天津市防洪排澇調(diào)度模型體系建設(shè)研究

天津市防洪排澇調(diào)度模型體系建設(shè)研究

Studies on establishing flood control and drainage dispatch model system in Tianjin

李敏1，臧文斌，吳濱濱，鄭敬偉，張明輝，李匡，劉舒

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，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.北京七兆科技有限公司，100160，北京）

摘要：目前，洪澇災(zāi)害已成為我國(guó)城市主要的自然災(zāi)害，預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”措施是城市應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的主要手段，城市洪澇模擬技術(shù)是其關(guān)鍵支撐。天津上游來(lái)洪威脅大，中心城區(qū)排澇壓力突出，北部山區(qū)存在山洪風(fēng)險(xiǎn)，下游受潮水頂托與倒灌影響，洪澇問(wèn)題復(fù)雜且嚴(yán)峻。目前，天津在防洪排澇調(diào)度模型體系建設(shè)中存在諸多難點(diǎn)，模型建設(shè)范圍受預(yù)見(jiàn)期、計(jì)算量、資料獲取等因素制約，外洪與內(nèi)澇相互影響但各有側(cè)重，平原河網(wǎng)水系錯(cuò)綜復(fù)雜，調(diào)度工程種類繁多、調(diào)度方式復(fù)雜，同時(shí)防汛管理對(duì)模型成果的精細(xì)化和時(shí)效性要求高。對(duì)此，從模型建設(shè)范圍、模擬方法選擇策略、模擬對(duì)象組合策略等方面，研究構(gòu)建了覆蓋區(qū)域、城市防洪圈、中心城區(qū)3個(gè)尺度的洪澇防御模型體系。區(qū)域模型結(jié)合水文與水動(dòng)力模型分區(qū)域建模，城市防洪圈模型拓展范圍以明確邊界條件，中心城區(qū)模型在前者基礎(chǔ)上耦合多種模型。該模型體系支持大范圍尺度下復(fù)雜防洪排澇工程的統(tǒng)籌調(diào)度，支持不同業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的統(tǒng)籌考慮，支持外洪、內(nèi)澇的統(tǒng)籌分析。

關(guān)鍵詞：防洪排澇；調(diào)度模型；外洪；內(nèi)澇；天津

作者簡(jiǎn)介：李敏，高級(jí)工程師，主要從事洪澇數(shù)值模擬分析工作和研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFC3008502）；天津市防洪調(diào)度應(yīng)急指揮平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目（JZ120205A0042024）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.04.007

研究背景

受全球氣候變化和快速城鎮(zhèn)化雙重影響，洪澇災(zāi)害已成為我國(guó)城市最主要的自然災(zāi)害之一。城市洪澇災(zāi)害一般分為外洪和內(nèi)澇，其中外洪指城市過(guò)境或城市邊緣（外圍）洪水泛濫進(jìn)而威脅城市安全的現(xiàn)象，而內(nèi)澇特指本地暴雨超過(guò)排澇能力導(dǎo)致地面積水超過(guò)一定標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象，兩者往往相伴發(fā)生、緊密聯(lián)系，而且在一定條件下可以發(fā)生轉(zhuǎn)化。例如外洪高水位頂托或倒灌會(huì)加劇城市內(nèi)澇，而澇水外排亦會(huì)加劇河道防洪壓力。市政排水工程是水利排澇工程的上游，而排澇工程又是行洪工程的上游，它們緊密聯(lián)系、雙向耦合、相互影響，為系統(tǒng)性解決城市汛期洪澇問(wèn)題，需要在較大范圍尺度（一般超過(guò)城市范圍）統(tǒng)籌外洪和內(nèi)澇問(wèn)題。

