北京市：“四预”支撑“23·7”流域性特大洪水防洪调度

阴 悦 霍风霖 潘兴瑶 陆 璐 陈 超 马占川 郝 皓 季明锋 高 强 李永坤

（1.北京市水务应急中心；2.北京市凉水河管理处；3.北京市密云水库管理处；4.北京市水文总站；5.北京市水科学技术研究院）

国家“十四五”规划纲要明确提出“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”，水利部提出要加快构建具有“四预”（预报、预警、预演、预案）功能的智慧水利体系。北京市水务局落实水利部、市委、市政府相关工作要求，按照北京市“十四五”时期智慧城市发展行动纲要，强化顶层设计，重视措施落地，于2021年组织编制完成《北京市智慧水务1.0总体设计方案（2021—2023年）》，重构水旱灾害防御、“取供用排”协同监管、水务综合服务三大核心应用，先行开展水旱灾害防御应用场景建设，并纳入2021 年汛后水务设施水毁修复及能力提升实施方案，重点任务包括水文监测感知补短板、内涝防治物联感知、五大流域水文预报模型升级、北京城市洪涝模拟模型建完善、水旱灾害防御平台升级改造等。

北京“四预”体系基本情况

（1）雨水情监测预报“三道防线”。北京市目前通过与气象资源共享，形成由气象卫星和测雨雷达、雨量站、水文站组成的雨水情监测预报“三道防线”体系。①采用风云和葵花系列气象卫星提供的大范围云图及水汽图成果，提前研判降水趋势；借助气象部门X 波和S 波段雷达共同组网，实现短临降水云团追踪预报范围扩大覆盖至北京市及外围区域，提升了日常值守监视和重大天气过程降雨态势研判能力。②共享整合全市和关联区域雨量站实现降水信息高效共享。③建成水文站120 个、监测设施184 套，覆盖流域面积50 km2以上全部108条河流的水文监测体系。

（2）洪水预报预警。为提升流域洪水、城市内涝、山洪预警预报能力和防洪排涝调度预演智能化水平，北京市历经十余年研发积累，构建完成以水文水动力学模型为核心引擎，系统支撑流域洪水、山洪、城市积水内涝预报预警工作的“北京模型”体系。其中洪水预报主要采用集总+分布式的洪水预报模型，是在北京历史洪水预报经验模型基础上，逐步增加改进新安江模型、陕北模型等集总式水文模型和栅格新安江、基于物理下垫面特征的分布式水文模型，并不断优化，形成了符合北京下垫面条件的洪水预报模型。构建了以地理网格空间数据为基础，以五大水系流域划分为单元，基于水文机理精细模拟全流域产汇流、演进过程，实现了预报模型与气象数据深度耦合。洪水预报覆盖全市80 个水库和164 条河流，流域面积50 km2以上的108 条河流洪水预报全覆盖，流域面积20 km2以上河流覆盖率达69%。预见期延长至12 h 以上，并支持滚动预报。洪水预警按照洪水严重级别划分为蓝、黄、橙、红4 级，采用“监测预警+预报预警”模式，预警发布分为社会公众和行业内部两种形式。近年北京市依托“三大运营商”、电台电视台及网络平台，不断扩大预警覆盖范围，提高预警信息发布的靶向性和时效性，确保预警信息直达一线、直达相关责任人、直达受影响区域人员。

（3）预演。北京市水旱灾害防御综合指挥平台作为北京市防洪排涝指挥决策的重要支撑，通过多年迭代优化，汇集了五大流域、16个区及水库、积水点、山洪沟道等防御对象信息，通过融合精细化气象预报信息和北京模型分析，构建全市洪涝态势、大中型水库、流域洪水、城区内涝、山洪沟道、调度预演等专题数字化场景，实现雨水情监视统析、洪涝风险辨识、洪涝风险预报预警、洪涝过程预演调度等主要功能。平台实现了16 座大中型水库的调洪演算，基于水库滚动入库洪水预报、水库水位库容关系和水库水位泄流关系，实现按规程调度和人工设定调度的水库调度预演，根据预演结果持续优化水库调度方案，调度结果与房屋、村庄、道路、设施等重要承灾体信息进行空间关联预演，实现风险动态研判与统计分析，结合抢险物资和队伍布控情况，科学指导防洪排涝工作，有效贯通“流域-干流-支流-断面”及“总量-洪峰-过程-调度”的洪水预报调度链条。

