崔堃鹏，王建伟，林金良，宁占金，石 宽，汪 雁，耿 超
(中国消防救援学院，北京 102201)
2021年7月，欧洲西部受“伯恩德”的低压涡旋系统影响，给瑞士、法国、卢森堡、比利时、德国、捷克、荷兰等国带来十几天的持续降雨，局部发生极端强降雨，酿成自二战以来，欧洲遭受的最严重的洪涝灾害；
同年7月以来，我国多地出现大到暴雨，河南等地持续遭遇强降雨，郑州等城市发生严重内涝，河流出现超预警水位以上洪水，个别水库溃坝，造成铁路停运、航班取消，带来重大人员伤亡和财产损失，洪涝灾害防控形势十分严峻[1]。
从全国范围来看，我国近四分之三的国土面积上存在着不同类型及不同程度的洪涝灾害，60%以上的工农业产值、40%的人口、35%的耕地和600多座城市，以及主要铁路、公路、油田和许多工矿企业均受到洪涝灾害的威胁，我国的应急救援力量面对出警量高、多灾种耦合、处置复杂、专业化要求高的局面[2]。
本文综合国内外预防洪涝灾害的工程措施、非工程措施以及应急救援研究现状，并调研了水利水文部门、抗洪抢险救援力量等单位，针对目前洪涝灾害抢险中技术、装备及应急保障需求，除了应积极发挥应急管理、水利部门和消防救援队伍在抢险、救援、搜救等方面优势以外，还应在水情预报预警、险情隐患侦测、水域生命救援、堤坝抢险、分洪泄流、抽水排涝、水域应急交通、抗洪综合保障、汛期灾民安置、抗洪韧性增强等10个方面进行探索，进而提出一些研究发展建议，以期提升我国科技抗洪水平，为后续防洪、抗洪、抢险救援提供科技支撑。
1.1 与气象部门联动的大气雨水观测情报系统
目前，针对降雨预报主要分为长期、中期及短期预报，实时预报随着雷达测雨、卫星云图、全球气象数值模拟等新技术在气象部门也得到了有效应用[3-4]，降雨预报的可预见时间持续加长，预报精度也不断地提高，雷达测雨技术也可以精确地预报出数小时后流域内降雨的强度分布、移动方向以及移动速度等参数，是精准预报实时降雨的有效工具。然而各部门联动机制不够顺畅，存在各自为战和信息滞后的情况。要准确预报水情，首先必须要正确地预报出降雨，并且与应急救援力量等各种社会力量联动，建议利用卫星云图通过对云层厚度、温度、移动速度等因素的分析，辅以其它气象条件的判断，有效地进行短期降雨预报；
利用全球气象数值模拟技术，对全球范围内水汽输送进行精准地模拟计算，从而实现对全球气象形势实时分析，再结合历史数据，与有资料记录以来类似年份的气象形势进行详细地对比分析，从而更加精细地预报出中、长期降水。
1.2 区域水文防洪抗汛信息化关键技术研究
内陆水域特点各异，如山东境内河流一般较深，河北境内河流比较宽大，安徽淮河流域及江西境内河流多伴有湖泊特性；
长江、黄河、淮河、珠江、黑龙江等国家骨干河流历年洪水灾情研究及预测需要考虑各自不同的特点，因此区域汛期洪水精准预报一直以来都是摆在水文工作者及相关科研工作者面前的一道棘手难题，存在一定瓶颈[5-6]，然而及时、精确、有效地进行区域洪水预报对国家民生安全及经济发展具有其独特的重要的意义。
针对区域水文防洪抗汛信息化关键技术的提升，深入开展洪水形成的物理规律及特性的研究，具有非常重要的意义。借助计算机、物理、气象及地理信息等多学科交叉优势，对水文三要素(降雨、流量和水位)与洪水形成的关系深入分析，寻找出区域洪水预报理论、技术方法、实践应用的突破性关键结合点。
2.1 重点区域洪水灾害风险评估与防控技术
重点区域洪水灾害往往是具有规律性的，但现阶段的研究，如总结归纳等方面工作做得不够深入、系统，建议采用案例分析、实地调研和专家访谈等方式，梳理重点防护或洪水灾害高发等重点区域洪水灾害风险底数，形成重点区域洪水灾害风险清单；
研究区域洪水灾害综合风险评估指标体系、综合风险量化评估方法和风险等级表征方法，构建重点区域洪水灾害风险分布图；