堅(jiān)持以“防”為主、堅(jiān)持關(guān)口前移、做好“預(yù)”字文章，全力落實(shí)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”措施，是當(dāng)前及未來(lái)我國(guó)城市洪澇災(zāi)害防御的主要工作之一。城市洪澇模擬技術(shù)是重要技術(shù)保障，其應(yīng)用場(chǎng)景包括：實(shí)時(shí)模擬，用于預(yù)警預(yù)報(bào)；情景模擬，用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；排水模擬，制定排水規(guī)劃；耦合模擬，進(jìn)行管理調(diào)度。世界范圍內(nèi)，城市洪澇模擬技術(shù)起步于20世紀(jì)70年代，歷經(jīng)近50年發(fā)展，城市洪澇模擬模型已從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從概念性到物理性、從經(jīng)驗(yàn)性到理論性、從不確定性到確定性、從粗略化到精細(xì)化不斷發(fā)展。就外洪模擬而言，可以采用水文學(xué)或者水動(dòng)力學(xué)方法，后者更能刻畫(huà)真實(shí)的洪水演進(jìn)過(guò)程，但對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求更高，計(jì)算成本更高。就內(nèi)澇模擬而言，需要采用基于數(shù)值網(wǎng)格的二維水動(dòng)力學(xué)方法反映地表積水。對(duì)于洪澇過(guò)程的模擬，根據(jù)數(shù)據(jù)支撐情況以及面向的目標(biāo)場(chǎng)景，建模策略一般包括純水文、一維水動(dòng)力、二維水動(dòng)力、一二維水動(dòng)力耦合、水文驅(qū)動(dòng)水動(dòng)力耦合等方式。近年，隨著信息技術(shù)飛速發(fā)展與應(yīng)用普及，防汛減災(zāi)工作對(duì)洪澇風(fēng)險(xiǎn)模擬分析的可靠性、準(zhǔn)確性、精細(xì)化程度以及時(shí)效性提出了更高要求。

本文結(jié)合天津市洪澇特點(diǎn)，在模型建設(shè)難點(diǎn)分析基礎(chǔ)上，考慮預(yù)見(jiàn)期、計(jì)算量、資料可獲得性、內(nèi)外洪相互影響、平原河網(wǎng)地區(qū)水系復(fù)雜性、涉及的調(diào)度工程種類多樣性、調(diào)度方式復(fù)雜性等制約因素，從模型建設(shè)范圍、模擬方法選擇策略、模擬對(duì)象組合策略等方面探討并構(gòu)建出符合天津?qū)嶋H需求的洪澇模擬模型。

天津市洪澇特點(diǎn)及建模難點(diǎn)分析

1.洪澇特點(diǎn)

城市因當(dāng)?shù)丶案髤^(qū)域內(nèi)的強(qiáng)降雨而遭遇的洪澇災(zāi)害主要分為三類：城市毗鄰江河洪水、城區(qū)內(nèi)澇、城郊山洪。作為濱海城市，天津市在面臨上述三類洪澇威脅的同時(shí)，還面臨下游潮位頂托的問(wèn)題。

（1）上游來(lái)洪威脅大

天津市地處海河流域最下游，承泄海河流域70%以上的洪水入海，是眾多河流入海的匯合地。上游洪水從北、西、南三面向天津市匯集，一旦上游發(fā)生洪水，可能引發(fā)天津市洪澇災(zāi)害。海河“23·7”流域性特大洪水期間，截至2023年8月14日，天津市累計(jì)承接海河流域上游洪水29.2億m3，下泄入海水量24.44億m3，退水過(guò)程持續(xù)到了9月底。因此，天津市防汛工作需要重點(diǎn)關(guān)注上游北京、河北的降雨、客水入境情況。

（2）中心城區(qū)排澇壓力大

天津市中心城區(qū)地勢(shì)低平，澇水大部分需要泵排入河，而部分二級(jí)河道河口泵站以及地道泵站外排洪澇能力不足，部分存量排水設(shè)施超期服役帶病運(yùn)行，無(wú)法正常發(fā)揮功能，影響排水效率。截至2024年，市屬排水主管網(wǎng)長(zhǎng)度近4000km，排水泵站270余座，總排水能力約1500m3/s。2024年8月25日10時(shí)到26日16時(shí)（共30h），天津市出現(xiàn)入汛以來(lái)最強(qiáng)降雨過(guò)程，市區(qū)平均累計(jì)雨量157.24mm，先后有21處積水地區(qū)、5處積水地道斷交（金鐘地道、東風(fēng)地道、春意橋、金阜橋、大沽橋），最長(zhǎng)退水時(shí)間達(dá)6h。

（3）北部山區(qū)存在山洪風(fēng)險(xiǎn)

