新形势下城市洪涝演变特征与联防联控技术研究

新形势下城市洪涝演变特征与联防联控技术研究

刘家宏¹²，梅超¹²，王佳¹²，李瑞栋³，程宸⁴

（1.中国水利水电科学研究院流域水循环与水安全全国重点实验室，100038，北京；2.水利部数字孪生流域重点实验室，100038，北京；3.清华大学水圈科学与水利工程全国重点实验室，100084，北京；4.中国气象科学研究院灾害天气科学与技术全国重点实验室，100081，北京）

摘要：全球气候变化背景下城市极端暴雨洪涝发生的频率和强度呈上升趋势，极端水文事件趋频、趋强、趋广。从洪涝演变特征、组合叠加效应等方面分析了城市洪涝演变的新形势，提出当前城市洪涝防御面临联防联控调度预案不完善、一体化监测预警与智能决策系统缺乏等问题。面向新形势下城市洪涝防控需求，研究提出了城市洪涝联防联控的技术流程，并在北运河流域及北京城市副中心区域开展了应用示范。对2024年7月30日北京大暴雨事件的测试应用结果显示，预报结果与实际积水情况一致性较好，满足临灾预警的准确性要求。未来需进一步细化临灾预警的具体对象和技术要求，提升定向预警精准性和时效性，为提升城市防洪排涝预报、预警、预演、预案“四预”能力提供科技支撑。

关键词：气候变化；极端水文事件；流域洪水；城市内涝；联防联控

作者简介：刘家宏，正高级工程师，主要从事水文水资源研究。

DOI:103969issn10001123202509004

新形势下城市洪涝演变特征

1.气候变化下极端水文事件趋频趋强

全球气候变化背景下，水循环过程进一步加剧，极端水文事件呈现趋频、趋强、趋广态势，突破历史纪录的水旱灾害事件频繁出现，导致城市内涝、江河洪水、山洪、泥石流等多灾并发。从国际看，2023年9月，全境主要为沙漠和半沙漠地区的利比亚遭受历史罕见的洪涝灾害，导致东北部德尔纳市的阿布·曼苏尔（Abu Mansour）和比拉德（Belad）两座水库接连溃坝，造成德尔纳市区约1/4的建筑倒塌或“完全破坏”，几乎所有建筑受损，人员死亡失踪数量刷新21世纪以来洪涝灾害伤亡纪录；2024年4月17日，阿拉伯联合酋长国迪拜遭遇1949年有记录以来最强降雨，导致迪拜国际机场停机坪被淹，暂停航班降落两个多小时；同年9月26日，美国东部迈阿密等地区遭遇飓风暴雨洪涝，造成至少237人死亡，经济损失巨大；同年10月29日，西班牙瓦伦西亚地区遭遇极端暴雨洪水，造成当地至少211人遇难，在当地一处隧道内发现了40位遇难者，令人触目惊心；2025年2月，南美洲玻利维亚、厄瓜多尔多地发生灾难性暴雨洪水，导致玻利维亚317个城市受灾，其中12个城市宣布进入灾难状态。从国内看，2021年河南郑州“7·20”特大暴雨最大单日降雨量接近年平均降雨量，一个小时的降雨量达到了201.9mm，刷新了当地小时降水的历史纪录；2023年海河“23·7”流域性特大洪水期间，北京市平均降雨量331mm，其中房山区平均降雨量更是高达627.1mm，比多年平均年降雨量579.3mm还要多47.8mm；同年在我国香港特别行政区和广东深圳市也发生了“9·7”特大暴雨洪涝灾害，极端超强暴雨事件突破了当地历史纪录，给当地城市水安全带来巨大挑战。

2.城市洪涝组合叠加效应凸显

城市洪涝组合叠加效应是指由流域外洪、城市内涝等致灾因子叠加放大引发的一系列灾害现象。以2023年7月河北涿州洪涝事件为例，洪涝叠加往往会形成“夹击效应”，导致城市防洪排涝系统超负荷运行甚至“失防”。涿州有北拒马河、琉璃河、小清河等多条河流汇入，“23·7”期间，北拒马河上游来水最大洪峰约4500m³/s，琉璃河和小清河来水也超过300m³/s，再加上当地强降水（平均降水量达355.1mm）产生的内涝积水，形成“叠加效应”，对涿州城市防洪排涝造成巨大压力。2024年7月，陕西宝鸡市翡翠城小区的地下车库进水事件中，很重要的致灾原因是：小区毗邻的石坝河上游山区暴雨诱发山洪泥石流，冲毁保护小区的防洪挡墙，叠加当地的暴雨径流形成灾害放大效应，导致地下车库快速淹没进水；同时石坝河的洪水阻断了救援通道，延迟了救援时间，形成灾害链效应。面对极端暴雨条件下城市洪涝组合致灾和灾害链效应，构建以“全社会广泛动员、多部门协同应对、防御工程群联合调度、防控信息全口径共享、应急资源全面统筹”等为主要特点的城市洪涝联防联控机制与智能决策技术体系十分必要。