（4）预案。水旱灾害防御预案体系包括水旱灾害防御应急预案、流域洪水防御方案、山洪灾害防御预案、积水内涝防御预案、旱灾防御预案5 类。2022 年为进一步规范北京市防洪排涝应急响应工作程序和应急响应行动，保证防洪排涝工作有力有序有效进行，最大限度减少人员伤亡和灾害损失，在《北京市水务局水旱灾害防御应急预案（试行）》的基础上进行修订，形成了《北京市防洪排涝应急预案》。专项预案包括水库、河道防御洪水方案，蓄滞洪区调度运用预案，山洪灾害、积水内涝、旱灾防御预案，涵盖标准内、超标准“两级”，重点聚焦水利工程体系科学精细调度，推进预报调度一体化。以流域为单元，加强气象预测和洪水预报的叠加分析与融合，分析不同量级降雨情景下产生的洪峰流量及峰现时间、入库洪量、水库最高水位及出现时间，预演水库、河道重要断面的洪水演进过程，形成基于预报的洪水调度模式，支撑北京市水旱灾害防御工作。

“四预”在流域性特大洪水防洪调度中的应用

2023 年7 月29 日至8 月2 日，北京市受2305 号台风“杜苏芮”残余环流与副热带高压、2306 号台风“卡努”水汽输送、地形综合作用影响，出现极端强降雨过程。本次降雨具有持续时间长、累计雨量大、极端性强等特点，降雨过程持续83 h，降雨总量多年罕见，全市平均降雨量达331 mm，历史排名第1，比历史排名第2 的场次降雨量230 mm（1925 年）多44%，达到多年平均年降雨量585 mm的57%，多个站点降雨量突破历史极值，超1 000 mm 以上的有3 个站点，超700 mm 以上的51 个站点。西部沿太行山一带降雨尤其明显，房山区平均降雨量627.1 mm，门头沟区平均降雨量565.3 mm，远超全市多年平均降雨量，位列各区平均降雨量的第1 和第2 位。本次降雨导致北京市大清河、永定河、潮白河、北运河出现明显涨水情况，其中大清河、永定河洪水达到编号级别，大清河流域拒马河张坊发生超30年一遇洪水，大石河漫水河发生超200年一遇洪水，永定河流域卢沟桥发生超50年一遇洪水，清水河、漫水河断面均出现历史最大洪水。本次降雨过程中预报、预警、预演、预案有力支撑了北京市防洪调度实施，大中型水库共拦蓄洪水2.73 亿m3，有效发挥了水库削峰拦洪作用，河道安全下泄洪水，实现了“保安全、多蓄水”的目标，助推了预报调度一体化能力提升。

（1）预报预警过程。自7月27日起按照3 h、6 h、12 h滚动预测洪水，对全市18座主要大中型水库及164条河流开展预报。在“23·7”流域性特大洪水全过程共发布7期预报，其中雨前发布4期。共发布洪水预警5次，其中大清河流域先后发布洪水蓝色、黄色及红色预警，永定河流域先后发布洪水蓝色、橙色预警，北运河流域发布洪水橙色预警。根据雨前洪水预报，提前36 h实施水库、河道、湖泊预泄腾容调度，腾出蓄洪空间1 855 万m3。其中永定河流域斋堂水库提前24 h实施预泄，增加蓄水库容334万m3。

通过预报预警复盘分析，从洪水预见期方面看，预报发布频次基本能够满足防洪调度要求；从预报精准度方面看，对比流域干流雨前预报和实测洪水过程，就永定河流域而言，预报降水量比实际降水量偏少26%～29%，因此预报洪峰较实际洪峰偏少较多，尚不能满足预报调度一体化要求，还必须结合监测降雨，滚动预测后期来水情况，相机调整防洪调度措施。

（2）预演过程。基于“流域-干流-支流-断面”“总量-洪峰-过程-调度”的洪水预报调度链条，建立流域预泄调度、临近调度、监测调度的渐进式预报调度模式，补齐小重现期降雨洪水调度措施短板，支撑防洪与水资源的协同调度。

