鄭州“7·20”特大暴雨移植大清河系初步模擬分析及對策研究

楊學軍，魏 琳，陳 旭

（1.海河水利委員會水文局，天津 300170；2.智慧海河創新實驗室，天津 300170）

大清河系位于海河流域中部，西起太行山區，東至渤海灣，北界永定河，南臨子牙河，地跨山西、河北、北京和天津四省（直轄市），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，東淀以下分別經獨流減河和海河干流入海。大清河系區域位置極其重要，承擔著雄安新區、北京市、天津市等重要區域的防洪安全保障，受特殊的天然地理地形條件、河道源短流急和太行山對氣流明顯的輻合抬升作用影響，易產生大暴雨，洪水突發性強。河南鄭州“7·20”特大暴雨災害是一場因極端暴雨導致嚴重城市內澇、河流洪水、山洪滑坡等多災并發，造成重大人員傷亡和財產損失的特別重大自然災害。鄭州“7·20”特大暴雨地跨黃河、淮河、海河3 個流域，若暴雨區域北移至大清河系，將可能發生超標準洪水，對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算和影響分析，為今后防范此類暴雨洪水、超前做出有針對性部署和科學調度決策提供技術參考。

1 “7·20”暴雨洪水概況

2021 年7 月18—22 日，華北、華中地區出現持續性強降水天氣（見圖1），多地出現大暴雨，局部出現特大暴雨。此次強降雨過程覆蓋黃河、淮河及海河流域部分地區，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，過程累積最大點雨量河南省新鄉市龍水梯站1 057 mm。本次暴雨洪水具有以下特點：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降雨時段集中。20 日強降雨主要集中在鄭州城區，且主要降雨時段集中在20 日的15—18 時。③降雨強度大。最大1 h 降雨量鄭州氣象站201.9 mm（20 日16—17 時）。④黃河、淮河、海河流域局部同時發生較大洪水，其中海河流域衛河淇門以上出現區域性特大洪水，衛河、共產主義渠、淇河、安陽河等河流出現超保洪水。⑤水庫攔蓄削峰作用大，蓄滯洪區相繼啟用。河南省14 座大中型水庫超建庫以來最高水位，衛河流域相繼啟用了8 個滯洪區分滯洪水。

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、夏季風偏強等氣候背景下，同期形成的2個臺風匯聚輸送海上水汽，與河南上空對流系統疊加，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，均在大清河系發生大洪水，天氣形勢與鄭州“7·20”特大暴雨具有一定的相似性。從環流和天氣系統成因上來看，1939 年由于低緯度熱帶系統異常活躍，西太平洋副熱帶高壓位置偏西、偏北，臺風頻頻北上，海河流域7、8月間連續多次出現暴雨；1956年受臺風外圍天氣系統（輻合線）的影響，加之臺風與西太平洋副高之間形成較強的東南低空氣流，向華北一帶輸送大量水汽，大清河系出現新中國成立以來最大的一場暴雨洪水；1963 年暴雨是由3 次低壓槽和3 個低渦連續出現并互相迭加的結果。因此，從天氣系統上來看，大清河系有發生鄭州“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坡地形抬升條件優越，與鄭州“7·20”特大暴雨鄭州市西側和西北側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，根據大清河系可能的暴雨中心及防御重點，考慮到雄安新區的外洪及內澇，分別將暴雨中心移植至大清河系南支、北支及雄安新區等不同的位置，對比分析可能形成的洪水及影響，進而選擇最不利的位置作為洪水防御研究的重點，提出初步應對措施。

2.2 移植方案確定

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

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

2.3 前期計算條件

本文前期計算條件以2021 年7 月18 日實況為基準，分析計算以中國洪水預報系統為依托，采用實際作業預報構建水文及水力學模型方案，以現有重要防洪控制工程及水文站為預報節點，以現狀批復調度方案為依據，開展模擬計算分析。

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%，白洋淀以上各分區在60%以上，相對易產流。“96·8”前期較干，土壤含水量在20%以內；“63·8”前期土壤含水量同樣較低；相同量級降雨，現狀前期條件產流量相對較大。

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12.05 億m3；大清河系北支拒馬河紫荊關站流量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，白溝河東茨村站流量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特征值，詳見表1。

表1 大清河系大型水庫水情及防洪技術特征值

3 暴雨及洪水量級分析

3.1 暴雨對比分析

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，從整個河系來看，5 種移植方案累計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。總體上，方案2 引起的外圍洪水對雄安新區影響最大，方案3 產生的暴雨內澇對雄安新區影響最大。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對比

3.2 洪量對比及頻率分析

根據《大清河流域設計洪水復核報告》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 各移植方案相應洪量分析對比

3.3 洪峰流量對比及頻率分析

從不同移植方案計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 雄安新區內澇初步分析

按照最不利的情況，將尖崗水庫暴雨中心移植至雄安新區起步區內，經建模初步計算，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 洪水模擬調度演算

綜合上述5種暴雨移植方案調洪結果，以方案2引起的外圍洪水對雄安新區影響最為不利，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；南支王快水庫最大入庫洪峰為7 500 m3/s，經上游水庫攔蓄后，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，按照調度方案進行調洪演算，最大下泄流量300 m3/s，最高庫水位達152.4 m，蓄量1.02 億m3。拒馬河洪水經鐵鎖崖分流之后，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；白溝河東茨村站接納北拒馬河、琉璃河及以上平原區的產流量，洪峰流量達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3 600 m3/s，洪量11.76億m3，經新蓋房分洪道入東淀。

