鄭州“7·20”特大暴雨移植大清河系初步模擬分析及對(duì)策研究

楊學(xué)軍，魏 琳，陳 旭

（1.海河水利委員會(huì)水文局，天津 300170；2.智慧海河創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，天津 300170）

大清河系位于海河流域中部，西起太行山區(qū)，東至渤海灣，北界永定河，南臨子牙河，地跨山西、河北、北京和天津四?。ㄖ陛犑校?，流域面積42 972 km2。東淀以上分為南、北兩支，北支為白溝河水系，南支為趙王河水系，東淀以下分別經(jīng)獨(dú)流減河和海河干流入海。大清河系區(qū)域位置極其重要，承擔(dān)著雄安新區(qū)、北京市、天津市等重要區(qū)域的防洪安全保障，受特殊的天然地理地形條件、河道源短流急和太行山對(duì)氣流明顯的輻合抬升作用影響，易產(chǎn)生大暴雨，洪水突發(fā)性強(qiáng)。河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害是一場(chǎng)因極端暴雨導(dǎo)致嚴(yán)重城市內(nèi)澇、河流洪水、山洪滑坡等多災(zāi)并發(fā)，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的特別重大自然災(zāi)害。鄭州“7·20”特大暴雨地跨黃河、淮河、海河3 個(gè)流域，若暴雨區(qū)域北移至大清河系，將可能發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，對(duì)大清河系上下游造成較大洪水威脅。因此，本文將鄭州“7·20”特大暴雨移植至大清河系不同位置，開展暴雨洪水模擬計(jì)算和影響分析，為今后防范此類暴雨洪水、超前做出有針對(duì)性部署和科學(xué)調(diào)度決策提供技術(shù)參考。

1 “7·20”暴雨洪水概況

2021 年7 月18—22 日，華北、華中地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降水天氣（見圖1），多地出現(xiàn)大暴雨，局部出現(xiàn)特大暴雨。此次強(qiáng)降雨過程覆蓋黃河、淮河及海河流域部分地區(qū)，過程累積100 mm 以上降水籠罩面積12.99 萬km2、250 mm 以上降水籠罩面積4.8 萬km2，過程累積最大點(diǎn)雨量河南省新鄉(xiāng)市龍水梯站1 057 mm。本次暴雨洪水具有以下特點(diǎn)：①降雨量大。鄭州市平均降雨量占多年年平均降雨量的86%，較多年汛期平均降雨量偏多32%。②降雨時(shí)段集中。20 日強(qiáng)降雨主要集中在鄭州城區(qū)，且主要降雨時(shí)段集中在20 日的15—18 時(shí)。③降雨強(qiáng)度大。最大1 h 降雨量鄭州氣象站201.9 mm（20 日16—17 時(shí)）。④黃河、淮河、海河流域局部同時(shí)發(fā)生較大洪水，其中海河流域衛(wèi)河淇門以上出現(xiàn)區(qū)域性特大洪水，衛(wèi)河、共產(chǎn)主義渠、淇河、安陽河等河流出現(xiàn)超保洪水。⑤水庫攔蓄削峰作用大，蓄滯洪區(qū)相繼啟用。河南省14 座大中型水庫超建庫以來最高水位，衛(wèi)河流域相繼啟用了8 個(gè)滯洪區(qū)分滯洪水。

圖1 7月18—22日降水過程累積面雨量

2 移植可能性分析及方案確定

2.1 移植可能性分析及原則

鄭州“7·20”特大暴雨是在西太平洋副熱帶高壓異常偏北、夏季風(fēng)偏強(qiáng)等氣候背景下，同期形成的2個(gè)臺(tái)風(fēng)匯聚輸送海上水汽，與河南上空對(duì)流系統(tǒng)疊加，遇伏牛山、太行山地形抬升形成的一次極為罕見特大暴雨過程。海河流域歷史上1939、1956、1963年暴雨，均在大清河系發(fā)生大洪水，天氣形勢(shì)與鄭州“7·20”特大暴雨具有一定的相似性。從環(huán)流和天氣系統(tǒng)成因上來看，1939 年由于低緯度熱帶系統(tǒng)異?；钴S，西太平洋副熱帶高壓位置偏西、偏北，臺(tái)風(fēng)頻頻北上，海河流域7、8月間連續(xù)多次出現(xiàn)暴雨；1956年受臺(tái)風(fēng)外圍天氣系統(tǒng)（輻合線）的影響，加之臺(tái)風(fēng)與西太平洋副高之間形成較強(qiáng)的東南低空氣流，向華北一帶輸送大量水汽，大清河系出現(xiàn)新中國成立以來最大的一場(chǎng)暴雨洪水；1963 年暴雨是由3 次低壓槽和3 個(gè)低渦連續(xù)出現(xiàn)并互相迭加的結(jié)果。因此，從天氣系統(tǒng)上來看，大清河系有發(fā)生鄭州“7·20”特大暴雨的可能性；從地形特征來看，大清河系東部太行山迎風(fēng)坡地形抬升條件優(yōu)越，與鄭州“7·20”特大暴雨鄭州市西側(cè)和西北側(cè)的高山地形一樣有利于底層氣流輻合抬升，因此大清河系發(fā)生鄭州“7·20”特大暴雨的可能性是存在的。