基于洪水灾害风险评估研究成果，从应急管理和工程措施两个方面，构建洪水灾害风险以应对能力和工程措施为核心的防控技术体系，实现重点区域洪水灾害风险的主动预防和洪水灾害应急管理的关口前移[7-11]。
2.2 工程地质灾害精细探测新技术
新型探测技术在城市地下空间探测、地下空洞探测、煤矿安全隐患检测、垃圾填埋场渗漏探测及考古等领域已经广泛应用[12]，然而在洪涝灾害方面，特别是监测滑坡、泥石流等方面研究应用较少，具体可以开展高速成像位移监测技术，预埋预设传感器监测位移、应力，动力响应反推监测灾害，射线扫描成像等技术的研究。
2.3 流水冲击、漂流物撞击桥梁安全评估技术
桥梁是道路交通的咽喉，洪峰期间水流速度快，严重冲刷桥梁基础，有时候甚至处于悬空状态，然而水下桥梁检测监测在国内几乎属于空白，相关设备更是匮乏，建议研制水下检测机器人，研究机器人机械手局部修复等技术；
洪水期间，会带来各种不同漂浮物(例如冰凌)，甚至是失控的船舶，连续撞击桥梁，给桥梁安全带来巨大灾害，相关安全评估标准缺乏且偏保守，建议通过能量法、冲量法、数值法研究漂流物对桥梁的破坏作用，研究各种撞击力的时域和频域特性，评估桥梁抢修快速通过能力及安全状态[13]。
2.4 堤坝病害多维感知及智慧预警体系研究
我国堤坝运行安全，特别针对堤坝水下病害、表观病害、结构性能的感知技术研究远远落后于发达国家，目前应用相关技术有堤坝空洞地质雷达探测技术、轻型动力触探对危险地段坝体进行动态监测技术、用电阻率成像探测堤坝有无渗漏、利用小型激振器通过构筑物动力响应判断构筑物结构安全等技术，建议从堤坝运行规律入手，研究堤坝运行状态智能监测方法，建立堤坝渗流、变形、温度等关键参数的传感设备布置、数据传输和批量处理技术；
引进前沿机器视觉扫描技术，结合无人船、无人机等自动巡航装置，构建堤坝水下病害和表观病害的自动智能巡检及识别技术；
借助神经网络等人工智能算法，搭建堤坝运行状态智慧预警系统，实现堤坝运行状态实时监测、定期巡检及预警预报的自动化、可视化、智慧化。本技术可应用于堤坝运行期监测、日常巡检，解决堤坝运行期监测、检测方面的重大技术难题，及时发现堤坝病险隐患，扭转堤坝被动防治状态，实现灾害的主动防控，对于堤坝运行过程中的灾害防治具有重要意义。
3.1 无人机巡查监测、通讯抢修、抛圈救援等综合应用技术研究
目前，无人机搭载高清云台摄像机技术已经成功应用，可以实现迅速穿越山区、河流等人员及常规设备不易出入的严重灾情地区，深入腹地第一时间搜集受灾情况、实时监控洪水的发展情况，并传回高清图像[15]。指挥中心可以通过无人机采集传回的图像直观地判断洪涝灾害的强度及分布发展情况，结合汛情的发展和驻地应急救援力量及时做出处置方案，有效地控制和降低灾害风险。
针对道路受阻并且通讯中断的情况，应急救援人员可以采用无人机在空中主动搜寻遇险人员的具体位置。在锁定具体被困人员的位置后，可以用无人机自带扩音器与被困人员进行实时隔空交流。无人机还可以携带救生装备、食品、药物等应急物资，以精准空投的方式快速投放到遇险者手里，将救援的方法告诉遇险人员并安抚其情绪，引导遇险人员如何配合救援，这有利于快速稳定局势并且高效开展救援。
针对光缆维修区域山势险峻的情况，考虑其横跨水面大，采用传统的人力方式重新布设光缆耗时耗力，效率低下甚至无法实施。然而利用重载无人机布设光缆，可以有效克服地理障碍以及其他阻碍光缆布设抢修的不利因素，尤其是适用于自然灾害频发的山区和跨河等复杂区域，既能保证抢险安全，也能节省财力、物力，保证抢修的时效性。因此，建议开展无人机全天候执行任务情况研究、无人机人工智能自主学习记忆功能、轻型通讯光缆机快速抢铺技术、无人机自主抛圈救援学习技术、无人机巡查险情自主判断预上报技术、红外无人机精准定位被救助对象技术。
3.2 湍流水域救援机器人救援技术及群组救援技术
