河南“21·7”暴雨洪水風(fēng)險模擬及對比分析

劉昌軍 呂娟 翟曉燕 李青 劉榮華 孫朝興 趙彥增

摘要：2021年7月河南省遭遇極端強降雨，引發(fā)嚴(yán)重城市內(nèi)澇和流域局部洪水，造成重大社會影響和生命財產(chǎn)損失。重點分析了“21·7””暴雨情況及主要河段的洪水過程，并與河南“75·8”特大暴雨洪水進(jìn)行對比;基于時空變源混合產(chǎn)流模型，建立了覆蓋河南省山區(qū)小流域的分布式水文模型，利用國家山洪災(zāi)害風(fēng)險預(yù)報預(yù)警平臺，計算得到了“21·7”特大暴雨洪水河段、沿河村落的危險等級;并基于下墊面現(xiàn)狀條件，對“75·8”暴雨洪水進(jìn)行了復(fù)盤，探討了“75·8”降雨條件下，河段和沿河村落成災(zāi)情況，進(jìn)而對比了“21·7”和“75·8”暴雨洪水和河段、沿河村落危險情況。研究成果可為后續(xù)災(zāi)害調(diào)查、推演復(fù)盤、總結(jié)評估等提供參考。

關(guān)鍵詞：暴雨洪水模擬;洪水風(fēng)險分析;時空變源混合產(chǎn)流模型;河南“21·7”暴雨;河南“75·8”暴雨; 河南省

中圖法分類號：P333.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.09.001

文章編號：1006 - 0081（2021）09 - 0008 - 07

0 引 言

中國是世界上洪澇災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，歷年遭受的洪澇災(zāi)害次數(shù)、強度、損失、影響范圍等均居中國各類自然災(zāi)害的前列。新中國成立以來，隨著中國洪澇災(zāi)害防治能力的提高，主要江河骨干防洪工程相繼建設(shè)完成，大江大河的洪水基本得到控制，成功抵御了多次重大洪澇災(zāi)害的侵襲。然而，受全球氣候變化的影響，極端氣候事件增多，加之中國社會經(jīng)濟飛速發(fā)展帶來的新形勢、新常態(tài)，防洪減災(zāi)工作仍然面臨挑戰(zhàn)，城市洪水、中小河流洪水、山洪災(zāi)害一定程度上影響了社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。

利用各類水文模型對暴雨洪水進(jìn)行預(yù)報預(yù)警由來已久，最初多是經(jīng)驗判斷法。1851年，Mulvaney提出了推理公式，是水文模型正式進(jìn)入理論化研究的開端[1]。隨后針對流域洪水行進(jìn)過程計算，Sherman于1932年提出了單位線法，認(rèn)為地面徑流過程線的形狀反映了該流域所有物理特征的影響，主要將單位線法用于計算流域出口洪水過程[2]。1959年，Crawford和Linsley研發(fā)了基于水量平衡的Stanford水文模型，同時也是較早時期出現(xiàn)的水文模型，該模型引入降水和蒸發(fā)兩個重要影響因子，并最早開始進(jìn)行融雪過程中徑流的模擬[3]。隨著對水循環(huán)自然規(guī)律認(rèn)識更加深入，結(jié)合實際下墊面及氣候情況的分布式水文模型被開發(fā)出來。Beven和Kirkby在1979年研發(fā)了TOPMODEL，但此模型還未加入降水及蒸發(fā)地區(qū)分布差異的影響，是半分布式水文模型[4]。美國農(nóng)業(yè)部研究中心提出的SWAT模型，已能夠?qū)崿F(xiàn)較長時間維度下大面積復(fù)雜下墊面流域較精準(zhǔn)化的模擬[5]。以上模型在現(xiàn)今水文研究及洪水預(yù)報應(yīng)用方面都具有重要的研究價值。中國針對水文模型也進(jìn)行了一定的研究，例如趙人俊等[6]1975年開發(fā)的新安江模型在計算濕潤地區(qū)降水以及徑流過程中被證實應(yīng)用效果較好;包為民等[7]在1997年提出的垂向混合產(chǎn)流模型適用于半干旱地區(qū)的模擬計算;YANG等[8]根據(jù)特定流域參數(shù)特性提出了適應(yīng)小流域的GBHM模型，該模型主要基于一維水分運動規(guī)律，流域下墊面特性主要運用面積及寬度函數(shù)描繪。針對中國不同地區(qū)地貌特點及降雨特點，劉昌軍等[9-10]在2018年提出了時空變源產(chǎn)流模型和模塊化分布式水文模型FFMS，時空變源混合產(chǎn)流模型將小流域超滲和蓄滿機制在平面、垂向和時段3方面進(jìn)行時空組合，考慮不同地貌參數(shù)引起的水文差異，實現(xiàn)徑流特征不同時進(jìn)行超滲蓄滿模式的時空轉(zhuǎn)換，進(jìn)而提高了短歷時、強降雨條件下洪水的模擬精度。

