海河“23·7”流域性特大洪水北京市永定河洪水调查分析及对设计洪水的建议

刘军梅 杨 毅 郭金燕 刘 进 张玉洁 丛晓红 王丽晶

（1.北京市水务规划研究院，北京 100048；2.北京市水科学技术研究院，北京 100048）

1 基本情况

1.1 流域概况

永定河为海河流域北系最大河流，发源于内蒙古自治区南缘和山西省北部，上游桑干河、洋河两大支流在河北怀来县朱官屯汇合后称永定河，东流入官厅水库，经官厅山峡出山流入平原，至大兴区崔指挥营出境入永定河泛区，在天津市汇于海河，至塘沽注入渤海，河道全长806 km，流域总面积46 232 km2。其中北京市境内河长170 km，流域面积3 210 km2。永定河流域示意图如图1所示。

图1 永定河水系流域示意图

官厅山峡段，即官厅水库至三家店段，河道总长108.5 km，区间流域面积1 600 km2，境内河长91 km，汇入一级支流有沿河城沟、湫河、清水河、清水涧、苇甸沟等15条，官厅山峡地处太行山前迎风坡，两岸峭壁陡峻，高山连亘，地势东南低西北高，地形条件有利于夏季东南方向暖湿气流的侵入；卢三段，即三家店至卢沟桥段，河道长约17 km，区间流域面积114 km2，有城子沟、门头沟、高井沟、中门寺沟、西峰寺沟5条支流汇入，流域下垫面基本为山区和城市建设区；卢梁段，即卢沟桥至梁各庄段，河道长约62 km，两岸均有堤防，此段河道为地上悬河，主流左右迂回。

永定河干流建有官厅水库、雁翅、三家店、卢沟桥等水文站，分别建于1954年、1963年、1920年、1912年。

1.2 防洪工程体系现状

永定河流域按照“上蓄、中疏、下排、适当地滞”的建设方针，基本形成了由干流堤防、官厅水库、卢沟桥枢纽、大宁水库、滞洪水库（稻田水库、马厂水库）、小清河分洪区等组成的防洪工程体系。官厅山峡流域建有官厅、斋堂、珠窝3座大中型水库，三家店拦河闸以下建有卢沟桥分洪枢纽、大宁水库、滞洪水库。

根据《北京市防洪排涝规划》，永定河官厅山峡段为保留山区河道行洪空间，规划军庄以上河道按20年一遇行洪线严格禁止开发建设、50 年一遇行洪线控制建设，军庄以下河段进入门头沟新城区，河道已达到50 年一遇防洪标准[1]；三家店以下河道主要靠左右堤防挡水，经过多次加固治理，基本达到100年一遇防洪要求，其中卢三段左堤按可能最大洪水设防，以确保中心城区防洪安全。

永定河洪水现状主要通过卢沟桥分洪枢纽、大宁水库、滞洪水库联合调蓄调度，发生100年一遇及以下设计洪水时，卢沟桥拦河闸原则上控制下泄流量2 500 m³/s，其余洪水经小清河分洪闸入大宁和滞洪水库滞蓄，当大宁水库水位达到60.01 m 且继续上涨时，开启大宁水库泄洪闸向小清河分洪区分洪，分洪流量不超过214 m³/s[2]。按此调度方案，50年一遇洪水全部拦蓄不下泄，100年一遇洪水总滞蓄水量8 000万m3，小清河分洪闸总分洪水量约300万m3。

1.3 永定河设计洪水

永定河设计洪水以三家店站为依据，由官厅水库下泄洪水和官厅山峡区间洪水组合而成。设计洪水按三家店与官厅山峡同频率，官厅水库以上洪水相应的地区组成考虑。官厅山峡区间洪水，《海河流域防洪规划》在洪水系列延长复核后仍采用1984年《永定河流域官厅山峡洪水分析报告》中成果，洪水过程采用1939年典型洪水过程放大计算。官厅水库相应下泄洪水，根据水库调度50年一遇以下洪水时错峰不下泄，100年一遇洪水时水库限泄600 m3/s。组合后三家店10年一遇、20年一遇、50年一遇及100年一遇洪峰流量分别为1 680 m3/s、2 740 m3/s、4 330 m3/s和6 230 m3/s。

