国内外防洪减灾科技的发展现状与趋势

防洪减灾是人类社会大规模改造自然、适应自然的活动,需要有组织有计划地进行,既要遵循自然界的演变规律,又要顺应社会经济的发展规律。防洪减灾的研究,涉及对洪水风险特性及其时空分布规律的认识,对人与自然基于洪水风险的利害关系、以及水灾成灾机理的探讨,对防洪减灾体系、技术手段及对策措施的发展与完善等。

(1)研究现状。国内外关于洪水、洪水灾害与防洪体系、减灾对策都做了大量研究,我国的相关文献更是浩如烟海。例如胡明思、骆承政主编的《中国历史大洪水》,对自公元1482～1985年的504年中91场大洪水的雨情、水情、灾情资料进行了整理,总结分析了我国暴雨洪水的时空分布特点与主要江河的洪水特性。20世纪90年代李健生主编的《中国江河防洪丛书》,陆续出版了总论卷、长江卷、黄河卷、珠江卷、淮河卷、海河卷、松花江卷与辽河卷,对我国洪水的特点、防洪事业发展的历史、新中国成立以来江河防洪规划、防洪的工程措施与非工程措施、防汛与抢险、防洪经济效益与防洪决策等作了系统的总结与介绍。2002年中国工程院提出的《中国防洪减灾对策研究》报告,重点分析并展望了21世纪我国大江大河的防洪形势,提出“要从无序、无节制地与洪水争地转变为有序、可持续地与洪水协调共处的战略”,“要从以建设防洪工程体系为主的战略转变为在防洪工程体系的基础上,建成全面的防洪减灾工作体系”。

1)人与自然和谐的治水方略。水利工作中最本质的问题,就是如何处理人与自然的关系。从“靠天吃饭”、“人定胜天”到“人与自然和谐共处”,代表人类在处理与自然关系中不同阶段的理念(钱正英,2004)。20世纪中叶以来,世界上许多国家相继走上了经济快速发展的道路,同时,大规模人类活动对生态环境的冲击日趋严重。人们意识到必须从根本上重新定位并协调处理好人与自然之间的关系。在治水问题上,虽然各国各方都强调要以促进人与自然和谐共处为目标,但是在治水实践的主张上,却存在很大的差别。对此,回顾一下西方哲学界的一场持久争论是有意义的。

20世纪60年代,以生态系统为中心的自然观蓬勃兴起。随着全球性各种生态环境问题日趋严重,一些学者将现实世界中的生态危机归咎为人类中心论,尝试从哲学角度创建一种关于人类与自然之间关系的新理论。英国的A.Leopold在1966年发表的《大地伦理学》的论文中,认为人类不再是自然界的“主宰者和统治者”,而是自然界中的“普通一员”,并提出了其著名的保护“原始自然”的自然观。其后,世界众多哲学家纷纷以此作为理论探讨的基本前提展开自身的研究。较具代表性的有1979年K.Goodpaster和K.Sayre合著的《伦理学与21世纪问题》。该书率先提出了要人性地对待非人类的观点,还特别强调了“社会公正”在环境伦理学中研究的重大意义。

自90年代以来,对如何提出解决问题的可行性模式成为争论的焦点,以人类为中心的自然观再度复兴。1995年R.Malnes在《尊重环境》一书中,再次举起人类中心论的旗帜,他明确否定生态学上的平等主义,认为那些形形色色的生态平等主义纯粹是空想,没有一个能够转化为现实。同年,M.Serres在《自然的制约》一书中,也激烈地抨击狭隘的自然工具论,他认为由于地球以力和互动的方式与人类对话,所以人类也可以展开与地球的道德接触,就像人的社会接触一样。A.De-Shalit也在他1995年发表的著作《为何事关子孙后代》中,提出了一种新的有关代际公正的公有社会理论。1996年F.Katz在他的《环境实用主义》一书中,坚持环境伦理学在人类实践中不起作用的观点,将环境实用主义视为“一种探讨环境哲学与环境后果的新战略”。

