洪水动态风险分析技术对防汛应急工作的支撑——以海河“23·7”流域性特大洪水期间兰沟洼蓄滞洪区运用为例

张念强 王 静 李 娜

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心（水旱灾害防御中心），北京 100038）

0 引 言

我国防灾减灾“两个坚持，三个转变”的新理念要求洪涝防御关口前移，防灾减灾由减少灾害损失向减轻灾害风险转变。风险分析成果已在制定防灾减灾管理办法[1]、技术标准[2]中发挥作用，在防灾减灾决策和实际行动中的应用也逐步加强、增多[3]。

我国20 世纪80 年代中期开展编制洪水风险图工作，由国家组织了3 期较大规模的全国性试点工作和2013—2015 年的一期全国重点地区洪水风险图编制，形成了较为系统的洪水风险图编制管理制度、技术标准、工具系统和成图成果，编制面积约占我国全部防洪区面积的48%[4]。受各阶段认知和技术水平的限制，当前编制的洪水风险图以静态图件为主，受到编制方案设置与应急时实际工况等多方面的影响，洪水风险分析成果大面积深度推广和应用尚有不足。随着大容量数据快速存取、展示和高性能计算等技术的快速发展，有效利用动态监测、预报数据和实时工情开展快速精准模拟，由编制静态风险图向开展洪水动态风险分析成为现实，这一方面的问题将得以解决[5]。

洪涝灾害是我国最为严重的灾害类型之一。当前我国洪涝防御形势复杂，受全球气候变化和人类活动影响，极端天气频繁发生，洪涝灾害的突发性、极端性和反常性越来越明显[6]。未来，随着国内经济社会的发展，人们对洪水安全保障的要求提高，洪涝防御将面临更为严峻的挑战，洪水动态风险信息可为洪水发展全过程，流域、区域、河流等全口径防汛抢险应急工作提供技术支撑。

1 区域概况

兰沟洼蓄滞洪区地处大清河水系北支中游，北部为小营横堤，南界南拒马河左堤，东界白沟河右堤，西接自然高地，是南北长、东西窄的狭长封闭区域。蓄滞洪区位于河北保定市，纵跨涿州、高碑店和定兴3 市（县）。蓄滞洪区内地势西北高，东南低，地面比降为1/5 000 左右。蓄滞洪区主要承担白沟河和南拒马河的超标准洪水分蓄任务，以及永定河超标准洪水向小清河分洪汇入白沟河后造成的白沟河超标准洪水。蓄滞洪区的设计启用标准为白沟河10 年一遇和南拒马河20 年一遇洪水。蓄滞洪区设有小营横堤、朱庄、东务、田宜屯、北田、章村6 处分洪口门和北蔡各庄、里遗2 处临时分洪口门，并在东马营建有穿南拒马河倒虹吸，定兴县建有谭城机站和刘兰沟机站作为退洪设施。蓄滞洪区分别在1956年、1963年和2023年共运用过3 次。

2 海河“23·7”流域性特大洪水发展与应对

2.1 大清河水系洪水概况

受2305 号台风“杜苏芮”减弱低压环流和冷空气的共同影响，7 月28 日开始，海河流域普降大到暴雨、局地特大暴雨。连续降雨导致永定河干支流、大清河北支拒马河、滹沱河和滏阳河支流等22条河流发生超警戒以上洪水，其中拒马河等6条河流发生超保证洪水。

拒马河张坊站水位7 月30 日16 时30 分迅速起涨，于18 时达到105.10 m，超过警戒水位，31 日10 时达到106.21 m，超过保证水位；洪水流量在7 月31 日22 时上涨至6 200 m3/s，接近20 年一遇，对应水位达到109.28 m。拒马河在落宝滩处分为北拒马河和南拒马河。北拒马河纳小清河、大石河等洪水入白沟河，由东茨村站控制，该站自7 月31 日2 时迅速起涨，至8 月1 日1 时，洪水流量达到1 550 m3/s，对应水位27.15 m；10时，洪水流量达到1 950 m3/s，洪峰水位29.14 m，超过10年一遇，对应水位28.00 m；22时，洪水流量2 720 m3/s，是白沟河东茨村站本次洪水期间的最大流量，超过20 年一遇，东茨村站水文过程见图1（a）。南拒马河北河店站洪水自7 月31 日9 时明显上涨，于8 月1日17时达到最大流量2 130 m3/s，对应水位24.06 m，超过10年一遇洪水，北河店站水文过程见图1（b）。

