特大城市外洪內(nèi)澇災(zāi)害鏈聯(lián)防聯(lián)控關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題

劉家宏，梅 超，劉宏偉，房小怡，倪廣恒，靳文波

(1. 中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2. 水利部數(shù)字孿生流域重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；3．南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；4. 中國氣象科學(xué)研究院氣象影響與風(fēng)險(xiǎn)研究中心，北京 100081；5. 清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；6. 應(yīng)急管理部大數(shù)據(jù)中心，北京 100013)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)發(fā)布的第六次評(píng)估報(bào)告指出，21世紀(jì)全球許多地區(qū)的強(qiáng)降水和洪水將加劇且更加頻繁[1-4]，這一趨勢在高度城鎮(zhèn)化的區(qū)域更為明顯[5-6]。近年來，快速城鎮(zhèn)化改變了城市區(qū)域的水循環(huán)過程[7-8]，特大城市“外洪-內(nèi)澇”災(zāi)害在世界多地出現(xiàn)，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，如中國鄭州(2021年7月20日)、德國哈根(2021年7月15日)、美國紐約(2021年9月1日)、澳大利亞昆士蘭(2022年2月27日)及韓國首爾(2022年8月8日)等[9-14]。特大城市的洪澇承載體從傳統(tǒng)平面靜態(tài)對(duì)象發(fā)展為地表/地下三維動(dòng)態(tài)對(duì)象，線性成災(zāi)過程發(fā)展為互饋、次生的網(wǎng)狀災(zāi)害鏈，加之外洪-內(nèi)澇的疊加放大效應(yīng)，極大地增加了城市洪澇應(yīng)對(duì)的復(fù)雜性和難度。國內(nèi)外學(xué)者從工程防御、風(fēng)險(xiǎn)管理、應(yīng)急能力及韌性提升等多角度[15-18]提出了城市特大洪澇應(yīng)對(duì)的策略，促進(jìn)了防洪減災(zāi)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

面向特大暴雨災(zāi)害暴露出的特大城市災(zāi)害鏈機(jī)制不明、監(jiān)測預(yù)警失靈、聯(lián)防聯(lián)控脫節(jié)、缺乏重大外洪內(nèi)澇鏈生災(zāi)害耦合推演技術(shù)和動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)等問題，亟待提升災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)的能力[19]，揭示“外洪-內(nèi)澇”鏈生災(zāi)害的形成與演化規(guī)律，識(shí)別城市三維承載體的洪澇特性及災(zāi)害鏈阻斷機(jī)制；基于業(yè)務(wù)化應(yīng)用需求[20]，亟需研發(fā)流域-城市耦合系統(tǒng)外洪內(nèi)澇一體化協(xié)同監(jiān)測與早期風(fēng)險(xiǎn)感知技術(shù)、城市外洪內(nèi)澇鏈生災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警與定向發(fā)布技術(shù)，研制流域洪水與城市內(nèi)澇聯(lián)合防控場景三維推演與趨勢預(yù)測平臺(tái)，構(gòu)建城市外洪內(nèi)澇災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避與聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急指揮決策智能化系統(tǒng)。