透过西方哲学界的这场争论,我们可以把握人类社会转向追求可持续发展与形成可持续发展理念的脉络。首先,人类社会突飞猛进的发展对利用自然、改造自然提出了更大的需求;同时,随着技术经济实力的增强,人类逐渐从敬畏自然转向征服自然。随后,生态环境的恶化引起人类社会的反思,意识到人类不可能也不应该主宰自然、征服自然,而是应该尊重自然,寻求与自然和谐的发展道路,在谋求自身发展的同时,注重生态环境的保护,并对子孙后代负起责任,从而形成了可持续发展的理念。但是,在追求人与自然和谐相处的实践中,从理想到现实,西方世界又经历了一个认识上的波折,问题再次回归到了如何坚持以人为本,如何明确人类的责任,如何建立起人与自然之间良性互动的关系,如何公正处理人类社会内部分享自然资源与分担灾害风险的矛盾。

在协调人与洪水关系的问题上,人们已经醒悟到,“洪水形成的灾害大大超出了人类的控制能力”,“要完全消除洪水灾害是不可能的”。当人们强调“人与自然和谐”的时候,①决不能忽视了“自然”本身也有既伤害人类社会又危及生态环境的“肆虐”一面,健全的水利工程体系与更为完善的防洪安全保障体系,是实现人类“与洪水共存”的基础与前提;②在中国人多地少的国情下,并不能简单地倡导“让人群远离洪水”或“还洪水以空间”,人与自然的和谐要体现在人与洪水对洪泛区土地合理、有效的共享上;在发展中选择并承受一定的风险,一方有难,八方支援,百折不挠,重建家园,也是人与洪水相处的一种模式;③防洪工程手段要从点与线扩展到面,综合运用法律、经济、行政、教育、技术等非工程措施来推动更加有利于全局与长远利益、有助于人与自然良性互动的工程措施,辅以风险分担与风险补偿政策,形成与河流共处、与洪水共存的治水方略。

2)洪水管理的基础理论与模式。美国是世界上最早倡导洪水管理的国家。在20世纪中,美国人口从7600万增至2.8亿,洪泛区尚处于被侵占的过程中。美国的防洪事务早先以陆军工程兵团兴建防洪工程为主。20世纪20～30年代的大水之后,联邦政府加大了防洪工程体系建设的投入。40年代,在经济快速增长的时期,以吉尔伯特·怀特为代表的研究者注意到水灾损失依然随经济发展同步增长的困境,认识到其原因主要在于洪泛区土地的无序开发,从一个全新视角对洪水灾害风险及防洪策略进行研究,提出了防洪工程应辅之以土地利用管理、预报与预警系统和洪水保险,以适合当地的自然地理和社会经济环境。其后增设的紧急事务管理署(FEMA)以推动国家洪水保险为主要手段,加强了对洪泛区的管理。美国一度曾有人主张“与其让洪水远离人群,不如让人群远离洪水”,但实践中却行不通;也有人主张以“非工程措施”替代“工程措施”,但是最终还是形成了工程措施与非工程措施并举的洪水管理模式。值得注意的是,美国实施洪泛区管理计划30余年来,洪泛区内建筑物增加了53%,与美国同期人口增长的速度大致相当,说明该模式“对于停止或者是有所减缓在洪水风险区中的开发活动没起多大作用”,但是,“已经明显降低了新建筑在洪水中的易损性”(Raymond J.Burby,2002)。

20世纪后半叶,世界上许多国家相继走上了经济快速发展的道路,面对防洪形势的变化与日益提高的防洪减灾安全保障需求,陆续选择以加强“洪水管理”作为治水方略调整的方向,并且纷纷探讨适合自身国情的洪水管理模式。针对国际大趋势,我国学者陆续撰文,倡导我国防洪减灾工作应转向“洪水管理”,指出从我国的国情出发,我们需要选择“有风险的洪水管理”模式,以利于促进人与自然的关系从“恶性互动”向“良性互动”转变,其后又进一步提出洪水管理要采取“风险分担,利益共享”的运作模式与“双向调控,把握适度”的推进机制。