图1 白沟河东茨村站和南拒马河北河店站水文过程

为应对本次洪水，大清河水系启动了小清河、兰沟洼和东淀3 个蓄滞洪区。其中，7 月31 日23 时30 分，兰沟洼蓄滞洪区达到启用条件，于7 月31 日至8 月2 日，分别在小营横堤、西茨村（2 处）、东辛庄、朱庄、东务和里遗扒口7 处分洪，各口门位置如图2 所示。随着白沟河、南拒马河洪水位回落，蓄滞洪区于8 月6 日13 时开始在东马营处扒口退洪。

2.2 蓄滞洪区启用与退洪动态风险分析

2.2.1 方法与原理

为反映蓄滞洪区分洪后的进洪总量、淹没范围、水深及流速分布等洪水要素，采用了水力学法开展分析。利用一维洪水模型分析白沟河、南拒马河的河道洪水演进，本次采用有限差分法的求解方式[7]；二维洪水模型分析蓄滞洪区内的分洪和退洪演进过程，采用基于有限体积法的水动力方程求解方式[8-9]。模型的原理方程可参考相关文献，文中不再冗述。为模拟堤防的溃决和漫溢，一维、二维模型通过溃口和侧向连接两种方式耦合，连接水量按照堰流计算[7，10-11]。动态洪水分析要求计算速度快、单次洪水模拟用时短，本次采用了并行计算加速技术。

模型中白沟河以东茨村站、南拒马河以北河店站的实测、预报数据为边界条件，二维模型除扒口处均设置固壁边界。口门宽度和底高程按照设计和收集到的实时工情两种信息进行设置，并根据分洪过程中的遥感解译数据和蓄滞洪区水量等对比校正。白沟河堤防为土堤，分洪口门为人工扒口，口门形状按矩形设置，溃口底高程按照口门处的地面高程或实际扒口深度，约1 h 达到最终溃决状态。

2.2.2 蓄滞洪区启用前分洪效果预测

蓄滞洪区启用前，结合水情设计了蓄滞洪区分洪方案，模拟了分洪洪水在蓄滞洪区内的演进情况，为分洪决策提供参考。根据水文监测信息，结合北拒马河落宝滩、大石河和小清河水系的来水情况，综合判断认为东茨站洪峰将达到20 年一遇标准。模拟试算认为若不启用蓄滞洪区，将造成白沟河水位超堤顶高程，导致漫溃，对下游大清河也会造成冲击。表1为按照20年一遇洪水标准分别启用小营横堤、朱庄、东务及3 个口门全部启用后的分洪淹没，以及对河道影响信息。口门宽度均为300 m，结果统计时间为分洪后3 d。单个口门分洪时，朱庄口门分洪效果最好，进洪量约占蓄滞洪区容量的31.3%，其次为小营横堤，东务进洪量最少，只有11.0%。单个口门分洪容易导致河道堤防漫溢，如在小营横堤分洪时，基于其位置优势，只有1处漫溢；朱庄和东务位置偏南，在洪水前峰到达分洪口门前，在上游堤防处出现漫溢，尤其是东务口门，因位置最靠南，并且分洪量少，出现3 处漫溢。多口门同时启用时分洪量最大，如表中3 个口门同时分洪，进洪量达到1.8 亿m3，占蓄滞洪区容量的56.7%，河道未发生漫溢现象，但分洪导致的淹没面积增大，达到183.0 km2。根据统计结果，应对本次洪水需要启用蓄滞洪区，分洪位置首选从北部开始，利于降低河道漫溢的风险，沿河设置多口门分洪效果更佳，这一结论与本次实际分洪基本一致。

表1 不同口门启用后的分洪效果

2.2.3 蓄滞洪区启用后洪水演进与退洪预测

蓄滞洪区启用后的动态分析主要聚焦于为防汛应急提供进洪过程、最大进洪状态等分洪信息，以及预测退洪时机和不同口门的退洪信息。洪水过程中汛情不确定性大，尤其是洪水将超保证或超标准时，容易出现险情并导致河段防洪形势发生变化，因此洪水分析需要开展高频次的滚动模拟和分析，以反映实时的水情和工情。

兰沟洼蓄滞洪区的分洪口门位置和调度方式与设计不同。最初为小营横堤处超过1 km 范围河段发生漫溢，为了增大分洪流量，在漫溢河段扒口3 处，至8 月2 日23 时，又陆续在蓄滞洪区的设计分洪口和其他位置扒口6 处分洪。此处以动态分析中8 月5 日开展的7 月31 日至8 月12 日计算方案为例，水文监测数据至5 日14 时，预报数据至12 日5 时，方案的模拟时间至12 日5 时。实际分洪口门7 处，用于预测退洪的扒口1处。