湍流水域，人工救援往往存在危险大、成功率低、时间紧迫的情况，相关救援装备和技术研究匮乏，建议开展静水救援机器人救援技术、湍流水域救援机器人单机救援技术、湍流水域救援机器人群组救援技术。
3.3 空中、水面、水下全方位、智能化洪水监控及生命探测救援技术
我国空中、水面、水下救援往往各自为战，全方位综合救援装备及技术研究匮乏，建议开展利用无人机、无人船、水下机器人进行洪水及构筑物监控、监测技术，无人机、无人船、水下机器人红外、声呐生命探测技术，无人机单机智能抛圈救人技术，无人船(冲锋舟)单艇、群艇救人以及水下机器人水下搜救等技术研究。
3.4 水上航空救援力量(水上机场)场点布局研究
目前，我国航空应急救援力量虽然跟发达国家有很大差距，但是已经得到了一定程度的应用和发展。鉴于水上机场建设投资少、建设周期短、节约土地、运营简单成本低的特点，日本US-2水上飞机、中国蛟龙-600水陆两栖飞机等得到了一定应用，在汛期河道巡逻、大面积水域救援有独特优势，然而总体上航空救援基础设施薄弱，资源分布不均，我国航空救援能力、体系建设亟待加强，水上航空救援力量(水上机场)场点布设问题要综合考虑水面资源应用、低空空域管制、水(地)面服务保障设施、飞机、各类专业人员队伍、医疗、气象、人口、经济、预测监控、调度指挥等诸多因素，建议深入展开相关救援力量优化、场点布局研究[16]。
3.5 极端天气直升机救援飞行调度研究
航空应急救援有着响应速度快、救援半径大、救援效率高、受地形限制少等无可比拟的优势，在应急救援体系中占据重要地位。然而我国航空应急救援起步较晚，体系建设发展相对滞后，当前我国的航空救援队伍主要由现役部队(空军、陆航、海航、武警部队)、警航、政府专业飞行救援队和通用航空企业救援力量共同组成。在人口密度大的都市及高速公路沿线，分别可以按照面状和线状的空中救援区域进行区域规划。在规划区域内航空救援的响应时间可控制在40 min以内(有些国家和地区可控制在20 min之内)。在野外紧急搜索与营救时，高速公路、道路交通、水面救援，配合都市高层建筑消防救援等空中应急响应时间可控制在40 min以内。以直升机为承载平台的侦查巡护、搜索营救、力量(物资)投送、吊桶(水箱)灭火、伤员转移、医疗救护、图像传输等能力在森林灭火、地震、山岳、水域等航空应急救援任务得到发挥应用。另外，针对极端天气救援过程指南建设是我们的下一步研究方向[17-18]。比如汛期雨延绵不断或风雪交加的情况，救援过程会受到极大干扰，飞行员心里状况会出现波动，飞行自身安全情况难以保证，面对这种情况如何做出风险等级划分，指挥员如何准确做出救援指令或者停止救援指令等。
3.6 浑浊水域水下救援装备的研制
我国浑浊水域救援装备及技术研发比较薄弱，与国外发达国家相比差距大，建议研制作业深度20 m、遥控距离 800 m的智能水下救援装备，具备清淤、推障、拖曳功能，能加装各类作业属具：作业手臂、挖掘臂、推土铲、装载斗、清淤泵等，满足城市内涝如被淹桥洞、地下车库等水底人员搜救、车辆清理、障碍破拆等，满足河流、水库、浅海沉船救援、水下工程作业等。突破深水环境下作业装备的密封防腐、水下定位、稳定作业等关键技术，开发水下作业可视化遥控操作平台与长距离线缆收放系统，实现水下推土装备作业智能化。
4.1 堤防封堵综合决口技术研究
面对流速过大的决口或决口合龙时所需要的大块料，而当地就近往往无大块填筑封堵材料的情形，针对近距离实施决口封堵时可能带来的突发性、灾难性的安全风险研究较少，不能满足突发情况下险情处置要求，建议研发四面体材料速成装备、大块体材料快速输送、装配式子堤、砂土袋封装、子堤材料快运等技术，为封堵堤防决口提供机械化的作业手段。
4.2 防渗堵漏的新材料新工艺