中国水利水电科学研究院防洪减灾研究所在水利部科技创新项目的资助下,2002年提出了《我国防洪安全保障体系与洪水风险管理的研究》报告,在国内典型区域调查的基础上,分析防洪减灾形势变化的趋势,指出向“洪水管理”转变是当代防洪减灾战略转移的重要标志,并探讨了适合于我国国情的洪水风险管理理论与模式,构建了我国现代防洪安全保障体系基本框架。魏一鸣等(2002)在国家自然科学青年基金与国家自然科学基金重大项目的资助下出版了专著《洪水灾害风险管理理论》,对国内外相关成果做了比较全面的综述,从洪水灾害危险性分析、易损性分析、灾情分析与风险决策分析等四个相互联系的方面,提出并阐述了洪水灾害风险管理的系统理论。“十五”期间,南京水利科学研究院、中国水利水电科学研究院、海河水利委员会、清华大学联合承担了国家重大科技攻关课题《海河流域洪水资源安全利用关键技术研究》,在2003年底提出的报告中,王中静等对洪水资源化的定义、内涵、洪水资源合理配置和利用的模式等进行了理论性的探讨;邹鹰等开展了利用水库分期汛限水位调控洪水资源的研究;向立云等以大黄铺洼为示范区,对蓄滞洪区延续传统、洪水资源化利用和可持续发展三种管理模式进行了初步的情景分析,先后发表了“蓄滞洪区管理与发展模式”及“我国洪水管理的方向性问题”等论文。文康先生在总结分析美国、加拿大等多个国家洪水管理实践经验的基础上,论述了“如何有效地推行洪水管理”的问题。

2003年初,我国水利部与国家防办已经明确提出,我国的防洪“要从控制洪水向洪水管理转变”,2004年1月,鄂竟平副部长在全国防办主任工作会议上总结一年来的实践和探索,对向“洪水管理”转变的必然性,洪水管理的定义、内涵与实质等从理论上作了更全面的阐述,对实现向洪水管理转变的途径,以及近期推动两个转变的工作做了全面的部署。

3)洪水风险分析的理论与方法。洪水灾害的形成有孕育、发生、发展、消退的过程,相应的人类的防洪减灾活动也有预防、预报、预警、抗洪、抢险、救灾与灾后恢复重建等各个环节。在此过程中有许多自然与人为的风险与不确定因素会对决策产生影响。

风险的概念最早是19世纪末在西方经济学领域被提出,其后逐渐广泛应用于环境科学、自然灾害学、经济学、社会学、建筑工程学等领域。20世纪80年代初期,刘树坤、朱元生等学者陆续将洪水风险研究的概念介绍到国内。1990年国际减灾十年活动开展伊始,程晓陶、向立云组织翻译了美国William J.Petak教授等人的专著《自然灾害风险评价与减灾政策》,对灾害风险评价的理论、方法及其在国外的应用实践作了系统的介绍。

关于风险,早期的研究致力于探讨损失的“概率”或“不确定性”,或由于“自然或人类行为所导致的不利事件发生的可能性”,多数学者认为风险包含了三个方面的含义:不利事件、其发生的概率、可能产生的后果,因此风险可以用事件发生的概率与可能后果的乘积来表达。然而,“风险”与“不确定性”是容易被混淆的概念。为了区别两者,美国陆军工程兵团给出了以下定义:

风险:发生不希望的、不利的后果的可能性;风险的评估通常是基于期望的结果,即事件发生的条件概率与事件的后果的乘积。

不确定性:事件发生的可能性与其后果不能用客观已知的概率分布来描述,或者指事件本身,或者指事件的后果是不确定的。

将“风险”与“不确定性”加以区别的意义不仅在于避免无意义的努力,比如对不确定的因素作概率分析等,而且便于区分“风险管理”与“应急管理”。

我国开展的洪水风险研究内容涉及广泛。如:“八五”期间开展的《黄河下游滩区及分滞洪区风险分析和减灾研究》,开发了二维水沙运动仿真模型与经济损失评估模型,通过滩区、分滞洪区洪水风险辨识与评估,为减灾对策的制定提供了依据;《长江防洪系统实时调度研究》课题中,探讨了“防洪决策风险分析”的问题。“九五”期间,国家防办安排了洪水风险图绘制的试点研究。陈肇和等进行了水库漫坝风险的分析,水库汛限水位调整也取得了重大进展。

