2020年长江流域防汛抗洪的启示与科技支撑建议

许 继 军，宋 丽，王 永 强，袁 吉吉，陈 述

(1.长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，湖北 武汉 430010； 2.长江科学院 水资源综合利用研究所(国际河流研究所)，湖北 武汉 430010)

受气候系统异常的影响，2020年长江流域汛期降雨过程频繁、强度大、持续时间长。受多轮强降水影响，洪水呈现洪峰高、洪量大、河流涨势迅猛、灾害性点多、破坏性大等特点。2020年6月1日至7月20日期间，长江流域共发生9次明显降雨过程，而且基本无间歇，直接导致长江流域发生超警以上洪水，涉及河流多、分布范围广。面对严峻的长江汛情，在党中央的高度重视和科学部署下，遵照习近平总书记的两次批示精神，各级部门和地方政府通力合作，在科学应对和主动布防下，基本实现了长江防洪风险可控、险情可防、灾情可控。这一过程中，“十三五”以来涌现出的大量成熟技术和可供推广应用装备在观测、预报预警、调度和应急处置等多个环节中发挥了强有力的支撑作用，将灾害损失降低到了最低限度；另一方面，局部的险情也折射出长江流域防汛抗洪体系中的“短板”。为此，本文在总结长江防汛抗洪基本情况和存在问题的基础上，提出加大长江防汛薄弱环节中的科技支撑作用方面的建议，以期提升长江水灾害的应对能力，进而适应长江经济带高质量发展和长江大保护要求。

1 2020年长江洪水特点及科技支撑作用

1.1 暴雨洪水特点

2020年6月以来，副热带高压比往年同期势力偏强，其外围的西南气流将来自孟加拉湾或我国南部海区的充沛水汽输送到我国南方；同时，北方的冷空气活动也比较频繁，造成了冷暖空气在南方地区持续交汇的局面，由此导致强降雨过程频繁而持续发生[1]。主汛期以来，长江流域降雨与常年同期相比明显偏多，直接导致长江流域严峻的汛情，具体呈现以下特征。

(1) 暴雨陷入“车轮战”，影响范围广且持续时间长。2020年6月1日至7月28日，长江流域平均降水量为528.8 mm，较常年同期偏多50%，为1961年以来历史同期最多，其中长江上游平均降水量为395.2 mm，较常年同期偏多21%，为1961年以来历史同期次多，长江中下游流域平均降水量为617.5 mm，较常年同期偏多65%，为历史同期最多(见图1)[2]。强降雨中心位于长江中下游干流附近及洞庭湖、鄱阳湖“两湖”水系北部，累积降水量在500.0 mm以上，其中饶河、澧水、武汉、青弋水阳江累积降水量在700.0 mm以上，最大为饶河1 070.0 mm。乌江下游、澧水、长江中游干流附近、鄱阳湖水系北部均偏多1倍以上。尤其是7月上旬，长江中下游旬降雨量较同期均值偏多1.6倍，鄱阳湖水系旬降雨量较同期均值偏多3.1倍。

图1 2020年6月1日至7月28日降水量和距平百分率Fig.1 Total precipitation and anomaly percentage from July 1 to June 28 in 2020

(2) 超警以上洪水涉及河流多、分布范围广，长江中下游干流洪峰水位高，均居历史前列。受降雨影响，7月2～26日，长江上游先后发生3次编号洪水，三峡水库先后出现5.3万，6.1万，6万m3/s的最大入库流量，上游干流石鼓及寸滩江段、中下游干流石首以下江段及洞庭湖、鄱阳湖全线超警戒水位。8月14～17 日，长江上游形成了长江第4 号、第5号洪水，三峡水库最大入库流量先后达到6.2万m3/s和7.5万m3/s[3]。据统计，6月以来，长江流域共计236个站发生超警戒以上洪水，涉及河流148条，部分河流多次发生超警洪水，其中超警戒水位160个站，超保证水位35个站，超历史水位41个站。据统计，长江干流莲花塘站洪峰水位34.34 m，居历史第5位；汉口站洪峰水位28.77 m，居历史第4位；九江站洪峰水位22.81 m，居历史第2位；大通站洪峰水位16.24 m，居历史第3位；洞庭湖出口七里山站洪峰水位34.58 m，居历史第6位；鄱阳湖出口湖口站洪峰水位22.49 m，居历史第2位，距保证水位仅0.01 m。