1 關(guān)鍵科學(xué)問題

特大城市外洪內(nèi)澇災(zāi)害鏈聯(lián)防聯(lián)控的關(guān)鍵科學(xué)問題是城市外洪內(nèi)澇組合致災(zāi)機(jī)理與災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)傳遞規(guī)律。在全球變暖、海平面上升和快速城市化等復(fù)雜背景下，極端暴雨(雨)、流域洪水(洪)、城市內(nèi)澇(澇)和海洋高潮位(潮)遭遇事件頻發(fā)，復(fù)合洪澇事件極易導(dǎo)致災(zāi)害伴生現(xiàn)象和災(zāi)害鏈疊加“放大效應(yīng)”。城市“外洪-內(nèi)澇”災(zāi)害鏈的形成涉及雨、洪、澇、潮等多源致災(zāi)因子與人、車、建筑等多類承災(zāi)體在相關(guān)孕災(zāi)環(huán)境下的相互關(guān)聯(lián)作用，呈現(xiàn)出承災(zāi)體復(fù)雜、時(shí)空尺度多樣等特點(diǎn)。中國北方特大城市的地下空間開發(fā)強(qiáng)度較高，河湖水系被侵占現(xiàn)象比較普遍，在超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪澇情景下，容易誘發(fā)地下空間淹澇-地下室配電設(shè)施進(jìn)水短路-大范圍停電停水等系列災(zāi)害鏈；中國南方內(nèi)陸特大城市多數(shù)依傍大江大河發(fā)展，城市排水防澇基礎(chǔ)設(shè)施與江河連通，容易遭受外洪內(nèi)澇的雙重威脅，形成外江洪水頂托—內(nèi)河水位高漲—排水管網(wǎng)水力坡降變緩甚至出現(xiàn)逆坡—排水能力衰減甚至倒灌等連鎖反應(yīng)，從而引發(fā)洪澇災(zāi)害鏈；濱海型特大城市，受海洋季風(fēng)影響，“臺(tái)風(fēng)-暴雨”頻繁發(fā)生，城市暴雨內(nèi)澇疊加“風(fēng)暴潮增水”，如果再遇上“天文大潮”，極易誘發(fā)特大洪澇災(zāi)害鏈。例如，1970年11月13日，孟加拉灣的臺(tái)風(fēng)“博拉”導(dǎo)致強(qiáng)烈的“風(fēng)暴潮”，疊加“天文大潮”增水超過6 m，造成恒河三角洲一帶約30萬人遇難，溺死牲畜50多萬頭，約100萬人流離失所，震驚世界[21]。從承災(zāi)對(duì)象來看，新型城市洪澇承災(zāi)體包括地下空間、地表洼地、地上構(gòu)筑物、蓄水體等，洪澇蓄泄及連通響應(yīng)特性相比傳統(tǒng)洪澇承災(zāi)對(duì)象而言，已經(jīng)發(fā)生了顯著的變化。城市洪澇三維承災(zāi)對(duì)象的水文響應(yīng)和多重災(zāi)害相互誘發(fā)，使得洪澇災(zāi)害應(yīng)對(duì)過程中存在鏈生災(zāi)害發(fā)展難預(yù)判、防御瓶頸難診斷、應(yīng)對(duì)時(shí)機(jī)難把握等實(shí)際問題。例如，2021年鄭州“7·20”特大暴雨期間，京廣路隧道的災(zāi)難事件：城市下穿隧道等復(fù)雜三維地形遭遇特大暴雨，相繼出現(xiàn)隧道出口內(nèi)澇斷路擁堵、隧道出入口淹水倒灌、排水泵站及配電設(shè)備進(jìn)水停機(jī)，加之隧道管理單位和有關(guān)部門封閉隧道疏導(dǎo)交通不及時(shí)等多重因素疊加放大，造成“城市洪澇災(zāi)害鏈”。為此，需重點(diǎn)關(guān)注多重災(zāi)害相互誘發(fā)作用下洪澇災(zāi)害鏈形成機(jī)理這一關(guān)鍵科學(xué)問題，構(gòu)建城市“外洪-內(nèi)澇”災(zāi)害鏈知識(shí)圖譜，識(shí)別洪澇災(zāi)害鏈形成的主要驅(qū)動(dòng)要素、傳遞機(jī)制與關(guān)鍵時(shí)空節(jié)點(diǎn)，研發(fā)城市三維空間承災(zāi)體洪澇容深特性識(shí)別方法，為災(zāi)害鏈的精準(zhǔn)阻斷提供科學(xué)參考。進(jìn)而，基于多重災(zāi)害相互誘發(fā)作用下“外洪-內(nèi)澇”災(zāi)害鏈形成機(jī)理以及洪澇承災(zāi)體風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避技術(shù)，揭示組合致災(zāi)條件下城市“外洪-內(nèi)澇”聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急預(yù)案的時(shí)空響應(yīng)特征，從而推動(dòng)城市洪澇聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急預(yù)案編制技術(shù)發(fā)展，提升應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的技術(shù)水平。

針對(duì)上述關(guān)鍵科學(xué)問題，需重點(diǎn)開展城市“外洪-內(nèi)澇”災(zāi)害耦合機(jī)理、三維承災(zāi)對(duì)象洪澇災(zāi)害特性、洪澇災(zāi)害鏈形成與阻斷機(jī)理、洪澇防控的時(shí)間與空間特性等4個(gè)方面的理論和方法研究(圖1)。