近年来,王丽萍、傅湘编著的《洪灾风险及经济分析》介绍了风险分析基本理论与方法,结合防洪系统的具体特点,探讨了风险分析方法在防洪系统规划、防洪系统经济评价与风险决策中的应用。万庆等著的《洪水灾害系统分析与评估》,总结“七五”至“九五”期间有关遥感与地理信息系统技术在防洪减灾领域的应用成果,探讨了洪水灾害风险分析的理论框架,并以辽河为例,开展了洪水灾害风险区划的研究。赵勇等对防洪减灾经济学进行了有益的探讨。

4)防洪工程可靠性与风险评估理论与方法。在1989年第23届IAHR 大会和讨论会上,堤坝的风险问题成为与会者颇为关注的一个热点。1991年召开的第24届IAHR 大会上专门召开了关于可靠性和风险分析的讨论会,极大地促进了这一领域的研究发展。2000年国际大坝会议论文集中的76专题中对此问题有较详细的论述,并发布了国际大坝委员会大坝安全专业委员会公报——风险评估在大坝安全管理中的应用。

从1992年开始,荷兰政府资助Delft技术联营体发起了一个旨在采用风险理论全面评估堤防圈的计划,实现了以洪灾概率法(probability of flooding)取代超频洪水法(probability of exceedance)。超频洪水法通常假定堤防结构自身是足够坚固的;洪灾概率法可以考虑由于其他原因的破坏,比如护岸工程破坏、边坡滑动、堤身渗透或堤基管涌、穿堤建筑物的破坏等。荷兰的研究表明,堤防工程安全性评价不是一个静态事件,而是一个连续的动态过程。荷兰学者Vrijling建议了洪水风险可接受的水平。(www.xing528.com)

澳大利亚的堤坝的设计导则中提出了概率设计和风险分析方法,在大坝风险评价的法规与指南中,包括了风险人口分析、溃坝影响评价、风险准则、群坝风险分析等内容。1995 年Salmon 和Hartford提出了大坝安全风险评估的要点,对公众可接受的风险标准进行了研究。Foster等人采用事件树方法计算了堤坝的管涌失稳概率。

我国学者在防洪堤坝结构可靠度与风险的研究与应用方面也开展了大量卓有成效的工作。李清富、江见鲸对防洪工程风险决策和可靠性等基本问题进行了探索。许多学者研究了堤坝单一失稳的模式,比如堤坝漫顶风险和堤坡的滑动失稳概率计算。1999年,章志强等提出了考虑多种失稳模式的防洪堤工程失稳风险计算的数学模型,选择典型概化断面计算了长江南京段防洪堤结构失稳风险的大小。王卓甫等研究了均质防洪堤堤坡稳定和渗透稳定的结构风险计算模型。吴兴征等结合二元堤基上的斜墙式堤防给出了考虑多种失稳机制的概率设计方法,并通过变动设计参数探讨了土工统计参数和堤防几何形状对漫顶、渗透稳定、岸坡稳定可靠度指标或失稳风险的影响;采用常规定值安全系数法和可靠性方法,以可视化开发语言,基于数据库后台支持,开发了图形化界面的堤防安全评价系统;结合长江干堤某典型堤段,初步给出了全堤段安全复核与风险评价的计算结果。朱勇华等采用一次二阶矩方法,推导了不透水堤基均质土堤、透水堤基均质土堤和双层地基均质土堤渗透破坏风险率的计算公式,建立了边坡失稳破坏风险率的计算模型,综合考虑了防洪堤的漫顶破坏风险、渗透破坏风险和滑动失稳破坏风险率。张俊芝等讨论了堤防工程加高加固的三类加固决策模型。

在大坝安全方面,姜树海等讨论了大坝的允许风险概念及防洪允许风险范围。李雷等提出一种评价土石坝综合安全度的初步方法,可动态反映出病险水库除险加固的必要性。杨庆等人在进行边坡二维渐进性破坏可靠性分析的基础上,把经济决策理论引入边坡的经济分析中,结合边坡工程的具体特点对边坡进行了投资—效益风险性分析。