天津市山洪災(zāi)害防治區(qū)僅涉及薊州區(qū)，根據(jù)天津市薊州區(qū)水務(wù)局及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的初步普查，薊州區(qū)北部山洪防治區(qū)總面積859.08km，總?cè)丝?5.14萬(wàn)人，其中受山洪威脅人口23.12萬(wàn)人。截至2023年年底，薊州區(qū)山洪災(zāi)害防治區(qū)先后實(shí)施了“薊州區(qū)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目”“天津市薊州區(qū)山洪災(zāi)害防治非工程措施建設(shè)項(xiàng)目”，進(jìn)行了山洪災(zāi)害初步普查，并對(duì)山洪災(zāi)害進(jìn)行了危險(xiǎn)區(qū)劃定。2024年8月9日至10日，薊州區(qū)發(fā)生強(qiáng)降雨，最大日降雨量220.1mm，引發(fā)山洪造成部分設(shè)施被沖毀及部分地區(qū)被淹。

（4）下游受潮水頂托嚴(yán)重且存在倒灌風(fēng)險(xiǎn)

天津市東臨渤海，高潮位不僅遠(yuǎn)超海河入海口水面高度，還超過(guò)了天津市區(qū)地面高程，對(duì)行洪排澇頂托作用明顯，導(dǎo)致洪澇影響加劇，并可能引發(fā)海水倒灌。2024年10月21日，天文大潮和風(fēng)暴潮疊加，渤海和黃海中北部各潮位站均記錄到80～160mm區(qū)間的突發(fā)異常增水，造成天津市濱海新區(qū)海水倒灌，部分街道社區(qū)被淹。

2.防洪排澇現(xiàn)狀

天津市特定地理位置和自然條件決定了“上防洪水、中防瀝澇、下防海潮、北防山洪”立體防汛格局，上游大洪水來(lái)襲與潮水頂托、市區(qū)瀝澇“三碰頭”的情況時(shí)有發(fā)生。歷經(jīng)多年治理，依托海河流域防洪體系，基本建成了以一二級(jí)河道、大中型水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)及海堤為骨架的水災(zāi)害防御體系，并建成由永定新河右堤、獨(dú)流減河左堤、海擋和西部防洪堤構(gòu)成的249km城市防洪圈，基本達(dá)到200年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。

（1）河道工程

天津市現(xiàn)有一級(jí)行洪河道19條，總長(zhǎng)1095km，堤防總長(zhǎng)1994km，主要承泄海河流域32.06萬(wàn)km總面積中70%以上的洪水入海，設(shè)計(jì)入?？偭髁?.54萬(wàn)m3/s。天津境內(nèi)有二級(jí)河道143條，總長(zhǎng)1987km，主要承泄城區(qū)雨水、排蓄農(nóng)田瀝水。

（2）水庫(kù)工程

天津市現(xiàn)有水庫(kù)21座，包括于橋、北大港和團(tuán)泊3座大型水庫(kù)，8座中型水庫(kù)，10座小型水庫(kù)，總庫(kù)容25.45億m3，目前已全部完成除險(xiǎn)加固。其中承擔(dān)防洪調(diào)度功能的2座水庫(kù)，分別是于橋水庫(kù)和楊莊水庫(kù)。

（3）蓄滯洪區(qū)

天津市境內(nèi)現(xiàn)有蓄滯洪區(qū)13個(gè)，總面積2952km，總蓄水量55.71億m3，涉及8個(gè)區(qū)131萬(wàn)人。列入國(guó)家蓄滯洪區(qū)名錄的有10個(gè)，分別是永定河泛區(qū)、東淀、文安洼、賈口洼、大黃堡洼、黃莊洼、青甸洼、盛莊洼、團(tuán)泊洼、三角淀；市管蓄滯洪區(qū)3個(gè)，包括淀北、七里海、沙井子行洪道。其中永定河泛區(qū)和東淀啟用較為頻繁，海河“23·7”流域性特大洪水期間發(fā)揮了重要作用。

（4）中心城區(qū)排水及海堤工程

天津市中心城區(qū)現(xiàn)有排水泵站268座，總流量1446m3/m，80%排水標(biāo)準(zhǔn)為1年一遇。排水目標(biāo)為“大雨2小時(shí)、暴雨5小時(shí)”。天津市海岸線總長(zhǎng)153.2km，已建成海堤139.62km，設(shè)計(jì)防潮標(biāo)準(zhǔn)20年一遇～50年一遇。

