杨卫忠：水旱灾害风险普查技术体系探索与应用
我国是世界上自然灾害最严重的国家之一，灾害种类多，分布地域广，发生频率高，造成损失重。第一次全国自然灾害综合风险普查是我国也是世界上首次开展的一项重大国情国力调查，是提升自然灾害防治能力的基础性工作。水旱灾害风险普查是自然灾害（包括地震灾害、地质灾害、气象灾害、水旱灾害、海洋灾害、林草火灾等）风险普查的重要组成部分。为满足全国自然灾害综合风险普查需求，指导各地顺利开展水旱灾害风险普查，水利部按照《第一次全国自然灾害综合风险普查总体方案》，基于洪水风险管理理论，首次建立了一套完整的水旱灾害风险普查技术体系。体系涵盖水旱灾害致灾调查和危险性评估、承灾体调查、风险评估与区划、防治区划等内容，确定了普查指标、技术路线、分析评估与区划方法，可用于系统识别和分析评估水旱灾害风险来源、区域分布和风险水平，为实现全国水旱灾害风险普查目标，基本摸清水旱灾害风险隐患底数，查明水旱灾害防御能力，客观认识我国不同地区水旱灾害风险水平提供了有力支撑。
1、水旱灾害风险普查需求分析与技术特点
按照水旱灾害风险管理理论，水旱灾害风险是各类风险要素共同作用的结果。水旱灾害风险由水旱事件的随机性、人类社会及自然环境承灾的脆弱性相互作用产生，包括水旱灾害危险性、承灾体暴露度和脆弱性三方面（也称风险三要素）。采用调查、评估和区划三种方法识别风险三要素，同时分析水旱灾害风险普查的需求如下。
水旱灾害危险性。需要调查各河流、区域的洪水干旱风险来源，分析暴雨洪水产汇流规律和干旱致灾规律，量化不同频率暴雨洪水规模和干旱严重程度；需要摸清主要防洪工程防灾能力，基于流域地形、水系和防洪工程分布，构建水文水动力学模型，分析不同频率洪水干旱的影响范围和影响程度，计算洪水干旱的综合风险度指数R值，查明水旱灾害危险性。
承灾体暴露度。承灾体是可能遭受水旱灾害作用的对象，包括房屋建筑、基础设施、人口、经济、农作物等。需要通过调查和数据共享，掌握水旱承灾体的数量、空间位置和属性特征，为风险评估提供基础数据。
承灾体脆弱性。不同承灾体对水旱灾害表现出的易于受到伤害和损失的性质不同。需要总结分析已有调查和试验成果，归纳各类承灾体强度-破坏曲线和损失特征，支撑水旱灾害风险评估。
基于上述需求分析和风险管理理论，水利部探索建立了水旱灾害风险普查内容体系和技术标准规范体系，通过调查分析获取水旱灾害风险各要素数据，开展危险性、暴露度和脆弱性评估，确定不同评估单元或区域的洪水干旱风险水平和等级，完成了不同空间尺度水旱灾害风险评估与区划。
在水旱灾害风险普查中，与其他灾种风险普查相比，洪水灾害风险普查采用具有物理含义的洪水淹没水深、流速和淹没历时等淹没特征数据量化洪水危险性。通过构建河道和防洪区的水力学模型，联合求解连续方程和动量方程，精准量化洪水波的演进过程，计算洪水综合风险度指数R值。利用综合风险度指数在全国范围内表征洪水危险性，使得不同区域的洪水风险具有可比性，有助于在统一标准下制定风险等级阈值。干旱灾害风险普查则综合考虑了干旱频率、水资源量禀赋条件与负异常状态，反映水利工程防旱抗旱减灾能力，更加客观揭示干旱灾害风险水平。
2、技术体系构建
水旱灾害风险普查技术体系涵盖水旱灾害致灾因子、洪水灾害隐患、水旱灾害风险评估与区划、普查数据库等方面内容。应用水文水动力学、空间聚类分析、灾害风险分析等理论方法，进行水旱灾害危险性、洪水干旱风险评估与区划等方面的调查和分析评估；引入承灾体脆弱性曲线，进行洪水灾害影响人口、经济（GDP）的风险评估；针对干旱灾害相关的水资源量空间配置特点，以县级行政区为单元进行农业干旱灾害风险度、人饮困难风险度、城市干旱风险度分析和干旱灾害综合风险评估与区划。此外，基于数值区间合理性、逻辑判断、空间拓扑关系分析等方法，提出普查数据质检审核规则和质量控制方法，规定风险评估与区划制图标准。
