城市水安全治理需有高精度感知“慧眼”
■岳清瑞
水既是生命的保障，也是经济的支撑，更是生态调节的重要方面。但水同时会给城市带来安全风险。
我主要从事城市安全研究。近年来，城市水安全问题让我们十分关切。城市供排水系统是城市“巨系统”中关键的子系统之一，水安全出问题，会使城市功能受到巨大影响，甚至导致城市瘫痪。而城市水安全的治理与风险管控，离不开高精度感知的“慧眼”。
城市水安全挑战重重
当下，城市水安全治理面临多重挑战。
第一重挑战是气候变化。根据统计数据，中等温室气体排放情景下，城市极端降水概率提高约32%，高排放情景下提高约55%。当下我国城市已经接近高排放场景，可以说，目前所遇到的城市洪涝、城市干旱都与气候变化密切相关。
第二重挑战是全球水循环波动加剧，洪旱风险并存。统计表明，城市中3个月尺度的干湿急转与20世纪中叶相比增加了30%至60%。
第三重挑战是快速城市化放大了暴雨的城市效应。从自然和低开发场景变为高密度城市，不透水面增多，使洪涝风险由过去单纯的气候外部驱动，转变为与城市下垫面、排水网络的内部变化共同促成。上游来水、局地暴雨、下游顶托和排水能力四类因素同步作用，加大了城市极端洪涝等水安全风险。
应对这些城市水安全挑战，需从城市巨系统的角度入手，从载体层、主体层和支撑层出发，考量物质流、能量流、信息流、价值流和风险流。例如，城市水存在两种循环——自然水循环与人工水循环。对于二者之间的交互耦合机制，现有研究仍存在不足，有待进一步加强。此外，以城市洪涝为例，认识城市洪涝的关键，不只聚焦于极端气象带来的水越来越多，更要关注城市系统整体状况可能发生的临界转变。
认识并了解这些挑战，是开展水安全监测的前提。
高精度“慧眼”监测
从城市系统整体视角出发，过去面向城市水风险，针对水流以及构筑物应力、应变、形变加速度等要素的常规监测手段还很不足。此外，城市面积往往有上百平方公里，甚至上万平方公里，唯有广域监测手段才能精准感知并预警城市水风险。
卫星恰好具备这样的广域能力。运用卫星遥感、干涉雷达（InSAR）开展精准监测，可以综合构建天-空-地协同的监测预警体系。
我们希望，用于建筑和基础设施的安全监测，总体精度不低于2毫米、重点部位达到1毫米以内；单幅影像不小于1000平方公里；卫星重轨周期达到小时级。
对于房屋倒塌、体育馆垮塌事件来说，如果具备上述精度，可以提前数天观测到至少是毫米级的变形，从而实现预警；对于高速公路塌方、山体滑坡等重大事故，基于天-空-地协同监测方案，可以做到提前10小时以上乃至两天以上监测。
需要指出的是，InSAR作为解决这些问题的强有力技术，虽已应用多年，但过去大多止于信号解算理论，数据未经验证或无法验证。因此，我们将攻关重点放在精度标定、数据融合与数据的可验证性上，先后开发自主解译软件，构建雷达信号特征与房屋结构先验知识紧耦合的架构，研发面向天地协同精度提升的地面增强材料和装备。在标定验证场，我们已实现天-地协同验证：多层建筑精度可达0.4毫米，超高层建筑可达1.7毫米。
就监测效率来说，相关技术过去主要依赖欧洲卫星，近年来国内商业航天发展迅速，有望在3至5年内拥有百颗以上小卫星，但也不能忽视对卫星质量的提升，同时开展多元跨数据融合。在未来，我们有望建立全球首个小时级的城市安全监测星座体系，可覆盖全国99%以上的国土面积，也可以面向其他国家提供服务。
目前，我们团队已针对房屋、桥梁、道路、堤坝等六类建筑建立表征关系并编制标准；在广州完成约7000平方公里的房屋筛查，并从单一场景拓展到多重外部风险源监测，在北京、深圳等地开展应用。
高精度的感知监测能力犹如城市水安全的“慧眼”。“慧眼”和研判预警的“大脑”以及应急处置的“巧手”三者协同配合，才能推动我国城市水安全保障走向成熟。
（作者系中国工程院院士、北京科技大学城镇化与城市安全研究院院长。本报见习记者赵婉婷根据其在第五届水安全与可持续发展国际会议上的发言整理）