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北京市门头沟新城“23·7”特大暴雨洪水灾害成因分析及对策研究

张    义  魏保义  费明龙  索    滢

北京市城市规划设计研究院

引用格式：张义，魏保义，费明龙，等. 北京市门头沟新城“23·7”特大暴雨洪水灾害成因分析及对策研究[J]. 中国防汛抗旱，2024，34（10）：15−19.

摘    要：基于洪水调查及模型反演，使用地质灾害监测雨量站监测数据和2 m精度数字高程模型（DEM）数据，对北京市门头沟新城“23·7”特大暴雨洪水进行反演复盘，分析灾害产生的原因，暴露出门头沟新城现状防洪系统在山洪截流疏导、防洪河道治理、城市竖向建设和应急管理等方面存在的短板，提出了相关改进策略，并结合模型模拟结果评估了相关改进策略的效果，进一步展望了城市洪涝模型在城市防洪和韧性提升规划建设工作中的作用。

关键词：“23·7”特大暴雨洪水; 洪水反演; 复盘分析; 门头沟新城; 北京市

基金项目: 北京市社会发展领域科技攻关项目 （揭榜挂帅）（Z221100005222022）

1 背　景

1.1 门头沟新城流域概况

北京门头沟区除南部潭柘寺镇属于大清河流域外，包括门头沟新城在内的其他区域基本位于永定河流域。门头沟新城西、北、南3侧受到山势包围，东侧为按100年一遇标准设防的永定河右堤，门头沟新城流域相对独立，新城内主要包括城子沟、门头沟、中门寺沟和冯村沟4个永定河一级支流子流域。

门头沟新城整体防洪标准为50年一遇，城区城子沟、门头沟、中门寺沟和冯村沟4条主干防洪排水河道规划治理标准均为50年一遇，4条河道长度分别为3.2 km、10.3 km、8.3 km和11.4 km，河道纵坡为1‰～5‰。4条河道流域总面积约72 km²，其中冯村沟流域面积最大，约为50.6 km²；流域内建设区面积约30 km²。

1.2 “23·7”特大暴雨洪水基本情况

受2305号台风“杜苏芮”北上的残余环流与冷空气共同影响，2023年7月底至8月初，海河全流域出现强降雨过程，累计面降雨量155.3 mm。受强降雨影响，海河流域有22条河流发生超警戒以上洪水，8条河流发生有实测资料以来的最大洪水，海河流域发生了流域性特大洪水，是1963年以来海河流域最大的场次洪水。北京市7月29日20时至8月2日7时出现特大暴雨，累计降雨时长达83 h，全市平均降雨量331 mm，为多年平均降雨量585 mm的57%。特大暴雨导致永定河、大石河、拒马河等多个流域干支流同时发生历史性特大洪水，洪水来势快、量级大、峰值高，永定河卢沟桥洪峰流量仅2 h就从1 000 m³/s上升至峰值4 650 m³/s，超50年一遇，是1925年以来的最大洪峰。

1.3 门头沟新城雨情灾情

根据分布在门头沟新城及周边地区的北京市山区地质灾害监测雨量站采集数据，“23·7” 特大暴雨期间，门头沟新城24 h平均降雨量426 mm，72 h平均降雨量595 mm。本文根据《北京市水文手册》暴雨图集对实测降雨数据进行最大72 h暴雨频率分析。本次位于门头沟新城的4个站点72 h降雨量均超100年一遇，其中位于东辛房街道的站点72 h降雨量更是超过了1 000年一遇，该站点最大24 h和72 h降雨量分别为665 mm和928 mm，如图1所示。

图1 门头沟区72 h和24 h平均降雨量分布图

受强降雨及门头沟、中门寺沟地区沟谷地形特征影响，门头沟和中门寺沟成为泄洪通道，两侧建筑、河道、道路等遭到严重破坏，东部平坦地区由于地势较低，受到不同程度的水淹。本次降雨造成门头沟、中门寺沟河道全线被破坏，门头沟新城地区89条道路、11处污水处理设施、68处供水设施和5 000余间房屋受损，其中城子水厂挡水墙被冲垮，配水机房进水，导致配水泵站停运，全厂停水造成新城地区15万户居民供水受到影响。

