流域水循环模拟与调控国家重点实验室、中国水利水电科学研究院 、水利部数字孪生流域重点实验室（筹）刘家宏，梅超，王佳；流域水循环模拟与调控国家重点实验室、中国水利水电科学研究院王东，王浩
摘 要：2023年7月，京津冀地区发生历史罕见特大暴雨，造成北京门头沟区等地出现特大山洪和城市内涝灾害。门头沟流域面积仅37km2，无常设水文监测站，给洪水分析和灾害复盘带来挑战。结合关键断面的洪水视频监控数据，通过灾后现场调查、测量，结合数字流域模型模拟等，推算得到门头沟流域7月31日最大洪峰流量为512.6m3/s。洪峰通过期间，控制流域面积90%的中昂时代广场西北跨河桥三孔箱涵的过流能力为215.0～308.9m3/s，远低于断面最大洪峰流量。建议下一步灾害重建时全面复核北京门头沟、房山等城区山洪沟跨沟桥梁的设计过流能力，考虑极端暴雨洪涝风险，适当提高跨沟桥涵的过流能力，避免因洪水溢流蔓延而造成严重损失。
关键词：海河“23·7”流域性特大洪水；特大暴雨；洪水分析；数字流域模型；门头沟流域；北京市
0 引 言
大石河漫水桥站最大洪峰流量5300m3/s，列有实测资料以来的第1位；拒马河张坊站最大洪峰流量6200m3/s，列有实测资料以来的第2位，上述两河断面洪量分别相当于2012年“7·21”强降雨的9倍和4倍。如此大的暴雨和洪水在源头及支流上是如何形成的，对于大多数无测站的小流域仍是一个未知数。开展城市洪涝场景的模拟和推演对灾后重建和未来洪涝风险预警、防控十分必要。洪涝模拟、预警、推演、联防联控等方面已经形成一套相对完整的技术体系，但在资料稀缺的城市小流域洪涝快速、精准模拟方面仍存一定困难。本文选择北京市雨量大、洪水猛、受灾严重的门头沟流域作为研究对象，分析其在“23·7”特大暴雨中的洪水过程，为小流域极端超强降雨灾害防治提供基础支撑。
1 流域概况
门头沟，又称玉河、黑河沟、黑水河等，是北京市九龙山与南大梁之间的一条天然季节性河沟。源头西起横岭，向东经天桥浮、圈门、东辛房、河滩至城子注入永定河。因跨沟修建了一座“圈门过街楼”，形似城门而得名。据老北京著名民俗学者金受申先生讲述，门头沟就是“圈门前头有条沟”的意思。门头沟属于永定河右岸支流，位于门头沟新城北部，汇流面积约37km2。流域内的圈门、永定楼等是“一线四矿”(“一线”指门大线，“四矿”指沿门大线依次分布的王平、大台、木城涧和千军台4座煤矿)门大线的起点、京西文化旅游和绿色创新产业培育的重要承载地。根据《门头沟新城控制性详细规划(街区层面)(2020—2035)》，流域内规划街区总用地面积约7.47km2。
门头沟采煤历史悠久，本来有一个优美的名字——玉河，因沟两侧煤矿排出的废水注入，使得河水变黑，玉河成为了黑河沟。2006年，流域内的矿井正式关闭，转入对废弃矿山的恢复治理阶段。现在门头沟流域从“一盆火”变成了“一片绿”，植被覆盖率达到75%以上，成为北京市西部生态涵养区。
流域内最高点位于九龙山最高峰刺茅花坨，海拔990m(图1)，最低点位于沟道入永定河口处，海拔87m，流域最大落差超900m。主沟长度约8.5km(永定河沟口—玉河古道天梯)，平均纵坡降3.5%，沟口段纵坡降较小，约为1.2%。流域源头段为高山陡坡，从海拔超900m下降到300m，平均距离仅有1.5km，山坡平均坡降达40%(图2)。
2 “23·7”特大暴雨洪水分析
2.1 暴雨灾害情况概述
2.2 流域降雨数据
2.3 流域产汇流分析
门头沟流域面积虽然不大，仅有37km2，但是流域呈“西南—东北”向的长条状(图4)，汇流方向和本次降雨的移动方向大体一致，造就了极为不利的洪水组合形式。首先，流域上游先降雨，产流后快速流向下游；接着，下游出现降雨产流，上游的产流经沟道传播延时后正好与下游稍后的降雨产流叠加，形成极为不利的“峰峰叠加”效应，推高了洪峰流量。从图4可以看出，门头沟的水系支沟较多，左岸有6条支沟汇入，右岸有2条支沟汇入，每一条支沟的汇入，对主沟的洪峰就是一次助推，自上而下“层层助推”，就形成了下游沟口极高的洪峰流量。
2023年的“23·7”特大暴雨洪水中，门头沟的洪峰出现在7月31日11：00—15：00，由于沟道内没有常设的水文站，其最大流量没有准确的监测数据。并且，由于洪峰过境时，洪水已经漫出河岸，呈现散流状态，即使有监测设施，也无法测得准确的洪峰流量。本文基于距离门头沟入永定河河口1.5km的中昂时代广场附近的视频截图(图5(a))，推算本次洪水过程中门头沟流域的洪峰流量。通过图4的流域地形分析，门头沟中昂时代广场桥断面控制了流域面积的90%，其洪峰流量基本可以代表整个流域的洪峰流量。中昂时代广场西北跨河桥灾害前有汉白玉栏杆，栏杆的横杆相对高度为0.9m，立柱顶端相对高度1.4m，从7月31日中昂时代广场附近的视频截图可见，洪峰过境时汉白玉栏杆和立柱被全部冲毁(图5(b))。
通过灾后残留在明黄色弧形金属支撑拱上的洪痕调查，结合7月31日视频截图，测得洪峰最高水位漫过桥面约0.9m，漫水总宽度约70m(包括河道两侧的道路)。同样，通过现场调查得到该桥下为3孔7.0m×3.0m的箱涵。结合流域概况分析可得该河段的纵坡降为1.2%。本过流断面可简化为图6形式：3孔满流箱涵(7.0m×3.0m)加上顶部0.9m×70m的宽浅“河道”(图6)。
根据曼宁公式计算暴雨洪峰流量(表1)：
2.4 流域洪水过程模拟
数字流域模型将门头沟流域划分为145个沟道单元，每个沟道单元对应有左坡面和右坡面，源头单元还有源坡面，总计划分为326个产流计算小区，平均每个小区的面积约为0.11km2，相当于340m×340m的街区单元，基本可以反映流域垫面的空间不均匀性。对于流域内占比20%的城区单元，采用综合径流系数法计算暴雨径流，特大暴雨径流系数取0.95。通过模型运行，得到门头沟流域出口断面的洪水过程如图7所示。
从图7中可以看出，本轮降雨过程中，门头沟出现了3次洪峰过程，第1次出现在7月30日，第2次出现在7月31日，第3次出现在8月1日。7月31日的洪峰流量最高，模拟值为512.6m3/s，位于调查值426.3～625.8m3/s范围内，上下偏差分别为22.1%和-16.8%，基本满足洪水预报值20%的精度要求。
3 结 语
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