北京涼水河暴雨洪水特征規(guī)律研究

李永坤 ，臧 敏 ，潘興瑤 ，劉 超 ，趙小偉

（1．北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，100048，北京；2．北京市水文總站，100089，北京；3．北京市非常規(guī)水資源開(kāi)發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)研究中心，100048，北京）

北京涼水河暴雨洪水特征規(guī)律研究

李永坤1,3，臧 敏2，潘興瑤1,3，劉 超2，趙小偉2

（1．北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，100048，北京；2．北京市水文總站，100089，北京；3．北京市非常規(guī)水資源開(kāi)發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)研究中心，100048，北京）

應(yīng)用徑流系數(shù)、基尼系數(shù)及馬斯京根分段演算法，系統(tǒng)分析2016年“7·20”與2012年“7·21”北京遭遇的兩場(chǎng)典型暴雨中涼水河降雨徑流特征規(guī)律，認(rèn)為涼水河流域暴雨洪水呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的城市化特點(diǎn)，降雨序列基尼系數(shù)和洛倫茨不對(duì)稱系數(shù)相對(duì)較大，洪水序列峰型系數(shù)較小，大紅門(mén)以上流域匯流時(shí)間僅為2小時(shí)，大紅門(mén)演進(jìn)洪峰約占張家灣洪峰的56%。通過(guò)研究提出從精細(xì)化模型構(gòu)建、管理體制理順、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用、海綿城市建設(shè)等方面的應(yīng)對(duì)措施和建議。

涼水河；暴雨洪水；徑流系數(shù)；北京市

一、概 況

涼水河位于北京市中心城區(qū)南部，發(fā)源于石景山區(qū)首鋼退水渠，于通州區(qū)榆林莊匯入北運(yùn)河。涼水河玉泉路石槽橋以上段稱人民渠，自人民渠至北運(yùn)河入河口河長(zhǎng)67．21 km，流域面積696．3 km2。上游大紅門(mén)閘距源頭 22．56 km，流域面積 127 km2，下游張家灣閘距源頭57．46 km，是全市洪水預(yù)警重點(diǎn)控制斷面，也是匯入北運(yùn)河的控制斷面，流域面積660 km2。涼水河是北京城市河湖“南分洪”的重要排洪河道，通過(guò)分洪道閘與西南護(hù)城河連通?，F(xiàn)狀北運(yùn)河楊洼閘下游行洪能力不足，控泄流量標(biāo)準(zhǔn)為1 000 m3/s，開(kāi)展涼水河降雨—徑流響應(yīng)關(guān)系分析，對(duì)指導(dǎo)該流域防洪排澇應(yīng)急管理具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本文系統(tǒng)收集了2012年 “7·21”和 2016 年“7·20”兩場(chǎng)典型降雨盧溝橋、右安門(mén)、大紅門(mén)、黃村和馬駒橋5處代表性雨量站實(shí)測(cè)降雨序列，分洪道閘、大紅門(mén)、張家灣3處水文站實(shí)測(cè)流量序列。通過(guò)泰森多邊形劃分計(jì)算面平均雨量，整理得出流域場(chǎng)次暴雨洪水過(guò)程?；趶搅飨禂?shù)法、基尼系數(shù)及馬斯京根分段演算法對(duì)涼水河流域的暴雨洪水特征規(guī)律進(jìn)行了分析。

二、降雨徑流特征分析

1.降雨特征分析

2012 年“7·21”特大暴雨屬典型對(duì)流云強(qiáng)降雨，涼水河流域降雨總量160 mm，根據(jù)《北京市水文手冊(cè)》流域多年平均24小時(shí)降雨量110 mm，變差系數(shù)值0．675，通過(guò)頻率曲線適線軟件分析，降雨重現(xiàn)期不足10年一遇。降雨歷時(shí)14小時(shí)，降雨時(shí)間分配不均，場(chǎng)次暴雨基尼系數(shù)為0．54，洛倫茨不對(duì)稱系數(shù)1．07，降雨集中時(shí)段19～21時(shí)3小時(shí)累積雨量占場(chǎng)次降雨量的63%。局地雨強(qiáng)大，流域最大平均雨強(qiáng)36 mm/h，盧溝橋站最大雨強(qiáng)77 mm/h，超過(guò)極端暴雨量級(jí)。降雨量空間分布不均，主要集中在上游大紅門(mén)流域，大紅門(mén)流域降雨總量192 mm，最大平均雨強(qiáng)68 mm/h。強(qiáng)降雨遠(yuǎn)超過(guò)區(qū)域道路排水能力，大瓦窯橋、正陽(yáng)橋及六里橋等12處道橋積水嚴(yán)重，其中7處積水深度超過(guò)30 cm。