2 洪水反演复盘分析

“23·7”特大暴雨洪水期间，北京市山区地质灾害监测雨量站采集的降雨数据能够清晰反映门头沟新城降雨情况。但由于缺乏洪水监测设备，门头沟新城各条河道洪水演进过程并没有直接观测资料。为详细了解降雨引发的门头沟新城洪水汇流路径、淹没演进情况，结合门头沟新城实测降雨数据计算新城产流过程，采用二维潜水方程水动力学计算模拟洪水演进和淹没情况，并结合门头沟新城街道监控录像及灾后调查反馈的淹没水深等数据对计算结果进行校核验证。

2.1 模型简介及边界条件设置

本次使用Hec-Ras模型二维坡面流计算模块，对门头沟新城洪水演进和淹没模拟进行分析。该模型使用二维多边形非结构网格对门头沟新城模拟流域进行剖分，使用2 m精度数字高程模型（DEM）地形对网格节点竖向进行赋值，构建门头沟新城网格三维模型。计算网格基准尺寸为100 m，为保证计算精度，沿河道、道路等导流边界对网格进行细化加密，最小网格尺寸为2 m。

计算区域内降雨量采用“23·7”特大暴雨洪水门头沟实测降雨过程，使用泰森多边形法求解降雨面分布。采用常数扣损法进行产流计算，扣损率根据《北京市水文手册》山区洪水降雨损失参数计算求得，本次取值为5 mm/h。

模型使用基于非结构网格的有限体积方法，通过隐式迭代求解二维潜水方程，计算得到洪水汇流及淹没演进过程。计算中地面糙率根据流域内国土空间现状用地类型确定，糙率值取0.015～0.035。

由于门头沟新城流域相对独立，且河道坡度较大，流域出口河道水位对上游淹没情况影响较小，本次规划采用水位条件作为下游出流边界条件。

2.2 门头沟新城洪水反演结果验证

根据模拟结果，门头沟新城灾情主要集中发生在7月31日，洪峰出现在31日11时左右，其中门头沟出口断面最大洪峰流量456.9 m³/s，超50年一遇，洪峰时刻为31日10时45分左右，与相关调查研究结果基本一致。本文结合门头沟新城部分点位受灾的洪水图片、视频资料，对同一时刻“23·7”特大暴雨洪水门头沟新城淹没模拟结果进行了验证，如图2所示。模拟反演结果在淹没范围、淹没时刻、淹没水深等方面与实际灾情基本一致，可以作为门头沟新城“23·7”洪水淹没分析的参考。

图2 门头沟新城淹没模拟与实际受灾情况对比图

3 致灾原因分析

3.1 山洪缺乏截流疏导

门头沟新城3面环山，为保证新城建设区安全，规划在新城临山建设区外围布设截排洪系统，汛期拦截山洪导入排洪沟道，山洪基本不进入建成区。目前新城山区主要排洪沟已初步建成，但截洪沟系统尚未修建，因此降雨形成的山洪沿地形低洼通道及市政道路涌入城区，引发灾害。图3所示为“23·7”特大暴雨洪水期间山洪演进模拟反演示意图，可以看出，由于缺乏截洪设施，暴雨形成的山洪基本沿着现状山谷进入临山建设区，再沿着建设区内部道路汇流至下游门头沟，大量山洪水留在了汇流路径中的低洼地区，对途经的建设区造成严重的淹没损失。

图3  门头沟流域“23·7”特大暴雨洪水期间山洪演进模拟反演示意图

3.2 防洪河道存在薄弱环节

新城的门头沟、中门寺沟等河道部分河段河底挖深及河岸超高不足，河道内存在景观叠石、观景平台等局部阻水节点，降低了河道的行洪能力，导致洪水在局部河段漫溢；而上游山洪冲刷卷携大量泥沙、树木，堆积在流经的跨河桥处，进一步加剧了洪水漫溢（图4）。此外，门头沟等河道局部河段规划绿化带管控不足，房屋临河建设挤占绿化带，滨水区域缺乏超标准洪水行洪空间，在洪水出槽后导致严重财产损失。

图4 门头沟河道内阻水点洪水反演情况示意图

3.3 沿河竖向缺乏科学统筹

门头沟下游地区地势由河道向南北两岸逐渐降低，与河道相交的道路随地势而建，形成了天然的坡面流通道。由于缺乏洪水应对经验， “23·7”特大暴雨洪水期间并未采取有效的应急管理措施封堵道路临河路口，因此当洪水漫溢出槽时，可沿着上述通道直接涌入城区，扩大了灾害影响范围，加剧了城区的淹没损失（图5）。

