海河流域近10 a兩場典型暴雨洪水的分析研究

王 哲，李濤濤，朱靜思

（1.海河水利委員會水文局，天津 300170；2.天津市水利勘測設計院，天津 300204）

1 引言

2012 年“7·21”洪水和2016 年“7·19”洪水是海河流域近10 a發生的兩場較大暴雨洪水。兩場洪水暴雨強度大，降雨時空分布相對集中，洪水峰高量大、漲勢猛，多個站點降雨和多條河流的洪水超歷史記錄。對比研究兩場典型暴雨洪水的暴雨成因、降水過程和洪水特性，分析其對防洪調度工作的影響具有重要意義。

研究的主要目的，是通過歷史比較來總結分析海河流域近期或者未來暴雨洪水可能發生的變化。總的來看，“7·21”和“7·19”兩場洪水是1996 年以來海河流域降水過程最強、洪水量級最大、覆蓋范圍最廣的兩次暴雨洪水。暴雨強度大、洪水漲勢猛和峰高量大是海河流域基本的水文特征[1]，造成海河流域大暴雨和大洪水的根本原因是多個氣候系統綜合影響，旱澇急轉和平原城市內澇成為海河流域防汛面臨的新課題和新任務。

2 暴雨對比分析

2.1 暴雨成因

2012 年7 月，高空低槽隨地面冷鋒東進過程中遭遇副熱帶高壓和太行山地形阻擋移動緩慢，同時2012 年第10 號強熱帶風暴“達維”形成的臺風低壓加強了華北地區東南風/南風低空急流，為華北地區輸送了充足水汽，形成了產生“7·21”大暴雨的有利條件。2016 年7 月，歐亞大陸中高緯度地區為強大的低壓區，在河西走廊—四川南部有深厚的西風槽活動，在西南—西北地區有低渦切變，在低渦切變和副高外圍之間形成了一支西南急流。7 月中旬，高空槽和低渦切變東移，西南急流在東移中快速向北伸展，受太行山南麓地形共同影響，在海河流域南部東南風與東北風輻合，形成了“7·19”強降水過程。

兩場暴雨產生原因的共同點是都受副熱帶高壓、臺風和低空切邊等多個高低空系統的綜合影響，在低空急流前進過程中遭遇太行山地形阻擋，使暖濕氣流從冷空氣移動方向的側面抬升，冷暖氣流形成較長時間對峙，在一段時間內穩定于太行山、燕山迎風坡形成強降水。區別是影響暴雨產生的具體氣象系統不同，2012 年“7·21”暴雨受高空槽、低空切和臺風影響較大，而2016 年“7·19”暴雨主要受副高和低空切影響。

2.2 降雨過程

2012年“7·21”強降雨從21日16時開始，22日8時結束，主要集中在大清河北支及永定河、北三河、灤河中下游地區。流域面平均降雨量為53 mm，較大降雨量河系及區域為北三河系127 mm、大清河系80 mm、灤河水系73 mm、大清河北支193 mm、張坊以上205 mm、潘大區間204 mm。降雨大于50 mm的覆蓋面積10.1萬km2，占流域面積近1/3，大于100 mm的覆蓋面積4.69 萬km2，大于250 mm 的覆蓋面積達到4 887 km2。累計降雨量較大的站點有大清河系河北鎮541 mm，霞云嶺398 mm，南窖365 mm。

2016 年“7·19”強降雨從19 日0 時開始，至20日2時結束。降雨一直維持在流域西南部太行山山前地區，20 日3 時開始向東北方向移動，至21 日8時，整個過程基本移出海河流域。降雨中心主要集中在太行山、燕山山前地區。全流域面平均降水量122 mm，降水較大的河系及地區有漳衛河系134 mm、子牙河系192 mm、大清河系163 mm、北三河系132 mm、灤河河系100 mm，其中潘大區間199 mm。本次降雨大于250 、100 mm 的覆蓋面積分別為2.2萬、17.4萬km2，其中大于100 mm的覆蓋面積占流域總面積的55%。累計降水量較大站點有漳衛河系安陽河百石灣站738 mm，硯花水站667.5 mm，東崗站666.5 mm。

表1 2012年“7·21”暴雨和2016年“7·19”暴雨特征值

2012 年“7·21”暴雨和2016 年“7·19”暴雨特征值詳見表1，經對比分析，2012 年“7·21”暴雨主要集中在流域北部，而2016 年“7·19”暴雨主要集中在流域南部。兩場暴雨比較集中，持續時間較長，2016年“7·19”暴雨降雨持續時間為26 h，比2012年“7·21”暴雨的16 h 持續時間要長，但是2012 年8 月3 日海河流域北部灤河河系受臺風影響又有接近48 h強降雨。從覆蓋面積上來看，2016 年“7·19”暴雨大于100 mm 的覆蓋面積17.4 萬km2，占流域總面積的55%，遠遠大于2012 年“7·21”暴雨的4.69 萬km2。兩場暴雨都有明顯的暴雨中心，降雨強度較大。從最大點雨量來看，2016年“7·19”暴雨最大點738 mm，大于2012年“7·21”暴雨。

2.3 降雨多年同期比較

從表2 可以看出，2012 年1—6 月的累計降雨比多年同期偏少9%，經過2012 年“7·21”暴雨后累計降雨比多年同期偏多16%。2016 年1—6 月的累計降雨比多年同期偏多5%，經過2016 年“7·19”暴雨后累計降雨比多年同期偏多29%。2012年產生“7·21”洪水的流域北部河系降水偏少，2016 年產生“7·19”洪水的流域南部降水偏多。各河系的降雨與多年同期比較也增大很多。這充分說明流域旱澇急轉特征明顯，流域累計降水受一次或幾次強降雨影響較大。

