海河“23·7”流域性特大洪水防御蓄滞洪区运用关键技术

褚明华，穆 杰，宋文龙，杜晓鹤，吴滨滨，柴福鑫，3

（1.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），100083，北京；2.中国水利水电科学研究院，100083，北京；3.水利部京津冀水安全保障重点实验室，100083，北京）

蓄滞洪区作为大江大河发生洪水时的分滞洪区域，是江河防洪体系的重要组成部分，通过与河道、堤防、水库联合运用，可削减洪峰、蓄滞超额洪水，提高流域整体抗御洪水能力，在防洪调度中发挥了重要作用。国内学者针对蓄滞洪区的合理运用开展了相关研究。其中在蓄滞洪区的洪水演进中，通常采用二维水动力数值模型和一、二维耦合水动力数值模型开展分析计算，但二维水动力模型仅适用于宽浅河道与蓄滞洪区的联合防洪数值模拟，当用于河道与蓄滞洪区尺度相差较大的模型时，计算耗时较长且不经济。一、二维耦合水动力模型实现了河道与蓄滞洪区之间水流连接及水量交换，既提高了模型计算效率，又能兼顾模型模拟精度，在漳卫河系大名泛区、大清河五洼滞洪区、谷堆圩蓄滞洪区等应用中具有良好的模拟效果。除了采用洪水演进模拟技术开展预报预警之外，卫星遥感技术由于其覆盖范围广、时效性强等特点，近年来也逐渐应用于洪涝灾情监测中。通过影像解析，可对洪涝灾害区域进行快速且大范围监测，反演水体范围等多种淹没要素，从而实现对洪涝灾害的快速响应与影响评估。

近年，在我国洪水灾害频发情况下，蓄滞洪区启用频次也相应增加，准确合理的蓄滞洪区洪水演进模拟、遥感监测分析等可为防洪调度提供决策支持，同时对蓄滞洪区达标建设、避险转移和洪水保险服务等具有指导意义。

一、海河“23·7”流域性特大洪水情况

受台风“杜苏芮”北上与冷空气共同影响，7月28日至8月1日，海河全流域出现强降雨过程，累计面降雨量155.3 mm。受其影响，海河流域有22条河流发生超警戒水位以上洪水，大清河与永定河相继发生特大洪水，水利部将本次洪水命名为海河“23·7”流域性特大洪水，是1963年以来海河流域最大的场次洪水。

1.海河流域自然概况

海河流域主要由海河、滦河和徒骇马颊河三大水系组成，其中海河水系包括蓟运河、潮白河、北运河、永定河、大清河、子牙河、漳卫河、黑龙港及运东地区等河系。流域覆盖京、津、冀及晋、豫、鲁、蒙、辽的部分地区，总面积32.06万km2，面积1000 km2以上河流共59条。流域总人口约1.5亿，占全国人口总数的11%，国内生产总值约占全国的13%，耕地1.4亿亩（1亩=1/15 hm2），是我国的政治文化中心和经济发达地区，也是国家重要的粮食基地、能源基地。

2.雨情特点

此次降雨过程呈现范围广、总量大、时空集中、强度大的特点。降雨量50 mm、100 mm以上笼罩面积分别占流域总面积的77.4%、52.8%，降雨总量初步计算为494亿m3；累积面降雨量155.3 mm，是常年全年平均的30.5%，暴雨主要集中在大清河系拒马河、子牙河系滹沱河滏阳河、永定河系官厅山峡区间。7月29日20时至8月2日7时，北京市83 h面降雨量达到331 mm，为常年全年降雨量的60%，最大小时雨量为北京丰台区千灵山站111.8 mm，超过了2012年“7·21”特大暴雨。海河“23·7”流域性特大洪水与历史洪水雨情对比见表1。

表1 海河“23·7”流域性特大洪水与历史洪水雨情对比

3.水情特点

此次海河流域特大洪水呈现多河系洪水并发、量级大、径流总量大等特点。海河流域5大水系22条河流发生超警戒水位以上洪水，8条河流发生有实测资料以来的最大洪水，其中永定河、大清河发生特大洪水，子牙河发生大洪水。初步计算洪水径流总量为200亿m3，远超“96·8”流域性大洪水。

