新形勢下城市洪澇演變特征與聯(lián)防聯(lián)控技術(shù)研究

劉家宏12，梅超12，王佳12，李瑞棟3，程宸?

（1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)與水安全全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京；2.水利部數(shù)字孿生流域重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京；3.清華大學(xué)水圈科學(xué)與水利工程全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100084，北京；4.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100081，北京）

摘要：全球氣候變化背景下城市極端暴雨洪澇發(fā)生的頻率和強(qiáng)度呈上升趨勢，極端水文事件趨頻、趨強(qiáng)、趨廣。從洪澇演變特征、組合疊加效應(yīng)等方面分析了城市洪澇演變的新形勢，提出當(dāng)前城市洪澇防御面臨聯(lián)防聯(lián)控調(diào)度預(yù)案不完善、一體化監(jiān)測預(yù)警與智能決策系統(tǒng)缺乏等問題。面向新形勢下城市洪澇防控需求，研究提出了城市洪澇聯(lián)防聯(lián)控的技術(shù)流程，并在北運(yùn)河流域及北京城市副中心區(qū)域開展了應(yīng)用示范。對2024年7月30日北京大暴雨事件的測試應(yīng)用結(jié)果顯示，預(yù)報結(jié)果與實(shí)際積水情況一致性較好，滿足臨災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性要求。未來需進(jìn)一步細(xì)化臨災(zāi)預(yù)警的具體對象和技術(shù)要求，提升定向預(yù)警精準(zhǔn)性和時效性，為提升城市防洪排澇預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”能力提供科技支撐。

關(guān)鍵詞：氣候變化；極端水文事件；流域洪水；城市內(nèi)澇；聯(lián)防聯(lián)控

作者簡介：劉家宏，正高級工程師，主要從事水文水資源研究。

DOI:103969issn10001123202509004

新形勢下城市洪澇演變特征

1.氣候變化下極端水文事件趨頻趨強(qiáng)

全球氣候變化背景下，水循環(huán)過程進(jìn)一步加劇，極端水文事件呈現(xiàn)趨頻、趨強(qiáng)、趨廣態(tài)勢，突破歷史紀(jì)錄的水旱災(zāi)害事件頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致城市內(nèi)澇、江河洪水、山洪、泥石流等多災(zāi)并發(fā)。從國際看，2023年9月，全境主要為沙漠和半沙漠地區(qū)的利比亞遭受歷史罕見的洪澇災(zāi)害，導(dǎo)致東北部德爾納市的阿布·曼蘇爾（Abu Mansour）和比拉德（Belad）兩座水庫接連潰壩，造成德爾納市區(qū)約1/4的建筑倒塌或“完全破壞”，幾乎所有建筑受損，人員死亡失蹤數(shù)量刷新21世紀(jì)以來洪澇災(zāi)害傷亡紀(jì)錄；2024年4月17日，阿拉伯聯(lián)合酋長國迪拜遭遇1949年有記錄以來最強(qiáng)降雨，導(dǎo)致迪拜國際機(jī)場停機(jī)坪被淹，暫停航班降落兩個多小時；同年9月26日，美國東部邁阿密等地區(qū)遭遇颶風(fēng)暴雨洪澇，造成至少237人死亡，經(jīng)濟(jì)損失巨大；同年10月29日，西班牙瓦倫西亞地區(qū)遭遇極端暴雨洪水，造成當(dāng)?shù)刂辽?11人遇難，在當(dāng)?shù)匾惶幩淼纼?nèi)發(fā)現(xiàn)了40位遇難者，令人觸目驚心；2025年2月，南美洲玻利維亞、厄瓜多爾多地發(fā)生災(zāi)難性暴雨洪水，導(dǎo)致玻利維亞317個城市受災(zāi)，其中12個城市宣布進(jìn)入災(zāi)難狀態(tài)。從國內(nèi)看，2021年河南鄭州“7·20”特大暴雨最大單日降雨量接近年平均降雨量，一個小時的降雨量達(dá)到了201.9mm，刷新了當(dāng)?shù)匦r降水的歷史紀(jì)錄；2023年海河“23·7”流域性特大洪水期間，北京市平均降雨量331mm，其中房山區(qū)平均降雨量更是高達(dá)627.1mm，比多年平均年降雨量579.3mm還要多47.8mm；同年在我國香港特別行政區(qū)和廣東深圳市也發(fā)生了“9·7”特大暴雨洪澇災(zāi)害，極端超強(qiáng)暴雨事件突破了當(dāng)?shù)貧v史紀(jì)錄，給當(dāng)?shù)爻鞘兴踩珟砭薮筇魬?zhàn)。