2016 年“7·20”特大暴雨屬層狀云為主的混合型降雨，流域降雨總量267 mm，大于20年一遇小于30年一遇。降雨歷時(shí)44小時(shí)，降雨量時(shí)間分配不均，場(chǎng)次暴雨基尼系數(shù)為0．64，洛倫茨不對(duì)稱系數(shù)1．17，降雨主要集中在 8～13時(shí)以及 17～20時(shí)兩個(gè)時(shí)段，累積雨量占場(chǎng)次降雨總量的62%。局地雨強(qiáng)較大，流域最大平均雨強(qiáng)28 mm/h，大紅門(mén)站最大雨強(qiáng)58 mm/h，接近極端暴雨量級(jí)。降雨量空間分布不均，自上游向下游遞減，大紅門(mén)流域降雨總量307 mm，大于30年一遇小于40年一遇，流域最大平均雨強(qiáng)32 mm/h。

2.徑流特征分析

2012 年“7·21”涼水河流域洪峰流量790 m3/s，為歷史最大洪峰，洪峰出現(xiàn)在雨峰后4小時(shí)內(nèi)，峰型系數(shù)0．18，洪水陡漲陡落，峰型屬尖瘦型，見(jiàn)圖 1。 2012年“7·21”城市河湖啟用南分洪，涼水河承擔(dān)通惠河外部洪水371萬(wàn)m3，占張家灣洪水總量的30%，相當(dāng)于分泄分洪道閘上游通惠河 142．98 km2流域范圍內(nèi)徑流量 26 mm。張家灣流域徑流總量56 mm，綜合徑流系數(shù)0．35。大紅門(mén)流域洪峰流量513 m3/s，超過(guò) 20年一遇，洪峰出現(xiàn)在雨峰后1小時(shí)內(nèi)，峰型系數(shù)0．30。 大紅門(mén)流域徑流總量 68 mm，洪水總量占張家灣的23%，綜合徑流系數(shù)0．35。大紅門(mén)至張家灣洪水傳播時(shí)間約為3小時(shí)。大紅門(mén)、張家灣和大紅門(mén)—張家灣區(qū)間徑流系數(shù)基本保持一致。見(jiàn)表1。

2016 年“7·20”涼水河流域洪峰流量676 m3/s，為歷史第二大洪峰，洪峰出現(xiàn)在雨峰后11小時(shí)內(nèi)，峰型系數(shù)0．29，見(jiàn)圖2。涼水河承擔(dān)通惠河外部洪水總量342萬(wàn)m3，占張家灣斷面洪水總量的14%，相當(dāng)于分泄通惠河徑流量24 mm。張家灣流域徑流總量70 mm，綜合徑流系數(shù)0．26。大紅門(mén)流域洪峰流量513 m3/s，洪峰出現(xiàn)在雨峰后1小時(shí)內(nèi)，峰型系數(shù)0．19。大紅門(mén)流域徑流總量156 mm，洪水總量占張家灣的43%，綜合徑流系數(shù)0．51。大紅門(mén)至張家灣洪水傳播時(shí)間約為10小時(shí)。大紅門(mén)、張家灣和大紅門(mén)—張家灣區(qū)間徑流系數(shù)差別較大，大紅門(mén)為張家灣的近2倍，詳見(jiàn)表1。