表2 2012年“7·21”暴雨和2016年“7·19”暴雨降雨前后流域累計降雨與多年同期比較 %

3 洪水對比分析

3.1 流域土壤含水量

海河流域屬于半干旱半濕潤氣候地區，前期影響雨量在流域產匯流中有著重要作用[2]，前期影響雨量可以很好反映流域土壤蓄水量的大小。流域平均前期影響雨量采用逐日連續計算方法，以流域最大初損值Im控制，計算公式如下：

圖1 兩場洪水之前流域土壤含水量對比

式中：Pa,t為t 日的流域平均前期影響雨量（mm）；K為日折減系數，海河流域K值一般取0.7～0.9[3]；Pa，t-1為t日前一天的流域平均前期影響雨量（mm）；Pt-1為t 日前一天的流域平均日雨量（mm）。若Pa，t＞Im，則Pa，t=Im。

采用上述公式對海河流域各個水文分區進行前期影響雨量分析計算，并用前期影響雨量Pa，t與流域最大初損值Im的比值來反映流域土壤含水量的大小[4]，兩場洪水之前流域土壤含水量如圖1 所示。2012 年“7·21”洪水發生之前，流域土壤含水量較少，特別是發生“7·21”洪水的大清河系南支和北三河系土壤含水量基本在10%以下，從側面反映出大清河系和北三河系發生的洪水多為超滲產流。2016年“7·19”洪水發生之前流域南部子牙河系和漳衛河系前期土壤含水量多數在50%以上，說明遭遇降雨時流域南部容易產流，蓄滿產流和超滲產流都有，產生的洪水也較大。

3.2 洪水地區組成

2012 年“7·21”暴雨產生的洪水主要集中在流域北部，2016 年“7·19”暴雨產生的洪水主要在流域南部。2012 年大清河系拒馬河發生1963 年以來最大洪水，北運河北關閘發生超歷史實測記錄洪水，灤河桃林口水庫發生1994 年以來最大入庫流量。2016 年漳衛河系漳河發生10 a 一遇洪水，安陽河發生20 a 一遇洪水，子牙河系冶河發生超50 a 一遇洪水。可以看出，流域南部發生洪水主要集中在太行山山前河流[4]，流域北部發生洪水多為燕山山前地區，但流域內的北京、天津等大型城市內澇也容易引起部分人工化明顯的河道閘壩發生較大洪水。

3.3 洪水特性

兩場洪水主要站點洪峰流量詳見表3，2016 年“7·19”暴雨產生的洪峰流量要比2012 年“7·21”產生的洪峰大，流域南部產生洪峰要比流域北部大。“7·19”洪水冶河微水站洪峰流量8 500 m3/s，超過50 a一遇；“7·21”洪水灤縣洪峰流量4 280 m3/s，不到5 a一遇。兩場洪水均起漲較快，2016年漳河觀臺站6 h 內流量從44.3 m3/s 快速上漲到6 150 m3/s，冶河微水站13 h內流量從10 m3/s快速上漲到8 500 m3/s，如圖2 所示；2012 年7 月21 日張坊站1 h 內 流量從300 m3/s 快速上漲到2 570 m3/s，如圖3 所示。兩場洪水反映了流域洪水峰高量大，漲勢快，流域南部要比北部大。

表3 兩場洪水主要站點洪峰流量 m3/s

圖2 2016年“7·19”微水站水位流量過程線

圖3 2012年“7·21”張坊站水位流量過程線

3.4 城市防洪

海河流域分布地級以上的大中型城市26個，其中24 個有防洪要求[1]。北京市和天津市的城市防洪標準均為200 a一遇，主要是防范城市周邊河流發生洪水進入城區。但在2012年“7·21”洪水和2016年“7·19”洪水時，雖然城區外骨干河流洪水沒有進入城區，但是兩座城市均發生內澇。“7·21”洪水時，北京全市面平均降雨量170 mm，是新中國成立以來最大降雨；城區面平均降雨量215 mm，是1963 年以來最大降雨；房山區河北鎮站降雨量541 mm，達500 a 一遇。2016 年“7·19”洪水時，天津市區24 h 平均降雨量218.5 mm，重現期達到20 a一遇；最大24 h降雨為河西區掛甲寺站359.1 mm，重現期超100 a 一遇；市區平均小時降雨強度為33.8 mm，最大小時降雨強度為77.7 mm，重現期超10 a一遇。分析兩場洪水可以看出，海河流域在遭遇大的強降雨時，特別是遭遇平均降雨強度超過35 mm時，由于下墊面硬化指數過高和排澇標準偏低等[5]，大中型城市極容易發生內澇。

4 結語

2012 年“7·21”和2016 年“7·19”兩場暴雨洪水的降雨量、洪峰流量和洪水特征均呈現了新的特點，都是海河流域1996 年以來發生的具有流域特性的大洪水。兩場暴雨均由多個氣象系統配合地形阻擋形成，呈現了降水范圍廣、強度大，洪水峰高、量大、漲勢快的特點，雖然大中型城市防洪標準高，但遭遇強降雨時易發生內澇。同時，由于兩場暴雨洪水覆蓋范圍不同，所以降水歷時、產流特性及洪峰大小又各有不同。總結分析這兩場暴雨洪水的成因及洪水演變發展過程，對于掌握海河流域暴雨、洪水形成條件和變化規律十分有益。