城市洪涝联防联控的主要短板

1.城市极端洪涝联防联控预案不完善

城市洪涝防控一方面需要加强防洪排涝工程建设，补齐基础设施短板；另一方面需要强化联防联控预案等应急能力建设。目前，我国重点防洪城市针对标准内洪水的防洪工程调度规则已相对完善，能够有效支撑洪水的科学调度与管理。然而，对于超标准极端洪涝事件，尤其是超100年一遇、200年一遇及以上量级的特大洪涝事件，现有的调度预案尚不完善，针对性和可操作性有待提升。例如，2021年郑州“7·20”特大暴雨灾害事件中就出现了应急预案实用性不强，以常态化目标要求应对重大雨情、汛情没有精准施策、措施空泛等问题。为提升防洪排涝体系在极端洪涝事件下的安全水平和防御能力，亟须进一步细化、优化城市超标准洪涝联防联控调度预案，明确极端条件下的工程调度原则及多方面协同应对机制，编制面向超标准洪涝的预排预降与联排联调作业方案，提升防洪工程与排水防涝设施的综合应对能力，防控极端洪涝下的巨灾风险。

2.流域-城市一体化监测预警与智能决策系统缺乏

当前流域防洪和城市内涝防治仍存在“洪涝分治”等问题。流域防洪由水利或应急管理部门主导，城市内涝防治一般由住建或市政部门主导，例如郑州“7·20”特大暴雨灾害调查报告就指出“郑州市设置了防汛抗旱指挥部、城市防汛指挥部、气象灾害防御指挥部、突发地质灾害应急指挥部等4个指挥机构，办公室分别设在应急管理局、城管局、气象局、资源规划局”。流域防洪和城市防汛两套指挥体系各自建设的流域防洪调度决策支持系统和防汛决策支持系统相对独立，数据共享和互联互通不足，难以实现“流域-城市”外洪内涝协同应对、工程蓄泄及强排能力动态分配、水工程联合调度等系统性优化。因此，亟须统筹流域防洪工程和城市排水防涝设施体系，构建城市洪涝联防联控应急指挥决策智能化系统，支撑城市及周边区域“蓄、滞、疏、排、泄”等不同类型工程设施的科学调度，最大限度降低极端降雨情景下的城市洪涝风险，全面提升防洪排涝综合效能。

城市洪涝联防联控技术研究

2024年11月，国家防汛抗旱总指挥部办公室印发了《关于切实做好城市洪涝联排联调工作的通知》，明确要求加强部门协调联动，健全城区排涝通道、泵站、闸门、排水管网与周边江河湖海、水库等洪涝联排联调机制，坚持立足全局、洪涝统筹，强化信息共享，提升调度管理水平。为此，本研究以北运河流域和北京城市副中心为对象研发了城市外洪内涝联防联控应急指挥决策智能化系统，初步构建了雨水情监测预报“三道防线”，有效支撑了预报、预警、预演、预案“四预”能力的提升。

1.技术流程

城市外洪内涝联防联控技术流程如下图所示，主要包含监测预报、智能预警、模拟预演、决策预案等关键环节。

城市外洪内涝联防联控应急指挥决策智能化系统技术流程

监测预报的核心功能是融合气象卫星、测雨雷达、气象站网、水文站网等获取的监测数据，开展智能网格递进式降水预报，进而基于短期、短临递进式降水预报信息和水文站实时监测信息开展流域-城市一体化的洪涝水文水动力过程模拟和预报。智能预警是在监测预报和模拟预演的基础上，开展灾害链分析，识别人群、道路交通和城市生命线基础设施的风险，精准定位风险区，并面向风险区和风险人群发布定制化的预警信息，相比传统提前24h面向全城发布相同内容的“预警提示”，本研究提出的“临灾预警”提示内容更加具体、针对性更强。例如，2024年7月30日11时，系统就向北京市通州区发布提示：“未来3h积水将超过30厘米，请玉桥街道人群远离以下积水区域：史家小学周边、张家湾姚辛庄西侧、京沈高速桥涵洞、孙各庄家园路口、7090小区门口道路、玉桥西路铁路桥、范庄公铁立交桥、玉桥中路铁路桥、北关立交桥怡乐北街西总屯村门口。”模拟预演主要是针对未来可能的暴雨洪涝情景，考虑流域上游水库和城市排涝设施的调度运用，开展不同场景下的洪涝过程和灾害动力学模拟预演，输出不同洪涝情景和防洪排涝设施联排联调运用场景下的洪涝风险区及风险等级。决策预案是在模拟预演的基础上生成城市洪涝防御动态预案集，并根据实时监测信息，滚动调整优化水库、泵站等防洪排涝设施的联排联调方案和防汛救援方案（致灾因子强度超出防御能力阈值且出现灾害时需要此方案），向防汛部门提供决策支持。