2021年7月17～24日，河南省遭遇罕見強降雨，持續(xù)時間長、累積雨量大、強降雨時段集中且范圍廣。嵩山、新密、新鄭、登封、偃師等國家級氣象觀測站超過了建站以來日雨量歷史極值，引發(fā)了城市內(nèi)澇和山洪地質(zhì)災(zāi)害，造成了重大社會影響和生命財產(chǎn)損失。1975年8月，河南省同樣發(fā)生了特大暴雨，造成了淮河上游洪汝河、沙潁河以及長江流域唐白河水系特大洪水，導(dǎo)致板橋、石漫灘兩座大型水庫垮壩，下游7座縣城遭到毀滅性災(zāi)害[11]。雖然這兩場特大暴雨在成因和特點上有一定相似性，但在影響范圍、持續(xù)時間和降雨量級上也有一定差異性。本文重點分析河南“21·7”特大暴雨洪水災(zāi)害的降雨情況、洪水過程、河段和沿河村落的危險性等，并與歷史上河南“75·8”特大暴雨災(zāi)害進(jìn)行對比，旨在為后續(xù)洪水調(diào)查和推演復(fù)盤提供支撐。

1 降雨情況分析

1.1 降雨情況

2021年7月17日08：00～23日08：00，安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作、濟源、鄭州、平頂山、漯河出現(xiàn)大到暴雨，局部特大暴雨。7月18～20日，鄭州出現(xiàn)罕見持續(xù)強降水天氣過程，全市普降大暴雨、特大暴雨，累積平均降水量449 mm。7月22日暴雨中心北移，新鄉(xiāng)市中西部、鶴壁市南部等地區(qū)降中到大雨，局部暴雨。根據(jù)河南省水文報汛資料和氣象站資料，鄭州最大1 h點雨量201.9 mm（鄭州站），3 h點雨量333.0 mm（鄭州站），6 h點雨量382.0 mm（鄭州站），24 h點雨量 696.9 mm（尖崗站），其中1 h點雨量刷新了中國陸地小時降雨極值。累積最大點雨量輝縣市龍水梯雨量站1 159 mm，新鄉(xiāng)市鳳泉區(qū)分將池雨量站958 mm，焦作修武縣東陵后雨量站952 mm，衛(wèi)輝市猴頭腦雨量站942 mm，淇縣大水頭雨量站921 mm，鄭州市中原區(qū)尖崗水庫站906 mm。累積平均降雨量：河南全省197 mm，鶴壁市647 mm，新鄉(xiāng)市543 mm，鄭州市528 mm。經(jīng)統(tǒng)計，河南省總雨量287億m3（面平均雨量172 mm），其中，鄭州地區(qū)總雨量35.66億m3（面平均雨量479 mm），新鄉(xiāng)地區(qū)總雨量40.83億m3（面平均雨量495 mm）。根據(jù)氣象部門專家分析，河南暴雨主要受距離中國1 000 km的臺風(fēng)“煙花”控制。在“煙花”和副熱帶高壓氣流引導(dǎo)下，大量的水汽通過偏東風(fēng)源源不斷從海上輸送到陸地，在河南集結(jié)成雨。偏東氣流在河南遇到太行山和伏牛山后，在山前出現(xiàn)輻合抬升，地形導(dǎo)致降雨范圍集中，雨勢更強。而穩(wěn)定的大氣環(huán)流形勢，導(dǎo)致降雨持續(xù)時間長。