卢沟桥设计洪水，现有永定河洪水调度、永定河防洪规划、滞洪水库设计中均采用三家店设计洪水，而未考虑卢三区间洪水增量。

2 永定河“23·7”洪水调查分析

2.1 流域降雨分析

受2305号台风“杜苏芮”北上残余环流及副热带高压和太行山、燕山山脉地形共同影响，海河流域出现大范围长历时强降雨过程，大清河和永定河发生特大洪水，子牙河发生大洪水，综合判定海河流域发生“23·7”流域性特大洪水[3-4]。

受台风影响，2023年7月29日至8月2日北京市出现特大暴雨，降雨持续83 h，全市平均降雨量331 mm，历史排名第1，降雨具有持续时间长、降雨总量大、覆盖范围广、落区高度重叠的特点。暴雨中心位于房山区北部、门头沟区西南部，全市最大点降雨量为永定河流域清水站1 014.5 mm。全市五大流域中，大清河流域降雨量最大，为611 mm，其次为永定河流域，为470 mm，北运河、潮白河流域次之，蓟运河流域最小。

根据北京市水文总站提供的雨量过程，统计分析永定河各流域分区“23·7”特征雨量（图2）。本次“23·7”降雨，境内永定河流域平均降雨量470 mm，其中官厅水库以上220 mm、官厅山峡流域573 mm、卢三区间510 mm、卢沟桥以下396 mm。官厅山峡各流域分区降雨量，官厅—青白口456 mm、青白口（清水河）653 mm、青白口—三家店541 mm。

图2 北京市永定河各流域分区“23·7”特征雨量对比图

从雨量分布特征看，永定河流域降雨集中在官厅山峡和卢三区间，而官厅山峡又集中在青白口（清水河）及以下流域，6 h短历时降雨量更为突出，集中在青白口—三家店和卢三区间。永定河流域雨量分布特征，说明本次官厅山峡洪水主要由清水河和青白口—三家店区间流域降雨所致，而永定河卢三区间强降雨导致卢沟桥洪水较三家店增加较多。

进一步分析永定河官厅山峡段各断面以上流域不同历时特征雨量，与1999年《北京市水文手册—暴雨图集》查算面平均设计雨量对比可见，各断面流域降雨量重现期从上游至下游基本呈增加趋势，与流域分区降雨量规律相符合。各断面流域最大1 h 降雨量为25～37 mm，量级相对最小，重现期为5 a 左右；最大6 h 降雨量为97～122 mm，量级其次，重现期为20～50 a；最大24 h 降雨量为267～344 mm，重现期为200 a 左右；最大72 h 降雨量为449～574 mm，重现期基本为500 a（与最大3 d 降雨量对比）。可见，流域短历时1 h、6 h 降雨量级相对较小，长历时24 h、72 h 降雨量级相对较大。永定河官厅山峡流域“23·7”特大洪水特征雨量见表1。

表1 永定河官厅山峡流域“23·7”特大洪水特征雨量表

2.2 流域水情

为有效应对永定河“23·7”特大洪水，官厅水库以上来水全部拦蓄未下泄，斋堂水库错峰调度、卢沟桥分洪枢纽及大宁、滞洪水库分蓄洪调度发挥了重要作用，珠窝水库、落坡岭水库和三家店拦河闸由于调蓄库容较小，对洪水调蓄作用相对较小。

根据水文站实测洪水过程统计，永定河雁翅站洪峰流量1 710 m3/s，列有实测记录以来第1 位，重现期为10～20 a；三家店站洪峰流量3 500 m3/s，列有实测记录以来第4 位，重现期超20 a。永定河卢沟桥站洪峰流量4 650 m3/s，列有实测记录以来第2位，重现期超50 a。本次洪水具有峰值高、上涨速度快、涨势猛、洪量大的特点，三家店站流量从300 m3/s 上涨到3 500 m3/s 仅用时4～5 h，三家店至卢沟桥洪峰流量传播间隔只有50 min。