大清河系北支干流拒馬河上無控制性工程，南支上游有5 座大型水庫，根據(jù)大清河系可能的暴雨中心及防御重點(diǎn)，考慮到雄安新區(qū)的外洪及內(nèi)澇，分別將暴雨中心移植至大清河系南支、北支及雄安新區(qū)等不同的位置，對(duì)比分析可能形成的洪水及影響，進(jìn)而選擇最不利的位置作為洪水防御研究的重點(diǎn)，提出初步應(yīng)對(duì)措施。

2.2 移植方案確定

鄭州“7·20”特大暴雨有2個(gè)暴雨中心：①7月19—20 日的淮河流域鄭州尖崗水庫；②7 月21 日的海河流域新鄉(xiāng)龍水梯。尖崗水庫中心雨強(qiáng)最大，暴雨集中；龍水梯中心累積降雨量最大，暴雨區(qū)范圍較尖崗水庫中心大。結(jié)合大清河系歷史暴雨中心位置，并考慮降雨強(qiáng)度因素，首先選取暴雨中心鄭州尖崗水庫作為基準(zhǔn)點(diǎn)，將其分別整體平移至大清河北支紫荊關(guān)（方案1）、南支王快水庫（方案2）及雄安新區(qū)（方案3）3 個(gè)位置，分析雄安新區(qū)外圍洪水（北支洪水、南支洪水）及內(nèi)澇影響。

同時(shí)，考慮大清河系南北兩支同時(shí)出現(xiàn)洪水的極端條件，采用總量最大的暴雨中心龍水梯站作為基準(zhǔn)點(diǎn)，構(gòu)建移植方案，其中考慮北支出現(xiàn)洪水平移至紫荊關(guān)中心，考慮南支出現(xiàn)洪水分別平移至水庫以上區(qū)域（方案4）和水庫以下中游地區(qū)（方案5）2種方案，在南北支同時(shí)發(fā)生洪水的條件下，分別開展洪水模擬影響分析。

2.3 前期計(jì)算條件

本文前期計(jì)算條件以2021 年7 月18 日實(shí)況為基準(zhǔn)，分析計(jì)算以中國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)為依托，采用實(shí)際作業(yè)預(yù)報(bào)構(gòu)建水文及水力學(xué)模型方案，以現(xiàn)有重要防洪控制工程及水文站為預(yù)報(bào)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)狀批復(fù)調(diào)度方案為依據(jù)，開展模擬計(jì)算分析。

2.3.1 土壤含水量

2021 年7 月18 日，大清河系土壤含水量在40%以上，北支在80%以上，南支王快水庫40%，白洋淀以上各分區(qū)在60%以上，相對(duì)易產(chǎn)流?！?6·8”前期較干，土壤含水量在20%以內(nèi)；“63·8”前期土壤含水量同樣較低；相同量級(jí)降雨，現(xiàn)狀前期條件產(chǎn)流量相對(duì)較大。

2.3.2 水情

2021 年7 月18 日，大清河系安各莊水庫、龍門水庫、西大洋水庫、王快水庫、口頭水庫、橫山嶺水庫6 座大型水庫尚有防洪庫容分別為0.505 億、0.585 億、4.81 億、4.724 億、0.339 億、1.086 億m3，合計(jì)12.05 億m3；大清河系北支拒馬河紫荊關(guān)站流量86 m3/s、張坊站流量116 m3/s，大石河漫水河站流量202 m3/s，南拒馬河落寶灘站流量10.9 m3/s、北河店站流量34.2 m3/s，白溝河?xùn)|茨村站流量10.6 m3/s，大清河系白洋淀水位6.73 m、蓄量2.76 億m3。大清河系大型水庫水情及防洪技術(shù)特征值，詳見表1。

