劉家宏，梅 超，劉宏偉，房小怡，倪廣恒，靳文波
(1. 中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；
2. 水利部數字孿生流域重點實驗室，北京 100038；
3．南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；
4. 中國氣象科學研究院氣象影響與風險研究中心，北京 100081；
5. 清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084；
6. 應急管理部大數據中心，北京 100013)
聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發布的第六次評估報告指出，21世紀全球許多地區的強降水和洪水將加劇且更加頻繁[1-4]，這一趨勢在高度城鎮化的區域更為明顯[5-6]。近年來，快速城鎮化改變了城市區域的水循環過程[7-8]，特大城市“外洪-內澇”災害在世界多地出現，造成重大人員傷亡和財產損失，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平面靜態對象發展為地表/地下三維動態對象，線性成災過程發展為互饋、次生的網狀災害鏈，加之外洪-內澇的疊加放大效應，極大地增加了城市洪澇應對的復雜性和難度。國內外學者從工程防御、風險管理、應急能力及韌性提升等多角度[15-18]提出了城市特大洪澇應對的策略，促進了防洪減災領域的技術進步。
面向特大暴雨災害暴露出的特大城市災害鏈機制不明、監測預警失靈、聯防聯控脫節、缺乏重大外洪內澇鏈生災害耦合推演技術和動態風險評估技術等問題，亟待提升災害天氣預報的能力[19]，揭示“外洪-內澇”鏈生災害的形成與演化規律，識別城市三維承載體的洪澇特性及災害鏈阻斷機制；
基于業務化應用需求[20]，亟需研發流域-城市耦合系統外洪內澇一體化協同監測與早期風險感知技術、城市外洪內澇鏈生災害風險智能預警與定向發布技術，研制流域洪水與城市內澇聯合防控場景三維推演與趨勢預測平臺，構建城市外洪內澇災害鏈風險規避與聯防聯控應急指揮決策智能化系統。
特大城市外洪內澇災害鏈聯防聯控的關鍵科學問題是城市外洪內澇組合致災機理與災害鏈風險傳遞規律。在全球變暖、海平面上升和快速城市化等復雜背景下，極端暴雨(雨)、流域洪水(洪)、城市內澇(澇)和海洋高潮位(潮)遭遇事件頻發，復合洪澇事件極易導致災害伴生現象和災害鏈疊加“放大效應”。城市“外洪-內澇”災害鏈的形成涉及雨、洪、澇、潮等多源致災因子與人、車、建筑等多類承災體在相關孕災環境下的相互關聯作用，呈現出承災體復雜、時空尺度多樣等特點。中國北方特大城市的地下空間開發強度較高，河湖水系被侵占現象比較普遍，在超標準暴雨洪澇情景下，容易誘發地下空間淹澇-地下室配電設施進水短路-大范圍停電停水等系列災害鏈；
中國南方內陸特大城市多數依傍大江大河發展，城市排水防澇基礎設施與江河連通，容易遭受外洪內澇的雙重威脅，形成外江洪水頂托—內河水位高漲—排水管網水力坡降變緩甚至出現逆坡—排水能力衰減甚至倒灌等連鎖反應，從而引發洪澇災害鏈；
濱海型特大城市，受海洋季風影響，“臺風-暴雨”頻繁發生，城市暴雨內澇疊加“風暴潮增水”，如果再遇上“天文大潮”，極易誘發特大洪澇災害鏈。例如，1970年11月13日，孟加拉灣的臺風“博拉”導致強烈的“風暴潮”，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]。從承災對象來看，新型城市洪澇承災體包括地下空間、地表洼地、地上構筑物、蓄水體等，洪澇蓄泄及連通響應特性相比傳統洪澇承災對象而言，已經發生了顯著的變化。城市洪澇三維承災對象的水文響應和多重災害相互誘發，使得洪澇災害應對過程中存在鏈生災害發展難預判、防御瓶頸難診斷、應對時機難把握等實際問題。例如，2021年鄭州“7·20”特大暴雨期間，京廣路隧道的災難事件：城市下穿隧道等復雜三維地形遭遇特大暴雨，相繼出現隧道出口內澇斷路擁堵、隧道出入口淹水倒灌、排水泵站及配電設備進水停機，加之隧道管理單位和有關部門封閉隧道疏導交通不及時等多重因素疊加放大，造成“城市洪澇災害鏈”。為此，需重點關注多重災害相互誘發作用下洪澇災害鏈形成機理這一關鍵科學問題，構建城市“外洪-內澇”災害鏈知識圖譜，識別洪澇災害鏈形成的主要驅動要素、傳遞機制與關鍵時空節點，研發城市三維空間承災體洪澇容深特性識別方法，為災害鏈的精準阻斷提供科學參考。進而，基于多重災害相互誘發作用下“外洪-內澇”災害鏈形成機理以及洪澇承災體風險規避技術，揭示組合致災條件下城市“外洪-內澇”聯防聯控應急預案的時空響應特征，從而推動城市洪澇聯防聯控應急預案編制技術發展，提升應對洪澇災害的技術水平。