圖1 城市洪澇災(zāi)害鏈聯(lián)防聯(lián)控關(guān)鍵科學(xué)問題及相關(guān)研究內(nèi)容Fig.1 Key scientific issues and research contents of the joint prevention and control of urban flood disasters

2 關(guān)鍵技術(shù)需求

面向特大城市“外洪-內(nèi)澇”監(jiān)測預(yù)警、模擬推演和智能決策方面的主要問題，當(dāng)前在城市外洪內(nèi)澇災(zāi)害鏈聯(lián)防聯(lián)控方面的關(guān)鍵技術(shù)需求如圖2所示。

圖2 城市洪澇聯(lián)防聯(lián)控面臨的主要問題與關(guān)鍵技術(shù)需求Fig.2 Principal problems and technological issues of the joint prevention and control of urban flood

2.1 流域-城市一體化協(xié)同監(jiān)測與早期風(fēng)險(xiǎn)感知技術(shù)

目前美國國家航空航天局(NASA)和日本航空勘探局(JAXA)等機(jī)構(gòu)已發(fā)起并建立了全球降水觀測(Global Precipitation Measurement，GPM)計(jì)劃[22-23]，可提供全球12 km 分辨率網(wǎng)格、3 h降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品，當(dāng)前各國正在發(fā)展基于觀測和數(shù)值模式的降水訂正技術(shù)，該領(lǐng)域中國整體處在“并跑”階段，在高分辨率臨近降水預(yù)報(bào)領(lǐng)域正尋求“領(lǐng)跑”突破。現(xiàn)有的城市洪澇災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的空間分辨偏低、早期風(fēng)險(xiǎn)感知預(yù)見期有限、洪澇過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測能力不足，難以滿足城市外洪內(nèi)澇聯(lián)防聯(lián)控的業(yè)務(wù)需求；此外，城市特大洪澇災(zāi)害發(fā)生時(shí)極有可能產(chǎn)生斷電、斷網(wǎng)等不利情景。因此，需要研發(fā)城市洪澇災(zāi)害多要素協(xié)同監(jiān)測和高保障信息傳輸技術(shù)，該技術(shù)擬基于嵌入式計(jì)算機(jī)、窄帶物聯(lián)、衛(wèi)星通訊的智能多信道數(shù)據(jù)傳輸保障方法，實(shí)現(xiàn)市電中斷、無線互聯(lián)網(wǎng)中斷等惡劣工況下關(guān)鍵信息傳輸不中斷，保障城市地區(qū)洪澇水文多要素協(xié)同監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，基于中國氣象雷達(dá)觀測系統(tǒng)和地面雨量站構(gòu)建流域-城市-街區(qū)多尺度降水動(dòng)態(tài)監(jiān)測體系，研發(fā)空天地降水協(xié)同觀測與定量降水預(yù)估(Quantitative Precipitation Estimation，QPE)時(shí)空分辨率優(yōu)化提升技術(shù)，通過空天地暴雨目標(biāo)觀測物綜合校驗(yàn)，提升天氣雷達(dá)QPE時(shí)空分辨率，建立時(shí)空分辨率為100 m和10 min的QPE產(chǎn)品，提高強(qiáng)暴雨外推預(yù)警水平，提升特大城市降水預(yù)報(bào)的精細(xì)化水平及強(qiáng)降水預(yù)見期。研發(fā)特大城市高時(shí)空分辨率中期-短期-短臨遞進(jìn)滾動(dòng)式智能網(wǎng)格降水預(yù)報(bào)技術(shù)，通過對(duì)高時(shí)空分辨率觀測資料的滾動(dòng)融合及預(yù)報(bào)算法的改進(jìn)，提高計(jì)算效率，將短臨預(yù)報(bào)的強(qiáng)降水預(yù)見期延長至3 h、空間分辨率提升到500 m；通過對(duì)不同預(yù)報(bào)時(shí)效產(chǎn)品的融合，構(gòu)建高時(shí)空分辨率中期-短期-短臨遞進(jìn)滾動(dòng)式智能網(wǎng)格降水預(yù)報(bào)技術(shù)體系；研發(fā)外洪內(nèi)澇災(zāi)害早期風(fēng)險(xiǎn)影響動(dòng)態(tài)感知識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分類致洪面雨量的識(shí)別；根據(jù)定量降水估計(jì)和中小流域面雨量預(yù)報(bào)，應(yīng)用決策樹模型等分析特大城市及周邊流域洪澇風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)降水及其致災(zāi)天氣系統(tǒng)在時(shí)間預(yù)見性上的無縫隙預(yù)報(bào)和早期風(fēng)險(xiǎn)感知。

