——记中国水科院减灾中心防洪工程室主任刘昌军
　　
□　卫婷婷

　　
　　
　　随着社会化进程的加剧，全球自然灾害频发给人类发展带来了极大的负面影响。作为由山区小流域降水引起的突发性、暴涨暴落的地表径流，山洪以其成灾快、预测难、破坏性强等特点，已成为灾害性最强、预警预报最难的自然灾害之一。据世界气象组织（WMO）统计，全球由山洪灾害引发的人员伤亡比率逐渐上涨，经济损失每年达数百万美元，因此进一步加强对山洪灾害防治的研究至关重要。
　　我国山洪灾害频发，危害极其严重。为做好山洪灾害防御工作，2006年国务院批复了《全国山洪灾害防治规划》，随后开展了山洪灾害防御的试点工作，摸索出了行之有效的山洪灾害防治非工程措施体系。在此基础上，2010年以来我国正式启动了2058个县的山洪灾害防治非工程措施建设和全国山洪灾害防治项目建设，提出了自动监测体系和群测群防体系相结合的山洪灾害防治思路，开展了山洪灾害调查评价、非工程措施建设和山洪沟治理等工作，为其他国家和地区的山洪灾害防治工作提供借鉴和参考。2017年，水利部印发了《全国山洪灾害防治项目实施方案（2017—2020年）》，确定了根据经济社会变化新形势和新要求，基于现有山洪灾害防御理论技术基础，结合未来大数据、人工智能等现代信息技术成熟应用，提出了下一步我国山洪灾害防御的战略方向，研发国家级山洪灾害动态预报预警技术，拓展提升省级山洪灾害监测预警系统，并有序推进重点山洪沟（山区河道）防洪治理试点的防治思路。
　　洪水如猛兽，但是科学的防范与预警，却能将这头猛兽的威力减半，危害减小。在中国水科院减灾中心防洪工程室主任、全国山洪灾害防治项目组技术部负责人刘昌军的科研道路中，山洪灾害防治、水土保持监测监管、堤坝安全评价等方面的研究不仅是自己工作的一部分，更是他心中的一项使命，多年来，他将研究视野放眼于全国，在水文模型、人工智能和大数据应用方面取得了突破性研究成果，为全国的山洪灾害防治工作做出了诸多贡献。
　　
筑梦科研，巧遇水文地质
　　1978年，刘昌军出生于山东省郓城县。虽然家境普通，但刘昌军从未放弃过对学习的渴望，并决心通过自己的不断奋斗，用知识来改变命运。
　　1998年，刘昌军以优异的成绩考入河海大学水文地质专业，开始了自己的大学生涯。在此之后，他又通过不断研究探索，于2005年6月获得了河海大学水工结构专业的硕士学位。虽然，最初走进地质专业并不是刘昌军的初心所在，但是，在研究生时期真正接触科研工作的时候，他却发现，地质专业的涉猎面十分广泛，每当遇到水工结构工程领域的一些攻关难题时，地质领域的相关知识会给研究工作的开展提供很好的研究思路、技术支撑，慢慢地，刘昌军在水工结构工程领域的研究工作开展得愈加顺利，以此作为积淀，他开始了在这一领域的研究之路。
　　研究生毕业后，刘昌军正式来到了中国水科院减灾中心防洪工程技术研究部，从事山洪灾害防治、防洪工程安全评价、水土保持监测监管等方面研究工作，开始了全新的科研征程，并于2012年6月获得了中国水科院岩土工程专业博士学位。
　　
坚定目标，着眼全国山洪灾害防治
　　山洪灾害防治是一场持久战，选择这一领域研究需要具有很强的社会责任感。一路走来，刘昌军从一名学生成功蜕变成为中国水科院减灾中心防洪工程室主任、全国山洪灾害防治项目组技术部负责人，他在科研道路上所走过的足迹，均成为了山洪灾害防治的经验积累，也凝结成了自己科研人生的宝贵财富。
　　在山洪灾害监测预警方面，西方发达国家起步较早。我国山洪灾害防治虽然起步晚，但已建山洪灾害防治体系发挥了显著成效，人员伤亡大幅减少。从已有研究成果的应用情况和经济社会快速发展的需求看，进一步提高山洪灾害监测预报预警的精准度是必然趋势。针对暴雨山洪灾害的特点和关键问题，在小流域暴雨山洪分析模拟和预报预警等关键环节，小流域下垫面特征及产汇流特性、缺资料地区小流域暴雨洪水规律、新一代缺资料小流域产汇流模型及分布式水文模型、预警指标体系和风险评价理论、小流域山洪灾害动态预报预警技术仍然是山洪灾害防御急需解决的关键技术问题。