針對上述關鍵科學問題，需重點開展城市“外洪-內澇”災害耦合機理、三維承災對象洪澇災害特性、洪澇災害鏈形成與阻斷機理、洪澇防控的時間與空間特性等4個方面的理論和方法研究(圖1)。
圖1 城市洪澇災害鏈聯防聯控關鍵科學問題及相關研究內容Fig.1 Key scientific issues and research contents of the joint prevention and control of urban flood disasters
面向特大城市“外洪-內澇”監測預警、模擬推演和智能決策方面的主要問題，當前在城市外洪內澇災害鏈聯防聯控方面的關鍵技術需求如圖2所示。
圖2 城市洪澇聯防聯控面臨的主要問題與關鍵技術需求Fig.2 Principal problems and technological issues of the joint prevention and control of urban flood
2.1 流域-城市一體化協同監測與早期風險感知技術
目前美國國家航空航天局(NASA)和日本航空勘探局(JAXA)等機構已發起并建立了全球降水觀測(Global Precipitation Measurement，GPM)計劃[22-23]，可提供全球12 km 分辨率網格、3 h降水預報產品，當前各國正在發展基于觀測和數值模式的降水訂正技術，該領域中國整體處在“并跑”階段，在高分辨率臨近降水預報領域正尋求“領跑”突破。現有的城市洪澇災害監測系統的空間分辨偏低、早期風險感知預見期有限、洪澇過程動態監測能力不足，難以滿足城市外洪內澇聯防聯控的業務需求；
此外，城市特大洪澇災害發生時極有可能產生斷電、斷網等不利情景。因此，需要研發城市洪澇災害多要素協同監測和高保障信息傳輸技術，該技術擬基于嵌入式計算機、窄帶物聯、衛星通訊的智能多信道數據傳輸保障方法，實現市電中斷、無線互聯網中斷等惡劣工況下關鍵信息傳輸不中斷，保障城市地區洪澇水文多要素協同監測和數據傳輸。同時，基于中國氣象雷達觀測系統和地面雨量站構建流域-城市-街區多尺度降水動態監測體系，研發空天地降水協同觀測與定量降水預估(Quantitative Precipitation Estimation，QPE)時空分辨率優化提升技術，通過空天地暴雨目標觀測物綜合校驗，提升天氣雷達QPE時空分辨率，建立時空分辨率為100 m和10 min的QPE產品，提高強暴雨外推預警水平，提升特大城市降水預報的精細化水平及強降水預見期。研發特大城市高時空分辨率中期-短期-短臨遞進滾動式智能網格降水預報技術，通過對高時空分辨率觀測資料的滾動融合及預報算法的改進，提高計算效率，將短臨預報的強降水預見期延長至3 h、空間分辨率提升到500 m；
通過對不同預報時效產品的融合，構建高時空分辨率中期-短期-短臨遞進滾動式智能網格降水預報技術體系；
研發外洪內澇災害早期風險影響動態感知識別技術，實現分類致洪面雨量的識別；
根據定量降水估計和中小流域面雨量預報，應用決策樹模型等分析特大城市及周邊流域洪澇風險，實現降水及其致災天氣系統在時間預見性上的無縫隙預報和早期風險感知。
2.2 城市外洪內澇鏈生災害智能預警與定向發布技術
特大城市洪澇承災體復雜、動態，且具有地表、地下空間等三維特性，在不同的城市運行狀態、不同的內澇風險閾值下，受災范圍、承災對象差異巨大，這對災害預警與定向發布提出了嚴峻挑戰。國外在洪澇風險管理方面具有領先優勢[24-25]，美國、法國和日本等相繼建立了國家洪水預報系統，但主要關注流域層面的洪水過程，尚未建立與城市內澇耦合預報、聯合推演的業務化運行系統。中國分2期建設了國家防汛抗旱指揮系統，已經在中央、流域和省級部署，開展了業務化運行，在實踐應用上處于“領跑”位置。未來需剖析城市人口、車流、三維復雜承災體等動、靜要素組合場景下外洪內澇鏈生災害的時空演進機理，提出直鏈式、循環式、發散式等不同類型鏈生災害風險研判與態勢預測方法；
智能匯聚分析城市洪澇災害動態多源信息，構建城市多尺度、跨部門的災害聯防聯控響應體系和分布式監測-預警體系；