表1 涼水河流域降雨徑流特征統(tǒng)計(jì)表

三、大紅門(mén)—張家灣區(qū)間洪水演算分析

通過(guò)馬斯京根河道洪水演算分析在不考慮區(qū)間來(lái)水情況下，大紅門(mén)至張家灣的洪水傳播時(shí)間及演進(jìn)洪峰對(duì)張家灣洪峰流量的貢獻(xiàn)程度。根據(jù)大紅門(mén)、張家灣斷面水位—流量關(guān)系曲線以及實(shí)測(cè)斷面資料，建立流量—流速關(guān)系曲線，分量級(jí)統(tǒng)計(jì)河段平均流速。由于大紅門(mén)和張家灣兩站實(shí)測(cè)斷面可近似看作矩形，參考矩形斷面波速與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算河段平均波速。進(jìn)一步根據(jù)公式，得出河段蓄量常數(shù)值為3．22。洪水傳播時(shí)間計(jì)算表見(jiàn)表2。

表2 大紅門(mén)—張家灣洪水傳播時(shí)間計(jì)算表（L=36km）

基于馬斯京根分段連續(xù)演算，2012 年“7·21”大紅門(mén)洪峰流量 513 m3/s演算至張家灣約為438 m3/s，2016年“7·20”大紅門(mén)洪峰流量 513 m3/s演算至張家灣約為476 m3/s，兩場(chǎng)降雨上游大紅門(mén)演進(jìn)洪峰約占張家灣洪峰流量的56%。馬斯京根洪水演算結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

四、結(jié)論與建議

1.結(jié)論

①?zèng)鏊恿饔虮┯旰樗鞘刑攸c(diǎn)顯著。場(chǎng)次降雨基尼系數(shù)均大于0．5，洛倫茨不對(duì)稱系數(shù)均大于1，降雨時(shí)間分布不均，高度集中在特定時(shí)段內(nèi)。峰型系數(shù)均較小，洪水過(guò)程屬尖瘦型。兩場(chǎng)降雨大紅門(mén)站洪峰滯時(shí)約為1小時(shí)，即流域匯流時(shí)間約為2小時(shí)，匯流速度快，符合城市洪水特點(diǎn)。

②兩場(chǎng)降雨的流域降雨徑流特征有所區(qū)別。2016 年“7·20”降雨總量為 2012 年“7·21”的 1．7 倍，徑流總量為1．3倍，洪峰流量為86%，兩場(chǎng)降雨徑流系數(shù)相差不大。 2012年“7·21”大紅門(mén)、張家灣和大紅門(mén)—張家灣區(qū)間徑流系數(shù)基本保持一致，2016年 “7·20”大紅門(mén)徑流系數(shù)為張家灣的近2倍。

③涼水河分泄中心城區(qū)洪水效益顯著。 2012 年“7·21”和 2016 年“7·20”兩場(chǎng)降雨過(guò)程中，涼水河承擔(dān)通惠河南分洪總量相差不大，分別相當(dāng)于上游通惠河142.98 km2流域范圍內(nèi)26 mm和24 mm的徑流量，一定程度上緩解了中心城區(qū)的河道行洪壓力。南分洪量占張家灣洪水總量比例有所差別，2012 年“7·21”洪量比例遠(yuǎn)高于 2016 年“7·20”洪量。

圖1 2012年“7·21”涼水河流域洪水過(guò)程線

圖2 2016年“7·20”涼水河流域洪水過(guò)程線

圖3 2012年“7·21”大紅門(mén)—張家灣洪水演算結(jié)果

圖4 2016年“7·20”大紅門(mén)—張家灣洪水演算結(jié)果

④涼水河流域暴雨洪水頻率不同。 2012年“7·21”降雨總量?jī)H為 10年一遇，2016 年“7·20”降雨總量大于20年小于30年一遇，但大紅門(mén)洪峰流量均超過(guò)20年一遇。初步分析其原因，2012 年“7·21”極端強(qiáng)降雨以超滲產(chǎn)流為主，流域部分匯流，洪水陡漲陡落，下游張家灣洪峰受上游大紅門(mén)影響顯著。 2016年“7·20”特大暴雨以蓄滿產(chǎn)流為主，流域全面匯流，降雨徑流全部順暢匯流至河道，下游張家灣洪峰流量受區(qū)間洪水影響明顯。