　　在刘昌军的介绍下，记者了解到：大约在2010年—2012年间，有些厂商开始研制面向山洪灾害的简易报警器等设备，在同一时期，诸多科研院所、高校也针对山洪灾害监测预警中的一些关键技术难题，开展了研究工作。十几年来，他作为主要技术骨干，全程参与了全国山洪灾害防治项目，参与编制了项目规划、实施方案、建设任务、技术要求和标准规范等40余项，在项目建设管理、基础理论和关键技术研发与推广应用等方面积累了丰富经验。
　　自2012年6月，刘昌军就开始参与全国山洪灾害防治项目，这一项目的覆盖面极其广泛，全国29个省，2058个县都有项目的实施任务，目前已投资300多亿元。作为项目的主要参与人，刘昌军全程参与了项目规划、方案实施、技术制定等，经过多年的攻关，取得了一系列创新性科研成果。
　　山洪灾害防治，必须坚持以防为主，而预警预报则是防御山洪的关键。在山洪灾害监测预警的信息链中，他们针对信息采集、信息传输等环节做了大量的工作。通过全国山洪灾害项目建设，解决了山洪灾害监测预警信息“一横一纵”的通信传输问题。所谓“一纵”即从每一个雨量站点传到村，再传到乡镇、县、市、省、国家；“一纵”是将国家气象局、国家土地资源部、国家水利部等一系列监测信息进行共享，以此形成“一横一纵”的信息采集以及传输体系。在此基础之上，他们还将各个数据信息、监测预警信息都存在统一的数据库里边，并将这些数据实现同步共享。通过对这些数据进行分析，他们开始对山洪预警指标进行了计算，并提出了山洪预警指标体系。这一体系历经十余年的发展，实现了山洪灾害预警从经验预警到静态预警再到动态预警的飞跃进步。经过多年的研究开拓，已初步建立了以监测预警体系、群测群防体系、数据支撑体系、工程治理措施等为支撑的山洪灾害防御体系，在这些体系的支撑下最大程度地减少山洪灾害所带来的人员伤亡。
　　在这一项目中，刘昌军团队还根据我国山洪灾害暴发现状背景，解决了一系列技术难题。在刘昌军的介绍下，记者了解到：山洪灾害防御核心的最大难点就是预警指标不准、预警时间较短，因为山区的水来得比较快，留给老百姓预警的时间非常短。国内外现有的降水—径流模型通常只适用于大中流域的径流分析计算，对山丘区小流域短历时，强降雨条件下的洪水过程模拟精度偏低，达不到山洪灾害预警的要求，特别是对无资料的山丘区小流域降雨产流机理刻画不清晰，无法为山丘区小流域洪水预警提供可用的模型。围绕着小流域暴雨洪水计算难题，刘昌军及其团队提出了时空变源的混合产流模型，实现了时变混合产流机制的精细模拟，小流域暴雨山洪模拟精度提高约30%。
　　这一模型针对中国复杂地貌山丘区特征，提出以山坡地貌水文响应单元为基础的超渗/蓄满时空转变的混合产流模型。这一研究是国内外首次提出针对山丘区小流域暴雨洪水分析计算的时空变源混合产流机理和建模研究。研究具有创新性和实用价值，也可以为其他无资料地区的小流域洪水计算应用起到示范作用。
　　除此之外，针对缺资料小流域参数区域化难题，在小流域基础属性数据集、下垫面参数数据集和土壤质地数据集的基础上，刘昌军研发了基于机器学习的小流域参数区域化方法。采用机器学习方法，他们学习了10个省110个流域1000余场洪水特征及参数，初步建立了河南、福建、甘肃、北京和吉林等5省、直辖市的无资料小流域区域化参数库，在河南省2016年—2018年小流域洪水预报预警中得到很好应用，显著提高了小流域山洪灾害预报预警精度。刘昌军团队针对小流域山洪灾害风险评估的难题，提出了短历时暴雨特征、单位洪峰模数及汇流时间和房屋危险性等3个关键风险因子，构建了以小流域为单元的山洪灾害风险因子指标体系，开发了基于数据挖掘和机器学习等智能算法的山洪灾害风险识别技术，利用53235场不同时期的历史山洪灾害事件评价结果吻合度超过90%，大幅提高了山洪灾害风险识别精准度。