面向街區、部門研發多層級、多目標預警信息精準發布技術，提升洪澇場景下城市聯防聯控響應、智能預警與定向發布能力。具體的分項技術要點包括基于多源時空關聯數據的城市外洪內澇鏈生災害動態預警技術、特大城市突發災害場景下的信息匯聚融合應用技術、城市外洪內澇場景下多部門和多層級預警定向發布機制，以及特大城市外洪內澇場景下鏈生災害智能預警定向發布系統等。
2.3 跨尺度洪澇耦合模擬與聯合防控場景推演技術
流域洪水與城市內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澇模型在處理此類問題時都有局限性。本領域國外研發了SWMM、MIKE、InfoWorks等系列軟件產品[26-27]，面對特大城市、復雜下墊面等大規模模擬問題時，其計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“領跑”過渡階段。流域-城市跨尺度洪澇耦合模擬涉及實體多元、鏈接部位繁雜等問題，需研發基于多源數據和領域知識聯合驅動的智能建模技術，實現跨尺度單元級聯拓撲自動推斷和關鍵區域自適應加密。針對因跨尺度洪澇演進快慢過程交織、大小要素共存而產生的耦合計算性能瓶頸，需研發基于動態模態分解與深度時序網絡的多尺度耦合模型降階代理模擬技術，并利用采樣仿真與數據同化算法，提升跨尺度耦合模擬的效率與精度。針對洪澇致災鏈路及聯防聯控體系的級聯復雜性，可采用知識圖譜技術快速構建統一存儲、有序管理的城市特大洪澇聯防聯控場景知識庫，利用耦合災害動力學模擬的強化學習算法，智能推薦聯防聯控預案，并利用考慮單元級聯與過程耦合關系的通用化場景描述技術，以及兼顧推演精度需求與數據時空變化特性的漸進式渲染技術等，實現聯防聯控推演場景的高效響應和實時仿真。
2.4 城市洪澇聯防聯控應急預案編制與智能化決策技術
城市“外洪-內澇”組合致災情景下，洪澇的致災機理和區域水文過程可能出現“疊加放大效應”等一系列重大變化，傳統以城市區域為重點的防洪排澇預案將難以滿足需求。國外在洪澇應對方面側重于風險管控，城市建筑物和重要基礎設施的規劃建設避讓洪水高風險區，對中低風險區內的財產實施洪水保險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，且許多老城區在新的水文情勢下，已經暴露于洪水風險中[30]，在未來城市更新過程完成前，難以規避風險。因此，中國采取了防洪排澇工程措施與洪澇應急管理非工程措施相結合的方式管控風險，制定了較為完善的流域及城市防汛應急預案，在本領域處于“領跑”位置。未來需基于災害鏈形成與傳播機理，研究組合致災情景下洪澇災害演變過程與預案編制的內在聯系，解析特大城市復雜三維承災體特性，研發承災體風險規避和災害鏈阻斷技術，提出不同尺度下聯防聯控應急預案協調機制。同時，研究組合致災情景下城市“外洪-內澇”聯防聯控應急預案的時空特征，從城市洪澇災害時空特性出發，量化分析組合致災情景下城市防洪排澇的物資和救援需求，構建組合致災情景下面向防洪排澇需求的資源優化配置模型，智能優化配置/調度防洪排澇資源及相關應急設施。進一步地，融合城市實時洪澇監測感知、洪澇災害推演、風險評估預警等工具與信息，創建組合致災情景下城市“災前預警-災中應對-災后處置”聯防聯控應急預案動態生成技術，彌補傳統預案在動態組合致災情景下資源實時配置能力不足等問題，支撐城市洪澇應急指揮智能化決策，最大程度地降低洪澇災害損失。
城市洪澇災害聯防聯控技術研發屬于“面向國家重大需求”的科技創新工作，著力解決特大城市的“發展與安全”重大問題，需重點**四大難題：外洪內澇一體化精準協同監測難題、早期風險感知預見期和精度同步提升難題、面向人/車動態對象的預警信息定向發布難題、洪澇聯防聯控場景快速推演與智能決策難題，構建聯防聯控系統(圖3)，實現動態化評估、精準化預警、智能化決策，支撐流域洪水和城市內澇聯防聯控應急管理業務應用。
3.1 動態化評估
傳統城市洪澇風險評估主要面向城市區域的平面靜態對象，包括地表受淹的建筑物等固定資產。城市外洪內澇復合災害具有突發性強、蔓延迅速、承災體復雜多變、位置不固定等特征，洪澇承災體也從平面靜態對象轉變為三維動態對象，靜態評估方法難以適應新的災害特征。亟需研究解析城市人口、車流、三維復雜承災體等時空演進規律，提出不同類型鏈生災害風險研判與態勢預測方法，融合城市多源異構數據資源，形成城市洪澇鏈生災害動態風險評估網絡，實現災害風險的動態評估與預測。