目前防洪抢险中所使用的材料、技术手段等还是比较原始和落后的，每次抢险所付出的成本比较高，然而效果比较差。但是我国古代却有不少防洪抢险经验和技术，建议深入挖掘古代抗洪经验，结合现代新材料、新技术、新方法，创造性的研究有效防洪抗洪抢险技术，例如黄豆等微膨胀材料、水下游弋机器人、水上钢板桩技术、速凝注胶技术、循环填埋方法、舟船载重凿沉封堵技术等。
5.1 古建筑防洪抗涝技术
有这样一些建筑，始建于百年前，历经岁月洗礼，经过数次洪水考验，依然屹立如初。例如经历过1991年、2003年洪水的安徽寿县县城安然无恙，即使水已经淹过城门，城外一片汪洋，但是城内还是安居乐业；
江西赣州古城，是由唐末五代时杨筠松选址建造的“上水龟城”，城外形如乌龟，可以有效降低洪水对城墙的冲刷。赣州有自己独特的排水系统——福寿沟，其根据街道布局和地形特点，建成了两个排水干道系统，因其两条沟的流向形似篆体的“福”和“寿”俩字，故取名“福寿沟”。然而我们对于古建筑排水研究不够深入，建议参照赣州城、故宫排水、青岛地下排水系统等研究先进建筑排水机理和措施，借以指导当今建筑排水。
5.2 山区堰塞湖形成机理及快速疏导技术
山区堰塞湖处置主要有爆破、机械开挖沟槽等工程措施[19-20]，建议针对骨干河流沿线开展调查研究，结合地质情况，针对易滑坡处进行统计，评估风险等级。雨季来临之前，合理储备防汛物资，特别是相关大型机械设备。研究局部精准爆破技术，大型机械定向开挖技术，大型机械空中投送技术、水路舟桥运输投送技术等。
5.3 堤坝快速爆破分洪技术
针对堤坝或者挡水建筑物拆除泄洪，通常采用机械拆除和爆破拆除两种形式进行[21]。机械拆除受施工环境和设备调配，以及安全等各方面的影响，不能适应抢险的时间要求。采用爆破技术，可以在很短的时间内，进行拆除处理，处理规模和处理效果能够满足抢险需求。建议研究水下爆破技术、拆除爆破技术、抛掷爆破等，以及在进行爆破实施过程中的机械装备选择施工工艺、爆破参数、先进爆破器材的使用等。先进快速的爆破技术是解决抗洪抢险中人力和机械设备无法解决的瓶颈问题的高效方法，能在抢险中起到关键性的作用[22-23]。
6.1 狭小空间极速排水救援技术
城市地下空间应用越来越多，瞬间暴雨，河水倒灌，例如2007年济南泉城广场雨水、河水倒灌，人员在下沉广场无法逃出。狭小空间快速排水救援技术及装备研究匮乏，建议开展极速排水设备技术、狭小涉水空间极速救援技术的研究。
6.2 远程控制智能化大流量排水抢险救援技术
面向城市地下空间和隧道等狭小空间区域、低矮环境内涝排水救援技术及装备要求高，远程控制智能化大流量排水抢险救援装备技术的研究较少，建议重点研究具备大流量远程控制排水救援装备本体构型设计技术，重点研制多情形适应的可远程控制、智能化、可视化、自主投放与回收技术；
密闭及低矮环境区域自主导航与协同精准定位技术，实现排涝区域内部灾情信息快速获取与智能识别[24-25]。
7.1 应急舟桥、浮桥、机动两栖桥综合应用技术
洪水阻断交通，人员和装备过河过江成了难题。目前很多舟桥往往集中于军方，地方储备的少，应用的更少，不能满足目前应急救援需求，建议根据不同抢险救援情况，轻重缓急，险情特点，合理经济情况下，优化选择各种应急舟桥，给出配置标准、要求和使用原则，建议集中研发两栖舟桥，一车两栖使用，具有应急机动舟桥的功能，也具有应急机械化桥的功能。
7.2 水陆两栖救援装备的研制
水陆两栖救援装备大多依赖于进口，建议研制陆上具有较高的行驶速度(≥60 km/h)，具有较强机动越野能力(能在山地、雪地、沙漠行走)；
水上具有浮渡功能，速度不低于(5 km/h)；
可作为运输平台运输人员、物资、救援器具、油料、灭火介质等，也可作为工程机械的通用平台，通过改装可以实现推土、挖掘、破拆、起重等功能。
8.1 灾后大型设备整体运输、拆解运输技术
在2008年汶川大地震的救援、抢险中，有关部门频繁调用“米-26”重型直升机空运大型工程设备及物资，深入震中地区开展堰塞湖的挖掘、疏浚工作；
