劉家宏 梅 超 王 佳 王 東 王 浩

（1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部數(shù)字孿生流域重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），北京 100038）

0 引 言

極端暴雨洪澇問題是當(dāng)前世界各國面臨的巨大挑戰(zhàn)[1-2]，降水閾值屢屢突破工程防御能力的上限[3]，進(jìn)一步加劇了流域和城市的洪澇風(fēng)險(xiǎn)[4]。2023 年7 月29 日至8 月2 日，京津冀地區(qū)遭遇歷史罕見特大暴雨，發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，特別是7月31日北京門頭溝區(qū)、房山區(qū)，以及河北涿州市等太行山前平原城市遭遇山洪內(nèi)澇疊加災(zāi)害，遭受重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。8 月12 日，水利部根據(jù)最新洪水調(diào)查和實(shí)測成果，經(jīng)綜合分析研判，確定海河流域子牙河發(fā)生大洪水，大清河、永定河發(fā)生特大洪水。依據(jù)水利部印發(fā)的《全國流域性洪水劃分規(guī)定（試行）》，本次洪水判定為流域性特大洪水，并正式命名為海河“23·7”流域性特大洪水。

本輪極端強(qiáng)降雨過程，北京市、河北省有14 個(gè)國家氣象觀測站日降雨量突破歷史極值。北京市平均降雨量331 mm，超過“1963.8”7 d 平均降雨量250 mm 和2012 年“7·21”2 d 平均降雨量192 mm，為1951 年以來最大值；北京市最大點(diǎn)降雨量出現(xiàn)在昌平王家園水庫站744.8 mm，超過“1963.8”最大點(diǎn)降雨量588 mm 和2012 年“7·21”最大點(diǎn)降雨量541 mm，為1951 年以來最大值。受極端強(qiáng)降雨影響，海河流域發(fā)生流域性特大洪水。永定河盧溝橋站洪峰流量僅2 h就從1 000 m3/s上升為峰值4 650 m3/s，是1925年以來的最大洪峰。大石河漫水橋站最大洪峰流量5 300 m3/s，列有實(shí)測資料以來的第1 位；拒馬河張坊站最大洪峰流量6 200 m3/s，列有實(shí)測資料以來的第2 位，上述兩河斷面洪量分別相當(dāng)于2012 年“7·21”強(qiáng)降雨的9 倍和4 倍。如此大的暴雨和洪水在源頭及支流上是如何形成的，對于大多數(shù)無測站的小流域仍是一個(gè)未知數(shù)。開展城市洪澇場景的模擬和推演對災(zāi)后重建和未來洪澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、防控十分必要[5]。洪澇模擬[6]、預(yù)警[7]、推演[8-9]、聯(lián)防聯(lián)控[10]等方面已經(jīng)形成一套相對完整的技術(shù)體系[11]，但在資料稀缺的城市小流域洪澇快速、精準(zhǔn)模擬方面仍存一定困難[12]。本文選擇北京市雨量大、洪水猛、受災(zāi)嚴(yán)重的門頭溝流域作為研究對象，分析其在“23·7”特大暴雨中的洪水過程，為小流域極端超強(qiáng)降雨災(zāi)害防治提供基礎(chǔ)支撐。

1 流域概況

門頭溝，又稱玉河、黑河溝、黑水河等，是北京市九龍山與南大梁之間的一條天然季節(jié)性河溝。源頭西起橫嶺，向東經(jīng)天橋浮、圈門、東辛房、河灘至城子注入永定河。因跨溝修建了一座“圈門過街樓”，形似城門而得名。據(jù)老北京著名民俗學(xué)者金受申先生講述，門頭溝就是“圈門前頭有條溝”的意思。門頭溝屬于永定河右岸支流，位于門頭溝新城北部，匯流面積約37 km2。流域內(nèi)的圈門、永定樓等是“一線四礦”（“一線”指門大線，“四礦”指沿門大線依次分布的王平、大臺(tái)、木城澗和千軍臺(tái)4座煤礦）門大線的起點(diǎn)、京西文化旅游和綠色創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)培育的重要承載地。根據(jù)《門頭溝新城控制性詳細(xì)規(guī)劃（街區(qū)層面）（2020—2035）》，流域內(nèi)規(guī)劃街區(qū)總用地面積約7.47 km2。