（1）分洪模拟和预测。根据模拟结果，分洪洪水前峰于3日10时到达蓄滞洪区边界，与观测洪峰到达时间一致[12]，洪水淹没面积180.6 km2，进洪量约1.32 亿m3。随着时间推移，扒口退洪前，洪水进一步向南演进并汇聚，至5日10时，蓄滞洪区南部的东马营处水位达到16.22 m，与观测水位16.01 m基本一致，洪水淹没面积197.9 km2，进洪量2.03亿m3。至5日16时，洪水淹没面积为196.7 km2，进洪量2.04亿m3，蓄滞洪区北部淹没范围开始缩小，南部开始扩大，总体上与遥感影像监测范围一致（图3）。蓄滞洪区内最大淹没水深3.07 m，区内及分洪口门处流速为0.1～2.5 m3/s。

图3 蓄滞洪区分洪后淹没水深分布遥感图

（2）退洪预测。东茨村站监测和预报流量、水位持续降低，进洪量明显减小甚至出现回流，模型中特意设计了退洪方案。以蓄滞洪区水位持续高于白沟河水位作为退洪时机，退洪位置设在蓄滞洪区的设计口门十里铺处，口门宽度为200 m，经试算6日8时左右可开始退洪。

根据模拟结果，至8 日8 时，蓄滞洪区内洪水总量2.08 亿m3，比退洪前减少了约0.03 亿m3，淹没面积减少约16.55 km2，退洪最大流量约111 m3/s，退洪平均流量小于50 m3/s。根据预测结果，十里铺处口门的退洪流量小，按平均流量计算退洪时间将超过50 d，并且由于退洪口门位置偏北，对蓄滞洪区南部的退洪效果不佳。综合考虑蓄滞洪区西北高、东南低的地形，宜在偏南位置扒口退洪。东马营倒虹吸为设计退洪设施，但因存在故障不能启用，本次模拟不做此处退洪预测。

2.2.4 蓄滞洪区退洪后的模拟分析

防汛应急过程中对蓄滞洪区退洪的信息需求主要集中在退洪口门的退洪流量，蓄滞洪区内的淹没变化、剩余水量和退洪时间，并根据这些信息提出退洪时的应急建议。8 月6 日13 时，保定市下达命令开始退洪，退洪位置在东马营镇胡街村处，扒口宽度约200 m，深约5 m，按此工况对模型进行更新。此处以8月7日分析的某方案为例，水文监测数据至7日12时，预报数据至12日12时，方案的模拟时间至25日0时，水文监测和预报时段以外的站点流量等数据按恒定流取值。

根据模拟结果，自退洪起始时刻，前3 d内退洪流量较大，平均退洪流量220 m3/s。随着蓄滞洪区内水量的减小、水位降低，退洪变慢，淹没面积和容积变化如图4 所示。8 月20 日后，退洪平均流量小于50 m3/s。预测至8 月9 日11 时，水深超过0.15 m的淹没面积122.5 km2，最大淹没水深2.99 m，平均水深1.20 m，淹没水量1.51亿m3；至15日11时，随着洪水继续从退洪口门排出，淹没面积减少为86.3 km2，最大淹没水深2.01 m，平均水深0.82 m，剩余淹没水量0.73 亿m3，图5 中9 日和15 日预测淹没水深分布和后期解译的遥感影像基本一致，模型中北部区域的零星淹没范围为仓尚河等河道及两岸地势较低洼区域，由于模型中未对蓄滞洪区内部河道进行模拟，结果与实际存在一定偏差。至20 日8 时，淹没水量继续降低到0.43 亿m3，淹没面积71.1 km2，最大淹没水深1.54 m，平均水深0.60 m。除蓄滞洪区内部河道外，南部区域存在一些面积较大的局部洼地，积水已与主体水面分开，洪水不能自排排出，建议对这些区域采取强排措施以辅助退洪，减少洪水浸泡时间。

图4 蓄滞洪区退洪过程中淹没面积和蓄水量变化图

图5 蓄滞洪区退洪过程中淹没水深分布图

3 洪水动态风险分析成果应用思考

（1）目前，国内的洪水风险图编制成果多为静态风险图和后期编制任务中提交的洪水分析模型。在本次兰沟洼蓄滞洪区运用过程中，现有洪水风险静图成果并不能完全支撑防汛应急工作，主要归因于风险图编制时的洪水分析方案与当前汛情不匹配，防洪工况和区域社会经济发展情况等也已发生变化，如兰沟洼蓄滞洪区的东门营倒虹吸退水口门因故不能启用。现有成果尤其是静态洪水风险图发挥的作用有限，但可对其充分挖掘，如基于最新基础资料、水情、工情等对分析模型进行改造和升级，以反映现状洪水。