2.3 洪水调查

永定河官厅山峡段洪水调查结合洪水发生情况及历史洪痕河段、支流汇入情况，共对沿河城沟口—三家店段9 处河段流量开展调查，其中历史洪痕河段5 处，沿用《北京市洪水调查资料》中的向阳口、太子墓、雁翅、安家庄、龙泉务河段附近。洪水调查按照《水文调查规范》（SL 196—97）等要求进行现场查勘、调查访问、洪痕水位与河道断面测量等。

永定河官厅山峡段属天然河道，水流流态多为非均匀流，本次洪水调查尽量选择河道较为顺直、河段断面相对规整的河段开展，可视为均匀流，洪水调查流量采用比降面积法进行计算。经分析计算，各调查河段水面比降为0.25%～0.46%，与山峡段平均纵坡0.31%较符合；河道糙率参考《水力学计算手册》天然河道糙率表综合确定，主槽糙率0.035～0.04，滩地糙率0.045～0.13。永定河沿河城沟口—三家店各河段“23·7”洪水调查流量为340～3 440 m3/s。受官厅山峡中下游清水河及以下流域降雨集中、支沟来水较大影响，干流洪水流量由上游至下游量级逐步增大。其中：向阳口（湫河汇入前）调查流量为340 m3/s、4 号桥下游（清水河汇入前）为525 m3/s，洪水流量相对较小，重现期为5～10 a；支流清水河汇入后，永定河干流洪水流量增加较多，太子墓（观涧台沟汇入前）—雁翅—落坡岭水库下游（王平沟汇入前）调查流量为1 460～1 860 m3/s，重现期为10～20 a；苇甸桥上游（苇甸沟汇入前）调查流量为2 420 m3/s，重现期相当于20 a；龙泉务（三家店上游）调查流量为3 440 m3/s，重现期为20～50 a。永定河官厅山峡段洪水调查位置与调查流量成果示意图如图3所示。

图3 永定河官厅山峡段洪水调查位置与调查流量成果示意图

本次永定河洪水调查流量经与水文站、水库实测流量比较，以及与支流调查流量合理性分析后，得出调查成果相对合理的结论。其中，向阳口调查流量与珠窝出库流量相协调，雁翅、安家庄调查流量与雁翅站成果相差不到10%，龙泉务调查流量与三家店站成果基本一致。

3 洪水对比分析

3.1 与历史洪水对比

永定河历史洪痕点调查流量对比见表2。本次永定河干流洪水发生在沿河城沟汇合以下，将本次永定河干流5 处历史洪痕附近“23·7”调查流量与《北京市洪水调查资料》中历史洪水调查流量进行对比分析。各河段历史洪痕附近调查记录洪水年份集中在1801 年、1893 年、1900年、1924年、1939年等，均发生在官厅水库建成前，调查流量除龙泉务1929年外其余均超过4 000 m3/s[5]，洪水量级较大。

表2 永定河历史洪痕点调查流量对比

与历史洪水相比，本次“23·7”特大洪水向阳口、太子墓、雁翅、安家庄4 处调查流量为340～1 860 m3/s，相对历史调查洪水量级较低。龙泉务调查流量为3 440 m3/s，洪水量级与1929年调查流量3 700 m3/s相当。

3.2 与实测洪水对比分析

统计三家店站建站以来洪峰流量大于800 m3/s（相当于5年一遇）的实测洪水，共有22 a，与相应年份卢沟桥站洪峰流量（个别年份缺测）进行对比（图4）。可见，除1963 年、2023年卢沟桥站洪峰流量大于三家店站外，其余有实测资料年份卢沟桥站洪水均小于三家店站。分析原因，可能是由于卢三区间面积相对较小且位于下游，而历史上卢三段河道相对较宽具有一定的调蓄作用，三家店下泄洪水与卢三区间洪水未发生遭遇所致。

