郑州“7·20”特大暴雨移植大清河系初步模拟分析及对策研究

杨学军，魏 琳，陈 旭

（1.海河水利委员会水文局，天津 300170；2.智慧海河创新实验室，天津 300170）

大清河系位于海河流域中部，西起太行山区，东至渤海湾，北界永定河，南临子牙河，地跨山西、河北、北京和天津四省（直辖市），流域面积42 972 km2。东淀以上分为南、北两支，北支为白沟河水系，南支为赵王河水系，东淀以下分别经独流减河和海河干流入海。大清河系区域位置极其重要，承担着雄安新区、北京市、天津市等重要区域的防洪安全保障，受特殊的天然地理地形条件、河道源短流急和太行山对气流明显的辐合抬升作用影响，易产生大暴雨，洪水突发性强。河南郑州“7·20”特大暴雨灾害是一场因极端暴雨导致严重城市内涝、河流洪水、山洪滑坡等多灾并发，造成重大人员伤亡和财产损失的特别重大自然灾害。郑州“7·20”特大暴雨地跨黄河、淮河、海河3 个流域，若暴雨区域北移至大清河系，将可能发生超标准洪水，对大清河系上下游造成较大洪水威胁。因此，本文将郑州“7·20”特大暴雨移植至大清河系不同位置，开展暴雨洪水模拟计算和影响分析，为今后防范此类暴雨洪水、超前做出有针对性部署和科学调度决策提供技术参考。

1 “7·20”暴雨洪水概况

2021 年7 月18—22 日，华北、华中地区出现持续性强降水天气（见图1），多地出现大暴雨，局部出现特大暴雨。此次强降雨过程覆盖黄河、淮河及海河流域部分地区，过程累积100 mm 以上降水笼罩面积12.99 万km²、250 mm 以上降水笼罩面积4.8 万km²，过程累积最大点雨量河南省新乡市龙水梯站1 057 mm。本次暴雨洪水具有以下特点：①降雨量大。郑州市平均降雨量占多年年平均降雨量的86%，较多年汛期平均降雨量偏多32%。②降雨时段集中。20 日强降雨主要集中在郑州城区，且主要降雨时段集中在20 日的15—18 时。③降雨强度大。最大1 h 降雨量郑州气象站201.9 mm（20 日16—17 时）。④黄河、淮河、海河流域局部同时发生较大洪水，其中海河流域卫河淇门以上出现区域性特大洪水，卫河、共产主义渠、淇河、安阳河等河流出现超保洪水。⑤水库拦蓄削峰作用大，蓄滞洪区相继启用。河南省14 座大中型水库超建库以来最高水位，卫河流域相继启用了8 个滞洪区分滞洪水。

图1 7月18—22日降水过程累积面雨量

2 移植可能性分析及方案确定

2.1 移植可能性分析及原则

郑州“7·20”特大暴雨是在西太平洋副热带高压异常偏北、夏季风偏强等气候背景下，同期形成的2个台风汇聚输送海上水汽，与河南上空对流系统叠加，遇伏牛山、太行山地形抬升形成的一次极为罕见特大暴雨过程。海河流域历史上1939、1956、1963年暴雨，均在大清河系发生大洪水，天气形势与郑州“7·20”特大暴雨具有一定的相似性。从环流和天气系统成因上来看，1939 年由于低纬度热带系统异常活跃，西太平洋副热带高压位置偏西、偏北，台风频频北上，海河流域7、8月间连续多次出现暴雨；1956年受台风外围天气系统（辐合线）的影响，加之台风与西太平洋副高之间形成较强的东南低空气流，向华北一带输送大量水汽，大清河系出现新中国成立以来最大的一场暴雨洪水；1963 年暴雨是由3 次低压槽和3 个低涡连续出现并互相迭加的结果。因此，从天气系统上来看，大清河系有发生郑州“7·20”特大暴雨的可能性；从地形特征来看，大清河系东部太行山迎风坡地形抬升条件优越，与郑州“7·20”特大暴雨郑州市西侧和西北侧的高山地形一样有利于底层气流辐合抬升，因此大清河系发生郑州“7·20”特大暴雨的可能性是存在的。