門頭溝采煤歷史悠久，本來有一個(gè)優(yōu)美的名字——玉河，因溝兩側(cè)煤礦排出的廢水注入，使得河水變黑，玉河成為了黑河溝。2006年，流域內(nèi)的礦井正式關(guān)閉，轉(zhuǎn)入對廢棄礦山的恢復(fù)治理階段?，F(xiàn)在門頭溝流域從“一盆火”變成了“一片綠”，植被覆蓋率達(dá)到75%以上，成為北京市西部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)。

流域內(nèi)最高點(diǎn)位于九龍山最高峰刺茅花坨，海拔990 m（圖1），最低點(diǎn)位于溝道入永定河口處，海拔87 m，流域最大落差超900 m。主溝長度約8.5 km（永定河溝口—玉河古道天梯），平均縱坡降3.5%，溝口段縱坡降較小，約為1.2%。流域源頭段為高山陡坡，從海拔超900 m 下降到300 m，平均距離僅有1.5 km，山坡平均坡降達(dá)40%（圖2）。

圖1 北京市門頭溝流域鳥瞰圖（紅色為流域邊界）

圖2 北京市門頭溝流域縱剖面圖

2“23·7”特大暴雨洪水分析

2.1 暴雨災(zāi)害情況概述

21 世紀(jì)以來，北京市暴雨洪澇呈顯著增加趨勢[13]，據(jù)8 月1 日微信公眾號“北京門頭溝”發(fā)布的《致全區(qū)人民的一封信》的信息，自7月29日20時(shí)開始，受2305號臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”影響，門頭溝區(qū)遭遇歷史罕見的連續(xù)強(qiáng)降雨天氣。截至8月1日，全區(qū)累計(jì)平均降雨量遠(yuǎn)超2012年“7·21”水平，達(dá)到471.1 mm，最大點(diǎn)降雨量達(dá)723 mm，是該區(qū)有氣象記錄以來的歷史最高值。另據(jù)新聞報(bào)道，29 日20 時(shí)至31 日12 時(shí)，門頭溝區(qū)平均降雨量達(dá)到320.8 mm，為降雨最為集中的時(shí)段，受極端超強(qiáng)降雨襲擊，門頭溝區(qū)全區(qū)河湖水位暴漲、多處遭遇險(xiǎn)情，并于7月31日誘發(fā)山洪，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大損失。其中，本文研究的門頭溝流域?yàn)?zāi)情尤為嚴(yán)重，暴雨山洪與城市內(nèi)澇疊加，致使河水漫溢，沖出河道，加之山區(qū)坡面突發(fā)暴雨產(chǎn)流，沿下山道路快速下泄，形成順街行洪現(xiàn)象，沖走大量停在路邊的汽車，甚至有少量在路上行駛的汽車被突發(fā)洪水沖走。

2.2 流域降雨數(shù)據(jù)

本研究在中國氣象科學(xué)研究院等單位的幫助下收集了距門頭溝流域最近的門頭溝國家氣象觀測站（編號54505，位置見圖1）的降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖3）。國家站的觀測統(tǒng)計(jì)時(shí)段為當(dāng)日20 時(shí)至次日20 時(shí)，通過2023 年7 月27 日20 時(shí)至8 月3日20時(shí)7 d降雨量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，最大24 h降雨量為348.3 mm，綜合新聞報(bào)道信息“29 日20 時(shí)至31 日12時(shí)，門頭溝平均降雨量達(dá)到320.8 mm”，可以看出門頭溝流域40 h 的平均降雨強(qiáng)度達(dá)8 mm/h。長歷時(shí)、高強(qiáng)度的降雨，加上快速匯流、支流層層疊加的流域地形條件，最終導(dǎo)致了這次特大暴雨洪澇災(zāi)害。門頭溝流域7月30日20時(shí)至7月31日20時(shí)（最大24 h降雨）降雨總量為1 288.7萬m3。