2.城市洪澇組合疊加效應(yīng)凸顯

城市洪澇組合疊加效應(yīng)是指由流域外洪、城市內(nèi)澇等致災(zāi)因子疊加放大引發(fā)的一系列災(zāi)害現(xiàn)象。以2023年7月河北涿州洪澇事件為例，洪澇疊加往往會形成“夾擊效應(yīng)”，導(dǎo)致城市防洪排澇系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行甚至“失防”。涿州有北拒馬河、琉璃河、小清河等多條河流匯入，“23·7”期間，北拒馬河上游來水最大洪峰約4500m3/s，琉璃河和小清河來水也超過300m3/s，再加上當(dāng)?shù)貜?qiáng)降水（平均降水量達(dá)355.1mm）產(chǎn)生的內(nèi)澇積水，形成“疊加效應(yīng)”，對涿州城市防洪排澇造成巨大壓力。2024年7月，陜西寶雞市翡翠城小區(qū)的地下車庫進(jìn)水事件中，很重要的致災(zāi)原因是：小區(qū)毗鄰的石壩河上游山區(qū)暴雨誘發(fā)山洪泥石流，沖毀保護(hù)小區(qū)的防洪擋墻，疊加當(dāng)?shù)氐谋┯陱搅餍纬蔀?zāi)害放大效應(yīng)，導(dǎo)致地下車庫快速淹沒進(jìn)水；同時石壩河的洪水阻斷了救援通道，延遲了救援時間，形成災(zāi)害鏈效應(yīng)。面對極端暴雨條件下城市洪澇組合致災(zāi)和災(zāi)害鏈效應(yīng)，構(gòu)建以“全社會廣泛動員、多部門協(xié)同應(yīng)對、防御工程群聯(lián)合調(diào)度、防控信息全口徑共享、應(yīng)急資源全面統(tǒng)籌”等為主要特點(diǎn)的城市洪澇聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制與智能決策技術(shù)體系十分必要。

城市洪澇聯(lián)防聯(lián)控的主要短板

1.城市極端洪澇聯(lián)防聯(lián)控預(yù)案不完善

城市洪澇防控一方面需要加強(qiáng)防洪排澇工程建設(shè)，補(bǔ)齊基礎(chǔ)設(shè)施短板；另一方面需要強(qiáng)化聯(lián)防聯(lián)控預(yù)案等應(yīng)急能力建設(shè)。目前，我國重點(diǎn)防洪城市針對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水的防洪工程調(diào)度規(guī)則已相對完善，能夠有效支撐洪水的科學(xué)調(diào)度與管理。然而，對于超標(biāo)準(zhǔn)極端洪澇事件，尤其是超100年一遇、200年一遇及以上量級的特大洪澇事件，現(xiàn)有的調(diào)度預(yù)案尚不完善，針對性和可操作性有待提升。例如，2021年鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害事件中就出現(xiàn)了應(yīng)急預(yù)案實(shí)用性不強(qiáng)，以常態(tài)化目標(biāo)要求應(yīng)對重大雨情、汛情沒有精準(zhǔn)施策、措施空泛等問題。為提升防洪排澇體系在極端洪澇事件下的安全水平和防御能力，亟須進(jìn)一步細(xì)化、優(yōu)化城市超標(biāo)準(zhǔn)洪澇聯(lián)防聯(lián)控調(diào)度預(yù)案，明確極端條件下的工程調(diào)度原則及多方面協(xié)同應(yīng)對機(jī)制，編制面向超標(biāo)準(zhǔn)洪澇的預(yù)排預(yù)降與聯(lián)排聯(lián)調(diào)作業(yè)方案，提升防洪工程與排水防澇設(shè)施的綜合應(yīng)對能力，防控極端洪澇下的巨災(zāi)風(fēng)險。