3.建模難點(diǎn)分析

（1）模型建設(shè)范圍需要綜合考慮預(yù)見(jiàn)期、計(jì)算量、資料可獲得性等多方面因素

如前文所述，天津市地處海河流域最下游，其防汛工作需要密切關(guān)注上游的降雨和洪水情況，若單純以天津市界作為上游模型建設(shè)范圍，洪水預(yù)見(jiàn)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，無(wú)法滿足實(shí)際防汛工作的需要。向上游延擴(kuò)模型建設(shè)范圍，可以延長(zhǎng)洪水預(yù)見(jiàn)期，但隨著范圍的擴(kuò)大，數(shù)據(jù)資料的收集難度也必將增加，并且模型考慮的因素也將隨著空間范圍的增大而增多，這將極大增加模型建設(shè)難度、復(fù)雜性和計(jì)算量。因此，需要綜合考量各種因素，以確定合適的建設(shè)范圍。

（2）外洪、內(nèi)澇相互制約，需要綜合考慮

對(duì)天津市而言，外洪（要素包括上游洪水、北部山洪和下游高潮位頂托）和內(nèi)澇過(guò)程相互作用、相互影響，但各部分在建設(shè)范圍、精細(xì)化要求和考慮要素方面卻互有不同，其中外洪模型建設(shè)范圍最大，精細(xì)化程度要求相對(duì)較低，而內(nèi)澇則重點(diǎn)關(guān)注中心城區(qū)部分，精細(xì)化程度要求較高。在呈現(xiàn)各部分間相互作用同時(shí)又能兼顧各部分分析重點(diǎn)，這就要求做好各部分的銜接和平衡。

（3）平原河網(wǎng)地區(qū)水系復(fù)雜且互聯(lián)互通，模擬難度大

模型建設(shè)范圍處于流域下游，地勢(shì)相對(duì)平坦，且水系眾多，相互連通，匯流關(guān)系復(fù)雜。水文模型擅長(zhǎng)處理山區(qū)多匯一的樹(shù)狀河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)于河道分流以及環(huán)狀河道的處理存在困難。另外，平原地區(qū)沒(méi)有明顯的分水嶺，難以基于地形數(shù)據(jù)劃分匯水分區(qū)。水動(dòng)力模型擅長(zhǎng)處理復(fù)雜的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，但對(duì)于地表來(lái)說(shuō)，計(jì)算單元一般比較精細(xì)，對(duì)數(shù)據(jù)資料的質(zhì)量和精度要求往往很高，這在一定程度上限制了其在大范圍場(chǎng)景下的應(yīng)用。

（4）涉及的調(diào)度工程種類多樣、數(shù)量龐大、調(diào)度方式復(fù)雜

天津市防汛調(diào)度工程種類多樣，涉及水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)、河道樞紐（水閘、橡膠壩、倒虹吸等工程組合）及單體工程（主要指水閘、橡膠壩等）、各類泵站等，其中承擔(dān)重要防洪功能的水閘、泵站、蓄滯洪區(qū)數(shù)量較多，不僅調(diào)度方式復(fù)雜，而且需要考慮不同工程間的聯(lián)合調(diào)度，極大增加了建模復(fù)雜程度。

（5）新時(shí)期防汛管理對(duì)精細(xì)化程度和時(shí)效性要求高

新時(shí)期防汛管理工作對(duì)模型成果在精細(xì)化程度和時(shí)效性方面提出了更高要求，而在大范圍建模尺度下，精細(xì)化和時(shí)效性往往是一對(duì)矛盾體，如何平衡二者關(guān)系對(duì)模型建設(shè)策略是個(gè)挑戰(zhàn)。

模型建設(shè)及成果

結(jié)合天津市洪澇特點(diǎn)及建模難點(diǎn)分析，模型建設(shè)可以按照3個(gè)區(qū)域尺度進(jìn)行，從大到小分別是區(qū)域（天津市全境及其上游臨近控制性關(guān)鍵樞紐以下范圍，約3.4萬(wàn)km）、城市防洪圈（2700km）和中心城區(qū)（440km）。3個(gè)尺度的洪澇模型以河網(wǎng)為骨架，以河網(wǎng)中關(guān)鍵水利工程為節(jié)點(diǎn)，以互為水位-流量邊界的交互方式實(shí)現(xiàn)耦合銜接。

