李芳華 潘興瑤 宋佳杰 陳建剛 周 星
(1.北京市水務(wù)應(yīng)急中心,北京 100038;2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院,北京 100048)
受2305 號(hào)臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”殘余環(huán)流影響,2023 年7 月29 日至8 月2 日,北京市遭遇歷史罕見(jiàn)特大暴雨,全市平均降雨量331 mm。大清河、永定河發(fā)生特大洪水,海河流域發(fā)生流域性特大洪水,此次洪水量級(jí)大、峰值高、起漲快、來(lái)勢(shì)猛。北京市內(nèi)永定河、大石河、拒馬河等多個(gè)流域干支流同時(shí)發(fā)生歷史性特大洪水。永定河盧溝橋洪峰流量4 650 m3/s,超50 年一遇,是1925 年以來(lái)最大洪水。大石河漫水河站洪峰流量5 300 m3/s,超200 年一遇,列歷史第1 位。拒馬河張坊站洪峰流量7 330 m3/s,列歷史第2 位。
為打好這次流域性特大洪水攻堅(jiān)戰(zhàn),北京市樹牢底線思維、極限思維,主動(dòng)防御、連續(xù)作戰(zhàn)、精細(xì)調(diào)度,全市防洪工程經(jīng)受住了大洪水考驗(yàn),未出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p毀情況,水庫(kù)有效發(fā)揮攔洪削峰錯(cuò)峰作用,實(shí)現(xiàn)了“保安全、多蓄水”的調(diào)度總體目標(biāo)。
永定河發(fā)源于內(nèi)蒙古高原的南緣和山西高原的北部,流域面積4.7×104km2。北京上游官?gòu)d水庫(kù)控制面積4.34×104km2,占全流域的92.3%,是流域中上游洪水調(diào)蓄的重要控制節(jié)點(diǎn)。永定河北京段(幽州—崔指揮營(yíng))主河道長(zhǎng)169.6 km,流域面積3 152 km2,占永定河流域總面積的6.7%。
按照河道不同特征和洪澇防御特點(diǎn),永定河北京段劃分為山峽段、盧三段和盧梁段。官?gòu)d水庫(kù)至三家店間的峽谷為山峽段,長(zhǎng)約91.2 km,河寬70~300 m,平均縱坡3.1‰,兩岸有沿河城溝、清水河、湫河等14 條主要支流匯入。三家店至盧溝橋段為盧三段,長(zhǎng)約17.6 km,此段河道已進(jìn)入低山區(qū)和平原區(qū),較為順直,河寬300~500 m,平均縱坡3‰,兩岸有門頭溝、高井溝等5 條主要支流匯入。盧溝橋至市界梁各莊為盧梁段,長(zhǎng)約60.8 km,兩岸均有堤防,河道縱坡1‰~0.38‰,此段河槽寬度變幅較大220~1 770 m,河道為地上懸河,主流左右迂回,兩岸險(xiǎn)工較多。
永定河北京段已形成由超122 km 干流堤防、官?gòu)d水庫(kù)、盧溝橋樞紐、大寧水庫(kù)、滯洪水庫(kù)、小清河蓄滯洪區(qū)等組成的防洪工程體系,防洪標(biāo)準(zhǔn)基本達(dá)到百年一遇的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。盧溝橋樞紐是永定河干流的控制性樞紐,包括盧溝橋攔河閘、小清河分洪閘,洪水經(jīng)小清河分洪閘入大寧水庫(kù)、滯洪水庫(kù)。洪水經(jīng)大寧水庫(kù)泄洪閘入小清河蓄滯洪區(qū)。
2.1.1 降雨預(yù)報(bào)
7 月28 日8 時(shí),臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”登陸前,氣象部門提前36 h 給出降雨總量、落區(qū)、雨強(qiáng)預(yù)測(cè)建議:預(yù)計(jì)北京全市累計(jì)降雨量250~300 mm,西部、南部及城區(qū)可達(dá)350 mm,個(gè)別點(diǎn)可達(dá)600 mm,最大雨強(qiáng)70~100 mm/h。
