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王光谦 清华大学水利系 ; 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 Guangqian Wang

城市 洪水可预测性分析 —— 以 2012 年北京 7•21 洪水为例 Urban Floods: A Case Study of the Beijing July-21 Flood in 2012. 王光谦 清华大学水利系 ; 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 Guangqian Wang Department of Hydraulic Engineering, State Key Lab. of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 2012-12-04.

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王光谦 清华大学水利系 ; 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 Guangqian Wang

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  1. 城市洪水可预测性分析 ——以2012年北京7•21洪水为例Urban Floods: A Case Study of the Beijing July-21 Flood in 2012 王光谦 清华大学水利系; 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 Guangqian Wang Department of Hydraulic Engineering, State Key Lab. of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 2012-12-04

  2. 目录 Outline • 简介Introduction • 降雨数据与洪水可预报性分析Analysis of Rainfall Data and Flood Predictability • 基于数字流域模型的河流洪水演算River Flood Simulation Using the DWM • 城区道路积水警报系统Road Waterlogging Warning System • 城市防洪展望Urban Flood Control Outlook

  3. 简介Introduction

  4. 城市洪水灾害Urban Flood Disaster • 流域性洪水涌入城区——防洪问题Defense of outside floods • 洪水量级大，持续时间长，影响范围广 • 防御目标明确，可提前预报预警 • 城区内排水不畅形成内涝——排水问题Drainage of inside floods • 形成速度快，局部灾害大 • 难以预报预警，城市化进程中逐渐凸显的灾害来源 • 两类因素同时作用导致较大的城市洪水灾害Combination of the two factors

  5. 我国的城市化水平正在不断提高 (城市人口比例)Higher level of urbanization (population percentage) 我国城市防洪形势严峻，防洪标准普遍较低Low flood control standard 据2002年资料，我国(未计港澳台地区)有防洪任务的城市642 座，其中 177 座(28%)达到国家防洪标准 Reached national standard 465 座(72%)城市低于国家规定的防洪标准 Unreached 全国概况General Situation in China

  6. 我国位于长江、黄河、淮河、珠江、海河、辽河、松花江七大流域和东南沿海地区的诸多城市频繁遭受内涝灾害我国位于长江、黄河、淮河、珠江、海河、辽河、松花江七大流域和东南沿海地区的诸多城市频繁遭受内涝灾害 中国住房和城乡建设部2010年对351 个城市的调研显示 2008-2010年间, 62%的城市发生过城市内涝 内涝灾害超过3 次以上的城市有137 个 截至8月份， 2012年中国正式报道的城市内涝致死人数已多于100 人 频繁发生的城市洪水灾害已经成为我国城市化建设可持续发展的一个硬伤 全国概况General Situation in China

  7. 我国的城市洪水灾害具有普遍性和频发性Urban floods are common and frequent 我国的城市洪水灾害发生时间相对集中Concentrated in flood seasons 北方地区：6-8 月Northern region: from June to August 南方地区：5-8 月Southern region: from May to August 我国城市洪水灾害基本特点Features of Urban Flood Disaster in China

  8. Flood control system in lower reaches The lower Yellow River is a “suspended” river where river bed is normally 3-5 meters higher than the ground on both sides. River bed wanders on the restricted area by river dikes. Iron tower of Kaifen City dike Yellow River 13m

  9. Flood involved area Flood disasters extended to Tianjin in north and to Nanjing in south with a total area of 250,000 km2 Population: 78106 Big cities: 7 Tianjin Jinan Zhengzhou Nanjing

  10. Flood storage structures Reservoir Storage(m3) Luhun 1.29X109 Guxian 1.2X109 Sanmenxia 6 X109 Xiaolangdi 12.7 X109 Xiaolangdi Res. Sanmenxia Guxian Res. Luhun Res.