1.區(qū)域洪澇模型

為了保證一定時(shí)長(zhǎng)的洪水預(yù)見(jiàn)期，同時(shí)便于上游邊界入流條件的獲取，本研究將天津市全境及其上游臨近控制性關(guān)鍵樞紐以下范圍作為區(qū)域洪澇模型的建設(shè)范圍，如下圖所示，具體包括北關(guān)樞紐以下北運(yùn)河流域、密云水庫(kù)以下潮白河流域、薊運(yùn)河全流域、盧溝橋樞紐以下永定河流域、新蓋房樞紐-棗林莊樞紐以下大清河系流域、獻(xiàn)縣樞紐以下子牙河流域、海河干流全流域。

▲區(qū)域洪澇模型建設(shè)范圍

區(qū)域洪澇模型建設(shè)范圍包括山丘區(qū)和平原區(qū)，結(jié)合水文模型和水動(dòng)力模型的各自特點(diǎn)和適用性，采用水文水動(dòng)力模型相結(jié)合的方式分區(qū)域進(jìn)行建模。在山丘區(qū)范圍內(nèi)，尤其是在薊州山區(qū)構(gòu)建完整的水文模型，包括以小流域?yàn)橛?jì)算單元的產(chǎn)匯流模型、水庫(kù)調(diào)度模型和河道匯流模型，用以計(jì)算流域出口節(jié)點(diǎn)與關(guān)鍵斷面的洪水過(guò)程。在平原區(qū)范圍內(nèi)，洪水演進(jìn)過(guò)程以水動(dòng)力模型刻畫(huà)為主，水文模型為輔，即平原區(qū)水文模型主要計(jì)算坡面產(chǎn)匯流過(guò)程，而重點(diǎn)河道的洪水演進(jìn)以河道一維水動(dòng)力模型為主，水文模型為河道一維模型關(guān)鍵入?yún)R斷面提供區(qū)間入流。

而對(duì)于平原區(qū)，水文模型小流域劃分存在困難。本文重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域天津市境內(nèi)部分，參考當(dāng)?shù)嘏艥骋?guī)劃中的排澇小區(qū)（108個(gè)）劃分成果，在此基礎(chǔ)上分析地表阻擋水情況進(jìn)一步細(xì)化，得到191個(gè)分區(qū)，如下圖所示，作為平原區(qū)的基本計(jì)算單元，計(jì)算各單元的降雨產(chǎn)流和坡面匯流，得到排澇過(guò)程，作為河道水動(dòng)力模型的區(qū)間入流。對(duì)于境外部分，由于缺乏相關(guān)排澇規(guī)劃資料，因此依然參照原小流域單元的劃分方法構(gòu)建水文模型，且境外水動(dòng)力河道只考慮了主要行洪河道，一些入?yún)R支流未建模，因此仍計(jì)算全流程的坡面產(chǎn)匯流與河道演進(jìn)，得到關(guān)鍵斷面及節(jié)點(diǎn)的洪水過(guò)程。主要行洪河道水文與水動(dòng)力的共建斷面，以一維河道模型預(yù)報(bào)成果為主，水文模型預(yù)報(bào)結(jié)果作為參考。

▲天津市境內(nèi)平原區(qū)水文計(jì)算單元?jiǎng)澐殖晒?/span>

天津市河系整體上互聯(lián)互通，但一般可以分為南部河系（大清河系、子牙河系、海河干流）和北部河系（北三河系和永定河系），二者在洪水特性方面有著顯著差異，且二者僅在受工程控制的北運(yùn)河節(jié)制閘、金鐘河閘泵存在水量交換，因此為了減少?gòu)?fù)雜度和計(jì)算成本，將水動(dòng)力模型分成南北兩部分，如下圖所示。