南支5 座大型水庫按照調度方案進行調洪演算，計算成果詳見表4。經過水庫調蓄，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，下泄洪水部分進入東淀，水量為4.36 億m3，南北兩支洪水進入東淀蓄滯洪區最大淹沒水深為4.5 m。

表4 大清河系南支大型水庫調洪計算成果

采用一二維水力學模型耦合對中下游河道及啟用蓄滯洪區進行洪水演進分析，大清河系北支洪水達50～100 a 一遇，南支洪水不足10 a 一遇，北支小清河分洪區及蘭溝洼均啟用，下游東淀蓄滯洪區將啟用，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，高水位運行將影響水庫工程、庫區岸坡及周邊群眾生命財產安全，對下游影響區域帶來洪水威脅。北支白溝河、南拒馬河及新蓋房分洪道等河道將強迫行洪，部分堤段超高不足，給堤防安全造成洪水威脅，應提前做好搶護筑堤及巡堤查險等措施。蘭溝洼及東淀蓄滯洪區啟用，涉及蘭溝洼內24.21萬人、東淀內13.81萬人，應提前做好蓄滯洪區人員轉移工作。由于北方河流特點，特別是部分河道長期干涸無水，并且水文測驗基礎設施自動化程度偏低，尚未實現在線流量監測，這將影響大洪水時人工測驗頻次及應急監測等情況。

5 對策研究

（1）構建大清河天空地一體化智能感知網。大清河系現有752 處報汛站（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），白洋淀山前平原區各支流、蓄滯洪區內建立了應急巡測斷面，但各類水文測站流量及部分水位仍為人工監測，尚未實現全自動監測及信息采集報送。因此，應加強水文監測先進設備利用，實現測站及應急監測斷面的自動在線監測，推進高分辨區域面雨量自動監測新技術應用彌補部分區域雨量站點不足，利用衛星遙感、無人機航拍等技術開展監測分析，推動測站信息采集系統升級改造。

（2）推進水文氣象技術融合應用。大清河系河道源短流急，洪水預見期短，特殊的地理位置及防洪重要性決定了洪水預報必須延長預見期，開展基于水文氣象技術融合的精細化智能預報預警迫在眉睫。因此，需要依托無縫隙智能網格定量降水預報技術和分布式水文模型，融合構建暴雨洪水預報預警的一體化業務模型體系，實現點面結合的精細化智能預報預警。

（3）開展大清河系產匯流規律研究。大清河系場次大洪水資料少，僅依靠少數幾場大洪水資料難以準確掌握流域暴雨洪水規律，加之流域下墊面產匯流機理較為復雜，現有預報方法缺乏對于復雜下墊面條件下的流域產匯流機理的充分研究與認識。因此，還需加強降雨-產流-匯流-演進全過程洪水演進規律技術攻關，通過產匯流機理性研究及模型方法構建從根本上提高洪水預報精度。

（4）構建大清河系下墊面動態數字流場。大清河系南北拒馬河現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生洪水，河道干涸時間長，白洋淀以下行蓄滯洪區內受人類活動影響大，行洪障礙多且復雜，影響洪水演算。因此，應加強大清河系下墊面調查及全面開展地形測量工作，摸清大清河系河道及蓄滯洪區地形動態變化，構建動態數字流場，提高洪水演算精度及水工程聯合調度預演能力，構建預報調度一體化預演場景，為實現數字孿生大清河“四預”功能奠定基礎。

（5）構建防洪“四預”體系平臺。目前大清河系尚未構建數字孿生模擬仿真平臺，不能有效支撐全要素預報、預警、預演、預案的模擬分析。因此，還需通過數字流場、數字映像、數字地形，在智慧化體系建設的基礎上，通過大清河系數字地形、基礎設施、經濟社會等數據信息采集，實現預報精準化、預警超前化、預演數字化、預案科學化，努力提升水旱災害防御支撐服務水平。

6 結論及建議

（1）從天氣系統上來看，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坡地形抬升條件優越，與鄭州“7·20”特大暴雨鄭州市西側和西北側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現，北支洪水出現特大洪水量級大于“63·8”北支洪水，由于平原區下墊面變化較大，在現狀下墊面條件下，其產流量較“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，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現，北支洪水造成部分河道超高不足，經過洼套緩洪滯洪，蘭溝洼、東淀蓄滯洪區啟用；南支洪水造成部分水庫超歷史最高水位運行，經過趙王新渠下泄，部分洪水進入東淀。建議加強水庫工程及庫區等管護巡查，提前做好河道堤防搶護防守和蓄滯洪區人員轉移工作。

（4）建議加快數字孿生大清河建設，全面構建大清河天空地智能感知網，開展精細化數值預報與洪水預報融合及降雨-產流-匯流-演進全過程洪水演進技術應用，加快推進大清河系數據底板建設，推動下墊面動態變化數字流場和預報調度一體化預演場景建設，構建防洪“四預”平臺，通過全面素數據采集，實現精準預報、超前預警、數字預演和預案科學，努力提升水旱災害防御支撐服務水平。