防汛应急中更关注洪水动态分析提供的信息，建议未来风险分析以实况分析和应急支撑为目的，并注重基础资料和防洪工程资料的定时更新。利用洪水分析引擎的快速计算得出淹没范围、水深、流速、洪水到达时间及其他统计或衍生信息。根据分析和统计结果开展预演、预判等，并做出洪水实时调度、抢险及人员转移等决策，提升防汛应急的指挥能力。

（2）在本次兰沟洼蓄滞洪区的启用过程中，动态洪水风险分析成果基本涵盖了灾害应急过程的各个环节，包括蓄滞洪区启用前的预测评估、启用中的实时评估和启用后的退水效果预测、评估等。基于现状工况建立或更新水文、水力学等洪水分析模型，以雨量、河道洪水的实时监测和预报作为输入，动态快速分析，获取河道、防洪保护区、蓄滞洪区等的洪水状态或淹没情况。洪水演进过程中需要及时收集水文监测数据、工情信息、现场观测及遥感解译的洪水淹没等灾情信息，对各方案的分析成果进行合理性分析和对比，并校正模型。利用校正后的模型开展模拟，分析研究成果，总结提出洪水应对建议，为防洪工程实时调度和工程险情抢险提供技术支撑。洪水动态风险分析技术支撑模式见图6。

图6 洪水动态风险分析技术支撑模式

（3）开展动态洪水风险分析要求建立洪水分析引擎，包括实现高性能计算的洪水分析模型，以及方便的人机交换系统工具，通过模型的滚动运转实现由监测站点向河道或保护区等线、面上的洪水淹没特征转换。收集分析计算所需要的大量气象水文监测数据、工情信息，以及现场观测数据等，各类信息的获取和处理要快速、及时、限时，才能起到对洪水防御工作的支撑作用，这也是动态风险分析的难点。洪水动态风险分析具有较强的业务性和专业性，对参与人员的技术水平和防汛应急管理水平要求高，部、省、市等各层级需注重对支撑团队的人才培养。

4 结 语

在海河“23·7”流域性特大洪水中，基于洪水动态风险分析对兰沟洼蓄滞洪区的运用过程进行了模拟，根据分析结果提出了对策建议，为防洪应急工作提供了技术支撑，在此基础上提出了现有洪水风险图和未来洪水动态风险分析成果的应用模式和需求。

（1）考虑兰沟洼地形，在白沟河洪水达到分洪条件时，在蓄滞洪区北部及下游沿线多口门分洪效果更好，有利于防止河道发生漫溢，在蓄滞洪区南部东马营附近退洪效果更好。蓄滞洪区启用后，退水时间长，部分区域将超过20 d，长时间淹没将加重洪水损失。由于区内存在多个低洼区，不能实现自然退水，需针对性地采取移动泵强排措施，以减轻灾害。因应急工作对时效性要求高，对蓄滞洪区的内部水系等做了概化，建议在后期洪水复盘时予以完善。

（2）洪水动态风险分析能够有效支撑防洪应急全过程，灾前开展洪水预测评估、灾中基于实时汛情预测和应急措施的效果评估，为防洪决策提供洪水演进信息和措施建议，提升防洪指挥能力，提高防汛决策的科学性。洪水动态风险分析需要高效的洪水分析模型和通用、功能化的人机交互系统，自动获取水文气象监测、预报数据及大量的现场观测等实时工情信息技术作为支撑，同时还需要具有专业知识的人才团队。

（3）国内已开展多期洪水风险图编制工作，可充分应用现有成果，尤其是已建立的洪水分析模型，通过对基础数据和防洪工程资料等更新，使之能够反映最新工况。对现有模型进行改造，利用并行加速技术提高计算速度。现有成果中各编制单位采用的模型不一，部分模型的开放性偏低或需要安装相应的商业软件，模型难以直接应用，建议未来洪水风险分析业务对模型的数据接口定义统一框架，便于后期维护和应用。

志谢：论文中的遥感数据由水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心（水旱灾害防御中心）海河流域23·7 特大洪水防汛应急技术支撑团队遥感组提供，在此表示感谢。