二、海河流域蓄滞洪区运用及技术支撑情况

1.蓄滞洪区运用情况

根据暴雨洪水预报预警，海河流域及时启用8 处蓄滞洪区，分别是漳卫河系共渠西蓄滞洪区，子牙河系大陆泽蓄滞洪区、宁晋泊蓄滞洪区、献县泛区，大清河系小清河分洪区、兰沟洼蓄滞洪区、东淀蓄滞洪区，永定河系永定河泛区，合计最大蓄洪25.3亿m3。蓄滞洪区分布图如图1所示。

图1 海河“23·7”流域性特大洪水启用蓄滞洪区分布图

在此次海河流域洪水应对中，基于前期洪水风险图、防洪“四预”系统建设等相关成果构建了8个蓄滞洪区的一、二维水动力洪水演进模型，基于工作组实地调研、卫星遥感、无人机航摄等数据，实时动态修正模型参数，实现洪水演进过程精准推演，为蓄滞洪区的科学合理运用、堤防巡查防守、退水返回等提供了技术支撑。

2.遥感监测技术支撑

遥感作为快速发展的新型空间信息技术，具有大区域、高频次、高效率、全天候的下垫面信息感知能力，经过几十年的应用探索和实践，形成了覆盖灾前、灾中和灾后全过程的洪涝灾害遥感监测分析体系。针对海河“23·7” 流域性特大洪水，快速组建了“空-天-地一体化”遥感监测分析团队，统筹国内外20余颗光学与雷达遥感卫星资源，通过应急调控与常规运行相结合的模式，依托自主研发的水利遥感应急监测系统平台，规划光学与雷达卫星互补的多星协同作业方式，实现了海河流域8个蓄滞洪区每日1~3次的有效遥感观测，解决了汛期多云多雨区光学卫星难以获取有效数据的问题，显著提升了遥感卫星的洪涝灾害应急监测能力。利用该系统实现了多源卫星影像的查询、下载、读取、辐射定标、几何校正、滤波等自动化处理，并借助专家知识开展了淹没水体的精准识别，动态提取了2023年7月31日以来8个蓄滞洪区在“启用—开始淹没—最大淹没—退水—全部退水”全过程下的淹没水体面积、淹没历时等洪水要素。

同时，航空遥感技术在本次应急监测工作中发挥了独特作用。无人机低空遥感具有云下作业、机动灵活、数据获取周期短、可应急调度和数据分辨率高等独特优势，可以弥补卫星遥感受云层影响大、数据获取时效性较低、任务定制成本高等应用瓶颈，二者配合（数据补充、结果验证、数据融合等）可更有效实现下垫面多元信息获取与灾害应急监测。在本次应急监测工作中，紧急调配Kodiak100 大棕熊通航飞机和OptechGalaxyT2000 机载Lidar 等航摄装备，快速开展了启用蓄滞洪区的航摄测量工作，获取了7 个启用蓄滞洪区的激光点云、视频和正射影像数据，为全面精准掌握蓄滞洪区淹没及村庄淹没情况提供了“真值”。应用便携式小型无人机对兰沟洼白沟河风险点和扒口点进行了现场航飞拍摄，应用自主研发的YC-mapper无人机航片快速处理系统进行了航片快速处理，量测出溃口长度等关键信息。

卫星、有人/无人机构成的多时空尺度遥感技术，在打赢海河流域特大洪水防御战中发挥了重要作用，有利于全局掌握蓄滞洪区洪涝淹没最新态势，并为蓄滞洪区内洪水演进模拟预报及影响分析提供重要数据参考。

3.洪水演进技术支撑

洪水演进数值模拟是流域开展蓄滞洪区合理启用、洪水预报预警的重要依据。通过构建高精度水动力数值模型，实现对流域洪水演进过程实时模拟，结合水文站点预报数据，计算得到淹没面积、淹没水深、洪水到达时间、最大流速、淹没历时等洪水要素，进而选择合理的洪水调度方案，确定蓄滞洪区的使用时机、分洪口门和相应分洪量，充分发挥其削峰滞洪作用，最大限度减少洪灾损失。