7 月29 日,氣象部門細(xì)化降雨時(shí)段預(yù)報(bào):西部、南部及城區(qū)可達(dá)300~500 mm。29 日20 時(shí)至30 日8 時(shí),全市大部分地區(qū)降雨量25~50 mm,西部、南部地區(qū)暴雨60~100 mm;30 日8 時(shí)至8 月1 日8 時(shí),全市大部分地區(qū)降雨量120~150 mm,西部、南部地區(qū)200~300 mm。31 日8 時(shí)至8 月1 日8 時(shí),全市大部分地區(qū)降雨量80~100 mm,西部、南部地區(qū)100~150 mm。8 月1 日8 時(shí)至2 日8 時(shí),全市大部分地區(qū)降雨量10~20 mm。
2.1.2 洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度策略
(1)流域洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度策略。7 月27 日,水利部、水利部海河水利委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱海委)預(yù)測(cè),受臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”影響,7 月28 日至8 月1 日,永定河等河系可能發(fā)生編號(hào)洪水。充分部署發(fā)揮骨干水庫(kù)攔洪削峰錯(cuò)峰作用,減輕下游防汛壓力;有序組織攔河閘壩預(yù)泄,提前降低河道水位迎汛,為河道行洪和城市排澇創(chuàng)造有利條件;做好蓄滯洪區(qū)運(yùn)用各項(xiàng)準(zhǔn)備。28 日,水利部組織海河流域防洪調(diào)度會(huì)商,給出永定河山峽區(qū)間為主產(chǎn)流域的結(jié)論,預(yù)計(jì)盧溝橋洪峰流量1 200 m3/s,提出“上游水庫(kù)能攔盡攔,中游水閘樞紐和蓄滯洪區(qū)精細(xì)調(diào)度,下游河道應(yīng)排盡排”總體應(yīng)對(duì)策略。海委預(yù)計(jì)盧溝橋洪峰流量將達(dá)1 000~1 200 m3/s,盧溝橋樞紐下泄流量可能達(dá)400 m3/s,研判永定河泛區(qū)可能行洪運(yùn)用,要求做好河道行洪管理,提醒落實(shí)永定河泛區(qū)預(yù)案,做好蓄滯洪區(qū)運(yùn)用準(zhǔn)備。
(2)北京市洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度策略。北京市利用“北京模型”開(kāi)展控制性工程、重要斷面洪水預(yù)報(bào),及時(shí)研判洪水總量和洪峰等關(guān)鍵要素,根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果和工程情況,按照流域統(tǒng)一安排,利用歷史洪水對(duì)比法、預(yù)案對(duì)比分析法等,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整具體工程調(diào)度策略。
7 月28 日,預(yù)報(bào)官?gòu)d水庫(kù)9 d 洪量為0.44 億~0.5 億m3,按照流域統(tǒng)一安排,確定官?gòu)d水庫(kù)采取閉閘攔蓄調(diào)度策略。滾動(dòng)預(yù)測(cè)齋堂水庫(kù)來(lái)水情況,7 月29 日23 時(shí),預(yù) 報(bào) 水 庫(kù)7 d 洪 量4 452 萬(wàn)m3,接 近 水 庫(kù) 總 庫(kù) 容4 600 萬(wàn)m3,決定實(shí)施水庫(kù)預(yù)泄調(diào)度,騰出調(diào)蓄空間;31 日8 時(shí),預(yù)報(bào)水庫(kù)7 d 洪量7 592 萬(wàn)m3,決定加大水庫(kù)下泄;31日9時(shí),考慮3列火車在沿河城至落坡嶺區(qū)間滯留情況,調(diào)整水庫(kù)調(diào)度策略,決定推遲大流量下泄;8 月1 日,預(yù)測(cè)齋堂水庫(kù)已進(jìn)入退水階段,決定調(diào)減下泄流量,為下游河道錯(cuò)峰。