3.2 精準化預警
特大洪澇災害應急管理實踐中，往往面臨應急物資和救援力量不足等困難，精準預警、提前響應、主動有序避險十分重要。災害事故的精準預警與定向發布，難點主要包括災害承災體及應急響應隊伍的精準識別、差異化定制預警信息的準確投送。可通過疊加實時交通大數據、人口分布熱力圖、洪澇致災因子空間分布圖，采用人/車軌跡同時空分析，精準識別災害風險區的人/車對象及相應的救援力量，利用手機信號基站定向耦聯方式，實現洪澇預警信息及救援指令的精準化定向發布。
3.3 智能化決策
城市洪澇聯防聯控應急指揮決策變量眾多、場景復雜，且災害形勢瞬息萬變，時效性要求極高，單純依靠專家會商決策，難以做到全局最優，且時效性難以保證，因此，需要引入人工智能及機器學習算法進行輔助決策。智能化決策技術主要體現在數據獲取的智能化、洪澇過程模擬的智能化、應對方案優選的智能化、防控形勢研判的智能化等方面。在災情、災害、救援進展及物資儲運等信息的獲取方面采用智能化的數據分析與知識挖掘等信息獲取技術；
在洪澇過程模擬時采用機理模型與智能模型雙驅動、自學習模式迭代更新，提升模擬精度和運行效率；
在應對方案生成和優選時通過歷史方案庫的匹配和智能組合評估，快速獲得優選方案集；
在方案執行過程中，基于實時動態監測數據，采用大數據融合智能技術進行防控形勢的科學研判，及時反饋方案調整建議等。
3.4 系統預期成效
基于特大城市外洪內澇災害鏈聯防聯控關鍵科學技術成果構建的軟硬件系統，預期可全面增強監測、預報及推演能力，支撐早期預警和預案推演，為應急指揮決策和現場救援贏得寶貴的時間，有效提升洪澇應急管理水平和災害救援效率。如圖4所示，從災害天氣背景場形成開始，通過流域-城市一體化協同監測系統的氣象雷達裝置，可獲取新一代S波段和局地X波段天氣雷達數據；
考慮原始數據接收時間延時和數據處理時間，約26 min后可得到高精度、高時空分辨率的0～3 h的臨近外推降水預報產品(考慮到距雷達觀測時間已經過去了約26 min，實際獲得的降水預見期約為2.5 h)；
將降水預報產品輸入跨尺度洪澇耦合模型，進行模擬推演約30 min，可提前2 h獲取災害預警信息；
通過智能預警與定向發布系統、聯防聯控應急預案編制與智能化決策模塊等，啟動應急響應和決策指揮，及時阻斷災害鏈，主動進行應急避險，在災害發生時最大限度保障人員和財產安全。
圖4 城市洪澇聯防聯控系統執行流程及預期成效示意Fig.4 Implementation process and expected results of joint prevention and control system for urban flood
全球氣候變化與快速城鎮化背景下，流域洪水與城市內澇疊加風險明顯增加，本文梳理了特大城市外洪內澇災害鏈聯防聯控關鍵科學技術問題，解析了城市洪澇聯防聯控系統的技術要點，展望了相關技術研發和系統構建的預期成效。未來可能的創新點和突破方向概括如下：
(1) 強化城市外洪內澇災害鏈形成與演化機制研究，系統揭示雨-洪-澇-潮相互作用機理、城市“外洪-內澇”遭遇規律和承災體響應特征，識別洪澇災害鏈形成演化機制及疊加放大效應，提出災害鏈阻斷理論與方法；
(2) 發展城市外洪內澇鏈生災害耦合推演技術，構建跨尺度外洪內澇鏈生災害動力學模型，支撐流域-城市水文水動力過程的耦合模擬和洪澇聯防聯控組合場景推演，解決流域-城市耦合系統在特大洪澇場景下的復雜鏈生災害過程推演難題；
(3) 創新街區尺度洪澇風險動態評估與預警技術，融合人口/車流等動態信息和早期風險感知技術，考慮洪澇災害鏈風險傳遞規律和城市復雜三維承災體特性，精準定位洪澇災害風險區，識別涉險人/車對象，實現街區尺度的預警信息定向精準發布；
(4) 研發流域-城市一體化協同監測技術與裝備，實現城市區域高空間分辨率洪澇要素動態監測，研制多信道智能切換數據傳輸裝置，保障特大洪澇時斷電、斷網等惡劣工況下洪澇關鍵要素的監測傳輸不中斷。
中國幅員遼闊，南方、北方、濱海等不同區域特大城市具有不同的特點，洪澇形成機理與災害鏈傳遞特征也不盡相同，本文所提出的關鍵科學技術問題主要側重共性問題，存在一定的偏頗和不足，未來尚需結合城市具體實際進行進一步的深化研究。
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