2.2 城市外洪內(nèi)澇鏈生災(zāi)害智能預(yù)警與定向發(fā)布技術(shù)

特大城市洪澇承災(zāi)體復(fù)雜、動(dòng)態(tài)，且具有地表、地下空間等三維特性，在不同的城市運(yùn)行狀態(tài)、不同的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)閾值下，受災(zāi)范圍、承災(zāi)對(duì)象差異巨大，這對(duì)災(zāi)害預(yù)警與定向發(fā)布提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。國外在洪澇風(fēng)險(xiǎn)管理方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢[24-25]，美國、法國和日本等相繼建立了國家洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，但主要關(guān)注流域?qū)用娴暮樗^程，尚未建立與城市內(nèi)澇耦合預(yù)報(bào)、聯(lián)合推演的業(yè)務(wù)化運(yùn)行系統(tǒng)。中國分2期建設(shè)了國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)，已經(jīng)在中央、流域和省級(jí)部署，開展了業(yè)務(wù)化運(yùn)行，在實(shí)踐應(yīng)用上處于“領(lǐng)跑”位置。未來需剖析城市人口、車流、三維復(fù)雜承災(zāi)體等動(dòng)、靜要素組合場景下外洪內(nèi)澇鏈生災(zāi)害的時(shí)空演進(jìn)機(jī)理，提出直鏈?zhǔn)?、循環(huán)式、發(fā)散式等不同類型鏈生災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研判與態(tài)勢預(yù)測方法；智能匯聚分析城市洪澇災(zāi)害動(dòng)態(tài)多源信息，構(gòu)建城市多尺度、跨部門的災(zāi)害聯(lián)防聯(lián)控響應(yīng)體系和分布式監(jiān)測-預(yù)警體系；面向街區(qū)、部門研發(fā)多層級(jí)、多目標(biāo)預(yù)警信息精準(zhǔn)發(fā)布技術(shù)，提升洪澇場景下城市聯(lián)防聯(lián)控響應(yīng)、智能預(yù)警與定向發(fā)布能力。具體的分項(xiàng)技術(shù)要點(diǎn)包括基于多源時(shí)空關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的城市外洪內(nèi)澇鏈生災(zāi)害動(dòng)態(tài)預(yù)警技術(shù)、特大城市突發(fā)災(zāi)害場景下的信息匯聚融合應(yīng)用技術(shù)、城市外洪內(nèi)澇場景下多部門和多層級(jí)預(yù)警定向發(fā)布機(jī)制，以及特大城市外洪內(nèi)澇場景下鏈生災(zāi)害智能預(yù)警定向發(fā)布系統(tǒng)等。

2.3 跨尺度洪澇耦合模擬與聯(lián)合防控場景推演技術(shù)

流域洪水與城市內(nèi)澇的遭遇疊加涉及跨尺度洪澇過程的耦合模擬，單一的流域洪水模型和城市內(nèi)澇模型在處理此類問題時(shí)都有局限性。本領(lǐng)域國外研發(fā)了SWMM、MIKE、InfoWorks等系列軟件產(chǎn)品[26-27]，面對(duì)特大城市、復(fù)雜下墊面等大規(guī)模模擬問題時(shí)，其計(jì)算速度瓶頸尚未突破。流域-城市跨尺度耦合模擬剛剛起步，中國屬于“并跑”向“領(lǐng)跑”過渡階段。流域-城市跨尺度洪澇耦合模擬涉及實(shí)體多元、鏈接部位繁雜等問題，需研發(fā)基于多源數(shù)據(jù)和領(lǐng)域知識(shí)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的智能建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨尺度單元級(jí)聯(lián)拓?fù)渥詣?dòng)推斷和關(guān)鍵區(qū)域自適應(yīng)加密。針對(duì)因跨尺度洪澇演進(jìn)快慢過程交織、大小要素共存而產(chǎn)生的耦合計(jì)算性能瓶頸，需研發(fā)基于動(dòng)態(tài)模態(tài)分解與深度時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的多尺度耦合模型降階代理模擬技術(shù)，并利用采樣仿真與數(shù)據(jù)同化算法，提升跨尺度耦合模擬的效率與精度。針對(duì)洪澇致災(zāi)鏈路及聯(lián)防聯(lián)控體系的級(jí)聯(lián)復(fù)雜性，可采用知識(shí)圖譜技術(shù)快速構(gòu)建統(tǒng)一存儲(chǔ)、有序管理的城市特大洪澇聯(lián)防聯(lián)控場景知識(shí)庫，利用耦合災(zāi)害動(dòng)力學(xué)模擬的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，智能推薦聯(lián)防聯(lián)控預(yù)案，并利用考慮單元級(jí)聯(lián)與過程耦合關(guān)系的通用化場景描述技術(shù)，以及兼顧推演精度需求與數(shù)據(jù)時(shí)空變化特性的漸進(jìn)式渲染技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)聯(lián)防聯(lián)控推演場景的高效響應(yīng)和實(shí)時(shí)仿真。