2.建議

鑒于上述涼水河暴雨洪水表現(xiàn)出的城市化特點(diǎn)，預(yù)警響應(yīng)時(shí)間極短，要求防汛指揮部門(mén)在極短時(shí)間內(nèi)綜合配置應(yīng)急資源，需加強(qiáng)以下研究：

①推進(jìn)北京城市洪澇模擬示范建設(shè)。加強(qiáng)涼水河流域精細(xì)化洪澇模型技術(shù)研究，從流域尺度系統(tǒng)分析上下游洪水演進(jìn)及區(qū)間產(chǎn)匯流規(guī)律，評(píng)估河道行洪能力和管網(wǎng)排澇能力，從區(qū)域尺度研究洪澇模型參數(shù)適用規(guī)律，定量河道洪水頂托對(duì)管網(wǎng)排水的影響，建立關(guān)鍵易澇部位的積水風(fēng)險(xiǎn)臺(tái)賬，以合理布控應(yīng)急資源，為涼水河流域防洪排澇精細(xì)化管理提供重要參考。

②實(shí)行流域防洪排澇一體化管理。由于城市防洪與城市排澇屬水務(wù)與市政兩個(gè)獨(dú)立部門(mén)，使管網(wǎng)與河道銜接關(guān)系、管道排水與閘壩調(diào)度相互脫節(jié)，從根本上甄別城市暴雨洪水演變規(guī)律，需要實(shí)施防洪排澇統(tǒng)一管理，建立涵蓋排水管線、入河口、閘壩的水情監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)共享管網(wǎng)與河道監(jiān)測(cè)信息，識(shí)別重要節(jié)點(diǎn)的降雨徑流特征規(guī)律。

③確立以內(nèi)澇防治為目標(biāo)海綿城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。2016年4月北京入選第二批海綿城市試點(diǎn)，北京地區(qū)85%年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)日降雨量8～44mm，僅能夠應(yīng)對(duì)中小重現(xiàn)期降雨。建議制定以內(nèi)澇防治為目標(biāo)控制指標(biāo)，建立建筑屋面—綠地—硬化地面—雨水管渠—城市河道五位一體水源涵養(yǎng)型城市下墊面，配套疏導(dǎo)、滯蓄、預(yù)警、應(yīng)急等措施，使北京海綿城市建設(shè)能夠應(yīng)對(duì)各種重現(xiàn)期降雨。

④深化“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)防汛應(yīng)急管理中的應(yīng)用。應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，將多部門(mén)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，挖掘規(guī)

律性成果支撐指揮決策?？筛鶕?jù)手機(jī)基站的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶位移信息，匹配防洪排澇重點(diǎn)部位高精度邊界范圍，計(jì)算區(qū)域人群密度與人流速度，融合洪澇實(shí)測(cè)及模擬結(jié)果，并進(jìn)行渲染聚類，實(shí)現(xiàn)汛情、災(zāi)情和險(xiǎn)情的快速可視化匯總分析。

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Examination of characters of rainstorm of Liangshui River in Beijing

//Li Yongkun,Zang Min,Pan Xingyao,Liu Chao,Zhao Xiaowei

Comparative analysis has been conducted on the characters of typical rainstorm in Liangshui River in Beijing on 20 July 2016 and 21 July 2012,with runoff coefficient,Gini Coefficient and Muskingum segmentation algorithm．It is considered that the rainstorm flood in Liangshui River Basin appears a strong urbanized character,with a relatively big Gini coefficient and Lorenz asymmetry coefficient of rainfall sequence,but relatively small peak shape coefficient of flood series．The concentration time in the upper stream of Dahongmen was only 2 hours and flood discharging from Dahongmen to Zhangjiawan was about 3 hours．Evolution of flood peak of Dahongmen took about 56%of that of Zhangjiawan．Therefore,it is recommended to take measures in the aspects of precise model creation,improvement of management system and application of internet plus and sponge city construction．

Liangshui River;rainstorm flood;runoff coefficient;Beijing

TV122．1

B

1000-1123（2017）19-0057-03

2017-09-21

李永坤，工程師，主要從事流域水文模擬及城市雨洪利用研究工作。

責(zé)任編輯 韋鳳年