▲河網(wǎng)水動(dòng)力模型（上：北四河系，下：南部河系）

對(duì)于調(diào)度工程，除了在水文模型中考慮水庫(kù)要素，水閘、橡膠壩、泵站等均在河道水動(dòng)力模型中作為構(gòu)成要素進(jìn)行建模，由于水動(dòng)力模型自身特性，上述調(diào)度工程均可支持復(fù)雜調(diào)度以及聯(lián)合調(diào)度。對(duì)于蓄滯洪區(qū)部分，分別建設(shè)13個(gè)蓄滯洪區(qū)（包括天津市域外部分）的二維水動(dòng)力演進(jìn)分析模型（包含進(jìn)退洪設(shè)施調(diào)度），并利用一二維耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)與河網(wǎng)水動(dòng)力模型的耦合計(jì)算。為了適應(yīng)不同場(chǎng)景對(duì)計(jì)算效率的要求，建立2套不同網(wǎng)格尺寸的模型，即精細(xì)化模型和粗精度模型。

對(duì)于蓄滯洪區(qū)以外仍可能被淹沒(méi)區(qū)域，構(gòu)建二維水動(dòng)力模型用以分析洪水出槽以及河道堤防潰決后洪水在地表演進(jìn)情況。

在方案計(jì)算時(shí)，模型輸入要素（邊界條件）包括降雨、上游來(lái)洪過(guò)程以及下游潮位過(guò)程，其中降雨數(shù)據(jù)需要外接氣象部門(mén)的降雨預(yù)報(bào)產(chǎn)品，上游來(lái)洪過(guò)程可以采用關(guān)鍵樞紐實(shí)測(cè)流量過(guò)程（“以測(cè)補(bǔ)報(bào)”，預(yù)見(jiàn)期較短）或者水利部海河水利委員會(huì)、水利部信息中心等其他權(quán)威部門(mén)推送的洪水預(yù)報(bào)成果，下游潮位過(guò)程采用實(shí)測(cè)或權(quán)威部門(mén)推送的預(yù)報(bào)成果。

在上述建模思路下，為滿足實(shí)時(shí)調(diào)度計(jì)算、精細(xì)化分析等業(yè)務(wù)需求，針對(duì)防洪工程調(diào)度、實(shí)時(shí)分析計(jì)算需求，建設(shè)完成了面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的4類模型成果（如下圖所示）：①用于中小洪水的洪水模擬與工程調(diào)度超快模型（河道一維+閘壩泵調(diào)度+水文）；②用于需要啟用蓄滯洪區(qū)中大洪水的洪水模擬與工程調(diào)度快速模型（河道一維+閘壩泵調(diào)度+粗精度蓄滯洪區(qū)模型+水文）；③針對(duì)河道洪水漫溢淹沒(méi)分析需求的河道洪水淹沒(méi)分析模型（河道一維+閘壩泵調(diào)度+地表二維+水文）；④僅針對(duì)蓄滯洪區(qū)進(jìn)洪、淹沒(méi)影響、退水等精細(xì)化分析需求的蓄滯洪區(qū)精細(xì)分析模型。

▲區(qū)域洪澇模型建設(shè)成果

其中：模型成果①具體包含4套水文水動(dòng)力調(diào)度模型，分別是北四河系調(diào)度模型（包括模型范圍內(nèi)永定河系、北運(yùn)河系、潮白河系、薊運(yùn)河系）、大清河及子牙河系調(diào)度模型（西河閘和獨(dú)流減河防潮閘上游范圍）、海河干流河系調(diào)度模型（屈家店樞紐和西河閘以下范圍）、子牙新河主槽一維河道調(diào)度模型；模型成果②包括北四河系河道-水庫(kù)-閘壩-泵站-蓄滯洪區(qū)一體化調(diào)度模型和西三洼聯(lián)合團(tuán)泊洼、沙井子蓄滯洪區(qū)以及所關(guān)聯(lián)河道閘泵一體化調(diào)度模型；模型成果③包含4套模型，分別是北四河系淹沒(méi)分析模型、楊莊水庫(kù)泄洪分析模型、海河干流淹沒(méi)分析模型、子牙新河漫灘模型；模型成果④包括永定河泛區(qū)、三角淀、淀北、西七里海、大黃堡、黃莊洼、青甸洼、盛莊洼、東淀、文安洼、賈口洼、團(tuán)泊洼、沙井子蓄滯洪區(qū)的精細(xì)化模型。

