廖衛紅：“智慧”水利，筑起新時代防災減災“安全墻”

李 剛

2012年7月21日的北京，暴雨瘋狂肆虐，雨量歷史罕見。暴雨引發房山地區山洪暴發，拒馬河上游洪峰下泄。全市受災人口達190萬人，其中79人遇難，經濟損失近百億元。

2020年6月開始，安徽、江西、湖北、重慶等地發生大范圍強降雨，引發嚴重暴雨洪澇災害。截至2020年7月10日14時，洪澇災害造成全國27省（區、市）3385萬人次受災，141人死亡失蹤，195.8萬人次緊急轉移安置，81.5萬人次須緊急生活救助；2.3萬間房屋倒塌，26.9萬間不同程度損壞；農作物受災面積2983千公頃；直接經濟損失695.9億元……

一組組數據告訴我們，在洪水面前，人類是多么渺小無助。在這樣一個洪災日益多發，造成的災情日益嚴重的時代，建立“政府主導、部門聯動、社會參與”的防災減災體系，是可行且刻不容緩的。減免洪水災害損失有兩類措施：一類是工程性措施，即修建水庫、閘壩、堤防、分蓄洪區等；另一類是非工程性措施，即通過改變災害的影響來達到減少災害損失的目的，洪水預報工作就是最主要的非工程性措施之一。“洪水預報調度是重要城市防洪或水工建筑物進行水科學管理的必要手段。準確及時的預報可使工程合理調度，及時采取防洪搶險措施，力求使洪災損失降到最低限度。”中國水利水電科學研究院水資源所水資源調度室教授級高級工程師廖衛紅說。

廖衛紅2014年在新疆某水電站調研

“冥冥之中自有天意”

“北京市氣象臺2021年6月25日22時20分發布暴雨藍色預警信號：受強對流云團影響，預計當前至26日0時，城區及東南部地區將出現小時雨強30～50毫米的強降水，請注意防范。”看到頁面彈出的這則新聞，緊盯電腦顯示屏的廖衛紅不免心頭一緊。北京“七·二一”特大暴雨事件仍然歷歷在目，北京市密云水庫洪水預報調度系統的研發負責人廖衛紅一到下雨天，就會遠程值班，及時關注水庫水位變化，做好預警工作。好在第二天，天空放晴了，她那顆懸著的心也終于放了下來。

廖衛紅說：“洪水預報是當今水文水資源學科中一個重要的分支。它是根據流域上發生的暴雨或河流上游的來水，經過水情信息采集、傳輸、存貯、處理和一系列的科學計算，最終預估在其一控制斷面即將發生的實際洪水過程。由于洪水預報要求準確、及時，因此，我需要隨時掌握相關數據變化。”

當被問及是如何與這一研究領域結緣時，她笑著回答道：“冥冥之中自有天意吧！”2003年，17歲的廖衛紅考上了武漢大學，進入水利水電工程專業。廖衛紅自小便對理工科感興趣，通過學習，她慢慢認識到水利水電的重要性。秉持著“做一行愛一行”的理念，廖衛紅從本科、碩士到博士一直都沒有改變研究方向。2012年畢業后，她便留在了讀博單位——中國水利水電科學研究院水資源研究所工作。

由于與河流水域打交道，廖衛紅經常需要去實地考察，出差已是家常便飯。“一般情況下，我一個月得出差兩次。多的時候，差不多就得一個星期一次了，而且經常出去一次就是一周時間。”廖衛紅說，她還清楚地記得，第一次出差是在讀博期間，跟著單位主任去了長春。那會兒恰逢她的生日。由于當時做的水文模型也不成熟，生日那天，她還跟著主任在酒店熬夜加班調代碼。“那會兒我覺得特別委屈，還偷偷哭過，但也清楚工作還得好好做下去。現在回想起來，雖然出差時難免有心酸，但更多的還是收獲！”有一次，廖衛紅遠赴新疆庫爾勒，在那里她看到了從未見過的河流地貌特征，“在庫爾勒，不管是水庫建設還是用水需求，都跟內地不同。中東部地區都是‘百川異源而皆歸于海’，可那里的水循環規律就不同了，有的河流到中下游就斷了流”。

一次次的實地勘探讓廖衛紅掌握了許多書本上學不到的知識，再加上十余年的潛心研究，現如今，她在分布式水文模型、集合預報等領域取得了豐碩的成果。主持或參加20多項科研項目，獲得省部級獎勵4項，發表論文80余篇，其中SCI檢索23篇，EI檢索15篇；出版專著5本，其中譯著1本；授權發明專利20余項；獲批軟件著作權13項；參編標準2部等。

開展流域高性能水文模擬應用研究

隨著科技的發展，水文學作為一門歷史悠久的學科也越來越趨向于數字化與定量化，水文模型應運而生。它是數學模型用數字語言將自然現象符號化的水文學應用。相對于河口水文模型、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實際意義。

“流域水文模型把流域總體看成是一個系統，輸入為降雨等，輸出為出流流量等。流域內的水文過程則是系統的狀態，是根據水文概念推理計算出來的。”廖衛紅介紹道，“近年來，流域水文模型研究實現了快速發展。一個很重要的原因就是計算機技術水平的快速提高。現如今，我們可以充分利用這些高性能計算機進行超大計算量的數據分析。這在以前是想都不敢想的。”