此次水旱灾害风险普查在原有基础上组织新编7项普查技术要求或规范性技术文件，系统构建了水旱灾害风险评估与区划技术体系。
▲水旱灾害风险普查技术体系
3、关键技术
基于统计学与分布式水文模型融合的洪水灾害致灾分析方法
应用精确性、不偏性及稳健性更优的线性矩法编制暴雨频率图，提高稀遇频率估计值的拟合精度，降低了常规矩法低估的安全隐患。假定降雨年最大值系列X服从某一分布函数，X1:n≤X2:n≤...≤Xn:n是一组随机样本的次序统计量，定义r阶线性矩变量的通式为：
式中，EXr-k:r为样本容量n中排在第r-k位的次序统计量的期望值，λr为r阶线性矩变量。
综合应用多种水文模型编制中小流域洪水频率图。结合暴雨频率分析成果，在综合单站洪水频率分析法、区域洪水频率分析法的基础上，以分布式水文模型法为主，推求山丘区主要小流域出口节点设计洪水，丰富了洪水频率分析成果，为开展灾害风险评估提供坚实基础资料。单站洪水频率分析法适用于有流量资料的站点，且站点上游控制流域内不存在大中型水库，可结合历史实测和调查洪水资料进行洪水频率分析；对有水位资料的站点，可转换为流量数据进行洪水频率分析。区域洪水频率分析法综合多个小流域单站洪水频率分析成果，构建不同水文分区的洪水区域回归方程或增长曲线，根据小流域所在区域，快速推算小流域设计洪水。具体见公式（2）和（3）。
式中，QT是T年一遇的洪峰流量，Ai是第i个流域特征变量，αi是模型参数，n是特征变量的个数，ε0是乘积误差项。
式中，QT是T年一遇的洪峰流量，qT为区域增长曲线的增长因子，μ为站点指标洪水。
分布式水文模型法适用于缺资料流域，产流分析计算主要以蓄满产流、超渗产流、混合产流为主，包括三水源蓄满产流、陕北产流、垂向混合产流、初损后损产流、大伙房产流、降雨径流相关图、SCS-CN法等模型，采用分布式单位线法进行坡面汇流分析计算，以动态马斯京根法进行无资料地区河道洪水演进计算，有实测水文资料和断面资料地区也可选用马斯京根法、运动波法进行分析计算。流域中存在大型、中型水利工程并且蓄水引水影响较大时，以水利工程坝址为节点，计算节点以上集水面积内的设计洪水。
以洪水风险度指标为基础的洪水风险区划方法
洪水风险区划及防治区划编制中，开创性提出了以相似性、差异性和综合性原则为基础，以洪水综合风险度指数R值和防治等级判定阈值为核心的洪水风险等级分析计算和防治等级判定方法，并首次开发了集成果编制、审核和修改等功能为一体的数据管理平台。
一是基于相似性、差异性和综合性原则，将洪水风险程度指标以量值区间作为衡量标准反映相同或相近特征，在考虑影响洪水风险形成发展等自然因素的基础上，综合社会因素宏观反映区域洪水风险程度及其防治特征。以此为基础开创性构建了涉及区域类型划分、风险要素分析计算、风险等级计算、灾害防治等级判定指标及阈值、成果聚类分析、成果制图、成果审核、成果汇总集成等方面的完备的洪水区划编制技术体系。
▲洪水区划编制技术流程
二是在洪水风险区划编制过程中，首次提出了具有物理机制、统一可比较、无量纲的洪水综合风险度指数R值这一全新的洪水风险量化指标，开展全覆盖、精细化的洪水风险区划分析计算；在洪水灾害防治区划编制过程中，根据防治等级定量化表达需求，首次提出以流域/区域防洪功能类型、洪水风险大小和治理标准为主要表征的防治等级判定方法和相应阈值指标体系，用以反映流域/区域防洪体系布局、防洪治理紧迫性和防洪治理策略等方面的差异性。利用具有物理机制的水文水动力耦合模型与空间分析技术辨识风险分布，分析洪水危险性；利用树形多层洪水灾害防治指标体系与系统分析、空间计算技术判定防治等级，分析防治迫切性，结合不同类型承灾体的空间分布和脆弱性特征进行风险分析和防治需求分析。