模擬精度方面，通過(guò)多場(chǎng)歷史洪水過(guò)程檢驗(yàn)，洪峰流量的相對(duì)誤差基本控制在20%以內(nèi)，洪峰水位誤差基本控制在20cm以內(nèi)。計(jì)算效率方面，在常規(guī)GPU硬件條件下，模型成果①模擬7天過(guò)程計(jì)算耗時(shí)約2min，成果②模擬20天過(guò)程計(jì)算耗時(shí)約30min，成果③模擬7天過(guò)程計(jì)算耗時(shí)約30min，成果④模擬7天過(guò)程計(jì)算耗時(shí)約5min。

2.城市防洪圈模型

天津市中心城區(qū)（外環(huán)線拓圓后以內(nèi)范圍，約440km）是排澇重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，雖然大部分地表區(qū)域被外環(huán)河包裹，但城區(qū)內(nèi)外水系連通，與外環(huán)河或平交或立交，水系并未形成獨(dú)立區(qū)域，如果單純?cè)谥行某菂^(qū)范圍內(nèi)建設(shè)洪澇分析模型，二級(jí)河道出入流邊界條件的確定存在困難（上述區(qū)域洪澇模型的河網(wǎng)水動(dòng)力模塊并未覆蓋中心城區(qū)附近的二級(jí)河道）。為解決中心城區(qū)洪澇分析模型邊界條件難以確定問(wèn)題，本研究將河道模型建設(shè)范圍擴(kuò)展到城市防洪圈范圍（約2700km），即北到永定新河右堤、南到獨(dú)流減河左堤、西到西部防洪堤、東到海擋。城市防洪圈河網(wǎng)模型邊界條件，主要是上游屈家店樞紐下泄、西河閘下泄以及獨(dú)流減河和永定新河水位、下游潮位，可以支持用戶指定過(guò)程或者對(duì)接上述區(qū)域洪澇模型的計(jì)算成果。城市防洪圈內(nèi)水系所處地勢(shì)平坦，二級(jí)河道縱橫交錯(cuò)，閘泵工程眾多，受工程調(diào)度影響較大，匯流關(guān)系復(fù)雜，需要建設(shè)水動(dòng)力模型進(jìn)行刻畫(huà)。城市防洪圈河網(wǎng)水動(dòng)力模型基本涵蓋防洪圈內(nèi)所有河道及附屬閘泵工程，包括4條一級(jí)河道（北運(yùn)河、子牙河、新開(kāi)-金鐘河、海河干流）和67條二級(jí)河道（見(jiàn)下圖）

▲城市防洪圈河網(wǎng)模型

3.中心城區(qū)模型

在天津城市防洪圈河網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，在中心城區(qū)范圍內(nèi)（外環(huán)線拓圓以內(nèi)，約440km），進(jìn)一步耦合構(gòu)建地表降雨產(chǎn)流模型、地表水動(dòng)力匯流模型和管網(wǎng)排水模型。在地表降雨產(chǎn)匯流計(jì)算方面，本研究采用直接降雨法模型，地表降雨產(chǎn)流模型和匯流模型基于同一套網(wǎng)格計(jì)算，即在網(wǎng)格單元上首先采用水文學(xué)方法計(jì)算前損和下滲等過(guò)程，然后形成的凈雨參與水動(dòng)力匯流計(jì)算?；谥苯咏涤攴ǖ慕Ｋ悸罚M效果更符合實(shí)際產(chǎn)匯流過(guò)程，但對(duì)數(shù)據(jù)精度要求較高，且需要較高的網(wǎng)格分辨率，計(jì)算成本較高。為了提高建模和計(jì)算效率，本研究以地表明渠為界，將中心城區(qū)地表模型部分劃分為16個(gè)分區(qū)（見(jiàn)下圖），剖分計(jì)算網(wǎng)格總計(jì)約50萬(wàn)個(gè)，網(wǎng)格平均邊長(zhǎng)30m，在道路、下凹橋區(qū)等積水風(fēng)險(xiǎn)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，網(wǎng)格適當(dāng)加密。一維河網(wǎng)模型作為基礎(chǔ)骨架，通過(guò)與各分區(qū)邊界耦合，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合計(jì)算。中心城區(qū)洪澇分析模型輸入主要為降雨。