  11. Flood detention basins Beizhan Nanzhan Beijindi Dagong Dongping Lake

  12. The function of flow guiding project is to control the flow direction. A number of guiding projects and embankments of risky sites have been built up along the lower Yellow River. Embankment at risky site Flow guiding project

  13. 2007年济南洪水Jinan, Shandong 2008年深圳洪水，宝安大道变成一条长河Bao’an Road, Shenzhen 2007年重庆洪水Chongqing 2011年武汉洪水，武汉大学信息学部门前，车辆没入水中 Wuhan University, Hubei 2010年广州洪水Guangzhou

  14. 北京市城市化率位居全国第二 (仅次于上海)The second highest urbanization rate in mainland China 北京的城市化率为77.31% (中国城市化国际峰会, 2010年) 北京市防洪及河湖水系River system 海河水系 西蓄东排、南北分洪 城区水域面积急剧减少:1984-2004年，四环以内水域面积减少近14% 密云水库 官厅水库 潮白河 泃河 北运河 永定河 拒马河 北京概况General Situation in Beijing

  15. 北京市排水管网系统落后于城市发展The outdated drainage network system 设计标准不高：1-3 年一遇，仅能适应36-45 mm/h的降雨 年久失修，存在老化问题 北京概况General Situation in Beijing 排水管网系统 排水泵站系统

  16. 北京市蓄滞洪区建设The flood storage and detention area 规划建设17 个蓄滞洪区, 其中中心城内9 处 已建成3 处: 海淀玉渊潭、朝阳水碓湖和昌平东沙河 东沙河 水碓湖 玉渊潭 北京概况General Situation in Beijing 蓄滞洪区示意图(黄色框：已建成)

  17. 北京市雨量站网和水文站网建设Rainfall and hydrological station network 雨量站：已有140个，拟新建49个，改造21个 水文站：已有61个，拟新建41个，改造61个 北京市近10年来几乎连年遭遇城市洪水灾害Urban flood disaster occurred almost every year 2004、2006、2007、2008、2009、2011 2011年6月下旬至7月下旬，3次严重内涝灾害 2012年7月21日，历史罕见的特大暴雨 北京概况General Situation in Beijing

  18. 暴雨成因Causes 冷暖空气剧烈交汇 Violent intersection of cold and warm air 热岛效应 Urban heat island effect 暴雨特点Features 降雨总量多 Large rainfall depth 平均值170 mm，降雨量大于200 mm的面积约占全市总面积的36% 降雨历时长 Long rainfall duration 持续近16 小时 局部雨强大 Strong local rainfall intensity 局部最大雨量460 mm，接近五百年一遇 北京7•21洪水The Beijing July-21 Flood

  19. 总体灾情 Overall disaster situation 全市受灾面积16000 km2，成灾面积14000 km2，基本覆盖北京市全境，经济损失共约116.4亿元 全市受灾人口达190万人，其中市郊的房山区80万人，约占受灾总人数的42% 全市共有79 人死亡，城区的五环以内共有6 人(其中核心城区1 人)，其余均在郊区 北京7•21洪水The Beijing July-21 Flood

  20. 市区灾情Disaster situation in the urban area 主要积水道路63处，积水在30 cm以上路段30 处 北京7•21洪水The Beijing July-21 Flood

  21. 北京7•21洪水The Beijing July-21 Flood 市区内涝集中在公路的下沉式路段

  22. 市郊灾情Disaster situation in the suburb 暴雨形成流域性洪水，局部洪峰流量巨大 拒马河2500 m3/s，北运河1700 m3/s，达到20 年一遇 暴雨引发泥石流等次生灾害 房山区: 2 起 北京7•21洪水The Beijing July-21 Flood 通往十渡的山路出现塌方

  23. 北京7•21洪水The Beijing July-21 Flood 十渡超市内物品被冲毁 房山区村民灾后无家可归 市郊爆发流域性洪水致灾严重 野三坡汹涌的洪水 野三坡洪水消退一片狼藉

  24. 降雨数据与洪水可预报性分析Analysis of Rainfall Data and Flood Predictability

  25. 降雨数据来源Sources of rainfall data 预报数据 Forecasting data 天气预报 Weather forecast e.g. TIGGE计划 TIGGE Programme 实时数据 Real-time data 测雨雷达 X-band Radar (在线)雨量站 Raingauge data 事后数据 Post-event data 卫星降雨产品 Satellite data 降雨数据分析Analysis of Rainfall Data

  26. TIGGE集合天气预报TIGGE Weather Forecast • TIGGE: THORPEX Interactive Grand Global Ensemble全球交互式大集合预报系统 • THORPEX: The Observing System Research and Predictability Experiment观测系统研究与可预报性实验 • 参与机构: 中国CMA, 美国NCEP, 欧洲ECMWF, 澳大利亚BOM, 加拿大CMC, 巴西CPTEC, 日本JMA, 韩国KMA, etc. • 时间分辨率: 6 hr; 空间分辨率: 各机构不同 • 预报时长: 1-14 day • 起始时间: 2006