在“23·7”特大暴雨应对过程中，通过北京市水旱灾害防御平台对全市主要大中型水库进行调洪演算，动态编制水库多种不同调洪演算方案，为防洪调度决策起到支撑作用。在潮白河流域，模拟白河堡水库来水情况，充分利用防洪库容及后汛期汛限水位由592.6 m 提高至595 m 等有利条件，统筹协调防洪、水资源等调度关系，利用平台完成不同下泄流量情景下防洪调度演算，经综合研判，确定白河堡水库调度开闸时间、下泄流量等，本次降雨共拦蓄洪水3 064 万m3，拦洪率60%，实现洪水资源化，为后期为密云水库补水等创造了条件。

由于水旱灾害防御平台尚未搭建数字孪生流域场景，也没有在数字孪生的框架和视角下建构预报调度能力，导致针对实体对象的业务空间交互应用、基于业务和时空的多维统计、孪生空间的交互式表达能力有较大欠缺，实际应用时对于重要流域、水库分析预测和防洪决策支撑能力存在短板。在实现防洪调度决策智能化、预演成果可视化、提高防御决策指挥的效率和精准度方面还存在差距。

（3）预案运用。预案是依据预演确定的方案，考虑水利工程最新工况、经济社会情况，确定水利工程运用次序、时机、规则，制定非工程措施，落实调度机构、权限及责任，明确信息报送流程及方式等，确保预案的可操作性。预案作为调度的重要依据，在“23·7”强降雨应对中发挥了明显的作用，预案运用过程中重点把握预案中的调度措施，调度权限和责任，严格执行国家、水利部、流域机构及北京市有关规定，合理执行调度过程。永定河流域的官厅水库、斋堂水库、卢沟桥枢纽等洪水调度方案，遵照国务院有关要求，按照洪水量级和指挥权限规定，9 次报请海河水利委员会和水利部批准，充分体现水工程调度运用服从防汛指挥机构的统一指挥这一原则。同时，在降雨应对过程中也暴露出预案对精细化调度支撑还不够，例如永定河流域滞洪水库退水过程确定及退水闸启闭时机有待明确，此外，滞洪水库在“23·7”流域性洪水中属首次运用，拦河闸与分洪闸同时下泄量级差异、调度频率等细节要求，在洪水调度的紧急关头，给调度决策者带来巨大压力。

下一步水旱灾害防御“四预”工作重点

（1）完善雨水情监测“三道防线”体系，提高预报预警能力，解决调度盲区。“四预”工作中，预测预报是首要环节。基于当前水旱灾害防御工作的现实需求，预测预报工作既要努力延长洪水预见期，也要提高洪水预报精准度。要同时实现这两个目标，仅靠传统的水文监测手段是不够的，必须构建现代化水文监测预报体系。持续完善雨水情监测预报“三道防线”,在第一道防线上要进一步完善全市范围内X 波段测雨雷达并进行组网协同观测，实现北京市全域低空范围内连续无盲区的全覆盖扫描。在第二道防线上要进一步提高监测感知能力，提升数据时效性和准确性，加强数据汇聚和共享；在第三道防线上要进一步补齐水文监测感知短板，优化站网体系，规范水文站建设标准，丰富监测手段，融合共享数据，全面提升水文站的防灾、监测、通信和容灾能力。

（2）完善防洪调度预案体系，提高预案科学性和可操作性，解决调度误区。根据本次极端暴雨中预案应用情况，迭代更新防洪预案，重点针对永定河、潮白河、北运河、大清河、蓟运河五大流域主要水库及河道洪水调度预案、超标准洪水防御预案、蓄滞洪区运用预案，完善预报调度、权限责任等内容，形成含流域工程、保护对象、突发事件等多情景、多维度流域性调度预案体系，逐步从单一洪水调度向流域性体系调度转变，细化调度措施，进一步明确调度关键节点指标，切实为流域性洪水调度提供可参考、可执行的预案。

（3）提升防洪调度信息化水平，实现智能化调度，解决调度难区。智慧水利是现代信息技术在水利领域的应用和创新，通过运用物联网、云计算、人工智能等技术手段，以数字孪生流域建设为主线，以数字孪生水利工程建设为切入点和突破口，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，以实现预报、预警、预演、预案功能为目的，开展数字孪生流域建设先行先试建设，提高防洪调度智能化水平，从以往经验调度向系统调度转变，提升改造现有平台系统，突破以往靠人工计算模式，实现一键触发式调度分析功能，通过系统平台完成预测预报、洪水演进、方案生成全要素分析过程，为跑赢洪水赢得更多时间。