1.2 科技支撑在防汛抗洪中的作用

为贯彻落实习近平新时代系统治水思路，科技部组织的“重大自然灾害监测预警与防范”和“水资源高效利用”等“十三五”国家重点研发计划中，就长江防洪减灾等相关领域开展了许多针对性的关键技术研究和装备研发，相关成果和技术产品为2020年长江防洪救灾提供了重要的科技支撑，具体体现在如下方面。

(1) 水雨情立体监测预报和预警平台等新技术应用，为及时有效掌控长江汛情险情等信息，提供了全方面的支撑。长江水文监测与预报技术当前取得长足进步，流域已拥有集卫星、雷达、水文报汛站、气象站、水利工程站等空天地于一体的流域全覆盖水雨情立体监测体系，已形成专业性强、覆盖面广的水文监测与预报站网以及成熟、先进的水文气象预报业务体系[4]。自动化智能化的实时监测新技术、气象水文滚动集合预报新技术、基于大数据平台的预报预警技术等应用，为各类汛情的准确掌控、防洪救灾的精准决策提供了极大的帮助，并在灾害防治中得到了良好应用与验证[5]。

(2) 长江防洪体系的全面统筹和科学调度，为稳妥有效防范和化解重大洪水风险提供了重要手段。经过70 a的建设，长江中下游形成了以堤防为基础，三峡水库为骨干，其他干支流水库、蓄滞洪区、河道整治工程及防洪非工程措施等相配合的综合防洪体系。随着长江防洪体系的逐步完善，尤其是三峡工程及上游控制性水库的投入运行，长江防洪能力有了较大的提高，特别是荆江河段防洪形势有了根本性的改善。在2020年汛期的洪水应对中，长江水利委员会基于短中长期降水集合预报的洪水实时预警信息，通过应用梯级水库群防洪联合调度技术，对长江流域防洪体系内41座大型水库(总防洪库容598亿m3)进行了联合调度(见图2)，通过拦洪错峰、蓄洪滞洪，确保了城陵矶等控制断面水位不超保证水位，保障了武汉等重点城市安全度汛，成效显著[6]。

(3) 各类高新技术的大量应用，开始步入“智慧防洪”。大数据平台、遥感监测、无人机等新技术的配套实施，为2020年长江流域汛期巡逻检查、防汛决策和灾情损失评估方面注入了新的科技力量。水陆两用多功能挖泥船、装配式防洪子堤、水陆两栖车、水上救援机器人、水上飞翼等一批新技术和新装备，在2020年防汛救灾中发挥了重要作用。以武汉市为例，面对雨汛同期、入梅以来排历史同期第3位的降雨量和有水文记录以来历史长江第4高水位，外洪内涝风险叠加，武汉市将多种新技术与新设备应用于气象预警、险 情监测与抢险救援等多个环节(见图3)，有效保障了城市的防洪安全[7]。

图2 纳入长江流域联合调度范围内的控制性水库Fig.2 Controlled reservoirs considered in joint operation in the Yangtze River Basin

图3 武汉市科学防汛中的新技术与新设备Fig.3 New technology and equipments used for flood control in Wuhan City

2 长江防汛抗洪存在的薄弱环节及科技需求

2.1 长江防洪体系存在的薄弱环节

长江流域虽然形成了以堤防为基础，三峡水库为骨干，其他干支流水库、蓄滞洪区、河道整治工程及防洪非工程措施等相配合的综合防洪体系，但从2020年的汛情来看，还存在明显的薄弱环节，特别是中下游及两湖地区，主要表现为以下几个方面。

