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发布时间：2021-12-15
李 刚
2012年7月21日的北京，暴雨疯狂肆虐，雨量历史罕见。暴雨引发房山地区山洪暴发，拒马河上游洪峰下泄。全市受灾人口达190万人，其中79人遇难，经济损失近百亿元。
2020年6月开始，安徽、江西、湖北、重庆等地发生大范围强降雨，引发严重暴雨洪涝灾害。截至2020年7月10日14时，洪涝灾害造成全国27省（区、市）3385万人次受灾，141人死亡失踪，195.8万人次紧急转移安置，81.5万人次须紧急生活救助；2.3万间房屋倒塌，26.9万间不同程度损坏；农作物受灾面积2983千公顷；直接经济损失695.9亿元……
一组组数据告诉我们，在洪水面前，人类是多么渺小无助。在这样一个洪灾日益多发，造成的灾情日益严重的时代，建立“政府主导、部门联动、社会参与”的防灾减灾体系，是可行且刻不容缓的。减免洪水灾害损失有两类措施：一类是工程性措施，即修建水库、闸坝、堤防、分蓄洪区等；另一类是非工程性措施，即通过改变灾害的影响来达到减少灾害损失的目的，洪水预报工作就是最主要的非工程性措施之一。“洪水预报调度是重要城市防洪或水工建筑物进行水科学管理的必要手段。准确及时的预报可使工程合理调度，及时采取防洪抢险措施，力求使洪灾损失降到最低限度。”中国水利水电科学研究院水资源所水资源调度室教授级高级工程师廖卫红说。
“冥冥之中自有天意”
“北京市气象台2021年6月25日22时20分发布暴雨蓝色预警信号：受强对流云团影响，预计当前至26日0时，城区及东南部地区将出现小时雨强30～50毫米的强降水，请注意防范。”看到页面弹出的这则新闻，紧盯电脑显示屏的廖卫红不免心头一紧。北京“七·二一”特大暴雨事件仍然历历在目，北京市密云水库洪水预报调度系统的研发负责人廖卫红一到下雨天，就会远程值班，及时关注水库水位变化，做好预警工作。好在第二天，天空放晴了，她那颗悬着的心也终于放了下来。
廖卫红说：“洪水预报是当今水文水资源学科中一个重要的分支。它是根据流域上发生的暴雨或河流上游的来水，经过水情信息采集、传输、存贮、处理和一系列的科学计算，最终预估在其一控制断面即将发生的实际洪水过程。由于洪水预报要求准确、及时，因此，我需要随时掌握相关数据变化。”
当被问及是如何与这一研究领域结缘时，她笑着回答道：“冥冥之中自有天意吧！”2003年，17岁的廖卫红考上了武汉大学，进入水利水电工程专业。廖卫红自小便对理工科感兴趣，通过学习，她慢慢认识到水利水电的重要性。秉持着“做一行爱一行”的理念，廖卫红从本科、硕士到博士一直都没有改变研究方向。2012年毕业后，她便留在了读博单位——中国水利水电科学研究院水资源研究所工作。
由于与河流水域打交道，廖卫红经常需要去实地考察，出差已是家常便饭。“一般情况下，我一个月得出差两次。多的时候，差不多就得一个星期一次了，而且经常出去一次就是一周时间。”廖卫红说，她还清楚地记得，第一次出差是在读博期间，跟着单位主任去了长春。那会儿恰逢她的生日。由于当时做的水文模型也不成熟，生日那天，她还跟着主任在酒店熬夜加班调代码。“那会儿我觉得特别委屈，还偷偷哭过，但也清楚工作还得好好做下去。现在回想起来，虽然出差时难免有心酸，但更多的还是收获！”有一次，廖卫红远赴新疆库尔勒，在那里她看到了从未见过的河流地貌特征，“在库尔勒，不管是水库建设还是用水需求，都跟内地不同。中东部地区都是‘百川异源而皆归于海’，可那里的水循环规律就不同了，有的河流到中下游就断了流”。
一次次的实地勘探让廖卫红掌握了许多书本上学不到的知识，再加上十余年的潜心研究，现如今，她在分布式水文模型、集合预报等领域取得了丰硕的成果。主持或参加20多项科研项目，获得省部级奖励4项，发表论文80余篇，其中SCI检索23篇，EI检索15篇；出版专著5本，其中译著1本；授权发明专利20余项；获批软件著作权13项；参编标准2部等。
开展流域高性能水文模拟应用研究
随着科技的发展，水文学作为一门历史悠久的学科也越来越趋向于数字化与定量化，水文模型应运而生。它是数学模型用数字语言将自然现象符号化的水文学应用。相对于河口水文模型、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实际意义。
“流域水文模型把流域总体看成是一个系统，输入为降雨等，输出为出流流量等。流域内的水文过程则是系统的状态，是根据水文概念推理计算出来的。”廖卫红介绍道，“近年来，流域水文模型研究实现了快速发展。一个很重要的原因就是计算机技术水平的快速提高。现如今，我们可以充分利用这些高性能计算机进行超大计算量的数据分析。这在以前是想都不敢想的。”