　　接下来，刘昌军团队还要投入到国家山洪灾害预报预警平台研发中，结合气象部门的预报降雨量实时预报全国小流域山洪过程，使山洪灾害预警可以提前，最终将动态实时监测、实时分析、实时预报、实时预警等形成整体的技术研发和技术支撑，建设国家级品牌。
　　
不懈前行，大数据时代的山洪防御
　　科学研究需要实地考察与实验探索相结合。从2006年5月来到中国水科院减灾中心防洪工程技术研究部从事山洪灾害防治、水土保持监测监管、堤坝安全评价等方面的研究工作，多年来，刘昌军越来越感受到自己研究工作的意义以及肩上所承担的责任，而他也将这份使命感付诸每一天的日常工作中，虽然忙碌但也十分充实。
　　十几年的科研历程所带来的是沉甸甸的科研硕果，他主持或参与了国际合作项目3项，国家科技支撑项目5项，省部级项目50余项；近年来全程参与了全国山洪灾害防治项目建设管理和技术研发工作，主编水利部行业规范1部，参与编制山洪灾害防治方面的规划、实施方案和技术要求等40余项，发表论文150余篇，SCI/EI收录30余篇，ESI高被引用论文1篇，获得省部级奖励6项，厅局级奖励4项。
　　在这其中，他们围绕水土保持监管的核心技术难题，研发了基于深度学习的遥感影像和激光点云的分类和变化图斑检测的系列关键算法，在北京市、陕西、内蒙、河北等水土保持生产建设项目天地一体化监管业务中进行应用，显著提升和强化了水土保持监管部门的信息化应用水平和监督管理能力，该项成果获得中国水土保持学会科学技术奖二等奖。
　　如今，十几年的时光匆匆即逝，刘昌军的研究团队已经扩展到30多人，并一直前行在全国山洪灾害防治的一线。科研之外，他们还为这一领域研究培养了一大批优秀的科研学子，在教学引领中，他们结合跨学科融合的趋势，将机器学习、大数据等方向与山洪灾害防治相结合，使学生的综合能力得到了极大提升，并在实际项目中加以应用，多年来给这一领域输入了一批优秀的科研血液。
　　山洪灾害防治工作是一条漫漫长路，未来刘昌军还将引领团队投入到“时空变源混合产流模型与机理研究”项目中，利用前期山洪灾害调查评价成果，选取全国多个省份的典型小流域研究山坡地貌水文响应单元划分标准和技术，在小流域下垫面洪水产流机制认知的基础上，建立不同地貌响应单元的产流机制，发展适用于短历时、强降雨条件下的小流域时变超渗/蓄满产流机制的混合产流计算方法，开展小流域洪水时空变源混合产流建模关键技术和理论支撑的研究。在全国山洪灾害防治栾川试验示范基地开展室内和野外暴雨产流试验，验证山坡地貌水文响应单元划分标准及不同山坡地貌水文响应单元产流机制的对应关系；验证时空变源混合产流模型的合理性，并在全国典型小流域开展示范应用，将时空变源混合产流模型在无资料地区进行推广应用。
　　根据经济社会变化新形势和新要求，他们还将充分利用互联网+大数据等新技术，构建全国山洪灾害的大数据中心，将调查得到的全国降水数据、社会经济数据、人员分布律以及灾害数据等进行整合、分析，将研究的关注点不仅仅集中在山洪灾害一个方向上，还将结合中国水科院减灾中心各部门之力，为全国水旱灾害防御提供基础数据，在此基础之上构建水旱灾害预报预警的模型体系。这一体系的建立涉及800万平方公里的大陆范围，需要考虑到不同地区的气候类型、地貌特征，需要搞清楚其所存在的灾害机理，而国内现有的数据模型并不能解决所有问题，需要将不同区域问题进行综合考量，建立相关模型。同时，这项研究涉及53万个小流域、170多万个乡村，300多万个水系网络，工作量巨大，需要面对防御地区的分散性，降雨的随机性等一系列难题，而这些都是未来刘昌军研究团队所要攻克的。
　　研究之路任重而道远，但刘昌军从未怯步。多年来，他秉持着作为一名科研人的使命，曾前往荷兰、法国、德国等国家进行交流和学习，介绍和推广中国山洪灾害防冶经验，将科研成果惠及更多的国家。面对中国山洪灾害防治的难题，他和团队仍在前行的道路上攻关不辍，决心让团队的科研成果惠及祖国乃至世界更多的地方。科