1975年8月4～8日，受7503號臺風(fēng)登陸后變成的低壓環(huán)流及與北方冷空氣交匯影響，河南省中南部連續(xù)發(fā)生大暴雨[12]。暴雨區(qū)主要位于洪汝河、沙潁河、唐白河上游的低山丘陵區(qū)，雨帶呈西北-東南向分布。暴雨強度很大，但范圍比較局部。前后5 d雨量200.0 mm以上雨區(qū)范圍為43 800 km2，相應(yīng)總降水量201億m3[12]。暴雨中心地區(qū)強度極大，林莊3 d雨量1 605.3 mm，24 h雨量1 060.3 mm，6 h雨量830.1 mm，4 h雨量641.7 mm，強度之大，超過了中國大陸上歷次實測暴雨的記錄，其中6 h雨量已達(dá)世界最高記錄。

1.2 對比分析

河南“21·7”暴雨過程與“75·8”暴雨過程在暴雨中心、歷時、最大時段雨量等方面均有所差異?！?1·7”暴雨中心主要集中在鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁等中北部地區(qū)，“75·8”暴雨主要集中在南陽、駐馬店等中南部地區(qū);“21·7”暴雨持續(xù)8 d，“75·8”暴雨持續(xù)5 d;“21·7”暴雨最大1 h降雨201.9 mm（鄭州站），刷新了中國陸地小時降雨極值，“75·8”暴雨最大1 h降雨189.5 mm（老君站）;“21·7”暴雨最大6 h降雨382.0 mm（鄭州站），“75·8”暴雨最大6 h降雨830.1 mm（林莊站），超當(dāng)時世界最高紀(jì)錄（782 mm）;“21·7”暴雨最大24 h降雨696.9 mm（尖崗站），“75·8”暴雨最大24 h降雨1 060.3 mm（林莊站）?！?1·7”和“75·8”暴雨不同時段最大點雨量對比見圖1。 2021年7月17～24日與1975年8月5～8日河南省累積降雨量見圖2～3。

2 水文站和水庫水情分析

據(jù)河南省水文水資源局水情專報，“21·7”暴雨導(dǎo)致河南省賈魯河、賈魯河支流雙洎河、衛(wèi)河、衛(wèi)河支流安陽河等出現(xiàn)洪水過程，其中賈魯河、雙洎河、安陽河出現(xiàn)了大洪水過程。在洪水過程中，共有大沙河修武水文站、共產(chǎn)主義渠合河水文站、共產(chǎn)主義渠黃土崗水文站、衛(wèi)河汲縣水文站、安陽河橫水水文站、賈魯河中牟水文站和賈魯河扶溝水文站等水文站洪峰水位超過有水文記錄以來最高水位。根據(jù)報汛資料，共有盤石頭、小南海、尖崗、常莊、丁店、五星、后胡、紙坊（登封）、唐崗、塢羅、佛耳崗、安溝，李灣等13座水庫最高水位超過建庫以來歷史最高水位（2021年7月20～24日鄭州市新鄉(xiāng)市水文站和水庫水情見圖4）。