图4 永定河三家店、卢沟桥站实测流量对比图（三家店建站以来超800 m3/s洪水）

本次“23·7”特大洪水卢沟桥站洪峰流量比上游三家店站增加1 150 m3/s，打破了以往历史规律，主要有以下3 个方面原因：①卢三区间暴雨洪水与三家店下泄洪水遭遇叠加，三家店站洪峰流量3 500 m3/s（7 月31 日13：30），受降雨云团影响，7月31日11时暴雨中心移动至门头沟东南部，本次调查卢三区间的5 条支流及区间总入河流量为1 271 m3/s，相关研究模拟表明卢三区间主要支流门头沟洪峰出现时间为7 月31 日11—15 时[6]，洪水遭遇组合后导致卢沟桥站洪水陡涨，洪峰流量达4 650 m3/s（7 月31 日14：30）；②永定河自1956 年以后未发生大洪水，行洪河道常年闲置，原负担1/3 行洪流量的西河岔至1990 年逐渐淤堵，1992年起实施的永定河三家店至卢沟桥综合治理开发工程，废西扩东，腾出河滩地用于开发利用[7]。西河叉的废除减少了行洪调蓄空间，与历史洪水相比，对卢三区间左岸支流洪水调蓄不利；③门头沟新城建设导致卢三区间硬化面积增加，流域下垫面特性发生改变，基本为山区和城市建设区，加上区间5条支流渠道化治理后，导致区间产汇流特性发生改变，入河流量和洪水总量比开发治理前增加较多。

3.3 与设计洪水对比分析

将本次永定河三家店、卢沟桥“23·7”特大洪水与三家店设计洪水成果对比分析可知（表3），三家店站“23·7”洪峰流量和最大3 d 洪量、最大7 d 洪量重现期均为20～50 a。卢沟桥站“23·7”洪峰流量重现期超50 a，最大3 d洪量为50 a，最大7 d 洪量为20～50 a。由于卢沟桥洪水的增量由卢三区间形成，而区间流域面积相对较小，因此洪峰流量增加导致重现期标准提高，但洪量标准相对流量较小。

表3 永定河三家店、卢沟桥“23·7”特大洪水与设计洪水对比表

按永定河洪水调度方案控泄原则，进一步对比分析超2 500 m3/s 需滞蓄的水量。由于本次洪水主峰过程相对尖瘦，三家店、卢沟桥“23·7”特大洪水超2 500 m3/s 水量分别为0.02 亿m3、0.19 亿m3，相比三家店、卢沟桥洪峰流量量级、洪量的量级相对较低。

4 对防洪工程设计洪水的建议

4.1 科学审视永定河设计洪水成果

永定河设计洪水是进行流域防洪规划和洪水调度的基础，对流域防洪体系布局和规模论证至关重要。现有永定河干流设计洪水以三家店洪水为依据，卢沟桥设计洪水与三家店洪水相同，而支流设计洪水一般根据设计雨量间接推求，对于干支流洪水组合遭遇问题未系统研究。

“23·7”特大洪水永定河官厅山峡段洪水从上游至下游量级逐级增大，尤其卢三区间洪水增加更为突出，打破历史上卢沟桥洪水小于三家店洪水一般规律，给永定河防洪调度增加难度。考虑到永定河三家店设计洪水加入本场洪水延长适线分析后仍可维持现状成果，而卢沟桥设计洪水若按长系列实测洪水分析比三家店相对较小，因此现有防洪工程体系下，三家店设计洪水仍可维持现状。

对于目前正在开展的官厅山峡防洪控制工程方案比较和规模论证，从确保永定河流域和中心城防洪安全出发，应考虑水库坝址以下包括卢三区间洪水汇入，分析研究不同坝址干流设计洪水与下游支流区间洪水组合对应关系，借鉴但不完全搬用“23·7”特大洪水调查成果，以免工程规模和投资成本过高。考虑规划水库建成后调度灵活性，区间洪水在现有卢三段洪水规律尚不能明确情况下，可多方法分析综合确定，如按三家店、卢沟桥以上全流域洪水分析区间洪水增量或按卢三区间、三家店以上流域面积指数法折算。今后根据流域气候系统和暴雨洪水发生情况，适时调整分析，合理采用设计洪水。