2017年，基于高性能計算技術支持，廖衛紅所在團隊承擔了國家重點研發計劃“面向E級計算的流域高性能水文模擬應用示范”的課題研究。該課題基于E級平臺，實現了流域水系分級嵌套耦合大規模高性能水文模擬軟件系統在全國范圍內的應用示范，為國家流域一體化防洪和跨區域水資源科學配置提供支撐：首先，搭建大規模水文模擬分析的海量異構數據管理云平臺；隨后，研制多源數據、多模型與參數組合流域洪水/徑流超級集合預報技術；開發多尺度嵌套水文模擬與預報可視化系統；在全國范圍內開展跨越山洪溝-中小河流-大江大河的流域洪水/徑流過程精細化模擬與預報應用示范，獲得一批重要的高精度水文數值模擬/預報成果。

歷時3年的研究，廖衛紅帶領團隊成功研制出并實現了快速精確的流域水文超級集合預報及可視化展示。該項目不僅極大地推進了我國先進的高性能計算機在重大行業的應用，提升了我國科學研究的綜合水平，而且其應用的大規模精細化水文模擬技術，能夠有效提高變化環境下大范圍水文情勢變化的模擬預報精度，提升了我國在流域一體化防洪、區域水災害方面的應急響應及科學決策能力。

探索城市洪澇實時預報

從2018年開始，廖衛紅往返福州50多次，開始從流域洪水預報進一步拓展到城市洪澇預報。

福州具有沿海重要城市環境特點決定了福州城市水系統模型的復雜性。首先，福州地處海峽西岸，面臨大海背靠武夷山山脈。東南方向水汽輸送能力強，而西北部武夷山地形隆起，因而臺風雨、局部短歷時強降雨易發頻發。其次，福州市區地處低洼易澇區，三面環山，一面臨海。上游山洪來襲，中無城市蓄滯空間，下游閩江潮位頂托，由此造成福州市本體就是一個大水缸，有進無出；此外，福州城市后天的防洪排澇設施建設標準低，大部分內河防洪標準低于5年一遇，城市排水工程建設不完整、質量不過關，排水能力不足，設計標準偏低。1年一遇、2年一遇管網比重在整個城市排水系統中高達71%以上。

廖衛紅2012年博士畢業留影

針對福州城市水系和內澇特點，廖衛紅帶領的團隊構建了包括水文模擬預報、一維河道水動力模擬、一維河道水質模型、一維管網模型、二維地面積水模型、智慧調度等模型體系。針對福州城區東北部山丘區和城區平原匯水區，分別建立了不同的水文模型進行匯水區的水文模擬和預報，重點解決小尺度（不足20平方公里）無資料地區模擬難的問題；在河網水動力水質模型的基礎上，接入了所有河道閘泵等工程的調度規則，實現了潮位頂托、工程調度影響的福州城區河道水動力過程精細化模擬；考慮城區管網、地面匯流之間的水量交互，管網溢流，以及河道水位對城區管網的頂托作用，對城市管網-地表匯流-河道模型實現了耦合模擬。總的來說，針對福州復雜的先天環境和后天設施條件，依托實時傳入的站網監測數據，通過構建的這套耦合模型進行實時模擬和預報，可對城市內河水位、流量過程每半小時自動預報，并在發生中雨及以上量級降雨情況下，自動進行城市內澇預報，預報時長為未來2～6小時。

在具體的應用中，模型還可以實時計算當前城市水體剩余防洪庫容、納雨能力；在雨前給出各水體控制水位，雨中、雨后給出各閘泵工程具體的調度方案。對福州市城區水系的科學調度提供7×24小時的服務。截至目前，模型已在福州市城區水系科學調度系統中穩定運行2年，累計支撐四級以上應急預案的科學調度100余次。后續還將進一步根據實際數據和模擬預報情況不斷提升模型精度和效率，更好地為福州市城區內澇的預警和調度處置提供服務支撐。

廖衛紅在維也納參加2018年歐洲地學聯盟（EGU）會議

確保河流、河口生態安全

深入踐行以人民為中心的習近平生態文明思想，在治理理念、路徑、模式、手段等方面大膽創新，在加快構建水安全、水資源、水環境、水生態、水經濟、水文化等體系上，廖衛紅也進行了卓有成效的探索實踐。

入海污染源多，難以準確追蹤定位，因而不確定性程度大、規劃難度高，河口污染治理規劃可以說是一項具有挑戰性的前沿性研究。為解決該問題，廖衛紅帶領團隊開展了國家重點研發計劃“河流、河口污染的溯源與治理規劃”的項目研究。課題組圍繞河口水環境三維立體監測、河流河口水量水質模擬技術、突發污染追蹤溯源模型、河口水生態健康評價、河口污染治理規劃等方面實現了一系列技術突破。

此外，廖衛紅還在漢江、長江等河流圍繞生態安全開展了水庫群調度研究。廖衛紅坦言，技術創新的背后離不開大數據、人工智能、物聯網等新興科技的支持，要實現“興水利、防水害”的目標，還須不斷學習新本領，擴充新知識。

大禹治水，平息了“名川三百，支流三千，小者無數”的水患，成就了千古治水偉業。跨越數千年，九州大地風和日麗、海晏河清、民生幸福，依然是中國人民不懈追求、為之奮斗的夢想。廖衛紅相信，在科技的助力下，在廣大水利工作者的共同努力下，新時代防災減災“安全墻”定會牢牢筑起！