2.流域-城市一體化監(jiān)測預(yù)警與智能決策系統(tǒng)缺乏

當(dāng)前流域防洪和城市內(nèi)澇防治仍存在“洪澇分治”等問題。流域防洪由水利或應(yīng)急管理部門主導(dǎo)，城市內(nèi)澇防治一般由住建或市政部門主導(dǎo)，例如鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害調(diào)查報告就指出“鄭州市設(shè)置了防汛抗旱指揮部、城市防汛指揮部、氣象災(zāi)害防御指揮部、突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急指揮部等4個指揮機(jī)構(gòu)，辦公室分別設(shè)在應(yīng)急管理局、城管局、氣象局、資源規(guī)劃局”。流域防洪和城市防汛兩套指揮體系各自建設(shè)的流域防洪調(diào)度決策支持系統(tǒng)和防汛決策支持系統(tǒng)相對獨(dú)立，數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通不足，難以實(shí)現(xiàn)“流域-城市”外洪內(nèi)澇協(xié)同應(yīng)對、工程蓄泄及強(qiáng)排能力動態(tài)分配、水工程聯(lián)合調(diào)度等系統(tǒng)性優(yōu)化。因此，亟須統(tǒng)籌流域防洪工程和城市排水防澇設(shè)施體系，構(gòu)建城市洪澇聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急指揮決策智能化系統(tǒng)，支撐城市及周邊區(qū)域“蓄、滯、疏、排、泄”等不同類型工程設(shè)施的科學(xué)調(diào)度，最大限度降低極端降雨情景下的城市洪澇風(fēng)險，全面提升防洪排澇綜合效能。

城市洪澇聯(lián)防聯(lián)控技術(shù)研究

2024年11月，國家防汛抗旱總指揮部辦公室印發(fā)了《關(guān)于切實(shí)做好城市洪澇聯(lián)排聯(lián)調(diào)工作的通知》，明確要求加強(qiáng)部門協(xié)調(diào)聯(lián)動，健全城區(qū)排澇通道、泵站、閘門、排水管網(wǎng)與周邊江河湖海、水庫等洪澇聯(lián)排聯(lián)調(diào)機(jī)制，堅(jiān)持立足全局、洪澇統(tǒng)籌，強(qiáng)化信息共享，提升調(diào)度管理水平。為此，本研究以北運(yùn)河流域和北京城市副中心為對象研發(fā)了城市外洪內(nèi)澇聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急指揮決策智能化系統(tǒng)，初步構(gòu)建了雨水情監(jiān)測預(yù)報“三道防線”，有效支撐了預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”能力的提升。

1.技術(shù)流程

城市外洪內(nèi)澇聯(lián)防聯(lián)控技術(shù)流程如下圖所示，主要包含監(jiān)測預(yù)報、智能預(yù)警、模擬預(yù)演、決策預(yù)案等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

城市外洪內(nèi)澇聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急指揮決策智能化系統(tǒng)技術(shù)流程

監(jiān)測預(yù)報的核心功能是融合氣象衛(wèi)星、測雨雷達(dá)、氣象站網(wǎng)、水文站網(wǎng)等獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展智能網(wǎng)格遞進(jìn)式降水預(yù)報，進(jìn)而基于短期、短臨遞進(jìn)式降水預(yù)報信息和水文站實(shí)時監(jiān)測信息開展流域-城市一體化的洪澇水文水動力過程模擬和預(yù)報。智能預(yù)警是在監(jiān)測預(yù)報和模擬預(yù)演的基礎(chǔ)上，開展災(zāi)害鏈分析，識別人群、道路交通和城市生命線基礎(chǔ)設(shè)施的風(fēng)險，精準(zhǔn)定位風(fēng)險區(qū)，并面向風(fēng)險區(qū)和風(fēng)險人群發(fā)布定制化的預(yù)警信息，相比傳統(tǒng)提前24h面向全城發(fā)布相同內(nèi)容的“預(yù)警提示”，本研究提出的“臨災(zāi)預(yù)警”提示內(nèi)容更加具體、針對性更強(qiáng)。例如，2024年7月30日11時，系統(tǒng)就向北京市通州區(qū)發(fā)布提示：“未來3h積水將超過30厘米，請玉橋街道人群遠(yuǎn)離以下積水區(qū)域：史家小學(xué)周邊、張家灣姚辛莊西側(cè)、京沈高速橋涵洞、孫各莊家園路口、7090小區(qū)門口道路、玉橋西路鐵路橋、范莊公鐵立交橋、玉橋中路鐵路橋、北關(guān)立交橋怡樂北街西總屯村門口?！蹦M預(yù)演主要是針對未來可能的暴雨洪澇情景，考慮流域上游水庫和城市排澇設(shè)施的調(diào)度運(yùn)用，開展不同場景下的洪澇過程和災(zāi)害動力學(xué)模擬預(yù)演，輸出不同洪澇情景和防洪排澇設(shè)施聯(lián)排聯(lián)調(diào)運(yùn)用場景下的洪澇風(fēng)險區(qū)及風(fēng)險等級。決策預(yù)案是在模擬預(yù)演的基礎(chǔ)上生成城市洪澇防御動態(tài)預(yù)案集，并根據(jù)實(shí)時監(jiān)測信息，滾動調(diào)整優(yōu)化水庫、泵站等防洪排澇設(shè)施的聯(lián)排聯(lián)調(diào)方案和防汛救援方案（致災(zāi)因子強(qiáng)度超出防御能力閾值且出現(xiàn)災(zāi)害時需要此方案），向防汛部門提供決策支持。

