“北京模型”助力“四预”有效发挥防洪工程体系综合减灾效益

霍风霖 潘兴瑶 阴 悦 闫悦新 刘 舒 徐 美 郝晓丽 杜龙刚 季明峰 高 强 李永坤 胡晓静 邹晓涛 杨 朴

（1.北京市水务应急中心；2.中国水利水电科学研究院；3.北京市水文总站；4.北京市水科学技术研究院；5.北京市智慧水务发展研究院）

受2305号台风“杜苏芮”带来的强降雨影响，海河流域发生“23·7”流域性特大洪水。台风“杜苏芮”登陆后，北京市水务局密切跟踪云团行进路径，加密与气象部门会商，依据气象部门降雨预报结果，利用“北京模型”开展流域洪水、城市内涝、山洪灾害的预报，及时研判洪水总量和洪峰等关键要素，超前发布预警。在洪水发生发展过程中，以流域为单元，统筹上下游、左右岸、干支流，采用预泄、拦洪、蓄滞等综合调度措施并动态调整，最大程度发挥了防洪工程体系综合防洪减灾效益，有序调度洪水，减轻洪涝灾害损失。灾后全面恢复重建阶段，结合卫星遥感影像解译、现场调查等手段，开展洪水反演、移置分析等总结复盘、系统评估灾情工作，为补齐工程体系、监测预报等能力短板，健全规划标准体系，有序开展灾后重建提供技术支撑。

“北京模型”简介

北京市水务局在国家部署的洪水风险图编制、山洪灾害防治等工作的基础上，整合北京市气象局、北京市规划和自然资源委员会、北京城市排水集团有限责任公司、北京市地铁运营有限公司等单位数据资源，针对流域洪水、城市内涝、山洪灾害等洪涝灾害，逐步构建了“北京模型”体系，对“降雨—产流—汇流—演进、总量—洪峰—过程—调度、流域—干流—支流—断面、技术—料物—队伍—组织”洪水防御的各链条进行模拟管控。

（1）流域洪水。自2012年以来，北京市洪水预报模型以北京历史洪水预报经验模型为基础，逐步添加改进新安江模型、陕北模型等集总式水文模型，栅格新安江、基于物理下垫面特征等分布式水文模型形成综合的模型体系。经过10 年不断更新完善，走过了“经验方案”“区间集总”“流域半分布”“精细化分布式”等多个阶段，完成了由预报方案向水文模型的转变。按照北京市五大流域构建的洪水预报模型体系，实现水文机理下精细化模拟全流域产汇流演进过程，覆盖“坡面—河道—出口点”全部预报对象。预报模型实现流域面积50 km2以上108 条河流洪水预报全覆盖，流域面积20 km2以上河流洪水预报覆盖率达69%。模型与气象数据深度耦合，基于智能网格和睿思等短临气象预报成果，可实现预见期12 h以上的流域洪水预报。

（2）山洪灾害。山洪灾害预报采用水文水动力学模型，以全市山洪沟道临界雨量指标为基础，以山洪沟流域为单元，采用地形、土壤参数、气象、径流等数据，基于子流域划分和垂向不同水平层结构进行水文模型构建，以及重点区域网格剖分开展二维水动力模型构建，应用历史降雨数据和气象降水预报产品驱动，实现对全市352 条山洪沟道的全过程预报分析，其中137 条重点山洪沟道建立了精细化山洪预报水文水动力模型。通过一维水文水动力模型结合水文计算获取险村典型控制断面水位阈值及山洪沟流量、雨量预警阈值，快速研判山洪沟道风险等级，实现山区险村山洪过程和淹没风险滚动预报，实施“监测+预报”相结合的预警管理模式，有效提升山洪预报的精准化水平，将山洪预见期延长至12 h以上。

（3）城市洪涝。建成了覆盖中心城区清河、通惠河、坝河及凉水河4 个流域约1 485 km2范围，包括产汇流分析、工程调度、一维河网、二维地表、地下管网全过程耦合的模型，实现从“降雨产流—坡面汇流—管网汇流—河网汇流—防洪排涝工程调度”的全过程耦合模拟计算。可输出河道节点流量水位过程、地表网格水深过程及排水管网与泵站节点水位流量过程等，根据地表最大积水深度与淹没历时进行内涝风险等级判别，降水过程中通过预制内涝积水风险图、积水点清单和城区暴雨—内涝情景库，实现基于气象预报的内涝风险快速识别和快速发布，将积水内涝预见期延长至6 h以上。

模型在防御“23·7”流域性特大洪水中的应用

（1）风险管理。为努力实现积水内涝从应急管理向风险管理的思路转变，持续加强积水内涝风险防控，进一步增强社会公众对积水内涝风险的认知，利用“北京模型”模拟与大数据分析统计等技术相结合，形成覆盖北京市中心城区、城市副中心和回龙观天通苑区域的积水内涝风险地图，面向社会公众发布了城市积水内涝风险地图，通过发布可能发生的积水内涝风险点位以及相应的应对措施，逐步提升为社会公众提供精准服务的能力。

（2）预报预警。在“23·7”流域性特大洪水应对过程中，依据北京气象发布的气象会商意见，结合气象未来降雨数值预报及睿思预报成果，同时结合气象降水预报落区图、欧洲未来7 d 预报图，进行各流域和各大中型水库洪水预报更新，以及山洪和内涝风险研判，及时发布预警。共发布7 期水情预报，雨前发布大清河流域、北运河流域温榆河、永定河流域蓝色洪水预警。7 月29 日17 时、21 时和31 日19 时分3 次发布山洪灾害风险预警，红色风险预警覆盖房山、门头沟、延庆、昌平、石景山、海淀、丰台、怀柔等区。