表1 大清河系大型水庫水情及防洪技術(shù)特征值

3 暴雨及洪水量級(jí)分析

3.1 暴雨對(duì)比分析

大清河系歷史洪水年份有1956、1963、1996、2012 年，其中1963 年最大，將移植暴雨與1956、1963、1996、2012 年過程總雨量比較，從整個(gè)河系來看，5 種移植方案累計(jì)面平均降雨量均小于1963 年過程總雨量，均大于1956、1996、2012 年過程總雨量?？傮w上，方案2 引起的外圍洪水對(duì)雄安新區(qū)影響最大，方案3 產(chǎn)生的暴雨內(nèi)澇對(duì)雄安新區(qū)影響最大。本次移植降雨情況，詳見表2。

表2 不同移植方案面平均降雨量分區(qū)對(duì)比

3.2 洪量對(duì)比及頻率分析

根據(jù)《大清河流域設(shè)計(jì)洪水復(fù)核報(bào)告》成果，北支新蓋房50 a 一遇、100 a 一遇15 d 洪量分別為19.69億、25.09億m3，南支白洋淀10 a一遇15 d洪量為20.15 億m3，本次移植北支新蓋房以上15 d 洪量分別在17.73 億～22.63 億m3，方案4 新蓋房以上洪水不足50 a 一遇，其余在50～100 a 一遇，南支洪水除方案4外其余均不到10 a一遇，詳見表3。

表3 各移植方案相應(yīng)洪量分析對(duì)比

3.3 洪峰流量對(duì)比及頻率分析

從不同移植方案計(jì)算各站洪峰流量來看，方案1、2 張坊站洪峰流量最大為11 500 m3/s，大于1963年洪峰流量9 920 m3/s，約60 a一遇；方案1北河店站洪峰流量最大為7 200 m3/s，超100 a 一遇；方案1 東茨村站洪峰流量最大為4 000 m3/s，接近50 a 一遇；方案4 西大洋水庫洪峰流量最大為5 800 m3/s，不足20 a一遇；方案2王快水庫洪峰流量最大為6 500 m3/s，不足20 a 一遇；方案4 橫山嶺水庫洪峰流量最大為3 750 m3/s，為80 a一遇。

3.4 雄安新區(qū)內(nèi)澇初步分析

按照最不利的情況，將尖崗水庫暴雨中心移植至雄安新區(qū)起步區(qū)內(nèi)，經(jīng)建模初步計(jì)算，平均最大淹沒水深為0.5～1 m，積滯水量為5.5 億～6 億m3，淹沒面積約800 km2。

4 洪水模擬及影響分析

4.1 洪水模擬調(diào)度演算

綜合上述5種暴雨移植方案調(diào)洪結(jié)果，以方案2引起的外圍洪水對(duì)雄安新區(qū)影響最為不利，北支張坊站洪峰流量為11 500 m3/s，大于1963年的9 920 m3/s，將被迫啟用蘭溝洼及東淀蓄滯洪區(qū)；南支王快水庫最大入庫洪峰為7 500 m3/s，經(jīng)上游水庫攔蓄后，洪水入白洋淀通過趙王新渠下泄，部分洪水進(jìn)入東淀。

北支拒馬河無控制性工程，僅支流中易水河上建有1 座大型水庫——安各莊水庫，入庫洪峰為720 m3/s，按照調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)洪演算，最大下泄流量300 m3/s，最高庫水位達(dá)152.4 m，蓄量1.02 億m3。拒馬河洪水經(jīng)鐵鎖崖分流之后，北河店洪峰流量5 500 m3/s，超過下游河道的行洪能力，分洪入蘭溝洼水量0.88 億m3；白溝河?xùn)|茨村站接納北拒馬河、琉璃河及以上平原區(qū)的產(chǎn)流量，洪峰流量達(dá)3 500 m3/s，分洪入蘭溝洼水量1.08 億m3；新蓋房匯集了南拒馬河及白溝河的洪水，洪峰流量達(dá)3 600 m3/s，洪量11.76億m3，經(jīng)新蓋房分洪道入東淀。

南支5 座大型水庫按照調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)洪演算，計(jì)算成果詳見表4。經(jīng)過水庫調(diào)蓄，白洋淀最大入淀流量2 800 m3/s、15 d洪量14.44億m3，棗林莊樞紐最大泄流量1 200 m3/s、最高水位8.79 m，下泄洪水部分進(jìn)入東淀，水量為4.36 億m3，南北兩支洪水進(jìn)入東淀蓄滯洪區(qū)最大淹沒水深為4.5 m。