滾動(dòng)預(yù)測(cè)盧溝橋樞紐來(lái)水情況,7 月30 日,預(yù)報(bào)盧溝橋樞紐洪峰流量701 m3/s,按照流域統(tǒng)一安排,決定利用大寧、滯洪水庫(kù)分蓄洪水,控制盧溝橋攔河閘下泄流量。31日8時(shí),預(yù)報(bào)盧溝橋樞紐洪峰流量2 070 m3/s,峰現(xiàn)時(shí)間為31日16時(shí),提出加大盧溝橋攔河閘下泄流量,保障大寧、滯洪水庫(kù)工程安全的建議,逐小時(shí)研判大寧、滯洪水庫(kù)剩余調(diào)蓄能力,并將信息實(shí)時(shí)共享下游地區(qū),提請(qǐng)做好攔河閘加大下泄流量準(zhǔn)備;8 月1 日,按照流域統(tǒng)一安排,控制盧溝橋攔河閘下泄流量,綜合運(yùn)用上游齋堂水庫(kù)、三家店調(diào)節(jié)池調(diào)蓄洪水。
(1)官?gòu)d水庫(kù)洪水過(guò)程與調(diào)度措施。7 月29 日,官?gòu)d水庫(kù)水位475.51 m,相應(yīng)庫(kù)容45 447 萬(wàn)m3。按照調(diào)度策略,官?gòu)d水庫(kù)閉閘攔蓄,暫停向永定河進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。7月30日洪水開(kāi)始入庫(kù),最大實(shí)測(cè)入庫(kù)流量355 m3/s。8月2日到達(dá)汛限水位476.00 m。場(chǎng)次洪水過(guò)程水庫(kù)入庫(kù)總洪量7 221 萬(wàn)m3,攔洪率100%,削峰率100%。
(2)齋堂水庫(kù)洪水過(guò)程與調(diào)度措施。7 月29 日,北京市出現(xiàn)明顯降雨。30 日齋堂水庫(kù)開(kāi)始實(shí)施預(yù)泄調(diào)度,初始下泄流量40 m3/s。30日齋堂水庫(kù)最大入庫(kù)流量為190 m3/s,積極發(fā)揮水庫(kù)攔洪削峰作用,維持下泄流量40 m3/s。31 日水庫(kù)入庫(kù)流量達(dá)到峰值1 170 m3/s,最高庫(kù)水位461.54 m,超防洪高水位2.60 m,水庫(kù)逐級(jí)加大下泄流量至800 m3/s,水庫(kù)錯(cuò)峰超17 h。8 月1 日齋堂水庫(kù)處于退水階段,出庫(kù)流量由800 m3/s逐級(jí)調(diào)整至不大于150 m3/s。
(3)三家店樞紐洪水過(guò)程與調(diào)度措施。7 月30 日開(kāi)始泄洪,根據(jù)上游降雨和來(lái)水情況逐級(jí)加大下泄流量,31 日三家店攔河閘實(shí)施敞泄,最大洪峰流量達(dá)3 500 m3/s。洪峰過(guò)后,8 月1 日逐級(jí)減小三家店攔河閘下泄流量,充分利用三家店調(diào)節(jié)池?cái)r蓄洪水,實(shí)現(xiàn)為盧溝橋樞紐削峰。
(4)盧溝橋樞紐洪水過(guò)程與調(diào)度措施。7 月31 日,開(kāi)啟盧溝橋攔河閘泄洪,開(kāi)始最大下泄流量400 m3/s,其余經(jīng)小清河分洪閘入大寧水庫(kù)和滯洪水庫(kù)。隨著盧溝橋樞紐上游流量達(dá)到1 030 m3/s,14 時(shí)起,加大盧溝橋攔河閘下泄流量至700 m3/s。14 時(shí)30 分,盧溝橋樞紐上游流量達(dá)到峰值4 650 m3/s,按照洪水調(diào)度預(yù)案,攔河閘最大下泄流量不超過(guò)2 500 m3/s,其余洪水經(jīng)小清河分洪閘入大寧水庫(kù)和滯洪水庫(kù)進(jìn)行削峰攔洪,減小下游河北、天津地區(qū)永定河河道行洪壓力。8月1日6時(shí),關(guān)閉小清河分洪閘,大寧水庫(kù)和滯洪水庫(kù)蓄水量合計(jì)7 843萬(wàn)m3(總庫(kù)容8 000萬(wàn)m3),并綜合利用上游齋堂水庫(kù)、三家店調(diào)節(jié)池減小盧溝橋樞紐來(lái)水。