（3）调度预演。洪水预演以流域为单元，分析不同量级降雨情景下水库、河道重要断面的洪水演进过程，山洪预演以山洪沟流域为单元，分析不同量级降雨情景下的山洪沟道风险情况，内涝预演以223 处重点桥区、145 处易积滞水点和街道为主要关注点，分析不同量级降雨情景下产生的积水内涝风险情况。在“23·7”流域性特大洪水应对过程中，雨前以流域为单元对永定河、北运河、大清河等流域的雁翅、三家店、卢沟桥、北关、张坊等重要断面以及官厅、斋堂、密云、怀柔等大中型水库的洪峰、洪量以及洪水过程进行预报，组织专题会商5 次，基于“北京模型”进行分析研判，根据预案和研判结果，提出官厅、斋堂等水库和卢沟桥枢纽、北关枢纽的调度建议。雨中滚动更新水情预报成果，动态调整调度措施。斋堂水库自1974年建库以来第2次实施洪水调度；十三陵水库自1998 年以来首次实施洪水调度；永定河拦河闸第3 次开启泄洪，小清河分洪闸、大宁水库、滞洪水库均为首次启用。

（4）灾后复盘。在降雨应对告一段落后，及时组织开展灾后复盘和暴雨移置工作，对雨前预报与实际洪水进行了对比分析，对实际洪水与反演洪水进行了对比分析。计算结果表明“北京模型”经受住了大水的考验，整体表现良好，多数断面峰现时间误差小，除雁翅和卢沟桥外，均为0～3 h，11 个统计断面中8 个断面洪峰流量与洪水总量相对误差小于30%。用16 座大中型水库的实际降水进行洪水过程反演，计算结果表明反演来水量与实际来水量相对误差小于30%的水库为10 座。基于实测降雨分析房山、门头沟、昌平、延庆区等区域有142 条山洪沟道风险可能性很大。根据监测和调查，累计有93 条沟道发生较大洪水，其中监测涨水沟道70 条，调查统计产生洪水沟道23 条。基于实测降雨的预警沟道中覆盖实际发生沟道73 条。采用实测降雨模拟，实际降雨中积水点共有个41 个，模拟出35 个积水点，模拟命中率为85%。同时，将本次暴雨中心在大清河、永定河流域的降雨，移置北运河流域、潮白河流域和蓟运河流域，遵循暴雨中心重合、降雨分布特征相符、降雨过程相似原则，对北运河流域、潮白河流域和蓟运河流域进行洪水预演，并分析了水库和主要河道断面的洪水过程、采用不同调度措施以后下游的洪水状况、库区可能出现的淹没影响，下游没有归槽的洪水和可能漫溢的洪水风险分析等。

此外，模型作为重要的技术手段，对于灾后重建的规划也逐步开展模拟分析，初步评估应对极端降雨规划措施的减灾效果。

经验与思考

本次流域性大洪水也暴露出了北京市部分流域防洪工程体系不完善、山洪灾害防御难度大、水文监测感知和应急通信保障能力不足、数字孪生流域等智能化支撑不够等短板。

（1）本次特大洪水对永定河防洪工程进行全面检验，实施了上游大型水库拦洪、中游水库调洪错峰、平原水库滞洪、下游堤防行洪的综合功能，有效保障了北京中心城区防洪安全，发挥了基础性关键作用。但从本场洪水造成的灾情看，北京市的一些流域、特别是西部的房山区、门头沟区，暴露出防洪工程体系的不完善，山区缺乏水库等防洪控制性工程、中小河道防洪标准低等突出问题。因此，在加快水毁工程修复的同时，应该加快张坊、陈家庄、二道河等水库的规划论证，提高流域调蓄能力；加强流域骨干河道疏浚、堤防达标治理，提高河道行洪能力。

（2）本次灾害较为严重的是中小河流和山洪沟道周边地区，尤其是城镇等集中居民点，应该尽快开展相关区域的防洪排涝规划修订，在有条件的地区适当提高标准，条件不具备的地区，应该采用韧性城市的理念进行综合治理。包括积极推进洪水风险图编制工作的常态化，根据不同区域的风险程度考虑提升风险管理、应急响应、快速恢复等能力，针对供水、供电、通信、交通等生命线工程进行重点保障。对于山洪沟道影响的乡村地区根据实际情况采用搬迁、原址重建，局地工程、沟道治理，预警响应、转移和管控手段等进行综合治理。

（3）暴雨移置分析结果表明，北运河流域、潮白河流域在遭遇类似降雨情景下，北京市中心城区、副中心、密云、怀柔等城区将面临严峻的考验。因此，应将城市防洪纳入流域防洪工程体系，按照“拒、绕、排”的思路，加快推进重点区域防洪工程体系建设，提升城市防洪排涝能力，确保城市防洪安全。

（4）数字孪生流域是有效发挥防洪工程体系综合效益的重要手段，下一步需开展数字孪生全面推进和深化建设应用。本次洪水暴露出的感知设施可靠性的问题，在加快重构雨水情监测预报“三道防线”的过程中，应避免重先进轻保障的倾向，在普遍采用成熟可靠技术的基础上可以适当开展技术试点工作；在预报预警调度决策过程中暴露出的重算法轻算据的问题，应重点推进基础数据的精度、时效性，针对具体的区域加强率定验证，摸清产汇流规律；在业务应用系统建设过程中，避免重表现轻业务的倾向，应以需求为导向规划实施业务功能。