2.4 城市洪澇聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急預(yù)案編制與智能化決策技術(shù)

城市“外洪-內(nèi)澇”組合致災(zāi)情景下，洪澇的致災(zāi)機(jī)理和區(qū)域水文過程可能出現(xiàn)“疊加放大效應(yīng)”等一系列重大變化，傳統(tǒng)以城市區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)的防洪排澇預(yù)案將難以滿足需求。國外在洪澇應(yīng)對(duì)方面?zhèn)戎赜陲L(fēng)險(xiǎn)管控，城市建筑物和重要基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)避讓洪水高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，對(duì)中低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的財(cái)產(chǎn)實(shí)施洪水保險(xiǎn)等非工程措施加以保全[28-29]。中國由于人口密集，避讓難度大，且許多老城區(qū)在新的水文情勢下，已經(jīng)暴露于洪水風(fēng)險(xiǎn)中[30]，在未來城市更新過程完成前，難以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。因此，中國采取了防洪排澇工程措施與洪澇應(yīng)急管理非工程措施相結(jié)合的方式管控風(fēng)險(xiǎn)，制定了較為完善的流域及城市防汛應(yīng)急預(yù)案，在本領(lǐng)域處于“領(lǐng)跑”位置。未來需基于災(zāi)害鏈形成與傳播機(jī)理，研究組合致災(zāi)情景下洪澇災(zāi)害演變過程與預(yù)案編制的內(nèi)在聯(lián)系，解析特大城市復(fù)雜三維承災(zāi)體特性，研發(fā)承災(zāi)體風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避和災(zāi)害鏈阻斷技術(shù)，提出不同尺度下聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急預(yù)案協(xié)調(diào)機(jī)制。同時(shí)，研究組合致災(zāi)情景下城市“外洪-內(nèi)澇”聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急預(yù)案的時(shí)空特征，從城市洪澇災(zāi)害時(shí)空特性出發(fā)，量化分析組合致災(zāi)情景下城市防洪排澇的物資和救援需求，構(gòu)建組合致災(zāi)情景下面向防洪排澇需求的資源優(yōu)化配置模型，智能優(yōu)化配置/調(diào)度防洪排澇資源及相關(guān)應(yīng)急設(shè)施。進(jìn)一步地，融合城市實(shí)時(shí)洪澇監(jiān)測感知、洪澇災(zāi)害推演、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警等工具與信息，創(chuàng)建組合致災(zāi)情景下城市“災(zāi)前預(yù)警-災(zāi)中應(yīng)對(duì)-災(zāi)后處置”聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急預(yù)案動(dòng)態(tài)生成技術(shù)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)預(yù)案在動(dòng)態(tài)組合致災(zāi)情景下資源實(shí)時(shí)配置能力不足等問題，支撐城市洪澇應(yīng)急指揮智能化決策，最大程度地降低洪澇災(zāi)害損失。

3 聯(lián)防聯(lián)控系統(tǒng)

城市洪澇災(zāi)害聯(lián)防聯(lián)控技術(shù)研發(fā)屬于“面向國家重大需求”的科技創(chuàng)新工作，著力解決特大城市的“發(fā)展與安全”重大問題，需重點(diǎn)破解四大難題：外洪內(nèi)澇一體化精準(zhǔn)協(xié)同監(jiān)測難題、早期風(fēng)險(xiǎn)感知預(yù)見期和精度同步提升難題、面向人/車動(dòng)態(tài)對(duì)象的預(yù)警信息定向發(fā)布難題、洪澇聯(lián)防聯(lián)控場景快速推演與智能決策難題，構(gòu)建聯(lián)防聯(lián)控系統(tǒng)(圖3)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化評(píng)估、精準(zhǔn)化預(yù)警、智能化決策，支撐流域洪水和城市內(nèi)澇聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急管理業(yè)務(wù)應(yīng)用。