(1)防洪工程是實(shí)施洪水調(diào)度的重要基石。永定河流域各水庫(kù)在確保工程安全的基礎(chǔ)上,最大程度實(shí)施攔洪削峰,官?gòu)d水庫(kù)閉閘攔蓄全部洪水7 221萬(wàn)m3,攔洪率100%。齋堂水庫(kù)在入庫(kù)洪峰1 170 m3/s 的情形下,最大下泄流量150 m3/s,推遲大流量泄洪,錯(cuò)峰超17 h。大寧水庫(kù)、滯洪水庫(kù)累計(jì)蓄滯洪水7 500 萬(wàn)m3,將盧溝橋洪峰流量由4 650 m3/s 調(diào)低到北京出境時(shí)的1 330 m3/s,極大減輕了下游防洪壓力。
(2)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)是優(yōu)化調(diào)度的必要前提。暴雨洪水準(zhǔn)確預(yù)報(bào)是水工程調(diào)度準(zhǔn)備、預(yù)泄、優(yōu)化調(diào)整調(diào)度方案的前提。7 月28 日臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”登陸之前,即研判得出北京市將有暴雨到大暴雨,局地特大暴雨,永定河可能發(fā)生編號(hào)洪水或超警戒洪水的結(jié)論,為全面開(kāi)展調(diào)度準(zhǔn)備工作爭(zhēng)取主動(dòng)。根據(jù)預(yù)報(bào),提前36 h實(shí)施水庫(kù)、河道、湖泊、管網(wǎng)預(yù)泄騰容調(diào)度,騰出蓄洪空間1 800 萬(wàn)m3。洪水演進(jìn)過(guò)程中,為永定河山峽區(qū)間列車旅客預(yù)留轉(zhuǎn)移時(shí)間,逐小時(shí)訂正齋堂水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)并滾動(dòng)調(diào)度方案,推遲大流量下泄,既保證工程安全,又為下游人員轉(zhuǎn)移、洪水錯(cuò)峰創(chuàng)造了有利條件。
(3)基于雨情、水情、工情、險(xiǎn)情實(shí)時(shí)及其發(fā)展趨勢(shì)信息,動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)度策略是控制風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。全面掌握雨情、水情、工情、險(xiǎn)情等實(shí)時(shí)信息及其發(fā)展趨勢(shì),綜合考慮各因素實(shí)時(shí)會(huì)商,權(quán)衡利弊,動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)度策略是控制調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。降雨初期,齋堂水庫(kù)預(yù)泄流量不超過(guò)40 m3/s,齋堂水庫(kù)成為暴雨中心后,優(yōu)化調(diào)度策略,加大水庫(kù)下泄流量不超過(guò)800 m3/s,確保工程安全。永定河干流漲水階段,果斷開(kāi)啟小清河分洪閘,為下游泛區(qū)轉(zhuǎn)移預(yù)留時(shí)間,隨著山峽段和盧三段來(lái)水量加大,及時(shí)調(diào)整盧溝橋樞紐調(diào)度策略,逐級(jí)加大攔河閘下泄流量,適時(shí)關(guān)閉小清河分洪閘,保障大寧水庫(kù)、滯洪水庫(kù)工程安全;退水階段,根據(jù)上游來(lái)水情況再次調(diào)整調(diào)度策略,適時(shí)開(kāi)啟小清河分洪閘,控制盧溝橋攔河閘下泄流量不超過(guò)2 500 m3/s,保障下游盧梁段安全。
(4)科學(xué)精細(xì)調(diào)度是實(shí)施調(diào)度的重點(diǎn)??茖W(xué)精細(xì)調(diào)度進(jìn)一步提高了水工程調(diào)度的精準(zhǔn)性、針對(duì)性、可操作性,最大程度發(fā)揮了水工程綜合效益。此次小清河分洪閘、大寧水庫(kù)、滯洪水庫(kù)均為首次啟用,水庫(kù)較高水位運(yùn)行過(guò)程中,逐半小時(shí)聯(lián)合調(diào)度盧溝橋攔河閘與小清河分洪閘,保證工程安全基礎(chǔ)上,利用大寧水庫(kù)、滯洪水庫(kù)庫(kù)容全力削峰,挖掘齋堂水庫(kù)和三家店調(diào)節(jié)池調(diào)蓄空間,精細(xì)控制水位,確保了下游永定河盧梁段的行洪安全。