同时一线极端特殊情况，相关机械设备需要拆解、运输到灾害现场进行组装，此方面研究应用比较薄弱，建议针对灾后路桥等基础设施破坏后，大型机械设备运输到灾情一线困难的问题，研究采用水陆两栖车、动力舟桥等装备，实现大型设备整体运输、拆解运输机械化、信息化、智能化等技术[26-27]。
8.2 基于“情景-应对”的洪水灾害应急指挥辅助决策模型构建技术
洪水灾害事件的高效科学决策与处置是洪水灾害救援的核心，对灾害情况的准确认知和把握是决策层做出有效决策的基础，为提高洪水灾害救援效率，需要对洪水灾害进行全方位的情景构建，并基于构建的灾害情景，提出有效处置措施，从而使决策者在最短的时间内借鉴相似情景有效处置措施，快速形成针对新情景的处置方案，做出有效决策。国内外此方面研究没有有效成果，建议围绕洪水灾害特征、灾害损失和潜在风险等要素，研发洪水灾害情景及情景链构建技术；
依据法律法规、应急预案、典型案例等权威资料，构建基于洪水灾害情景和灾害情景链的“灾害损失-灾害级别-应急响应-事件处置-资源保障”应急指挥辅助决策模型，形成洪水灾害应急指挥与处置知识库，为洪水事件快速反应提供决策知识服务[28]。
8.3 防洪抗汛情景模拟教学、救援VR沉浸式体验技术
每次汛情、洪水都有各自不同特点和共性，实战可以锻炼检验我们的能力和水平。但是洪水也是有历史性、周期性的，我们不可能随时有实战，也不能等到洪水来了再进行我们的队伍教育培训，因此利用大数据、云计算、VR技术，再现真实洪水情景，体验救援与被救，锻炼消防队伍救援能力和心理素质。建议开展的主要研究方向包括：洪水历史数据收集，大数据、云计算、物联网、计算技术等实现历史洪水情景再现、新形式洪水模拟，建立教学模式，研究VR沉浸式体验技术。
灾情发生后，灾民安置、生活保障等能力是政府综合管理能力的集中体现。在突发的大型灾难面前，灾后临时应急安置往往面临着异常严峻的挑战，集中表现为场面混乱、物资匮乏、情况复杂、人手不足、经验有限等方面。受灾人员应急安置管理、装备及应用技术相对匮乏[28]，建议研发应急安置保障信息系统，研发高集成、模块化应急安置方舱，研究方舱的可折叠、轻量化设计，实现方舱的轻量化及现场的一拉式搭建；
研究方舱标准化和特殊化保障设施，实现对一般人员和特殊人员的多样化保障，满足应急状态下安置人员的食宿卫需求；
研究村镇及社区性整体应急搬迁方案及应急安置方舱的优化利用等。
韧性是指载体应对外来冲击的缓冲能力和适应能力，以及从变化和不利影响中恢复的能力。针对洪涝灾害条件下复杂系统，传统的灾害风险与应急管理模式已经难以有效对新形势下的灾害治理需求作出响应，需要进一步研究洪水灾害治理模式，构思韧性治理的理论和方法，此方面研究及应用较少，建议依托洪水预防与准备、监测与预警、处置与救援、恢复与重建全流程地应急管理评估，识别洪水灾害承灾载体脆弱性和灾害应对短板，研究洪水高风险区域防洪工程技术，减少城市洪涝灾害致灾风险，不断增强城市自身的抗洪能力；
研究洪水灾害环境下生命线网络系统和洪水灾害应对系统可持续运行技术，以及洪水灾害环境下快速恢复技术，持续增强载体韧性。
洪涝灾害的防治本身是一个复杂的综合性问题，涉及工程技术问题、信息技术问题、公共管理问题、应急救援技术问题、社会经济问题、人文环境问题等诸多方面因素[29-31]，面对“全灾种、大应急”的形势要求下，灾害发生后应急救援也是摆在我们面前的新课题，在后续研究工作当中，我们应该进一步增加洪涝灾害的风险研究、强化洪涝灾害形成机制和综合管理的跨学科研究、全民参与程度研究、推进实施灾害保险制度研究、高新技术的研究开发和应用等，希望文中相关建议在能为提升相关消防救援技术水平提供一些帮助。
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