3.1 動(dòng)態(tài)化評(píng)估

傳統(tǒng)城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要面向城市區(qū)域的平面靜態(tài)對(duì)象，包括地表受淹的建筑物等固定資產(chǎn)。城市外洪內(nèi)澇復(fù)合災(zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、蔓延迅速、承災(zāi)體復(fù)雜多變、位置不固定等特征，洪澇承災(zāi)體也從平面靜態(tài)對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)槿S動(dòng)態(tài)對(duì)象，靜態(tài)評(píng)估方法難以適應(yīng)新的災(zāi)害特征。亟需研究解析城市人口、車流、三維復(fù)雜承災(zāi)體等時(shí)空演進(jìn)規(guī)律，提出不同類型鏈生災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研判與態(tài)勢預(yù)測方法，融合城市多源異構(gòu)數(shù)據(jù)資源，形成城市洪澇鏈生災(zāi)害動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估與預(yù)測。

3.2 精準(zhǔn)化預(yù)警

特大洪澇災(zāi)害應(yīng)急管理實(shí)踐中，往往面臨應(yīng)急物資和救援力量不足等困難，精準(zhǔn)預(yù)警、提前響應(yīng)、主動(dòng)有序避險(xiǎn)十分重要。災(zāi)害事故的精準(zhǔn)預(yù)警與定向發(fā)布，難點(diǎn)主要包括災(zāi)害承災(zāi)體及應(yīng)急響應(yīng)隊(duì)伍的精準(zhǔn)識(shí)別、差異化定制預(yù)警信息的準(zhǔn)確投送?？赏ㄟ^疊加實(shí)時(shí)交通大數(shù)據(jù)、人口分布熱力圖、洪澇致災(zāi)因子空間分布圖，采用人/車軌跡同時(shí)空分析，精準(zhǔn)識(shí)別災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的人/車對(duì)象及相應(yīng)的救援力量，利用手機(jī)信號(hào)基站定向耦聯(lián)方式，實(shí)現(xiàn)洪澇預(yù)警信息及救援指令的精準(zhǔn)化定向發(fā)布。

3.3 智能化決策

城市洪澇聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急指揮決策變量眾多、場景復(fù)雜，且災(zāi)害形勢瞬息萬變，時(shí)效性要求極高，單純依靠專家會(huì)商決策，難以做到全局最優(yōu)，且時(shí)效性難以保證，因此，需要引入人工智能及機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行輔助決策。智能化決策技術(shù)主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)獲取的智能化、洪澇過程模擬的智能化、應(yīng)對(duì)方案優(yōu)選的智能化、防控形勢研判的智能化等方面。在災(zāi)情、災(zāi)害、救援進(jìn)展及物資儲(chǔ)運(yùn)等信息的獲取方面采用智能化的數(shù)據(jù)分析與知識(shí)挖掘等信息獲取技術(shù)；在洪澇過程模擬時(shí)采用機(jī)理模型與智能模型雙驅(qū)動(dòng)、自學(xué)習(xí)模式迭代更新，提升模擬精度和運(yùn)行效率；在應(yīng)對(duì)方案生成和優(yōu)選時(shí)通過歷史方案庫的匹配和智能組合評(píng)估，快速獲得優(yōu)選方案集；在方案執(zhí)行過程中，基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)融合智能技術(shù)進(jìn)行防控形勢的科學(xué)研判，及時(shí)反饋方案調(diào)整建議等。