表4 大清河系南支大型水庫調(diào)洪計(jì)算成果

采用一二維水力學(xué)模型耦合對(duì)中下游河道及啟用蓄滯洪區(qū)進(jìn)行洪水演進(jìn)分析，大清河系北支洪水達(dá)50～100 a 一遇，南支洪水不足10 a 一遇，北支小清河分洪區(qū)及蘭溝洼均啟用，下游東淀蓄滯洪區(qū)將啟用，洪水影響范圍較大，東淀淹沒面積380 km2，最大淹沒水深4.5 m，涉及人口13.81 萬人。最大淹沒情況及河道最高水面線情況，如圖2—5所示。

圖2 東淀蓄滯洪區(qū)洪水淹沒情況

圖3 新蓋房分洪道水面線

圖4 趙王新渠水面線

圖5 大清河水面線

4.2 洪水影響分析

大清河系上游6 座大型水庫尚有防洪庫容12.05 億m3，由于上游來水量大，部分水庫最高水位將超過歷史最高水位，高水位運(yùn)行將影響水庫工程、庫區(qū)岸坡及周邊群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)下游影響區(qū)域帶來洪水威脅。北支白溝河、南拒馬河及新蓋房分洪道等河道將強(qiáng)迫行洪，部分堤段超高不足，給堤防安全造成洪水威脅，應(yīng)提前做好搶護(hù)筑堤及巡堤查險(xiǎn)等措施。蘭溝洼及東淀蓄滯洪區(qū)啟用，涉及蘭溝洼內(nèi)24.21萬人、東淀內(nèi)13.81萬人，應(yīng)提前做好蓄滯洪區(qū)人員轉(zhuǎn)移工作。由于北方河流特點(diǎn)，特別是部分河道長期干涸無水，并且水文測(cè)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施自動(dòng)化程度偏低，尚未實(shí)現(xiàn)在線流量監(jiān)測(cè)，這將影響大洪水時(shí)人工測(cè)驗(yàn)頻次及應(yīng)急監(jiān)測(cè)等情況。

5 對(duì)策研究

（1）構(gòu)建大清河天空地一體化智能感知網(wǎng)。大清河系現(xiàn)有752 處報(bào)汛站（其中雨量站478 處、河道水文站43 處、水庫水文站115 處、堰閘水文站22處），白洋淀山前平原區(qū)各支流、蓄滯洪區(qū)內(nèi)建立了應(yīng)急巡測(cè)斷面，但各類水文測(cè)站流量及部分水位仍為人工監(jiān)測(cè)，尚未實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)監(jiān)測(cè)及信息采集報(bào)送。因此，應(yīng)加強(qiáng)水文監(jiān)測(cè)先進(jìn)設(shè)備利用，實(shí)現(xiàn)測(cè)站及應(yīng)急監(jiān)測(cè)斷面的自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)，推進(jìn)高分辨區(qū)域面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)新技術(shù)應(yīng)用彌補(bǔ)部分區(qū)域雨量站點(diǎn)不足，利用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)航拍等技術(shù)開展監(jiān)測(cè)分析，推動(dòng)測(cè)站信息采集系統(tǒng)升級(jí)改造。

（2）推進(jìn)水文氣象技術(shù)融合應(yīng)用。大清河系河道源短流急，洪水預(yù)見期短，特殊的地理位置及防洪重要性決定了洪水預(yù)報(bào)必須延長預(yù)見期，開展基于水文氣象技術(shù)融合的精細(xì)化智能預(yù)報(bào)預(yù)警迫在眉睫。因此，需要依托無縫隙智能網(wǎng)格定量降水預(yù)報(bào)技術(shù)和分布式水文模型，融合構(gòu)建暴雨洪水預(yù)報(bào)預(yù)警的一體化業(yè)務(wù)模型體系，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)面結(jié)合的精細(xì)化智能預(yù)報(bào)預(yù)警。

（3）開展大清河系產(chǎn)匯流規(guī)律研究。大清河系場(chǎng)次大洪水資料少，僅依靠少數(shù)幾場(chǎng)大洪水資料難以準(zhǔn)確掌握流域暴雨洪水規(guī)律，加之流域下墊面產(chǎn)匯流機(jī)理較為復(fù)雜，現(xiàn)有預(yù)報(bào)方法缺乏對(duì)于復(fù)雜下墊面條件下的流域產(chǎn)匯流機(jī)理的充分研究與認(rèn)識(shí)。因此，還需加強(qiáng)降雨-產(chǎn)流-匯流-演進(jìn)全過程洪水演進(jìn)規(guī)律技術(shù)攻關(guān)，通過產(chǎn)匯流機(jī)理性研究及模型方法構(gòu)建從根本上提高洪水預(yù)報(bào)精度。