2.應(yīng)用示范

基于上述技術(shù)流程，研發(fā)了覆蓋北運(yùn)河流域及北京城市副中心的城市外洪內(nèi)澇聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急指揮決策智能化系統(tǒng)（見下圖）。2024年6—9月，系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)戰(zhàn)場景測試和技術(shù)應(yīng)用示范。應(yīng)用示范期間經(jīng)歷了7月30日暴雨事件，下面以本次事件應(yīng)對為例介紹城市洪澇聯(lián)防聯(lián)控技術(shù)的主要參數(shù)。

城市外洪內(nèi)澇聯(lián)防聯(lián)控應(yīng)急指揮決策智能化系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)報功能于2024年7月24日分析大氣環(huán)流態(tài)勢，感知到29日北京地區(qū)水汽足、對流條件好，25日中期預(yù)報顯示30日全市有中雨，26日預(yù)報北京30日—31日面雨量超50mm。29日8時預(yù)報未來24h北京將開始出現(xiàn)中到大雨，30日8時預(yù)報未來24h將出現(xiàn)暴雨、局地超100mm大暴雨，智能網(wǎng)格短期降雨預(yù)報的空間分辨率達(dá)到1km。事后對比結(jié)果顯示，本場降雨的預(yù)報結(jié)果與實(shí)況累積降雨的空間分布趨勢和降雨量級一致，對市域東北部出現(xiàn)大暴雨有參考意義（見下圖），為智能預(yù)警、模擬預(yù)演和決策預(yù)案提供了高質(zhì)量的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在30日預(yù)報出現(xiàn)局地大暴雨風(fēng)險后，實(shí)時滾動開展未來0~3h的500m網(wǎng)格分辨率短臨降雨預(yù)報，更新未來降雨趨勢。

▲2024年7月30日8時—31日8時降雨預(yù)報與實(shí)況降雨對比

在30日的降雨過程中，實(shí)時生成經(jīng)過衛(wèi)星和地面氣象站訂正、插補(bǔ)后的100m/10min高時空分辨率天氣雷達(dá)QPE（見下圖），精細(xì)捕捉降雨分布和演變趨勢，為洪澇聯(lián)防聯(lián)控提供雨情信息。

2024年7月30日8時與10時雷達(dá)QPE與實(shí)況降雨對比

基于上述降雨預(yù)報和監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照30min間隔滾動交替進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、模型熱啟動計(jì)算和結(jié)果報送，確保每0.5h采用最新的降雨驅(qū)動信息，動態(tài)推演分析流域-城市洪澇演進(jìn)（輸出二維水深分布圖）與區(qū)域交通受損（輸出交通通行速度分布圖）情況，由此識別風(fēng)險區(qū)域和涉險對象，定制預(yù)警信息，并進(jìn)行定向發(fā)布（見下圖）。

流域-城市洪澇演進(jìn)過程及交通風(fēng)險推演結(jié)果

基于模型滾動計(jì)算結(jié)果，在三維數(shù)字孿生場景中通過模型網(wǎng)格輕量化預(yù)處理解析，實(shí)現(xiàn)前端展示與后臺計(jì)算間的聯(lián)動更新，實(shí)時渲染積水淹沒區(qū)域，與傾斜攝影模型疊加直觀展現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施受災(zāi)程度，為防汛部門預(yù)演洪澇致災(zāi)過程提供示算一體的預(yù)案決策支持（見下圖）。