5)防洪减灾技术的发展。在防洪减灾领域,新技术发展的涉及面很广。从洪水的监测、预测、预报、预警、预案制定,到汛期防洪工程调度、抢险方案拟定、会商决策指挥、信息传达与反馈;从防洪工程隐患探测、险情观测、查险排险,除险加固到抢险救灾;从洪水灾情测报、评估到洪水风险分析、风险图绘制、防洪影响评价;从抑制暴雨径流增长的雨水渗透、蓄滞技术,到重要设施、物品的耐淹减损技术等,新技术开发与应用都十分活跃,发展也很迅速。受篇幅限制,本节仅介绍若干IT 新技术的应用。

数据库技术,是信息化建设十分重要的基础之一,在防洪减灾领域中得到了普遍应用。在防汛指挥系统中,大量信息的处理、储存、查询、调用,交流,为防汛会商、防洪决策支持、防洪减灾信息系统服务,都离不开数据库系统,并且往往一项任务的完成,需要多个数据库的支持,如受淹范围的确定需要水体背景数据库,受淹范围内土地利用数据的提取需要土地利用数据库,受淹范围内的人口、房屋、财产等则需要社会经济统计数据库的支持等。目前我国大多数省(自治区、直辖市)已建立了水文数据库,80%以上的水文数据整编成果已经入库。水利空间数据库、全国水土保持数据库、全国农田灌溉发展规划数据库、全国蓄滞洪区社会经济信息库、水利建设移民基本信息库、全国防洪工程数据库正在积极建设。随着水文基础设施、水土保持监测、水资源实时监控设施建设的不断加强,水利信息采集设施得到了改善,自动化水平有所提高。

网络技术。随着信息技术的发展及应用,计算机网络已成为全国水雨情、工情、旱情、灾情、日常办公等防汛抗旱信息采集、传输、处理、服务与共享的主要基础设施,是防汛抗旱信息畅通、指挥调度科学、抗洪救灾及时的重要保障。水利信息网为利用低速公网连接水利部与各流域机构和各省(自治区、直辖市)的全国实时水情信息传输计算机网络,为水情、雨情信息的实时数据传输创造了条件。水利通信网为各省(自治区、直辖市)和各流域机构的防汛、工管、水文部门,根据辖区内的实际情况建成的数字微波干线通信网、一点多址微波通信网、无线接入系统以及800兆集群移动通信网,实现了程控交换机联网。全国已建成话音通信站和水文数据卫星站200多座与水利部机关到七个流域的卫星通信网;在一些大江大河的重点蓄滞洪区初步建立了无线洪水警报通信网和信息反馈系统;《全国水土保持监测网络与信息系统建设可行性研究报告》第一期建设实施方案通过了审查,项目建设正在进行。

地理信息系统(GIS)在防洪减灾中应用广泛,包括:①与流域灾害信息管理相关的数据存储、显示、查询、统计和输出等,如洪水过程与洪水淹没区情况的检索、可视化查询、统计等;②创建一个合适的环境,使GIS与水文模型、水质模型、评价模型等各种环境地学模型相结合,集成为流域防洪减灾管理信息系统、决策支持系统或专家系统,为流域防洪减灾管理决策提供依据。如果采用三维GIS技术,可以充分利用GIS软件对空间数据强大的管理、查询、空间分析与空间操作能力,在三维环境下直接查询空间信息、工情信息、水情信息及社会经济等信息,做到在三维环境下既能直观展示矢量数据、工情、水情、洪水调度模拟等相关内容,又能实现所有的GIS功能,进行空间数据及其属性的查询检索、分析,以达到较为逼真的视觉效果。

洪水仿真技术是综合应用洪水数值模拟技术与各种计算机信息处理新技术,如数据库技术、图像信息处理技术、GIS技术等而发展起来的,能够考虑计算范围内地表产汇流条件的复杂变化以及计算域内人为因素的影响,如水库与水闸的调度运用,堤防溃决、扒口或抢险堵口或临时加高,城市建筑密集、不透水面积增加、排水系统建设的影响等,因此具有较强的洪水预测功能。模型与城市社会经济数据库与损失评估模型相结合,能够在水情预测的基础上进一步分析灾情的空间分布特征,为洪水灾害的风险评价提供了合理的依据。当各种技术结合起来,形成完整的基础信息前处理子系统、运算控制操作子系统、计算模型子系统、计算成果分析处理子系统时,即构成了洪水仿真系统。