（4）構(gòu)建大清河系下墊面動(dòng)態(tài)數(shù)字流場(chǎng)。大清河系南北拒馬河現(xiàn)狀下墊面變化大且分流存在不確定性，南支入白洋淀支流多年未發(fā)生洪水，河道干涸時(shí)間長，白洋淀以下行蓄滯洪區(qū)內(nèi)受人類活動(dòng)影響大，行洪障礙多且復(fù)雜，影響洪水演算。因此，應(yīng)加強(qiáng)大清河系下墊面調(diào)查及全面開展地形測(cè)量工作，摸清大清河系河道及蓄滯洪區(qū)地形動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)建動(dòng)態(tài)數(shù)字流場(chǎng)，提高洪水演算精度及水工程聯(lián)合調(diào)度預(yù)演能力，構(gòu)建預(yù)報(bào)調(diào)度一體化預(yù)演場(chǎng)景，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生大清河“四預(yù)”功能奠定基礎(chǔ)。

（5）構(gòu)建防洪“四預(yù)”體系平臺(tái)。目前大清河系尚未構(gòu)建數(shù)字孿生模擬仿真平臺(tái)，不能有效支撐全要素預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的模擬分析。因此，還需通過數(shù)字流場(chǎng)、數(shù)字映像、數(shù)字地形，在智慧化體系建設(shè)的基礎(chǔ)上，通過大清河系數(shù)字地形、基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)濟(jì)社會(huì)等數(shù)據(jù)信息采集，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)精準(zhǔn)化、預(yù)警超前化、預(yù)演數(shù)字化、預(yù)案科學(xué)化，努力提升水旱災(zāi)害防御支撐服務(wù)水平。

6 結(jié)論及建議

（1）從天氣系統(tǒng)上來看，歷史上大清河系1939、1956、1963 年暴雨，與鄭州“7·20”特大暴雨具有一定的相似性；從地形特征來看，大清河系東部太行山迎風(fēng)坡地形抬升條件優(yōu)越，與鄭州“7·20”特大暴雨鄭州市西側(cè)和西北側(cè)的高山地形一樣有利于底層氣流輻合抬升，因此大清河系發(fā)生鄭州“7·20”特大暴雨情況具有可能性。

（2）從本次移植初步分析發(fā)現(xiàn)，北支洪水出現(xiàn)特大洪水量級(jí)大于“63·8”北支洪水，由于平原區(qū)下墊面變化較大，在現(xiàn)狀下墊面條件下，其產(chǎn)流量較“63·8”明顯減少，且移植降雨小于“63·8”降雨；南支洪水為較大洪水量級(jí)，小于“63·8”南支洪水。

（3）從本次5種不同移植方案洪水模擬分析發(fā)現(xiàn)，北支洪水造成部分河道超高不足，經(jīng)過洼套緩洪滯洪，蘭溝洼、東淀蓄滯洪區(qū)啟用；南支洪水造成部分水庫超歷史最高水位運(yùn)行，經(jīng)過趙王新渠下泄，部分洪水進(jìn)入東淀。建議加強(qiáng)水庫工程及庫區(qū)等管護(hù)巡查，提前做好河道堤防搶護(hù)防守和蓄滯洪區(qū)人員轉(zhuǎn)移工作。

（4）建議加快數(shù)字孿生大清河建設(shè)，全面構(gòu)建大清河天空地智能感知網(wǎng)，開展精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)與洪水預(yù)報(bào)融合及降雨-產(chǎn)流-匯流-演進(jìn)全過程洪水演進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，加快推進(jìn)大清河系數(shù)據(jù)底板建設(shè)，推動(dòng)下墊面動(dòng)態(tài)變化數(shù)字流場(chǎng)和預(yù)報(bào)調(diào)度一體化預(yù)演場(chǎng)景建設(shè)，構(gòu)建防洪“四預(yù)”平臺(tái)，通過全面素?cái)?shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)、超前預(yù)警、數(shù)字預(yù)演和預(yù)案科學(xué)，努力提升水旱災(zāi)害防御支撐服務(wù)水平。