中心城區(qū)洪澇模型

模擬精度方面，通過(guò)2024年8月25日和9月9日2場(chǎng)降雨過(guò)程的檢驗(yàn)，前者中心城區(qū)平均降雨量137.0mm，最大204.6mm，實(shí)際發(fā)生積水23處，模擬捕獲20處，最大水深誤差在0.2m之內(nèi)；后者平均降雨量38.1mm，最大144.3mm，實(shí)際發(fā)生積水8處，模擬捕獲7處，最大水深誤差在0.12m之內(nèi)。計(jì)算效率方面，在常規(guī)GPU硬件條件下，計(jì)算24h降雨過(guò)程，在未分區(qū)計(jì)算情況下，耗時(shí)約29min，在分區(qū)計(jì)算情況下，耗時(shí)最多的分區(qū)（5號(hào)分區(qū)）用時(shí)約5min。

結(jié)論

在天津市洪澇特點(diǎn)及建模難點(diǎn)分析基礎(chǔ)上，本文提出了符合天津市特定情況和實(shí)際需求的防洪排澇調(diào)度模型體系成果，成果特色主要體現(xiàn)在以下三方面：

①支持大范圍復(fù)雜防洪排澇工程的統(tǒng)籌調(diào)度。針對(duì)天津市控制性工程數(shù)量多、種類多樣、單體工程復(fù)雜、涉及聯(lián)合調(diào)度等防洪特點(diǎn)，構(gòu)建了覆蓋天津市及其上游臨近控制性樞紐范圍內(nèi)防洪排澇調(diào)度一體化模型，實(shí)現(xiàn)了閘-壩-泵-水庫(kù)-蓄滯洪區(qū)的多工程防洪排澇一體化統(tǒng)籌調(diào)度。

②支持不同業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的統(tǒng)籌考慮。在利用最新高性能并行計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了面向不同應(yīng)用場(chǎng)景（如事中應(yīng)急調(diào)度和事后復(fù)盤(pán)分析、全局快速計(jì)算和局部精細(xì)分析、大量級(jí)洪水的多要素分析和中小量級(jí)洪水的簡(jiǎn)要分析等）的模型組合調(diào)用，一定程度上緩解了防洪實(shí)際中對(duì)時(shí)效性、準(zhǔn)確度、精細(xì)化之間的需求矛盾。

③支持外洪、內(nèi)澇的統(tǒng)籌分析。針對(duì)天津市特殊地理位置條件，即受上游洪水威脅嚴(yán)重、城區(qū)排澇不順暢和下游受潮位頂托等情況，實(shí)現(xiàn)了洪澇一體化統(tǒng)籌分析，為應(yīng)對(duì)洪澇遭遇或洪澇潮遭遇場(chǎng)景的調(diào)度決策提供支撐。

Abstract: Nowadays, floods have become the main natural disasters in cities of China. The measure of “flood forecasting, early warning, rehearsal and contingency plan” has played a key role for cities to cope with flood and waterlogging, by using urban flood simulation technology as its key support. Being a coastal city, Tianjin faces a significant threat of upstream flooding, with prominent drainage pressure in the city central areas. There is a risk of flash floods in the northern mountainous areas, while downstream areas are affected by seawater intrusion, resulting in complex and severe flood and waterlogging problems. Currently, there are difficulties in establishing flood control and drainage dispatch model system in Tianjin, because the scope of model is constrained by factors such as forecast period, amount of computation and data acquisition. External and internal floods interact with each other, but each has its own stress. Plain river network and water system are complicated, with various types of structures for dispatching and scheduling. Meanwhile, flood management requires high precision and timeliness of model results. In response to this, a flood prevention model was developed at three scales of coverage area, urban flood control circle and downtown area, with consideration to model scope, simulation method selection and simulation object combination. Regional models integrates hydrological and hydrodynamic models for zoning modeling, while urban flood control circle models are expanded to clarify boundary conditions. The central urban area model is coupled with multiple models based on the former. This model can support coordinated scheduling of complex structures on a large scale, different business application scenarios, and overall evaluation of external and internal floods.

Keywords: flood control and drainage; dispatch model; external floods; waterlogging; Tianjin

本文引用格式：

李敏，臧文斌，吳濱濱，等.天津市防洪排澇調(diào)度模型體系建設(shè)研究[J].中國(guó)水利，2025（4）：40-47.

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封面攝影張學(xué)農(nóng)

責(zé)編李博遠(yuǎn)

校對(duì)李盧祎

審核王慧

監(jiān)制軒瑋

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