“75·8”大洪水主要發(fā)生在洪汝河、沙潁河及唐白河上游。位于暴雨中心區(qū)上游一些支流，洪水量級大。汝河板橋水庫上游小支溝石河下陳河段集水面積僅11.9 km2，洪峰流量高達(dá)618 m3/s，下游祖師廟的集水面積71.2 km2，洪峰流量2 470 m3/s。板橋水庫以上集水面積768 km2，經(jīng)按雨量推算最大入庫流量達(dá)13 000 m3/s，澧河支流干江河官寨河段集水面積1 124 km2，洪峰流量達(dá)14 700 m3/s。由于洪汝河上游洪水極大，洪水位超過板橋、石漫灘水庫防浪墻頂0.30，0.35 m，兩庫在1975年8月8日凌晨失事。竹溝、田崗等中型水庫及多座小型水庫也相繼失事。石漫灘下游老王坡滯洪區(qū)和沙河泥河洼滯洪區(qū)也先后漫決，沙潁河、洪汝河兩河河道堤防多處漫溢決口，洪水互相竄流，至8月底、9月初才全部退至淮河干流。

3 洪水危險性分析

河南“21·7”暴雨、“75·8”暴雨造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，部分中小河流、山溝洪水危險性很高。洪水危險性存在于因洪水而可能遭受傷害、損失或損害的地區(qū)[13]，主要受區(qū)內(nèi)天氣因素（影響區(qū)內(nèi)洪水）和下墊面因素的共同作用[14]。以河南“21·7”暴雨、“75·8”暴雨降雨情況為輸入條件，基于現(xiàn)狀下墊面條件，建立河南省山丘區(qū)小流域分布式水文模型，分析山丘區(qū)小流域河段洪水危險性以及沿河村落受山洪影響的危險性，初步評價危險性等級。

3.1 建模及參數(shù)率定

基于時空變源混合產(chǎn)流模型[9，15]及分布式時變單位線匯流模型[16]，構(gòu)建了河南省山丘區(qū)小流域分布式水文模型。采用中國水利水電科學(xué)研究院自主研發(fā)的模塊化分布式水文模型軟件FFMS和自主研發(fā)的OMHMS模塊化水文建模系統(tǒng)框架（圖5），構(gòu)建了國家山洪災(zāi)害風(fēng)險預(yù)報預(yù)警平臺，該平臺軟件在北京、河南、吉林、陜西、山西、湖北、福建、安徽等省、市小流域山洪災(zāi)害預(yù)報工作中已得到了廣泛的應(yīng)用。本次建?；谌珖胶闉?zāi)害小流域數(shù)據(jù)、土地利用及土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)和河南省22個水文站點位置，共劃分11 982個小流域，建立了1 004個并行計算單元進(jìn)行模擬計算?；诤幽鲜?2個站點實測水文資料，以小流域為單元，利用機器學(xué)習(xí)方法，對河南省小流域進(jìn)行了參數(shù)區(qū)域化工作，本次分布式水文模型參數(shù)采用模型區(qū)域化參數(shù)結(jié)果[9]。

選取河南省6個流域面積在1 000 km2以上的山丘區(qū)流域歷史場次洪水對模型進(jìn)行驗證（表1），驗證結(jié)果平均納什系數(shù)NSE=0.86，除社旗流域外，其他所選流域最大洪峰誤差均小于10%。社旗流域納什系數(shù)NSE=0.84，由于實測數(shù)據(jù)缺失，模擬計算的洪峰誤差略高于其他所選流域，為13.72%（圖6），表明該模型可以較好地模擬河南省山丘區(qū)小流域暴雨洪水。

3.2 洪水危險性分析結(jié)果

利用山洪災(zāi)害調(diào)查評價河段設(shè)計暴雨、設(shè)計洪水和沿河村落現(xiàn)狀防洪能力等成果，將河段危險性等級分為4級，即一般危險（5 a一遇至10 a一遇），危險（10 a一遇至20 a一遇），高危險（20 a一遇至50 a一遇）和極高危險（大于50 a一遇）。