4.2 探索研究流域降雨与洪水标准对应关系

永定河三家店设计洪水依据实测洪水系列并考虑历史调查洪水适线分析，设计流量与流域降雨标准对应关系未系统研究。

官厅山峡流域“23·7”特大洪水分析表明，各断面流域不同历时降雨量级相差较大，最大1 h 降雨量重现期为5 a左右，最大6 h降雨量为20～50 a，最大24 h、72 h降雨量为200 a、500 a；而干流调查流量从上游至下游重现期由5～10 a增加至20～50 a。

若按传统24 h降雨量确定流域降雨标准，会导致流域降雨和洪水标准相差过大，与实际规律不符合。官厅山峡洪水起涨快、峰高流急，三家站“23·7”特大洪水过程流量由300 m3/s 起涨到洪峰流量3 500 m3/s 仅用时4～5 h，说明对洪峰流量起决定性作用的降雨量为洪峰出现前的相应历时降雨，统计分析表明，三家店站洪峰流量重现期与最大6 h降雨量标准较为接近，且流域最大6 h降雨量发生在洪峰流量出现前。

建议系统研究不同流域的降雨产汇流特性，重点对产流前的降雨损失量、决定洪峰流量的特征雨量过程进行分析，研究建立流域降雨与洪水重现期标准对应关系。

4.3 加快完善北京市水文手册修编工作

水文手册是无资料地区进行设计洪水计算的重要依据，北京现有暴雨图雨量系列至1996 年。水文手册对于无实测资料地区进行设计洪水计算时，通常依据同频率24 h设计雨量分析计算。本次特大暴雨多处站点打破了历史特大值，尤其最大24 h 降雨量、最大3 d 降雨量影响最大。而依据现有水文手册洪水计算方法，根据流域“23·7”最大24 h 降雨量计算的河道洪峰流量比调查值通常偏大较多。

建议充分利用此次暴雨洪水和历史水文资料进一步分析研究流域降雨产汇流特性，结合正在修编的暴雨图集对不同历时降雨系列延长并合理确定海河“23·7”降雨量重现期，开展洪水手册修编对推理公式、经验公式中的关系线和参数修订完善，合理确定不同历时雨量等值线图，研究建立不同分区、不同历时的降水径流深关系和产汇流参数，合理确定设计洪水计算方法，更好服务防洪工程设计。

5 结 语

本文对永定河流域“23·7”特大洪水进行了计算分析，并将本次调查洪水与历史洪水、实测洪水、设计洪水进行了对比。“23·7”暴雨具有持续时间长、降雨总量大、落区高度重叠的特点。各流域断面降雨量从上游至下游基本呈增加趋势，1 h、6 h 短历时降雨量级相对较小，重现期为5 a、20～50 a；24 h、72 h 长历时降雨量级相对较大，重现期为200 a、500 a。洪水具有峰值高、上涨速度快、涨势猛、洪量大的特点，三家店流量从300 m3/s 上涨到3 500 m3/s 仅用时4～5 h，三家店至卢沟桥洪峰流量传播间隔只有50 min。受官厅山峡中下游清水河及以下流域降雨集中、支沟来水较大影响，干流洪水流量由上游至下游量级由5～10 a 逐步增大到20～50 a。洪水流量重现期与最大6 h 降雨量重现期较为接近。本次“23·7”特大洪水卢沟桥站洪峰流量比上游三家店站增加1 150 m3/s，打破了以往历史卢沟桥站洪水小于三家店站的规律。

“23·7”特大洪水后，在防洪工程设计及洪水调度中，应考虑永定河洪水特性可能的变化情况，进一步修订完善设计洪水方法参数，科学合理地采用设计洪水成果，结合预报精准调度洪水，保障北京城区和永定河流域的防洪安全。