  27. 7月21日8 时预报，14:00-20:00北京市及周边总降雨量分布 (mm) Maximum:49.6 mm, 出现在河北省西北部 空间分辨率: 0.5° TIGGE-CMA预报数据TIGGE-CMA Forecasting Data

  28. TIGGE-ECMWF预报数据TIGGE-ECMWF Forecasting Data • 7月21日8 时预报，14:00-20:00北京市及周边总降雨量分布 (mm) • Maximum:42.1 mm, 出现在北京西部和西北部 • 空间分辨率: 1/3°

  29. TIGGE-NCEP预报数据TIGGE-NCEP Forecasting Data • 7月21日8 时预报，14:00-20:00北京市及周边总降雨量分布 (mm) • Maximum:74.8 mm, 出现在河北省西部 • 空间分辨率: 1°

  30. 全称: NOAA CPC Morphing Technique 来源: 融合多种低轨道卫星传感器的微波观测估计 如SSM/I、 AMSU-B、AMSR-E、TMI等 最高时空分辨率: 8 km, 30 min 实时性: 最快的一种产品-QMORPH,available about 3 hours after event 覆盖范围: 近全球，60 °N ~60 °S 起始时间: December 3, 2002 CMORPH卫星降雨分析产品CMORPH Satellite Rainfall Product

  31. CMORPH卫星降雨数据CMORPH Satellite Rainfall Data • 7月21日15:30-21:30北京市及周边总降雨量分布 (mm) • Maximum:134.9 mm, 出现在北京市西南部

  32. CMORPH卫星降雨数据CMORPH Satellite Rainfall Data • 7月21日北京市及周边逐0.5小时降雨过程分布 (mm) 15:30~16:00 16:00~16:30 16:30~17:00 17:00~17:30 1 2 18:00~18:30 18:30~19:00 19:00~19:30 17:30~18:00 1 2 19:30~20:00 20:00~20:30 20:30~21:00 21:00~21:30 1 2 • 北京西南部受两个降雨中心的叠加影响

  33. 全称: TRMM Multi-satellite Precipitation Analysis TRMM卫星: Tropical Rainfall Measuring Mission 产品分类 实时产品TMPA 3B40RT, 3B41RT, 3B42RT, available about 8 hours after event 标准产品TMPA 3B42，可靠性最高，但滞后数月 时空分辨率: 1/4°(约25 km), 3 hr / 1 hr 覆盖范围: 近全球，50 °N ~50 °S 起始时间: 1998; TMPA-RT: 2000 TMPA卫星降雨分析产品TMPA Satellite Rainfall Product

  34. 3B41RT卫星降雨数据3B41RT Satellite Rainfall Data • 7月21日15:30-21:30北京市及周边总降雨量分布 (mm) • Maximum:89 mm, 出现在北京市南部

  35. 3B41RT卫星降雨数据3B41RT Satellite Rainfall Data • 7月21日北京市及周边逐小时降雨过程分布 (mm) 16:30~17:30 15:30~16:30 17:30~18:30 17:30~18:30 19:30~20:30 18:30~19:30 20:30~21:30 • 产品时空分辨率更低，降雨分布的连续性和层次感更差 • 能够大致反映降雨中心移动过程，不能区分两个降雨中心 • 降雨总量和最大雨强较CMORPH产品小

  36. 3B42RT卫星降雨数据3B42RT Satellite Rainfall Data • 7月21日15:30-21:30北京市及周边总降雨量分布 (mm) • Maximum:120 mm, 出现在北京市西南部

  37. 15:30~18:30 18:30~21:30 3B42RT卫星降雨数据3B42RT Satellite Rainfall Data • 7月21日北京市及周边逐3 小时降雨过程分布 (mm) • 产品时空分辨率更低，降雨分布的连续性和层次感更差 • 能够大致反映降雨中心移动过程，不能区分两个降雨中心 • 降雨总量和降雨中心位置相对3B41RT与CMORPH更相符