2017年，基于高性能计算技术支持，廖卫红所在团队承担了国家重点研发计划“面向E级计算的流域高性能水文模拟应用示范”的课题研究。该课题基于E级平台，实现了流域水系分级嵌套耦合大规模高性能水文模拟软件系统在全国范围内的应用示范，为国家流域一体化防洪和跨区域水资源科学配置提供支撑：首先，搭建大规模水文模拟分析的海量异构数据管理云平台；随后，研制多源数据、多模型与参数组合流域洪水/径流超级集合预报技术；开发多尺度嵌套水文模拟与预报可视化系统；在全国范围内开展跨越山洪沟-中小河流-大江大河的流域洪水/径流过程精细化模拟与预报应用示范，获得一批重要的高精度水文数值模拟/预报成果。
历时3年的研究，廖卫红带领团队成功研制出并实现了快速精确的流域水文超级集合预报及可视化展示。该项目不仅极大地推进了我国先进的高性能计算机在重大行业的应用，提升了我国科学研究的综合水平，而且其应用的大规模精细化水文模拟技术，能够有效提高变化环境下大范围水文情势变化的模拟预报精度，提升了我国在流域一体化防洪、区域水灾害方面的应急响应及科学决策能力。
探索城市洪涝实时预报
从2018年开始，廖卫红往返福州50多次，开始从流域洪水预报进一步拓展到城市洪涝预报。
福州具有沿海重要城市环境特点决定了福州城市水系统模型的复杂性。首先，福州地处海峡西岸，面临大海背靠武夷山山脉。东南方向水汽输送能力强，而西北部武夷山地形隆起，因而台风雨、局部短历时强降雨易发频发。其次，福州市区地处低洼易涝区，三面环山，一面临海。上游山洪来袭，中无城市蓄滞空间，下游闽江潮位顶托，由此造成福州市本体就是一个大水缸，有进无出；此外，福州城市后天的防洪排涝设施建设标准低，大部分内河防洪标准低于5年一遇，城市排水工程建设不完整、质量不过关，排水能力不足，设计标准偏低。1年一遇、2年一遇管网比重在整个城市排水系统中高达71%以上。
针对福州城市水系和内涝特点，廖卫红带领的团队构建了包括水文模拟预报、一维河道水动力模拟、一维河道水质模型、一维管网模型、二维地面积水模型、智慧调度等模型体系。针对福州城区东北部山丘区和城区平原汇水区，分别建立了不同的水文模型进行汇水区的水文模拟和预报，重点解决小尺度（不足20平方公里）无资料地区模拟难的问题；在河网水动力水质模型的基础上，接入了所有河道闸泵等工程的调度规则，实现了潮位顶托、工程调度影响的福州城区河道水动力过程精细化模拟；考虑城区管网、地面汇流之间的水量交互，管网溢流，以及河道水位对城区管网的顶托作用，对城市管网-地表汇流-河道模型实现了耦合模拟。总的来说，针对福州复杂的先天环境和后天设施条件，依托实时传入的站网监测数据，通过构建的这套耦合模型进行实时模拟和预报，可对城市内河水位、流量过程每半小时自动预报，并在发生中雨及以上量级降雨情况下，自动进行城市内涝预报，预报时长为未来2～6小时。
在具体的应用中，模型还可以实时计算当前城市水体剩余防洪库容、纳雨能力；在雨前给出各水体控制水位，雨中、雨后给出各闸泵工程具体的调度方案。对福州市城区水系的科学调度提供7×24小时的服务。截至目前，模型已在福州市城区水系科学调度系统中稳定运行2年，累计支撑四级以上应急预案的科学调度100余次。后续还将进一步根据实际数据和模拟预报情况不断提升模型精度和效率，更好地为福州市城区内涝的预警和调度处置提供服务支撑。
确保河流、河口生态安全
深入践行以人民为中心的习近平生态文明思想，在治理理念、路径、模式、手段等方面大胆创新，在加快构建水安全、水资源、水环境、水生态、水经济、水文化等体系上，廖卫红也进行了卓有成效的探索实践。
入海污染源多，难以准确追踪定位，因而不确定性程度大、规划难度高，河口污染治理规划可以说是一项具有挑战性的前沿性研究。为解决该问题，廖卫红带领团队开展了国家重点研发计划“河流、河口污染的溯源与治理规划”的项目研究。课题组围绕河口水环境三维立体监测、河流河口水量水质模拟技术、突发污染追踪溯源模型、河口水生态健康评价、河口污染治理规划等方面实现了一系列技术突破。
此外，廖卫红还在汉江、长江等河流围绕生态安全开展了水库群调度研究。廖卫红坦言，技术创新的背后离不开大数据、人工智能、物联网等新兴科技的支持，要实现“兴水利、防水害”的目标，还须不断学习新本领，扩充新知识。
大禹治水，平息了“名川三百，支流三千，小者无数”的水患，成就了千古治水伟业。跨越数千年，九州大地风和日丽、海晏河清、民生幸福，依然是中国人民不懈追求、为之奋斗的梦想。廖卫红相信，在科技的助力下，在广大水利工作者的共同努力下，新时代防灾减灾“安全墙”定会牢牢筑起！
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