（1）模型原理

在本次洪水应对过程中，采用一、二维耦合水动力模型开展蓄滞洪区洪水演进模拟。采用基于有限体积法的Godunov格式进行离散求解，其中Riemann问题采用Roe格式的近似解进行计算，底坡源项采用特征分级离散。河道与蓄滞洪区通过堰闸、口门和漫溃堤进行连接，通过堰流公式计算两个模型在耦合边界处的水量交换。

一个燥热的夏日，我握住笔的手微微颤抖，看着满是红叉的试卷，努力控制着情绪。抬眼撞上小宇那玩世不恭的神情，怒火不可遏制地席卷而来。我扬起手，怒目圆睁，他却将脸迎向我，露出无所畏惧的表情，仿佛在说：“你打我又如何？”就这样，伴随着窗外学生嬉笑打闹、穿梭奔跑的喧哗声，师生间进行着没有硝烟的对峙。

（2）模型构建

在一维河道模型构建中，为充分考虑蓄滞洪区水流与河道水位之间的相互影响，同时兼顾水文测站分布，来确定一维河道建模范围，二维模型的建模范围为蓄滞洪区蓄洪范围。在二维模型网格剖分中，将区域内高速公路、铁路、内部围堤和小河流等作为内部约束边界，对分洪口门等关键位置进行加密处理，采用前期风险图地形数据或实测地形数据进行二维网格高程插值。

模型上下游边界条件根据水文站实测和预报流量、水位设置。模型糙率的选取依据《水力计算手册》糙率取值范围，同时，借鉴研究区域已有相关规划报告的糙率经验值。

（3）蓄滞洪区启用及演进模拟

根据水文预报结果，开展蓄滞洪区启用前流域河道洪水演进模拟。在蓄滞洪区启用之前，结合流域洪水调度方案的相关规定，提出蓄滞洪区启用时机；经过多方案预演分析，提出蓄滞洪区口门启用和分区运用优化方案。当蓄滞洪区启用后，结合多源遥感监测数据，基于分洪水量预报成果，预测蓄滞洪区内水头位置、淹没水深、流速等要素，分析村基、安全区等关键位置的淹没情况。在蓄滞洪区削峰蓄洪之后，结合河道水文站预报数据和河道水位模拟数据，提出合理退水方案，包括退水口门启用时间、闸门开度、退水时长等。

（4）支撑案例——东淀蓄滞洪区洪水演进分析

东淀蓄滞洪区位于大清河系下游，是大清河系南北支洪水和清南、清北沥水的总归宿，总面积378.8 km2。采用中国水利水电科学研究院洪水分析软件IFMS中的一、二维耦合水动力学模型开展主要河道（大清河、赵王新河和子牙河）及东淀蓄滞洪区洪水演进模拟。建模范围含河道断面359个，平均间距约400 m；划分二维网格11.4万个，平均网格尺寸约60 m×60 m。IFMS4.0目前已实现一、二维全GPU异构并行加速计算，可在20 min内完成东淀历时30天（8月1日2时至31日2时）的洪水淹没过程模拟，满足实时计算时效性要求。

模型上边界采用新盖房枢纽分洪流量和白洋淀下泄流量的实时监测和预报数据，下边界采用独流减河进洪闸水位流量关系曲线，开展东淀洪水演进和预报分析，根据每天遥感监测的淹没范围和现场调研情况开展模型率定和验证，并持续一个多月开展滚动预报。模拟结果显示：洪水模拟淹没范围与遥感监测洪水淹没范围基本一致；采用截至8月3日10时的监测和预报数据，预计淀内洪水水头于8月5日1时到达天津市境内；采用截至8月4日12时的监测和预报数据，预计淀内洪水水头于8月5日8时到达天津市境内（图2）；根据现场反馈情况，新盖房分洪洪水淀内水头实际于8月5日9时至10时到达天津台头镇。可见本研究构建的东淀洪水分析模型模拟预报精度较高，提前20 h准确预报出淀内洪水水头到达天津市境内的时间（误差不到1 h）。预测成果及时报送水利部、水利部海河水利委员会及河北省水利厅等，为防汛决策和抢险等争取了宝贵时间。

图2 模型预测新盖房分洪洪水淀内水头8月5日8时到达天津市境内

三、总结和建议

1.结论

在海河“23·7”流域性特大洪水防御中，蓄滞洪区发挥了不可替代的重要作用。针对蓄滞洪区启用时机、围堤安全状况、洪水演进过程、退水方案等重点关注问题，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）从以下几个方面做好技术支撑。