根據(jù)2021年7月17～24日河南省中小流域逐小時暴雨洪水模擬分析結(jié)果顯示：1 645個河段流量超5 a一遇，達(dá)到一般危險等級;1 700個河段流量超10 a一遇，達(dá)到危險等級;645個河段流量超20 a一遇，達(dá)到高危險等級;423個河段流量超50 a一遇，達(dá)到極高危險等級。共計31 114個村莊受山洪威脅，其中12 180村莊洪水超5 a一遇，達(dá)到一般危險等級;12 888個村莊洪水超10 a一遇，達(dá)到危險等級;3 402個村莊洪水超20 a一遇，達(dá)到高危險等級;2 644個村莊洪水超50 a一遇，達(dá)到極高危險等級（圖7～10）。

基于河南省小流域下墊面現(xiàn)狀條件，將1975年8月5～8日逐小時降雨作為輸入，模擬河南省現(xiàn)狀條件下小流域河道洪水過程，分析河道洪水危險性。河南省中小流域逐小時暴雨洪水模擬分析結(jié)果顯示：若河南省再發(fā)生“75·8”暴雨，將有8 000余條小流域出現(xiàn)高風(fēng)險點，部分險工段可能出現(xiàn)漫溢決口情況，可能發(fā)生中小流域洪水、山洪災(zāi)害;1 600個山洪防治村受暴雨洪水影響，山洪災(zāi)害發(fā)生危險較高，受威脅人口約76.5萬人（圖11～12）。

4 結(jié) 論

本研究基于暴雨洪水資料，分析了河南“21·7”與“75·8”兩場特大災(zāi)害的暴雨洪水過程，“21·7”暴雨中心主要集中在鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁等中北部地區(qū)，其小時降雨更強，暴雨導(dǎo)致賈魯河、雙洎河、安陽河出現(xiàn)了大洪水過程，其中13座水庫最高水位超過建庫以來歷史最高水位;“75·8”暴雨主要集中在南陽、駐馬店等中南部地區(qū)，累積降雨量更大，洪水主要發(fā)生在洪汝河、沙潁河及唐白河上，板橋、石漫灘大型水庫，竹溝、田崗等中型水庫及多座小型水庫相繼失事。

基于小流域下墊面現(xiàn)狀條件，利用時空變源混合產(chǎn)流模型及分布式時變單位線匯流模型，構(gòu)建了河南省山丘區(qū)小流域分布式水文模型;利用國家山洪風(fēng)險預(yù)報預(yù)警平臺，實時計算得到了洪水危險性模擬結(jié)果，結(jié)果表明：河南“21·7”暴雨中小流域1 645個河段流量達(dá)到一般危險等級，1 700個達(dá)到危險等級，645個達(dá)到高危險等級，423個達(dá)到極高危險等級，31 114個村莊受山洪威脅;若發(fā)生河南“75·8”暴雨，8 000余條小流域?qū)⒊霈F(xiàn)高風(fēng)險點，部分險工段可能出現(xiàn)漫溢決口情況，可能發(fā)生中小流域洪水、山洪災(zāi)害，1 600個山洪防治村受暴雨洪水影響，受威脅人口約76.5萬人。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳堯， 楊宏偉， 何秉順，等.日本九州北部2017年7月暴雨山洪災(zāi)害反思及其對我國的借鑒[J].中國防汛抗旱， 2018， 28（11）：72-76.

[2] 徐宗學(xué). 水文模型：回顧與展望[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，46（3）：278-289.

[3] GEORGE V S. Clark Unit Hydrograph and R-Parameter Estimation[J]. Journal of Hydraulic Engineering，1988，114（1）：103-111.

[4] 李霖. HBV水文預(yù)報模型及與之集成的水文模型系統(tǒng)介紹[J]. 水利水文自動化，2004（2）：39-42.

[5] BEVEN K J，KIRKBY M J.A physically based variable contributing model of basin hydrology[J].Hydrological Sciences Bulletin，1979，24（1）：43-69.

