北京凉水河暴雨洪水特征规律研究

李永坤 ，臧 敏 ，潘兴瑶 ，刘 超 ，赵小伟

（1．北京市水科学技术研究院，100048，北京；2．北京市水文总站，100089，北京；3．北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，100048，北京）

北京凉水河暴雨洪水特征规律研究

李永坤1,3，臧 敏2，潘兴瑶1,3，刘 超2，赵小伟2

（1．北京市水科学技术研究院，100048，北京；2．北京市水文总站，100089，北京；3．北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，100048，北京）

应用径流系数、基尼系数及马斯京根分段演算法，系统分析2016年“7·20”与2012年“7·21”北京遭遇的两场典型暴雨中凉水河降雨径流特征规律，认为凉水河流域暴雨洪水呈现出强烈的城市化特点，降雨序列基尼系数和洛伦茨不对称系数相对较大，洪水序列峰型系数较小，大红门以上流域汇流时间仅为2小时，大红门演进洪峰约占张家湾洪峰的56%。通过研究提出从精细化模型构建、管理体制理顺、“互联网+”技术应用、海绵城市建设等方面的应对措施和建议。

凉水河；暴雨洪水；径流系数；北京市

一、概 况

凉水河位于北京市中心城区南部，发源于石景山区首钢退水渠，于通州区榆林庄汇入北运河。凉水河玉泉路石槽桥以上段称人民渠，自人民渠至北运河入河口河长67．21 km，流域面积696．3 km2。上游大红门闸距源头 22．56 km，流域面积 127 km2，下游张家湾闸距源头57．46 km，是全市洪水预警重点控制断面，也是汇入北运河的控制断面，流域面积660 km2。凉水河是北京城市河湖“南分洪”的重要排洪河道，通过分洪道闸与西南护城河连通。现状北运河杨洼闸下游行洪能力不足，控泄流量标准为1 000 m3/s，开展凉水河降雨—径流响应关系分析，对指导该流域防洪排涝应急管理具有重要现实意义。

本文系统收集了2012年 “7·21”和 2016 年“7·20”两场典型降雨卢沟桥、右安门、大红门、黄村和马驹桥5处代表性雨量站实测降雨序列，分洪道闸、大红门、张家湾3处水文站实测流量序列。通过泰森多边形划分计算面平均雨量，整理得出流域场次暴雨洪水过程。基于径流系数法、基尼系数及马斯京根分段演算法对凉水河流域的暴雨洪水特征规律进行了分析。

二、降雨径流特征分析

1.降雨特征分析

2012 年“7·21”特大暴雨属典型对流云强降雨，凉水河流域降雨总量160 mm，根据《北京市水文手册》流域多年平均24小时降雨量110 mm，变差系数值0．675，通过频率曲线适线软件分析，降雨重现期不足10年一遇。降雨历时14小时，降雨时间分配不均，场次暴雨基尼系数为0．54，洛伦茨不对称系数1．07，降雨集中时段19～21时3小时累积雨量占场次降雨量的63%。局地雨强大，流域最大平均雨强36 mm/h，卢沟桥站最大雨强77 mm/h，超过极端暴雨量级。降雨量空间分布不均，主要集中在上游大红门流域，大红门流域降雨总量192 mm，最大平均雨强68 mm/h。强降雨远超过区域道路排水能力，大瓦窑桥、正阳桥及六里桥等12处道桥积水严重，其中7处积水深度超过30 cm。

2016 年“7·20”特大暴雨属层状云为主的混合型降雨，流域降雨总量267 mm，大于20年一遇小于30年一遇。降雨历时44小时，降雨量时间分配不均，场次暴雨基尼系数为0．64，洛伦茨不对称系数1．17，降雨主要集中在 8～13时以及 17～20时两个时段，累积雨量占场次降雨总量的62%。局地雨强较大，流域最大平均雨强28 mm/h，大红门站最大雨强58 mm/h，接近极端暴雨量级。降雨量空间分布不均，自上游向下游递减，大红门流域降雨总量307 mm，大于30年一遇小于40年一遇，流域最大平均雨强32 mm/h。

2.径流特征分析

2012 年“7·21”凉水河流域洪峰流量790 m3/s，为历史最大洪峰，洪峰出现在雨峰后4小时内，峰型系数0．18，洪水陡涨陡落，峰型属尖瘦型，见图 1。 2012年“7·21”城市河湖启用南分洪，凉水河承担通惠河外部洪水371万m3，占张家湾洪水总量的30%，相当于分泄分洪道闸上游通惠河 142．98 km2流域范围内径流量 26 mm。张家湾流域径流总量56 mm，综合径流系数0．35。大红门流域洪峰流量513 m3/s，超过 20年一遇，洪峰出现在雨峰后1小时内，峰型系数0．30。 大红门流域径流总量 68 mm，洪水总量占张家湾的23%，综合径流系数0．35。大红门至张家湾洪水传播时间约为3小时。大红门、张家湾和大红门—张家湾区间径流系数基本保持一致。见表1。

2016 年“7·20”凉水河流域洪峰流量676 m3/s，为历史第二大洪峰，洪峰出现在雨峰后11小时内，峰型系数0．29，见图2。凉水河承担通惠河外部洪水总量342万m3，占张家湾断面洪水总量的14%，相当于分泄通惠河径流量24 mm。张家湾流域径流总量70 mm，综合径流系数0．26。大红门流域洪峰流量513 m3/s，洪峰出现在雨峰后1小时内，峰型系数0．19。大红门流域径流总量156 mm，洪水总量占张家湾的43%，综合径流系数0．51。大红门至张家湾洪水传播时间约为10小时。大红门、张家湾和大红门—张家湾区间径流系数差别较大，大红门为张家湾的近2倍，详见表1。