(1) 蓄滞洪区建设滞后，湖区平垸行洪不到位方面。长江中下游42处蓄滞洪区围堤建设尚未完全实施，已完成围堤加固达标建设的仅有33处(占比78.6%)，围堤长度达标率约83%。仅有荆江分洪区、围堤湖垸、澧南垸、西官垸、杜家台等5处蓄滞洪区完成分洪闸建设，其余均需进行爆破扒口分洪，无法做到及时及量分洪，分洪效率较低。基本完成安全建设的蓄滞洪区为荆江分洪区、围堤湖垸、澧南垸和西官垸，正在开展钱粮湖、共双茶、大通湖东、康山等蓄滞洪区安全建设(见图4)，其余蓄滞洪区启用需提前将人员(约400万人)转移至蓄滞洪区外，区域内人民生命财产洪水风险程度高[8]。1998年以后，长江流域实施了平垸行洪、退田还湖圩垸1 400余处[9]。长江干流恢复水面1 420 km2，增加蓄洪容积约53亿m3，长江干流及各大淡水湖调蓄洪水的能力得到增强[10]。经圩垸平退和联圩并圩，目前长江中下游干流河道内仍有洲滩民垸406个，洲上人口约130万人，总面积约2 500 km2；洞庭湖及鄱阳湖区还有万亩以下圩垸133个，人口59.77万人[11]。然而对于圩垸的管理和利用，仍然存在 “隐疾”，例如：平退圩堤在执行过程中存在堵口现象、部分平退圩垸内出现移民返迁现象、平退圩堤的部门分洪补偿机制不能适应发展的需要等诸多问题，加大蓄洪运用的难度。

(2) 支流及湖泊防洪能力亟待提高。经过多年治理，长江上游干流堤防达标率超过85%，中下游约3 900 km干流堤防已按规划标准全线达标。目前列入防洪规划主要支流规划意见的18条主要支流堤防总体达标率为61.7%；已治理流域面积200～3 000 km2的中小河流河长约1.8万km，达标率为62.4%；重点县综合治理试点项目治理河长约3 400 km，达标率为81.8%。长江流域干支流是一个完整的系统，在重点保障干流防洪安全的同时，也要高度重视支流洪水和山洪灾害的防治。当前，长江流域主要支流和重要湖泊堤防工程线长面广，基础薄弱、堤身质量较差，遇高洪水位管涌、渗漏等重大险情较多；且部分支流和湖泊尚未形成完整的防洪圈，加之防洪排涝能力严重不足，防洪能力偏低。近年来，主要以湖区和支流堤防发生的险情为主，连江支堤和湖区堤防在高洪水位长期浸泡下易发生险情，成为防洪工程的主要薄弱环节[12]。同时长期以来，内河普遍存在人类活动挤占河道现象，支流调蓄洪水和泄流能力下降，洪水无法及时排出，险情频发，损失严重。

(3) 防洪非工程措施仍不完善。经过多年建设，流域内已经建成报汛站超过3万个，初步建立了一套基本适应当前防汛需求的水情信息系统和防汛指挥系统。对流域洪水预报方案进行了修编完善，山洪灾害预警系统和水库联合调度逐步发挥作用，各种管理法律法规正在逐步完善。结合防汛抗旱时间，先后制定了《长江防御洪水方案》《三峡水库优化调度方案》等一系列的防汛预案，形成了较为完整的方案预案体系。虽然当前长江防洪非工程措施已取得了一系列的成就，但仍然存在部分环节需要进一步提升。其中，在风险管理方面，有待加快重点地区洪水风险图的编制及应用，不断完善洪水风险管理与防控体系，补齐风险管理能力短板；在体制机制方面，蓄滞洪区运用、管护和补偿机制还不健全，流域水工程联合调度管理制度尚不完善；在信息化建设方面，现有工程管理信息化程度不高，中小河流山洪灾害预警系统的运行维护还存在经费不足、人员培训不足、设备维修维护不及时等诸多问题；在应急处置方面，城市建设发展布局未能很好统筹防洪排涝问题，部分河流的洪水调度方案、部分地区防汛抢险应急预案等不能适应其当前实际的防汛要求，需进一步更新完善。

图4 长江中下游蓄滞洪区分布Fig.4 Flood detention areas in the middle and lower reaches of the Yangtze River

2.2 科技支撑方面的迫切需求

从2020年长江防洪工作来看，大量新方法和新技术发挥了重要作用，取得了阶段性抗洪成效。但与“让人民群众满意、让党中央放心”的要求还存在差距，长江防洪体系中还有一些根本性的问题需要深入思考，同时也对长江防洪相关科技支撑，提出了一系列亟待解决的科学问题研究和技术研发需求，涉及到蓄滞洪区和湖区圩垸、中小河流的防洪能力提升和综合治理等多个方面。