  38. 雨量站降雨数据Raingauge Data • 115 available Raingaugestations inside or around Beijing • 7月21日15:00-21:00北京市及周边总降雨量分布 (mm) • Maximum: 268.8 mm, 出现在北京市西南部

  39. 雨量站降雨数据Raingauge Data • 7月21日北京市及周边逐小时降雨过程分布 (mm) 15:00~16:00 16:00~17:00 17:00~18:00 18:00~19:00 19:00~20:00 20:00~21:00 • 降雨锋面由西南向东北方向分布，可见两个降雨中心 • 西南部有极大的点降雨中心

  40. 最大雨量对比 Maximum rainfall TIGGE 6 h最大雨量: CMA 49.6 mm; ECMWF 42.1 mm;NCEP 74.8 mm CMORPH 0.5 h最大雨量: 25 mm 3B41RT 1 h最大雨量: 21 mm (19:30-20:30 西南部) 3B42RT 3 h最大雨量: 75 mm (18:30-21:30 西南部) 雨量站 1 h最大雨量: 115.8 mm (19-20时房山琉璃河) 不同降雨数据比较Comparison of Different Rainfall Data

  41. 洪水可预报性取决于降雨数据准确性 全球数值天气预报 TIGGE weather forecast 时空分辨率低，预报降雨量偏少，降雨中心不确定 可预知降雨时空分布，但难有效估计最大降雨强度 卫星降雨分析产品 Satellite rainfall product 时空分辨率较高，能够反映降雨的发展过程 仍难以有效估计最大降雨强度，实时性问题 雨量站降雨 Raingauge data 要求实时报汛；跨省/市协调问题 洪水可预报性分析Analysis of Flood Predictability

  42. 基于数字流域模型的河流洪水演算River Flood Simulation Using the DWM

  43. 研究区域基本信息Basic Information of the Study Area • 选取流域Selected river basin • 拒马河流域 (北京西南部) • 河网提取Digital drainage network extracting • DEM: ASTER GDEM v2, 30 m×30 m • 提取参数: 临界源面积(Critical Source Area) = 4 ha, 最小初始沟道长度(Minimum Source Channel Length) = 200 m • 河网提取范围: • A. 张坊水文站以上流域，使用天气预报和卫星降雨数据的初步模拟 • B. 大石河 (漫水河水文站以上流域)，用于流域降雨径流精确模拟

  44. 流域AThe River Basin A • 雨量站和水文站Raingauge station and hydrological station • 流域大部分位于河北省境内，暂无雨量站数据 • 流域出口处有1 个水文站(张坊站)

  45. 初步模拟结果Preliminary Simulation Result CMORPH 3B41RT 3B42RT TIGGE CMA TIGGE NCEP TIGGE ECMWF

  46. 初步模拟结果Preliminary Simulation Result • 降雨深、径流深、径流系数、洪峰值、峰现时间Rainfall depth, runoff depth, runoff coefficient, flood peak flux, flood peak appearance time

  47. 初步模拟结果分析Analysis of the Simulation Results • 全球数值天气预报TIGGE weather forecast • 降雨总量和强度差别极大，对径流模拟的影响非常显著 • 在本次研究中，只有NCEP数据能够模拟形成暴雨洪水 • 卫星降雨分析产品 Satellite rainfall product • CMORPH数据的模拟结果在峰型上与实测值较相符 • 两种TMPA数据在降雨总量上几乎相等，但较CMORPH数据小，模拟的洪峰值和洪量也均相应较小 • 雨量站降雨 Raingauge data • 流域大部分地区暂无降雨数据，无法模拟

  48. 流域BThe River Basin B • 雨量站和水文站Raingauge station and hydrological station • 流域内及其周边共有11 个雨量站，小时雨量数据 • 流域出口处有1 个水文站(漫水河站)

  49. 降雨数据Rainfall Data • 使用融合数据: 雨量站点数据和CMORPH面数据A combination of: Point data (raingauge data) & Areal data (CMORPH data) • 1 h最大雨量: 113 mm (16-17 时) 大石河流域逐小时降雨过程 (融合数据)The hourly merged rainfall in the Dashi River basin

  50. 水文模型Hydrological Model • 水文模型: 清华大学数字流域模型平台Digital Watershed Model • 模型参数分为不变参数和可调参数两类Invariant parameter & adjustable parameter The invariant parameters describing the properties of land use and soil type of the Dashi River basin

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