圖3 門頭溝站2023年7月27日20時(shí)至8月3日20時(shí)7日降雨量

2.3 流域產(chǎn)匯流分析

門頭溝流域面積雖然不大，僅有37 km2，但是流域呈“西南—東北”向的長條狀（圖4），匯流方向和本次降雨的移動(dòng)方向大體一致，造就了極為不利的洪水組合形式。首先，流域上游先降雨，產(chǎn)流后快速流向下游；接著，下游出現(xiàn)降雨產(chǎn)流，上游的產(chǎn)流經(jīng)溝道傳播延時(shí)后正好與下游稍后的降雨產(chǎn)流疊加，形成極為不利的“峰峰疊加”效應(yīng)，推高了洪峰流量。從圖4 可以看出，門頭溝的水系支溝較多，左岸有6條支溝匯入，右岸有2條支溝匯入，每一條支溝的匯入，對主溝的洪峰就是一次助推，自上而下“層層助推”，就形成了下游溝口極高的洪峰流量。

本次“23·7”特大暴雨洪水中，門頭溝的洪峰出現(xiàn)在7月31 日11：00—15：00，由于溝道內(nèi)沒有常設(shè)的水文站，其最大流量沒有準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。并且，由于洪峰過境時(shí)，洪水已經(jīng)漫出河岸，呈現(xiàn)散流狀態(tài)，即使有監(jiān)測設(shè)施，也無法測得準(zhǔn)確的洪峰流量。本文基于距離門頭溝入永定河河口1.5 km 的中昂時(shí)代廣場附近的視頻截圖（圖5（a）），推算本次洪水過程中門頭溝流域的洪峰流量。通過圖4 的流域地形分析，門頭溝中昂時(shí)代廣場橋斷面控制了流域面積的90%，其洪峰流量基本可以代表整個(gè)流域的洪峰流量。中昂時(shí)代廣場西北跨河橋?yàn)?zāi)害前有漢白玉欄桿，欄桿的橫桿相對高度為0.9 m，立柱頂端相對高度1.4 m，從7月31日中昂時(shí)代廣場附近的視頻截圖可見，洪峰過境時(shí)漢白玉欄桿和立柱被全部沖毀（圖5（b））。

圖5 距離門頭溝入永定河河口1.5 km的中昂時(shí)代西北跨河橋

通過災(zāi)后殘留在明黃色弧形金屬支撐拱上的洪痕調(diào)查，結(jié)合7 月31 日視頻截圖，測得洪峰最高水位漫過橋面約0.9 m，漫水總寬度約70 m（包括河道兩側(cè)的道路）。同樣，通過現(xiàn)場調(diào)查得到該橋下為3 孔7.0 m×3.0 m 的箱涵。結(jié)合流域概況分析可得該河段的縱坡降為1.2%。本過流斷面可簡化為圖6 形式：3 孔滿流箱涵（7.0 m×3.0 m）加上頂部0.9 m×70 m的寬淺“河道”（圖6）。

圖6 中昂時(shí)代廣場西北跨河橋洪峰時(shí)段過流斷面概化圖

根據(jù)曼寧公式計(jì)算暴雨洪峰流量（表1）：

表1 門頭溝流域“23·7”特大暴雨洪峰流量推算表

式中：Q為斷面流量，m3/s；n為糙率；A為過流斷面面積，m2；R為水力半徑，m；J為河道縱坡降。

2.4 流域洪水過程模擬

門頭溝流域?qū)儆谏絽^(qū)小流域，水庫和調(diào)蓄工程少，可不考慮水利工程調(diào)度對洪水過程的影響。本研究采用數(shù)字流域模型[14-15]，通過輸入2023 年7 月27 日20 時(shí)至8 月3 日20時(shí)的逐日降雨數(shù)據(jù)，快速模擬了門頭溝小流域的洪水過程。數(shù)字流域模型通過內(nèi)置的降雨時(shí)空處理模塊，將日降雨量隨機(jī)展布到每一個(gè)計(jì)算時(shí)段，從而滿足洪水過程的模擬時(shí)間分辨率要求，具體處理時(shí)根據(jù)雨量站的空間坐標(biāo)位置匹配當(dāng)?shù)氐慕涤暧晷?。?shù)字流域模型的水文模塊可以較為細(xì)致地描繪水文循環(huán)中的截留、蒸發(fā)、入滲、地表產(chǎn)流、壤中流及河道匯流等過程，模型參數(shù)較多，其中地表入滲速率、表層土水平滲透速率、表層土孔隙率、中層土孔隙率等參數(shù)對洪水過程模擬結(jié)果比較敏感。針對門頭溝地區(qū)的植被、土地利用、土壤分層等下墊面特征，根據(jù)模型推薦值和相關(guān)應(yīng)用文獻(xiàn)[16]，選定了適用于門頭溝所在的華北土石山區(qū)的主要參數(shù)，如表2所示。