大清河系北支干流拒马河上无控制性工程，南支上游有5 座大型水库，根据大清河系可能的暴雨中心及防御重点，考虑到雄安新区的外洪及内涝，分别将暴雨中心移植至大清河系南支、北支及雄安新区等不同的位置，对比分析可能形成的洪水及影响，进而选择最不利的位置作为洪水防御研究的重点，提出初步应对措施。

2.2 移植方案确定

郑州“7·20”特大暴雨有2个暴雨中心：①7月19—20 日的淮河流域郑州尖岗水库；②7 月21 日的海河流域新乡龙水梯。尖岗水库中心雨强最大，暴雨集中；龙水梯中心累积降雨量最大，暴雨区范围较尖岗水库中心大。结合大清河系历史暴雨中心位置，并考虑降雨强度因素，首先选取暴雨中心郑州尖岗水库作为基准点，将其分别整体平移至大清河北支紫荆关（方案1）、南支王快水库（方案2）及雄安新区（方案3）3 个位置，分析雄安新区外围洪水（北支洪水、南支洪水）及内涝影响。

同时，考虑大清河系南北两支同时出现洪水的极端条件，采用总量最大的暴雨中心龙水梯站作为基准点，构建移植方案，其中考虑北支出现洪水平移至紫荆关中心，考虑南支出现洪水分别平移至水库以上区域（方案4）和水库以下中游地区（方案5）2种方案，在南北支同时发生洪水的条件下，分别开展洪水模拟影响分析。

2.3 前期计算条件

本文前期计算条件以2021 年7 月18 日实况为基准，分析计算以中国洪水预报系统为依托，采用实际作业预报构建水文及水力学模型方案，以现有重要防洪控制工程及水文站为预报节点，以现状批复调度方案为依据，开展模拟计算分析。

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，南支王快水库40%，白洋淀以上各分区在60%以上，相对易产流。“96·8”前期较干，土壤含水量在20%以内；“63·8”前期土壤含水量同样较低；相同量级降雨，现状前期条件产流量相对较大。

2.3.2 水情

2021 年7 月18 日，大清河系安各庄水库、龙门水库、西大洋水库、王快水库、口头水库、横山岭水库6 座大型水库尚有防洪库容分别为0.505 亿、0.585 亿、4.81 亿、4.724 亿、0.339 亿、1.086 亿m³，合计12.05 亿m³；大清河系北支拒马河紫荆关站流量86 m³/s、张坊站流量116 m³/s，大石河漫水河站流量202 m³/s，南拒马河落宝滩站流量10.9 m³/s、北河店站流量34.2 m³/s，白沟河东茨村站流量10.6 m³/s，大清河系白洋淀水位6.73 m、蓄量2.76 亿m³。大清河系大型水库水情及防洪技术特征值，详见表1。

表1 大清河系大型水库水情及防洪技术特征值

3 暴雨及洪水量级分析

3.1 暴雨对比分析

大清河系历史洪水年份有1956、1963、1996、2012 年，其中1963 年最大，将移植暴雨与1956、1963、1996、2012 年过程总雨量比较，从整个河系来看，5 种移植方案累计面平均降雨量均小于1963 年过程总雨量，均大于1956、1996、2012 年过程总雨量。总体上，方案2 引起的外围洪水对雄安新区影响最大，方案3 产生的暴雨内涝对雄安新区影响最大。本次移植降雨情况，详见表2。

表2 不同移植方案面平均降雨量分区对比

3.2 洪量对比及频率分析

根据《大清河流域设计洪水复核报告》成果，北支新盖房50 a 一遇、100 a 一遇15 d 洪量分别为19.69亿、25.09亿m³，南支白洋淀10 a一遇15 d洪量为20.15 亿m³，本次移植北支新盖房以上15 d 洪量分别在17.73 亿～22.63 亿m³，方案4 新盖房以上洪水不足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，详见表3。