①空天协同，利用多源遥感监测设备，精准监控蓄滞洪区灾中实况，洪水期间每日进行1～3次淹没解译，为安全区和村基淹没状况分析、水头位置监测提供了支撑。

②基于一、二维耦合水动力模型，构建8处蓄滞洪区洪水演进模型，通过与遥感监测分析成果比对可知，数值模型具有可靠性。基于水文预报数据，提出蓄滞洪区优化运用方案、退水方案，洪水期间逐日滚动预报洪水演进过程，为下游关键区域提供洪水预警。

③根据海河“23·7”流域性特大洪水防御工作实践，提出了基于遥感监测和水动力模型相互补充的流域蓄滞洪区运用支撑技术体系，一、二维耦合水动力模型可开展洪水快速预报预警，遥感监测成果对模拟结果具有一定校准作用。

2.存在问题

（1）工程体系方面

海河流域防洪工程体系较为薄弱，部分河流、河段缺乏控制性水库。与“63·8”暴雨相似，本次暴雨大部分降在水库下游，以及难以用水库控制的太行山迎风坡山区和山前平原，直击海河流域防洪工程体系的最薄弱环节，防洪工程“三大件”（河道及堤防、水库、蓄滞洪区）中的“头牌”——河道及堤防大量标准偏低或不达标，又缺少了作为“王牌”的水库调蓄作用，所以才使得“底牌”蓄滞洪区相继投入使用。

（2）非工程体系方面

数字孪生流域建设和预报、预警、预演、预案“四预”体系不够完善。预报方面，受特殊复杂的地形条件和台风影响等不确定性因素影响，加之部分水文站点损毁，暴雨洪水预报修正幅度较大；预警方面，受水文预报精度限制及下垫面变化大导致洪水风险分布变化影响，精准预警能力有待提高；预演方面，蓄滞洪区下垫面条件不清，不能快速获取数据底板，尚不能做到实时根据口门扒口情况进行动态预演；预案方面，调度方案动态调整仍需完善，应急监测能力受洪水和交通条件影响大。

（3）蓄滞洪区建设管理方面

蓄滞洪区建设滞后，运用控制设施不足。全流域28处国家蓄滞洪区仅有大黄堡洼、恩县洼、广润坡3处基本完成规划建设任务，5处正在建设中，本次启用的8处均未完成规划建设任务。如小清河分洪区涿州境内北拒马河南支改道、北拒马河右堤、大石河河道等均未开展达标治理，8处蓄滞洪区除东淀有退洪闸外，其余均未建进退洪闸，难以把握分洪时机，出峰后扒开口门难以及时封堵，短期内不具备二次启用能力；东淀蓄滞洪区蓄洪时间超1个月，蓄滞洪区围堤、安全区围堤及分区运用隔堤等堤防防守压力大，数万名居民长时间无法返迁，不能及时恢复正常的生产生活。

（4）技术支撑方面

部分洪水调度方案预案亟须修订，因地面沉降及经济社会发展等原因，下垫面变化剧烈，独流减河达到设计流量时，实际洪水位尚低于洪水调度方案预案水位；蓄滞洪区防洪“四预”系统尚未建成，精准决策支撑有待提升；部分蓄滞洪区下垫面、经济社会、工程状况改变显著，亟须开展新一轮洪水风险图编制。

3.建议

建议结合新一轮流域防洪规划修编，进一步优化流域防洪工程布局，系统谋划并完善流域防洪工程体系，深入论证并推进张坊水库等工程的前期工作，加快河道堤防达标建设，强化蓄滞洪区建设与管理。根据流域水工程现状和洪水实际，加快推进调度方案预案修订。结合防洪“四预”、数字孪生流域和数字孪生蓄滞洪区建设，研发蓄滞洪区下垫面智能监测与快速提取分析技术，完善数据底板，研究蓄滞洪区洪水模型快速构建、动态推演与风险动态评估技术，编制动态洪水风险图，实现流域洪水快速预演、预案迭代更新，以及水库、河道及堤防、蓄滞洪区预报调度一体化，为蓄滞洪区科学运用、防御方案动态调整提供决策支持。