[6] 趙人俊，莊一鸰，劉新仁，等. 中國濕潤地區(qū)降雨徑流計算方法的探討[J]. 廣西水利電力科技，1975（增1）：20-33.

[7] 包為民，王從良. 垂向混合產(chǎn)流模型及應(yīng)用[J].? 水文， 1997（3）：19-22.

[8] YANG D W， HERATH S， MUSIAKE K.? Development of a geomorphology-based hydrological model for large catchments[J].? Annual Journal of Hydraulic Engineering， 1998（42）：169-174.

[9] 劉昌軍，周劍，文磊，等. 中小流域時空變源混合產(chǎn)流模型及參數(shù)區(qū)域化方法研究[J]. 中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2021，19（1）：99-114.

[10] 劉昌軍， 文磊， 周劍，等.小流域暴雨山洪水文模型與水動力學(xué)方法計算比較分析[J].? 中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報， 2019（8）：262-270，278.

[11] 丁一匯.論河南“75.8”特大暴雨的研究：回顧與評述[J].氣象學(xué)報， 73（3）：411-424.

[12] 楊羅.“75·8”特大暴雨洪水情況及主要經(jīng)驗教訓(xùn)探討[J].? 治淮， 2005（8）：13-14.

[13] 澳大利亞GHD 公司，中國水利水電科學(xué)研究院.中國洪水管理戰(zhàn)略研究[M].? 鄭州： 黃河水利出版社， 2006： 12.

[14] 魏一鳴， 范英， 金菊良. 洪水災(zāi)害風(fēng)險分析的系統(tǒng)理論[J]. 管理科學(xué)學(xué)報， 2001，4（2）：7-11.

[15] 翟曉燕， 郭良， 劉榮華，等.中國山洪水文模型研制與應(yīng)用：以安徽省中小流域為例[J].? 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報， 2020（5）;1018-1036.

[16] 郭良，翟曉燕，劉榮華，等.全國小流域分布式單位線綜合分析[J]. 中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2019，17（4）：252-261.

（編輯：江 文）

Risk simulation and comparative analysis of “21·7” heavy rainfall and flood in Henan Province

LIU Changjun1，2，LYU Juan1，2， ZHAI Xiaoyan1，2，LI Qing1，2， LIU Ronghua1，2，

SUN Chaoxing1，2，ZHAO Yanzeng3

（1. Disaster Reduction Center， China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038，China;? 2. Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction of the Ministry of Water Resources， Beijing 100038， China;? ?3. Henan Hydrology and Water Resources Bureau， Zhengzhou 450003， China）

Abstract： Henan Province suffered extremely heavy rainfall in July 2021， which caused severe urban waterlogging and local flooding and resulted in significant social impact and loss of life and property. This study focused on the analysis of the “21·7”heavy rainfall and the flood process affecting the main river sections， and compared it with the floods induced by the “75·8”heavy rainfall in Henan; subsequently， based on the spatiotemporal variable source mixed runoff generation model， a distributed hydrological model covering small watersheds in mountainous areas of Henan was established. On this basis， the national flash flood risk forecast and early warning platform was applied to calculate the “21·7” heavy rainfall rain and flood risk， as well as the risk levels of the river sections and villages along the rivers. Besides，combined with the current conditions of the underlying surface， this article reviewed the “75·8”heavy rainfall and flood process， and discussed the disaster situation of the river sections and villages along the rivers under the “75.8” heavy rainfall condition， with a view to understanding “21·7” and “ 75·8”heavy rainfall flood and dangerous situation of the river sections and villages along the rivers. The conclusions can provide reference for follow-up disaster investigation， deduction review， evaluation， etc.

Key words： storm flood simulation;flood risk analysis;spatiotemporal variable source mixed runoff generation model; Henan“21·7” extremely heavy rainfall; Henan“75·8” extremely heavy rainfall;Henan Province