(1) 迫切需要深入研究新时期长江中下游地区防洪与流域经济社会发展和生态环境保护之间的复杂关系，寻求长治久安的破解之道。长江中下游及两湖地区是富饶的粮食主产区，但又是暴雨集中、洪涝灾害易发区。随着经济社会的发展，人水争地矛盾日益突出，极大地制约了长江经济带的高质量发展。传统的御洪水于堤外的方式难以从根本上破解人水争地的问题。以尊重自然和顺应自然的理念，采用疏堵结合的方式，给予洪水一定的调蓄空间，确保“水在一定时间段内去到它应该去的地方”，是人水和谐共处的根本之道[13]。与此同时，洪水也是水资源的一种特殊形式，若在汛期一味采取“排江入海”的应对模式，则会加剧非汛期干旱缺水的风险。此外，洪水又是生态环境系统的重要活动因子，长江中下游地区丰富的生态系统和渔业资源，在一定程度上受益于洪水带来的脉冲节律、漫滩生境和营养物输送等。因此，需要按照新时代的发展理念，从系统角度加强研究长江洪水与经济社会发展及生态环境系统之间的关系，全方面科学认知洪水的自然、社会、生态和灾害属性，也为破解当前长江中下游地区水环境恶化、水生态损害、水资源短缺和水旱灾害突出等新老四水问题提供创新理论[14]。

(2) 迫切需要创新蓄滞洪区和湖区圩垸行洪运用模式，促进洪水调蓄与水资源利用及生态环境保护之间的良好互动，为从根本上破解蓄滞洪区建设和湖区圩垸运用等问题提供新途径和新方法。洪水是水资源的重要组成部分，若能通过水利工程(群)的调度运行实现丰蓄枯补，则能够用于经济社会供水、水环境改善和水生态修复。长江中下游蓄滞洪区和湖区圩垸，是人水矛盾最为突出也是最特殊的地区。按照防御1954年型大洪水标准，在三峡水库建设后，长江中下游地区还需要保留400亿m3左右的蓄洪和滞洪空间[15]。然而，由于该地区的人员搬迁安置和经济社会发展之间的矛盾难以从根本上解决，就目前运用管理方式，进一步推进蓄滞洪区建设和圩垸平退的工作难度较大。因此，亟待开拓思路、新辟途径，从生态文明角度来协调人水矛盾，促进蓄滞洪区和湖区圩垸经济社会发展和生态环境保护，充分利用长江中下游和两湖地区平退圩垸85亿m3的容积来分洪蓄洪和提高洪水资源利用效率。

(3) 迫切需要掌握变化环境下长江中下游洪水新特征、成灾机理及演变规律，为新时期长江防汛抗洪抢险提供新的理论方法。根据已有观测表明，气候变化已经导致长江流域极端洪涝和干旱频次增加，洪旱急转、非涝既旱的现象比较突出[16]，加之局部地区不合理的人为活动干扰，进一步加重洪旱灾害风险。以2020年长江汛期洪水为例，其中下游洪量并未超过1998年水平，但河道内洪峰水位普遍较高。究其原因，在于沿江城市和地区的抽排能力增强，暴雨期能迅速地将河道外的渍水抽排入长江，从而导致江水上涨。因此，亟待统筹考虑降水-径流过程和坡面-河道水文的地域联系，辨识气候变化和人类活动等变化环境下长江中下游洪水形成规律、致灾机理等，进而突破传统的空间上末端治理的模式，服务于洪水形成全过程的层层动态防控。

(4) 迫切需要创新生态堤防综合治理新技术，协调中小游河流防洪与城镇发展和生态修复之间的关系。目前普遍采用水库、地方等水利工程措施(灰色基础设施)来削减河道断面的洪峰量和河道外的淹没范围。虽然达到了防洪目的，但也破坏了城市乡镇与河流之间的纽带、河流生态和亲水环境等。在当前长江大保护的背景下，如何协调防洪安全与生态环境修复之间的关系，是践行生态文明理念的关键所在，而传统的单一的灰色基础设施难以适应这一需求，需在其基础上，融入林草、湿地等绿色基础设施[17]。因此，亟待从“灰色+绿色”的视域，创新中小河流防洪与生态综合治理的方法和技术，寻求既能提高防洪能力、降低中小河流洪水风险，又能营造适应中小城市和乡镇发展的安全环境和宜居生态。