3.4 系統(tǒng)預(yù)期成效

基于特大城市外洪內(nèi)澇災(zāi)害鏈聯(lián)防聯(lián)控關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)成果構(gòu)建的軟硬件系統(tǒng)，預(yù)期可全面增強(qiáng)監(jiān)測、預(yù)報(bào)及推演能力，支撐早期預(yù)警和預(yù)案推演，為應(yīng)急指揮決策和現(xiàn)場救援贏得寶貴的時(shí)間，有效提升洪澇應(yīng)急管理水平和災(zāi)害救援效率。如圖4所示，從災(zāi)害天氣背景場形成開始，通過流域-城市一體化協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)的氣象雷達(dá)裝置，可獲取新一代S波段和局地X波段天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)；考慮原始數(shù)據(jù)接收時(shí)間延時(shí)和數(shù)據(jù)處理時(shí)間，約26 min后可得到高精度、高時(shí)空分辨率的0～3 h的臨近外推降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品(考慮到距雷達(dá)觀測時(shí)間已經(jīng)過去了約26 min，實(shí)際獲得的降水預(yù)見期約為2.5 h)；將降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品輸入跨尺度洪澇耦合模型，進(jìn)行模擬推演約30 min，可提前2 h獲取災(zāi)害預(yù)警信息；通過智能預(yù)警與定向發(fā)布系統(tǒng)、聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急預(yù)案編制與智能化決策模塊等，啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)和決策指揮，及時(shí)阻斷災(zāi)害鏈，主動(dòng)進(jìn)行應(yīng)急避險(xiǎn)，在災(zāi)害發(fā)生時(shí)最大限度保障人員和財(cái)產(chǎn)安全。

圖4 城市洪澇聯(lián)防聯(lián)控系統(tǒng)執(zhí)行流程及預(yù)期成效示意Fig.4 Implementation process and expected results of joint prevention and control system for urban flood

4 結(jié)論與展望

全球氣候變化與快速城鎮(zhèn)化背景下，流域洪水與城市內(nèi)澇疊加風(fēng)險(xiǎn)明顯增加，本文梳理了特大城市外洪內(nèi)澇災(zāi)害鏈聯(lián)防聯(lián)控關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，解析了城市洪澇聯(lián)防聯(lián)控系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)，展望了相關(guān)技術(shù)研發(fā)和系統(tǒng)構(gòu)建的預(yù)期成效。未來可能的創(chuàng)新點(diǎn)和突破方向概括如下：

(1) 強(qiáng)化城市外洪內(nèi)澇災(zāi)害鏈形成與演化機(jī)制研究，系統(tǒng)揭示雨-洪-澇-潮相互作用機(jī)理、城市“外洪-內(nèi)澇”遭遇規(guī)律和承災(zāi)體響應(yīng)特征，識(shí)別洪澇災(zāi)害鏈形成演化機(jī)制及疊加放大效應(yīng)，提出災(zāi)害鏈阻斷理論與方法；

(2) 發(fā)展城市外洪內(nèi)澇鏈生災(zāi)害耦合推演技術(shù)，構(gòu)建跨尺度外洪內(nèi)澇鏈生災(zāi)害動(dòng)力學(xué)模型，支撐流域-城市水文水動(dòng)力過程的耦合模擬和洪澇聯(lián)防聯(lián)控組合場景推演，解決流域-城市耦合系統(tǒng)在特大洪澇場景下的復(fù)雜鏈生災(zāi)害過程推演難題；

(3) 創(chuàng)新街區(qū)尺度洪澇風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估與預(yù)警技術(shù)，融合人口/車流等動(dòng)態(tài)信息和早期風(fēng)險(xiǎn)感知技術(shù)，考慮洪澇災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)傳遞規(guī)律和城市復(fù)雜三維承災(zāi)體特性，精準(zhǔn)定位洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，識(shí)別涉險(xiǎn)人/車對(duì)象，實(shí)現(xiàn)街區(qū)尺度的預(yù)警信息定向精準(zhǔn)發(fā)布；

(4) 研發(fā)流域-城市一體化協(xié)同監(jiān)測技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)城市區(qū)域高空間分辨率洪澇要素動(dòng)態(tài)監(jiān)測，研制多信道智能切換數(shù)據(jù)傳輸裝置，保障特大洪澇時(shí)斷電、斷網(wǎng)等惡劣工況下洪澇關(guān)鍵要素的監(jiān)測傳輸不中斷。

中國幅員遼闊，南方、北方、濱海等不同區(qū)域特大城市具有不同的特點(diǎn)，洪澇形成機(jī)理與災(zāi)害鏈傳遞特征也不盡相同，本文所提出的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題主要側(cè)重共性問題，存在一定的偏頗和不足，未來尚需結(jié)合城市具體實(shí)際進(jìn)行進(jìn)一步的深化研究。