(5)流域統(tǒng)籌是效益最大化的保障。臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”登陸后,水利部、海委加密組織流域防洪調(diào)度會(huì)商,強(qiáng)化流域統(tǒng)一調(diào)度,綜合預(yù)報(bào)結(jié)果和流域工程情況,制定全流域調(diào)度策略。永定河山區(qū)洪水行進(jìn)至平原的關(guān)鍵時(shí)刻,水利部緊急組織京津冀防洪會(huì)商,果斷決策啟用永定河上的大寧水庫(kù)、滯洪水庫(kù),提前組織做好蓄滯洪區(qū)運(yùn)用準(zhǔn)備。實(shí)現(xiàn)了上游大型水庫(kù)攔洪、中游水庫(kù)調(diào)洪錯(cuò)峰、平原水庫(kù)滯洪、下游堤防行洪的綜合功能,為保障流域安全發(fā)揮了基礎(chǔ)性關(guān)鍵作用,最大程度減少了災(zāi)害損失。
(1)山峽區(qū)間洪水量級(jí)大來(lái)勢(shì)猛,預(yù)報(bào)調(diào)度難度大。北方流域洪水預(yù)報(bào)方案精度普遍不高,海河流域僅38%預(yù)報(bào)斷面正式發(fā)布。永定河山峽區(qū)間洪水陡漲陡落、峰高流急,且支流多,除清水河外其他支流均缺少水文監(jiān)測(cè)設(shè)施,進(jìn)一步增加了預(yù)報(bào)難度。此次洪水過(guò)程,官?gòu)d山峽區(qū)間及盧三段均產(chǎn)流明顯,平均降雨量分別為541 mm、510 mm,三家店洪峰流量3 500 m3/s,匯入盧三段支流來(lái)水,盧溝橋洪峰流量達(dá)4 650 m3/s,且從1 000 m3/s 上漲到4 650 m3/s 僅1.5 h,洪水量級(jí)大、峰值高、起漲快、來(lái)勢(shì)猛,預(yù)報(bào)難度大。
(2)突發(fā)緊急狀況多,對(duì)調(diào)度方案的普適性和可操作性要求高。調(diào)度規(guī)程是以設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪演算結(jié)果為依據(jù)的,不能考慮實(shí)際工程的各種突發(fā)狀況。實(shí)際調(diào)度過(guò)程中,暴露出預(yù)案規(guī)程與實(shí)時(shí)調(diào)度實(shí)踐不協(xié)調(diào)、精細(xì)化程度不高等問(wèn)題。例如齋堂水庫(kù)下泄過(guò)程中的火車滯留、盧溝橋樞紐運(yùn)用期間的分水堤豁口、滯洪水庫(kù)退水閘下游邊坡水毀、退水閘啟用條件不清晰等問(wèn)題,均需在調(diào)度過(guò)程中不斷調(diào)整調(diào)度方案,以滿足現(xiàn)實(shí)需求。下一步需根據(jù)防洪形勢(shì)、大洪水的調(diào)度實(shí)踐及調(diào)度目標(biāo),優(yōu)化完善調(diào)度規(guī)程及應(yīng)急狀態(tài)的調(diào)度程序,提高其靈活性和可操作性,為調(diào)度實(shí)踐提供指導(dǎo)和依據(jù)。