3 长江防汛抗洪对策及科技支撑建议

本着科技先行思想，为了进一步加大长江防汛薄弱环节中的科技支撑作用，当前迫切需要按照习近平新时代的系统治水思路，统筹考虑水旱灾害与水资源短缺、水环境恶化和水生态损害等新老四水问题，加强相关的科学认知、基础理论、新方法和新技术研究，以适应长江经济带高质量发展和长江大保护要求。建议在今后的长江防汛抗洪体系建设中，着重加强以下几个方面的理论研究和技术研发。

(1) 新时期长江中下游地区洪水防御与流域经济社会发展重要基础理论和科学认知研究。从系统角度全方面科学认知洪水的自然、社会、生态和灾害属性，揭示洪涝干旱灾害与水资源综合利用-经济社会与生态环境系统之间的内在联系和作用机制，并基于新时期生态优先、绿色发展理念，为破解新老四水问题、寻求长治久安的系统治水模式，提供基础科学认知和创新理论。

(2) 蓄滞洪区和湖区圩垸生态文明建设模式与洪水资源化利用关键技术研究。按照水的生态文明理念，从协调人水关系，给洪水更多空间，协同推进蓄滞洪区生态修复、环境改善和湿地经济价值提升系统角度，研究符合新时期生态文明总体要求的蓄滞洪区建设模式和湖区圩垸运管方式及洪水调蓄利用新技术。

(3) 变化环境下长江中下游洪水特征、演变规律和致灾机理研究。系统研究近期人类活动和未来气候变化等影响下长江防洪形势及水旱灾害演变规律，科学评估长江防洪体系可靠性和存在的风险，揭示气候变化加剧和人类活动增强等多重因素对长江洪水产生及推进过程的作用机制，研究建设长江防洪大数据平台和仿真模拟决策系统，定量预判未来洪涝灾害变化趋势，科学研判超标准洪水和极端水旱灾害风险，研究提出适应变化环境的防洪体系调整对策和综合措施，为进一步完善长江防洪体系工程建设和非工程措施制定，提供重要的科学依据和对策方案。

(4) 中小游河流防洪综合治理新方法和生态堤防建设新技术研究。从山水林田湖草系统角度，加强中小河流综合治理及山洪防御、生态防洪工程(生态堤防+湿地景观)建设等方面的关键技术研究，寻求既能降低中下河流洪水风险，又能创建符合中小城市和乡镇发展的安全环境和宜居生态等方面的新理念、新方法和新技术，为协调中小游河流防洪与城镇发展和生态修复之间的关系提供新思路和新技术保障。

(5) 圩垸湿地生态保护、洪水资源利用、洪水风险管理和洪水保险等方面的政策经济、法规、体制机制研究。从长江中下游地区防洪抗旱统筹角度，通过自然科学和社会科学(政策法规、体制机制、人文景观和经济价值)的交叉融合，研究湿地保护、水旱灾害和洪水资源风险集合管理基础理论和方法，推广洪水风险管理和洪水保险，促进中下游河湖地区洪水资源综合利用和湿地生态环境价值提升，提高洪涝灾害常态化主动防御能力，研究提出适应长江经济带高质量发展和长江大保护要求的长江洪水系统治理战略和管理保护对策，为科学处理洪水与资源利用及生态环境保护关系，提供政策支持和法律保障。

4 结 语

2020年汛期长江流域降雨过程频繁、强度大、持续长，导致超警以上洪水涉及河流多、分布范围广，在科学应对和主动布防下，基本实现长江防洪风险可控、险情可防、灾情可控。这一过程中，多项关键技术研究和装备研发成果为防洪救灾提供了重要的科技支撑，但也折射出长江流域在蓄滞洪区建设、支流及湖泊防洪能力提升和防洪非工程措施完善方面存在些许短板，亟待转变以往的防汛抗洪思路，统筹考虑水旱灾害与水资源短缺、水环境恶化和水生态损害等新老四水问题，加强相关的科学认知、基础理论、新方法和新技术研究，以适应长江经济带高质量发展和长江大保护要求。

说 明

本文2020年水文要素的统计分析源自报汛数据。