图5 门头沟下游沿现状道路形成的扩散状行泄通道示意图

4 临山城区防洪对策研究

（1）完善城市山洪防治工程体系。下一步灾后重建，新城地区重要的补短板工程即为修建建设区外围临山一侧的截洪沟，将山区坡面雨洪截流疏导至排洪沟内，减轻山洪对建设区的直接冲击，保护建设区的防洪安全。本文以门头沟流域为例，在现状下垫面基础上按规划增设截洪沟，对“23·7”特大暴雨洪水淹没情形进行重新模拟，结果如图6所示。按规划建设截洪沟后，流域淹没范围较规划前有明显减小，淹没水深也有显著降低。流域内修建截洪沟后，门头沟在入永定河处洪峰流量由不修建截洪沟时的456.9 m³/s提升至605.0 m³/s，累计洪量由5 641 m³提升至9 743 m³，可见截洪沟确实能够有效截流山洪，配合排洪沟道将山洪尽快疏导入河，确保城市建成区的防洪安全。

图6 门头沟流域规划截洪沟建设前后“23·7”特大暴雨洪水最大淹没
水深对比示意图

（2）切实落实城市河道行洪空间。①要加强河道依规治理，强化对河道过流断面、河底纵坡等水力要素的管控，结合河道上游来水特征，科学预留跨河桥梁梁底防洪安全超高，确保河道行洪能力满足相应标准要求。②加强河道两侧规划绿化带管控，严格依照相关法规要求落实河道绿化带用地性质，对河道绿化带内现状建筑设施限制更新改造，结合城市更新适时将其移除规划河道绿化带，为超标准洪水预留额外的行洪走廊，提升河道应灾冗余。

（3）优化城市竖向设计，提升韧性城市建设管理水平。结合城市竖向特征识别和管理行洪通道，对行洪通道上的重要竖向节点应结合具体实施条件，从加强洪水导排、降低洪水侵扰等方面加以调整。加强洪水风险识别、应急预案编制和演练，采取封堵、泵排、人员转移等临时管控方案应对极端情形和突发状况，提升洪灾应对水平。本文在门头沟流域现状下垫面基础上增加韧性强化措施，对“23·7”特大暴雨洪水淹没情况进行了重新模拟，结果如图7所示。在现状下垫面“23·7”洪水模拟中显示的洪水漫溢和行泄通道上，对洪水途经的社区外围设置1 m高挡水围墙，在外溢行洪道路路口加设1 m高临时防洪围挡，能够有效降低洪水外溢引发的淹没范围和最大淹没水深，减轻城市灾害损失。需指出：上述韧性强化措施主要用于减轻河道漫溢对周边建设区的侵害，相较于不采用韧性策略的情形，门头沟入永定河断面的洪峰流量和洪量并未明显增加，韧性措施不具备建设区外围截洪工程对流域洪水的汇水作用。为保障城市防洪安全，应考虑采用建设区外围截洪工程方案与内部韧性管控方案相结合的综合方案。

图7 门头沟下游韧性强化措施采取前后“23·7”特大暴雨洪水最大淹没水深对比示意图

5 总结及展望

（1）本文使用二维水动力模型对门头沟新城“23·7”特大暴雨洪水演进和淹没情况进行了模拟，结合模拟结果分析了门头沟新城现状防洪体系的不足，并建议从完善城市山洪防治工程体系、落实城市河道行洪空间建设管控、优化城市竖向设计、提升城市韧性建设管理水平等方面加强门头沟新城的防洪应灾水平。

（2）本次工作表明，洪涝模拟反演能够提供洪水演进过程中水深、流速等关键动力特征，为灾后复盘分析提供决策依据，这一作用在缺乏洪水监测设备的地区尤其明显。洪涝模拟可以为韧性城市规划提供情景模拟手段，既能开展规划重现期下现状下垫面洪水风险模拟，评估城市现状防洪体系，识别潜在风险；又能预演潜在技术方案的可能效果，结合城市宏观空间布局特征分析整体抗洪能力，根据建筑与洪水作用特点提供避险工程和建设布局方案。下一步应加强平台融合，构建城市防洪排涝规划决策支持系统。加强数据平台建设，将城市洪涝反演模拟模型与数字孪生城市模型耦合起来，强化数据收集规整、融合计算、智能处理，构建城市防洪排涝规划决策支持系统，为城市规划建设、防洪预案制定、防洪应急处置提供科学支撑。