表2 門頭溝數(shù)字流域模型關(guān)鍵參數(shù)及取值

數(shù)字流域模型將門頭溝流域劃分為145 個(gè)溝道單元，每個(gè)溝道單元對應(yīng)有左坡面和右坡面，源頭單元還有源坡面，總計(jì)劃分為326個(gè)產(chǎn)流計(jì)算小區(qū)，平均每個(gè)小區(qū)的面積約為0.11 km2，相當(dāng)于340 m×340 m 的街區(qū)單元，基本可以反映流域墊面的空間不均勻性。對于流域內(nèi)占比20%的城區(qū)單元，采用綜合徑流系數(shù)法計(jì)算暴雨徑流，特大暴雨徑流系數(shù)取0.95。通過模型運(yùn)行，得到門頭溝流域出口斷面的洪水過程如圖7所示。

圖7 門頭溝流域出口斷面的洪水過程模擬結(jié)果

從圖7 中可以看出，本輪降雨過程中，門頭溝出現(xiàn)了3 次洪峰過程，第1 次出現(xiàn)在7 月30 日，第2 次出現(xiàn)在7 月31日，第3次出現(xiàn)在8月1日。7月31日的洪峰流量最高，模擬值為512.6 m3/s，位于調(diào)查值426.3～625.8 m3/s 范圍內(nèi)，上下偏差分別為22.1%和-16.8%，基本滿足洪水預(yù)報(bào)值20%的精度要求。

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的合理性，本文選擇中昂時(shí)代西北跨河橋上游的龍門安全街橋進(jìn)行了過流分析計(jì)算。2023年8月13日災(zāi)后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該橋欄桿完好，橋下洪痕顯示最高水位時(shí)對應(yīng)的水深約為3.00 m，橋梁過流斷面如圖8 所示，由兩孔和左岸的三角斷面組成。此外，由于下游中昂時(shí)代西北跨河橋的阻滯作用，該段的縱坡降較緩，約為0.005，計(jì)算得到該過流斷面的洪峰流量為423.9～635.9 m3/s（表3），與下游中昂時(shí)代西北跨河橋的調(diào)查結(jié)果吻合，該段面沒有漫溢，因此計(jì)算的洪峰流量基本可信。

表3 龍門安全街橋洪峰流量推算表

圖8 龍門安全街橋斷面及主要尺寸（災(zāi)后調(diào)查）

3 結(jié) 語

本次門頭溝洪澇主要由極端強(qiáng)降雨導(dǎo)致，流域地形及支溝匯流結(jié)構(gòu)助推了“峰峰疊加”效應(yīng)，多種因素不利組合造成了這次特大災(zāi)害事件?；?023年7月27日至8月3日降雨數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)字流域模型模擬了門頭溝流域出口斷面洪水過程，洪峰流量與現(xiàn)場洪痕調(diào)查推算得到的峰值流量基本一致。本次門頭溝37 km2的流域面積出現(xiàn)了512.6 m3/s的洪峰流量，十分罕見。在中昂時(shí)代西北跨河橋現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其3 孔橋涵的實(shí)際過流能力為215.0～308.9 m3/s，遠(yuǎn)低于流域洪峰流量，因此出現(xiàn)了漫溢現(xiàn)象。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，位于其上游的龍門安全街橋和下游的新橋大街橋均未出現(xiàn)橋欄桿被沖毀的現(xiàn)象，說明中昂時(shí)代西北跨河橋所處的河道過流能力不足以應(yīng)對本次特大暴雨洪水，建議下一步災(zāi)害重建時(shí)全面復(fù)核北京門頭溝、房山等城區(qū)山洪溝跨溝橋梁的設(shè)計(jì)過流能力，考慮極端暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)，適當(dāng)提高跨溝橋涵的過流能力，避免因洪水溢流蔓延造成嚴(yán)重?fù)p失。