表3 各移植方案相应洪量分析对比

3.3 洪峰流量对比及频率分析

从不同移植方案计算各站洪峰流量来看，方案1、2 张坊站洪峰流量最大为11 500 m³/s，大于1963年洪峰流量9 920 m³/s，约60 a一遇；方案1北河店站洪峰流量最大为7 200 m³/s，超100 a 一遇；方案1 东茨村站洪峰流量最大为4 000 m³/s，接近50 a 一遇；方案4 西大洋水库洪峰流量最大为5 800 m³/s，不足20 a一遇；方案2王快水库洪峰流量最大为6 500 m³/s，不足20 a 一遇；方案4 横山岭水库洪峰流量最大为3 750 m³/s，为80 a一遇。

3.4 雄安新区内涝初步分析

按照最不利的情况，将尖岗水库暴雨中心移植至雄安新区起步区内，经建模初步计算，平均最大淹没水深为0.5～1 m，积滞水量为5.5 亿～6 亿m3，淹没面积约800 km2。

4 洪水模拟及影响分析

4.1 洪水模拟调度演算

综合上述5种暴雨移植方案调洪结果，以方案2引起的外围洪水对雄安新区影响最为不利，北支张坊站洪峰流量为11 500 m3/s，大于1963年的9 920 m3/s，将被迫启用兰沟洼及东淀蓄滞洪区；南支王快水库最大入库洪峰为7 500 m3/s，经上游水库拦蓄后，洪水入白洋淀通过赵王新渠下泄，部分洪水进入东淀。

北支拒马河无控制性工程，仅支流中易水河上建有1 座大型水库——安各庄水库，入库洪峰为720 m³/s，按照调度方案进行调洪演算，最大下泄流量300 m³/s，最高库水位达152.4 m，蓄量1.02 亿m³。拒马河洪水经铁锁崖分流之后，北河店洪峰流量5 500 m³/s，超过下游河道的行洪能力，分洪入兰沟洼水量0.88 亿m³；白沟河东茨村站接纳北拒马河、琉璃河及以上平原区的产流量，洪峰流量达3 500 m³/s，分洪入兰沟洼水量1.08 亿m³；新盖房汇集了南拒马河及白沟河的洪水，洪峰流量达3 600 m³/s，洪量11.76亿m³，经新盖房分洪道入东淀。

南支5 座大型水库按照调度方案进行调洪演算，计算成果详见表4。经过水库调蓄，白洋淀最大入淀流量2 800 m³/s、15 d洪量14.44亿m³，枣林庄枢纽最大泄流量1 200 m³/s、最高水位8.79 m，下泄洪水部分进入东淀，水量为4.36 亿m³，南北两支洪水进入东淀蓄滞洪区最大淹没水深为4.5 m。

表4 大清河系南支大型水库调洪计算成果

采用一二维水力学模型耦合对中下游河道及启用蓄滞洪区进行洪水演进分析，大清河系北支洪水达50～100 a 一遇，南支洪水不足10 a 一遇，北支小清河分洪区及兰沟洼均启用，下游东淀蓄滞洪区将启用，洪水影响范围较大，东淀淹没面积380 km2，最大淹没水深4.5 m，涉及人口13.81 万人。最大淹没情况及河道最高水面线情况，如图2—5所示。

图2 东淀蓄滞洪区洪水淹没情况

图3 新盖房分洪道水面线

图4 赵王新渠水面线

图5 大清河水面线

4.2 洪水影响分析

大清河系上游6 座大型水库尚有防洪库容12.05 亿m³，由于上游来水量大，部分水库最高水位将超过历史最高水位，高水位运行将影响水库工程、库区岸坡及周边群众生命财产安全，对下游影响区域带来洪水威胁。北支白沟河、南拒马河及新盖房分洪道等河道将强迫行洪，部分堤段超高不足，给堤防安全造成洪水威胁，应提前做好抢护筑堤及巡堤查险等措施。兰沟洼及东淀蓄滞洪区启用，涉及兰沟洼内24.21万人、东淀内13.81万人，应提前做好蓄滞洪区人员转移工作。由于北方河流特点，特别是部分河道长期干涸无水，并且水文测验基础设施自动化程度偏低，尚未实现在线流量监测，这将影响大洪水时人工测验频次及应急监测等情况。