(2)发展趋势。

1)防洪减灾领域学科发展的总趋向。21世纪中,防洪减灾领域的科技发展必然体现出两大趋向:一是自然科学中相关学科的深入与综合;二是自然科学与社会科学(法学、经济学、社会学、管理学、心理学等)在交叉领域的开拓与交融。同时,为防洪减灾管理与决策科学化服务的信息监测、处理与分析系统,将成为新技术发展最活跃的领域、依据自然灾害的双重属性,防洪减灾领域学科建设的研究对象以及与相关学科的联系,如图3-2所示。

图3-2　防洪减灾领域学科建设的相互关系

为了满足随社会经济发展而日益提高的防洪安全保障需求,在防洪减灾领域除了促进跨学科的联合攻关之外,也要大力加强自身的学科建设。防洪减灾领域的学科建设,涉及到灾害学、防灾学与防灾技术等三个层次。

灾害学的研究,以基础科学研究为主,也涉及到应用科学,并需要应用技术的支持;防灾学的研究,以应用科学为主,需要基础科学的指导与应用技术的支持;应用技术的发展,则依托于基础科学与应用科学的进步,如图3-3所示。

2)防洪减灾领域灾害学的发展趋向。防洪减灾领域灾害学的研究,涉及到洪涝灾害时空分布与演变的规律,洪涝灾害孕育、发生、与人类社会交互作用的机理及其可能诱发的灾害系列,洪涝灾害的分级标准及影响评价,洪涝灾害风险分析与区划的理论与方法,洪涝灾害的信息管理学等。当前迫切需要以全面协调可持续的科学发展观为指导,从我国国情出发,认真总结1998年大洪水以来大规模治水实践中各种措施的成败得失,深入认识洪水的风险特性,探讨有中国特色的洪水风险管理理论及人与洪水共存的治水模式,建立“主观说”与“客观说”相结合的洪水风险分析方法与灾情评估方法,为积极稳妥推进从控制洪水向洪水管理的转变提供科学的依据。

图3-3　防洪减灾领域学科建设的特点

3)防洪减灾领域防灾学的发展趋向。防洪减灾领域防灾学的研究,涉及到与社会经济发展相适应的减轻洪涝灾害的完整体系、管理模式、运作机制、治水方略,因地制宜制定灾前、灾中、灾后相应防洪减灾各环节的对策措施,以及与防洪减灾相关的法规政策等。从我国的国情出发,需要研究如何将防洪工程措施与非工程措施有机地结合起来,以非工程措施推动有利于全局的工程措施;区分固有风险与附加风险,合理运用风险分担与风险补偿的措施;探讨双向调控、把握适度的政策与机制;研究风险管理与应急管理相辅相成的体制与措施;通过适度承受风险与洪水资源化等途径,谋求保障防洪安全、供水安全、生态环境安全与支撑可持续发展等目标的统一。

4)防洪减灾领域防灾技术的发展趋向。防洪减灾领域防灾技术的研究,涉及到实现除害兴利、增强人类理性调控洪水与增强自适应能力的新技术、新设备、新材料、新工艺及其适用条件等。

未来防洪安全保障体系的管理现代化与决策科学化,对信息的获取、处理、分析能力必然提出更高的要求。在初步建成防洪工程体系的情况下,洪水预测预报新技术、各种防洪规划方案与应急计划的情景分析技术、洪水风险分析与风险图制作技术、洪水灾情评估技术、防洪优化调度技术,防洪工程体系的隐患监测、安全评价、除险加固等技术的研究与开发,必将带动各种高新技术在防洪减灾领域的应用与发展;其中关键技术的标准化、国产化的要求也将大为提高。同时,这些技术的发展又会对管理人员的素质提出更高的要求,促使现有管理体制与发展不相适应的部分作出调整与改变,打破行业中普遍存在的信息封锁现象,实现社会公益信息的共享,以水利信息化带动水利现代化。