2.应用示范

基于上述技术流程，研发了覆盖北运河流域及北京城市副中心的城市外洪内涝联防联控应急指挥决策智能化系统（见下图）。2024年6—9月，系统进行了实战场景测试和技术应用示范。应用示范期间经历了7月30日暴雨事件，下面以本次事件应对为例介绍城市洪涝联防联控技术的主要参数。

城市外洪内涝联防联控应急指挥决策智能化系统主界面

系统监测预报功能于2024年7月24日分析大气环流态势，感知到29日北京地区水汽足、对流条件好，25日中期预报显示30日全市有中雨，26日预报北京30日—31日面雨量超50mm。29日8时预报未来24h北京将开始出现中到大雨，30日8时预报未来24h将出现暴雨、局地超100mm大暴雨，智能网格短期降雨预报的空间分辨率达到1km。事后对比结果显示，本场降雨的预报结果与实况累积降雨的空间分布趋势和降雨量级一致，对市域东北部出现大暴雨有参考意义（见下图），为智能预警、模拟预演和决策预案提供了高质量的精准数据。在30日预报出现局地大暴雨风险后，实时滚动开展未来0~3h的500m网格分辨率短临降雨预报，更新未来降雨趋势。

▲2024年7月30日8时—31日8时降雨预报与实况降雨对比

在30日的降雨过程中，实时生成经过卫星和地面气象站订正、插补后的100m/10min高时空分辨率天气雷达QPE（见下图），精细捕捉降雨分布和演变趋势，为洪涝联防联控提供雨情信息。

2024年7月30日8时与10时雷达QPE与实况降雨对比

基于上述降雨预报和监测数据，按照30min间隔滚动交替进行数据获取、模型热启动计算和结果报送，确保每0.5h采用最新的降雨驱动信息，动态推演分析流域-城市洪涝演进（输出二维水深分布图）与区域交通受损（输出交通通行速度分布图）情况，由此识别风险区域和涉险对象，定制预警信息，并进行定向发布（见下图）。

流域-城市洪涝演进过程及交通风险推演结果

基于模型滚动计算结果，在三维数字孪生场景中通过模型网格轻量化预处理解析，实现前端展示与后台计算间的联动更新，实时渲染积水淹没区域，与倾斜摄影模型叠加直观展现基础设施受灾程度，为防汛部门预演洪涝致灾过程提供示算一体的预案决策支持（见下图）。

模型计算结果在三维数字孪生场景中的动态展示

对2024年7月30日积水风险预报结果与实测积水点位进行对照复盘分析发现，预报结果与实际积水情况基本相符，有无积水的预报准确率达70%，积水深度预报误差在10cm以内的点位占比超80%，有效提高了临灾预警的准确性。

结论和展望

在气候变化逼近临界点、极端降水强度和城市扩张规模突破原有排水防涝工程设施设计能力的新形势下，城市防洪排涝面临的问题日益突出。本研究分析了全球气候变化背景下极端水文事件的演变趋势，剖析了流域洪水与城市内涝的组合特征及灾害链效应；针对城市防洪排涝面临的联防联控调度预案不完善、一体化监测预警与智能决策系统缺乏等问题，重点研究提出了城市洪涝联防联控技术流程，并在北京市北运河流域及城市副中心区域开展了应用示范。通过技术研发和试运行应用，提升了降水监测预报的时空分辨率，0~72h短期、0~3h短临降雨预报空间分辨率分别达到1km和500m，1h实时雷达QPE时空分辨率提升至100m/10min，可精细捕捉暴雨分布和演变趋势。基于高时空分辨率降雨监测预报数据，构建了流域-城市跨尺度外洪内涝耦合模型，能够实现以30min为更新间隔滚动推演流域-城市洪涝水文水动力过程，动态识别风险区域和涉险对象，定向发布定制预警信息。2024年7月30日北京大暴雨事件的测试应用结果显示与实际积水情况一致性较好，满足临灾预警的准确性要求。未来需进一步考虑人口、车辆等可移动承灾体的预警信息接收能力与响应行为特征，利用多源社会感知与大语言模型智能体技术，细化临灾预警的具体对象和技术要求，提升预警精准性和时效性。

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

本文引用格式：

封面摄影谢雷

责编｜李博远

校对刘磊宁

审核王慧

监制轩玮

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