(3)流域協(xié)同任務(wù)重,需要更多智能化手段支持。盧溝橋樞紐是永定河干流的控制性樞紐,上游關(guān)系北京城區(qū)安全,下游涉及大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)及津冀兩地安全,流域協(xié)同要求高。上游山峽區(qū)間洪水峰值高、上漲速度快,雨水情監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)信息變化快、工程調(diào)度頻率高,導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)研判、調(diào)度方案制定、信息共享等事項(xiàng)增多。目前的信息化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了雨水情信息統(tǒng)析和水庫(kù)調(diào)洪演算,但還不具備實(shí)時(shí)預(yù)演風(fēng)險(xiǎn)、調(diào)度方案制定、調(diào)度請(qǐng)示、調(diào)度指令下發(fā)、調(diào)度信息反饋等功能,信息流轉(zhuǎn)還靠傳真等傳統(tǒng)方式,高頻調(diào)度時(shí),信息生成與流轉(zhuǎn)效率相對(duì)低下,如部分調(diào)度指令幾乎到執(zhí)行時(shí)間才能送達(dá)工程運(yùn)行管理單位,影響調(diào)度指令執(zhí)行。
(1)完善監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布局,提高洪水測(cè)報(bào)能力。完善水文站網(wǎng)布局,尤其完善永定河支流水文監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè),提高監(jiān)測(cè)設(shè)備防災(zāi)能力,提高數(shù)據(jù)保存、傳輸保障能力,提高水文監(jiān)測(cè)感知整體水平。強(qiáng)化實(shí)時(shí)感知信息在洪水預(yù)報(bào)模型中的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)齋堂水庫(kù)、盧溝橋樞紐等干支流控制性工程的精準(zhǔn)滾動(dòng)預(yù)報(bào),為實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度贏得時(shí)間,爭(zhēng)取主動(dòng)。
(2)細(xì)化調(diào)度指標(biāo),提高預(yù)案可操作性。在調(diào)度規(guī)程基礎(chǔ)上不斷細(xì)化、優(yōu)化預(yù)案調(diào)度指標(biāo),提高預(yù)案的可操作性。進(jìn)一步深化預(yù)報(bào)調(diào)度,完善大洪水及以上量級(jí)洪水情景下流域聯(lián)合調(diào)度措施,通過(guò)提前預(yù)泄挖掘水庫(kù)調(diào)蓄潛力,完善應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水措施。細(xì)化調(diào)度指標(biāo),減小泄量的大幅度突變對(duì)下游河道、堤防及重要基礎(chǔ)設(shè)施的不利影響。優(yōu)化應(yīng)急狀態(tài)下的調(diào)度程序,提高調(diào)度方式的靈活性,滿足下游工況發(fā)生復(fù)雜變化和突發(fā)緊急情況下的實(shí)際工作需求。
(3)加快智慧化建設(shè),提高調(diào)度管理效能。推動(dòng)數(shù)字孿生流域建設(shè),對(duì)水工程調(diào)度進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)演,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同調(diào)度方案下淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)、調(diào)度效益分析,提高調(diào)度決策效率。優(yōu)化實(shí)時(shí)調(diào)度方案管理,支持水工程調(diào)度指令的自動(dòng)生成與下發(fā),實(shí)現(xiàn)調(diào)度信息的自動(dòng)反饋。優(yōu)化信息共享平臺(tái),實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)省市間、市內(nèi)各級(jí)各部門間的調(diào)度信息高效共享。