nèi)澇預(yù)報，預(yù)報時長為未來2～6小時。

在具體的應(yīng)用中，模型還可以實時計算當(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。對福州市城區(qū)水系的科學(xué)調(diào)度提供7×24小時的服務(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)定運行2年，累計支撐四級以上應(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)實際數(shù)據(jù)和模擬預(yù)報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。

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)隊開展了國家重點研發(fā)計劃“河流、河口污染的溯源與治理規(guī)劃”的項目研究。課題組圍繞河口水環(huán)境三維立體監(jiān)測、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)健康評價、河口污染治理規(guī)劃等方面實現(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。

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，新時代防災(zāi)減災(zāi)“安全墻”定會牢牢筑起！