5 对策研究

（1）构建大清河天空地一体化智能感知网。大清河系现有752 处报汛站（其中雨量站478 处、河道水文站43 处、水库水文站115 处、堰闸水文站22处），白洋淀山前平原区各支流、蓄滞洪区内建立了应急巡测断面，但各类水文测站流量及部分水位仍为人工监测，尚未实现全自动监测及信息采集报送。因此，应加强水文监测先进设备利用，实现测站及应急监测断面的自动在线监测，推进高分辨区域面雨量自动监测新技术应用弥补部分区域雨量站点不足，利用卫星遥感、无人机航拍等技术开展监测分析，推动测站信息采集系统升级改造。

（2）推进水文气象技术融合应用。大清河系河道源短流急，洪水预见期短，特殊的地理位置及防洪重要性决定了洪水预报必须延长预见期，开展基于水文气象技术融合的精细化智能预报预警迫在眉睫。因此，需要依托无缝隙智能网格定量降水预报技术和分布式水文模型，融合构建暴雨洪水预报预警的一体化业务模型体系，实现点面结合的精细化智能预报预警。

（3）开展大清河系产汇流规律研究。大清河系场次大洪水资料少，仅依靠少数几场大洪水资料难以准确掌握流域暴雨洪水规律，加之流域下垫面产汇流机理较为复杂，现有预报方法缺乏对于复杂下垫面条件下的流域产汇流机理的充分研究与认识。因此，还需加强降雨-产流-汇流-演进全过程洪水演进规律技术攻关，通过产汇流机理性研究及模型方法构建从根本上提高洪水预报精度。

（4）构建大清河系下垫面动态数字流场。大清河系南北拒马河现状下垫面变化大且分流存在不确定性，南支入白洋淀支流多年未发生洪水，河道干涸时间长，白洋淀以下行蓄滞洪区内受人类活动影响大，行洪障碍多且复杂，影响洪水演算。因此，应加强大清河系下垫面调查及全面开展地形测量工作，摸清大清河系河道及蓄滞洪区地形动态变化，构建动态数字流场，提高洪水演算精度及水工程联合调度预演能力，构建预报调度一体化预演场景，为实现数字孪生大清河“四预”功能奠定基础。

（5）构建防洪“四预”体系平台。目前大清河系尚未构建数字孪生模拟仿真平台，不能有效支撑全要素预报、预警、预演、预案的模拟分析。因此，还需通过数字流场、数字映像、数字地形，在智慧化体系建设的基础上，通过大清河系数字地形、基础设施、经济社会等数据信息采集，实现预报精准化、预警超前化、预演数字化、预案科学化，努力提升水旱灾害防御支撑服务水平。

6 结论及建议

（1）从天气系统上来看，历史上大清河系1939、1956、1963 年暴雨，与郑州“7·20”特大暴雨具有一定的相似性；从地形特征来看，大清河系东部太行山迎风坡地形抬升条件优越，与郑州“7·20”特大暴雨郑州市西侧和西北侧的高山地形一样有利于底层气流辐合抬升，因此大清河系发生郑州“7·20”特大暴雨情况具有可能性。

（2）从本次移植初步分析发现，北支洪水出现特大洪水量级大于“63·8”北支洪水，由于平原区下垫面变化较大，在现状下垫面条件下，其产流量较“63·8”明显减少，且移植降雨小于“63·8”降雨；南支洪水为较大洪水量级，小于“63·8”南支洪水。

（3）从本次5种不同移植方案洪水模拟分析发现，北支洪水造成部分河道超高不足，经过洼套缓洪滞洪，兰沟洼、东淀蓄滞洪区启用；南支洪水造成部分水库超历史最高水位运行，经过赵王新渠下泄，部分洪水进入东淀。建议加强水库工程及库区等管护巡查，提前做好河道堤防抢护防守和蓄滞洪区人员转移工作。

（4）建议加快数字孪生大清河建设，全面构建大清河天空地智能感知网，开展精细化数值预报与洪水预报融合及降雨-产流-汇流-演进全过程洪水演进技术应用，加快推进大清河系数据底板建设，推动下垫面动态变化数字流场和预报调度一体化预演场景建设，构建防洪“四预”平台，通过全面素数据采集，实现精准预报、超前预警、数字预演和预案科学，努力提升水旱灾害防御支撑服务水平。