模型計(jì)算結(jié)果在三維數(shù)字孿生場景中的動態(tài)展示

對2024年7月30日積水風(fēng)險預(yù)報結(jié)果與實(shí)測積水點(diǎn)位進(jìn)行對照復(fù)盤分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)報結(jié)果與實(shí)際積水情況基本相符，有無積水的預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)70%，積水深度預(yù)報誤差在10cm以內(nèi)的點(diǎn)位占比超80%，有效提高了臨災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性。

結(jié)論和展望

在氣候變化逼近臨界點(diǎn)、極端降水強(qiáng)度和城市擴(kuò)張規(guī)模突破原有排水防澇工程設(shè)施設(shè)計(jì)能力的新形勢下，城市防洪排澇面臨的問題日益突出。本研究分析了全球氣候變化背景下極端水文事件的演變趨勢，剖析了流域洪水與城市內(nèi)澇的組合特征及災(zāi)害鏈效應(yīng)；針對城市防洪排澇面臨的聯(lián)防聯(lián)控調(diào)度預(yù)案不完善、一體化監(jiān)測預(yù)警與智能決策系統(tǒng)缺乏等問題，重點(diǎn)研究提出了城市洪澇聯(lián)防聯(lián)控技術(shù)流程，并在北京市北運(yùn)河流域及城市副中心區(qū)域開展了應(yīng)用示范。通過技術(shù)研發(fā)和試運(yùn)行應(yīng)用，提升了降水監(jiān)測預(yù)報的時空分辨率，0~72h短期、0~3h短臨降雨預(yù)報空間分辨率分別達(dá)到1km和500m，1h實(shí)時雷達(dá)QPE時空分辨率提升至100m/10min，可精細(xì)捕捉暴雨分布和演變趨勢?；诟邥r空分辨率降雨監(jiān)測預(yù)報數(shù)據(jù)，構(gòu)建了流域-城市跨尺度外洪內(nèi)澇耦合模型，能夠?qū)崿F(xiàn)以30min為更新間隔滾動推演流域-城市洪澇水文水動力過程，動態(tài)識別風(fēng)險區(qū)域和涉險對象，定向發(fā)布定制預(yù)警信息。2024年7月30日北京大暴雨事件的測試應(yīng)用結(jié)果顯示與實(shí)際積水情況一致性較好，滿足臨災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性要求。未來需進(jìn)一步考慮人口、車輛等可移動承災(zāi)體的預(yù)警信息接收能力與響應(yīng)行為特征，利用多源社會感知與大語言模型智能體技術(shù)，細(xì)化臨災(zāi)預(yù)警的具體對象和技術(shù)要求，提升預(yù)警精準(zhǔn)性和時效性。

Abstract: Under the global climate change, the frequency and intensity of extreme urban rainstorm floods are rising, which makes the extreme hydrological events becoming more frequent, stronger, and more widespread. The new trend of urban flood events has been analyzed in terms of flood evolution characteristics and combined superimposition effects. The current urban flood defense is facing problems like imperfect joint prevention and control dispatch plans, as well as the lack of an integrated monitoring, early warning, and intelligent decision-making system. In response to the needs of urban flood prevention and control under the new situation, a technical framework for joint prevention and control of urban foods has been proposed. The application and demonstration have been carried out in the North Canal Basin and the Beijing Sub-center Urban Area. The test application results of the heavy rainstorm event in Beijing on July 30, 2024, show good consistency between forecast results and actual waterlogging conditions, meeting the accuracy requirements for imminent disaster warnings. In the future, it is necessary to further refine technical requirements of imminent disaster warnings for specific targets, which could enhance the precision and timeliness of targeted warnings. The proposed technical measures can provide scientific support to improve the preventive capabilities, including prediction, early warning, rehearsal and pre-plan for urban flood prevention.

Keywords: climate change; extreme hydrological events; river flood; urban pluvial flood; joint prevention and control

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封面攝影謝雷

責(zé)編｜李博遠(yuǎn)

校對劉磊寧

審核王慧

監(jiān)制軒瑋

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