表1 凉水河流域降雨径流特征统计表

三、大红门—张家湾区间洪水演算分析

通过马斯京根河道洪水演算分析在不考虑区间来水情况下，大红门至张家湾的洪水传播时间及演进洪峰对张家湾洪峰流量的贡献程度。根据大红门、张家湾断面水位—流量关系曲线以及实测断面资料，建立流量—流速关系曲线，分量级统计河段平均流速。由于大红门和张家湾两站实测断面可近似看作矩形，参考矩形断面波速与流量对应关系，计算河段平均波速。进一步根据公式，得出河段蓄量常数值为3．22。洪水传播时间计算表见表2。

表2 大红门—张家湾洪水传播时间计算表（L=36km）

基于马斯京根分段连续演算，2012 年“7·21”大红门洪峰流量 513 m3/s演算至张家湾约为438 m3/s，2016年“7·20”大红门洪峰流量 513 m3/s演算至张家湾约为476 m3/s，两场降雨上游大红门演进洪峰约占张家湾洪峰流量的56%。马斯京根洪水演算结果见图3和图4。

四、结论与建议

1.结论

①凉水河流域暴雨洪水城市特点显著。场次降雨基尼系数均大于0．5，洛伦茨不对称系数均大于1，降雨时间分布不均，高度集中在特定时段内。峰型系数均较小，洪水过程属尖瘦型。两场降雨大红门站洪峰滞时约为1小时，即流域汇流时间约为2小时，汇流速度快，符合城市洪水特点。

②两场降雨的流域降雨径流特征有所区别。2016 年“7·20”降雨总量为 2012 年“7·21”的 1．7 倍，径流总量为1．3倍，洪峰流量为86%，两场降雨径流系数相差不大。 2012年“7·21”大红门、张家湾和大红门—张家湾区间径流系数基本保持一致，2016年 “7·20”大红门径流系数为张家湾的近2倍。

③凉水河分泄中心城区洪水效益显著。 2012 年“7·21”和 2016 年“7·20”两场降雨过程中，凉水河承担通惠河南分洪总量相差不大，分别相当于上游通惠河142.98 km2流域范围内26 mm和24 mm的径流量，一定程度上缓解了中心城区的河道行洪压力。南分洪量占张家湾洪水总量比例有所差别，2012 年“7·21”洪量比例远高于 2016 年“7·20”洪量。

图1 2012年“7·21”凉水河流域洪水过程线

图2 2016年“7·20”凉水河流域洪水过程线

图3 2012年“7·21”大红门—张家湾洪水演算结果

图4 2016年“7·20”大红门—张家湾洪水演算结果

④凉水河流域暴雨洪水频率不同。 2012年“7·21”降雨总量仅为 10年一遇，2016 年“7·20”降雨总量大于20年小于30年一遇，但大红门洪峰流量均超过20年一遇。初步分析其原因，2012 年“7·21”极端强降雨以超渗产流为主，流域部分汇流，洪水陡涨陡落，下游张家湾洪峰受上游大红门影响显著。 2016年“7·20”特大暴雨以蓄满产流为主，流域全面汇流，降雨径流全部顺畅汇流至河道，下游张家湾洪峰流量受区间洪水影响明显。

2.建议

鉴于上述凉水河暴雨洪水表现出的城市化特点，预警响应时间极短，要求防汛指挥部门在极短时间内综合配置应急资源，需加强以下研究：

①推进北京城市洪涝模拟示范建设。加强凉水河流域精细化洪涝模型技术研究，从流域尺度系统分析上下游洪水演进及区间产汇流规律，评估河道行洪能力和管网排涝能力，从区域尺度研究洪涝模型参数适用规律，定量河道洪水顶托对管网排水的影响，建立关键易涝部位的积水风险台账，以合理布控应急资源，为凉水河流域防洪排涝精细化管理提供重要参考。

②实行流域防洪排涝一体化管理。由于城市防洪与城市排涝属水务与市政两个独立部门，使管网与河道衔接关系、管道排水与闸坝调度相互脱节，从根本上甄别城市暴雨洪水演变规律，需要实施防洪排涝统一管理，建立涵盖排水管线、入河口、闸坝的水情监测网络，实时共享管网与河道监测信息，识别重要节点的降雨径流特征规律。

③确立以内涝防治为目标海绵城市建设标准。2016年4月北京入选第二批海绵城市试点，北京地区85%年径流总量控制率对应日降雨量8～44mm，仅能够应对中小重现期降雨。建议制定以内涝防治为目标控制指标，建立建筑屋面—绿地—硬化地面—雨水管渠—城市河道五位一体水源涵养型城市下垫面，配套疏导、滞蓄、预警、应急等措施，使北京海绵城市建设能够应对各种重现期降雨。

④深化“互联网+”技术防汛应急管理中的应用。应用“互联网+”技术，将多部门数据进行综合分析，挖掘规

律性成果支撑指挥决策。可根据手机基站的移动互联网用户位移信息，匹配防洪排涝重点部位高精度边界范围，计算区域人群密度与人流速度，融合洪涝实测及模拟结果，并进行渲染聚类，实现汛情、灾情和险情的快速可视化汇总分析。

[1] 叶守泽，詹道江．工程水文学[M]．北京：中国水利水电出版社，2007．

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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，工程师，主要从事流域水文模拟及城市雨洪利用研究工作。

责任编辑 韦凤年