三是创新开发使用洪水区划平台，并内嵌多种软件及模型工具，在成果编制阶段利用要素导入、R值计算、聚类分析、制图排版等多项功能，协助完成洪水风险等级计算和防治等级判定工作；在成果审核及修改阶段，利用成果合规性、合理性审核和模型修改工具，开展成果数据挂接、拓扑结构检查修复、自相交维护与更新、数据异常值审核及导出、相邻空间数据比对、数据衔接及协调性分析等工作。相关平台软件和模型极大程度节省了洪水区划成果审核及修改的时间和人力成本，提高了检验的准确度。
基于水资源短缺的干旱灾害风险评估与防治区划技术
创新提出了基于水资源短缺的干旱风险分析评估理论技术方法，以县级行政区为单元，利用60多年长系列水资源资料，对干旱频率及相应的水资源量进行系统计算，揭示了干旱时空演变规律，提出了以水资源量的禀赋条件与负异常状态为核心的干旱特征值分析成果。
形成一整套干旱风险评估、干旱风险分析、干旱灾害防治、抗旱规划与工程设计的技术方法、准则与标准。干旱灾害风险评估和分析综合考虑区域水资源量的禀赋条件与负异常状态及干旱灾害损失情况，进行农业、人饮、城镇干旱灾害风险评估，进而进行干旱灾害风险区划。研究提出了干旱灾害风险等级和抗旱减灾能力等级的判别矩阵，综合考虑干旱灾害风险区划结果和抗旱减灾能力等级评估结果，确定干旱灾害防治区划等级。
基于上述理论方法，根据干旱特征参数，同时考虑干旱灾害损失情况，对全国2846个县级行政单元的受旱情况系统深入分析，从农业、农村人饮、城镇等三个层面分别开展干旱灾害风险评估，揭示出每个县干旱灾害的主要影响对象，首次在全国范围绘制了干旱灾害风险区划图和防治区划图。
基于微服务的风险普查数据库及管理系统
采用当前主流的B/S微服务架构思路，建成水旱灾害风险普查数据库及管理系统，完成了涵盖致灾调查、隐患调查、风险评估与区划等全链条的九大类14项成果数据入库工作，通过WebGIS全面拆解实现数据的管理维护、查询展示、共享服务、门户访问、专题应用、数据统计等各类微服务和业务功能，为普查成果统一管理、统一应用、统一共享提供了高效稳定的环境。基于统一的地理坐标系规范处理数据格式，混合多格式、多类型地理信息数据和表格、文档、电子图等多态存储，实现基于空间位置的数据有效组织管理和多源数据的深度融合，保障数据自适应拓展和高效更新。
4、应用实践
经过第一次全国自然灾害综合风险普查“大会战”试点，11个重点试点县、120个试点县调查，地方“一省一县”“一省一市”试点评估区划，国省两级共同开展的“一省两市”试点评估区划等多项试点工作，全面验证并完善了水旱灾害风险普查技术体系，指导全国各级水行政主管部门和技术支撑单位完成暴雨水文等洪水灾害致灾特征、防洪工程洪水灾害隐患、干旱灾害致灾因子等数据收集，形成调查数据集，编制暴雨频率图、洪水频率图和防洪工程风险隐患分布图；系统科学开展全国水旱灾害风险评估与区划，编制洪水风险区划及防治区划、洪水影响人口和GDP风险区划、干旱灾害风险区划及防治区划等，基本摸清我国不同地区水旱灾害隐患和风险底数，划定了全国水旱灾害高风险区域。
成果将被广泛应用于水旱灾害防御、防洪工程规划、水网布局建设、数字孪生水利等各项工作中，为实现水利高质量发展提供技术支撑。部分省级水行政主管部门在统一的技术体系基础上，结合本地区特点补充制定相关技术要求，细化部分技术内容，极大丰富和完善了水旱灾害风险普查技术体系内容，为构建较为完善的水旱灾害风险普查技术标准、技术方法、技术产品体系提供了经验。
5、结语
结合第一次全国自然灾害综合风险普查，首次设计建立了一套水旱灾害风险普查技术体系，支撑各地圆满完成水旱灾害风险普查任务，取得多项创新成果，达到预期目标，也为今后常态化开展水旱灾害风险普查工作奠定了基础。今后需根据水旱灾害风险情况变化进一步完善水旱灾害风险普查技术体系，结合人工智能、遥感、数字孪生、高性能计算等新技术，拓展致灾因子或技术指标，深化防洪工程隐患排查技术手段，细化中小流域洪水危险性和影响分析，以流域为单元进行干旱危险性和风险评估，推进水旱灾害风险普查迈向更高水平，服务水利高质量发展。
