河南“21·7”暴雨洪水风险模拟及对比分析

刘昌军 吕娟 翟晓燕 李青 刘荣华 孙朝兴 赵彦增

摘要：2021年7月河南省遭遇极端强降雨，引发严重城市内涝和流域局部洪水，造成重大社会影响和生命财产损失。重点分析了“21·7””暴雨情况及主要河段的洪水过程，并与河南“75·8”特大暴雨洪水進行对比;基于时空变源混合产流模型，建立了覆盖河南省山区小流域的分布式水文模型，利用国家山洪灾害风险预报预警平台，计算得到了“21·7”特大暴雨洪水河段、沿河村落的危险等级;并基于下垫面现状条件，对“75·8”暴雨洪水进行了复盘，探讨了“75·8”降雨条件下，河段和沿河村落成灾情况，进而对比了“21·7”和“75·8”暴雨洪水和河段、沿河村落危险情况。研究成果可为后续灾害调查、推演复盘、总结评估等提供参考。

关键词：暴雨洪水模拟;洪水风险分析;时空变源混合产流模型;河南“21·7”暴雨;河南“75·8”暴雨; 河南省

中图法分类号：P333.2 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.09.001

文章编号：1006 - 0081（2021）09 - 0008 - 07

0 引 言

中国是世界上洪涝灾害最严重的国家之一，历年遭受的洪涝灾害次数、强度、损失、影响范围等均居中国各类自然灾害的前列。新中国成立以来，随着中国洪涝灾害防治能力的提高，主要江河骨干防洪工程相继建设完成，大江大河的洪水基本得到控制，成功抵御了多次重大洪涝灾害的侵袭。然而，受全球气候变化的影响，极端气候事件增多，加之中国社会经济飞速发展带来的新形势、新常态，防洪减灾工作仍然面临挑战，城市洪水、中小河流洪水、山洪灾害一定程度上影响了社会经济高质量发展。

利用各类水文模型对暴雨洪水进行预报预警由来已久，最初多是经验判断法。1851年，Mulvaney提出了推理公式，是水文模型正式进入理论化研究的开端[1]。随后针对流域洪水行进过程计算，Sherman于1932年提出了单位线法，认为地面径流过程线的形状反映了该流域所有物理特征的影响，主要将单位线法用于计算流域出口洪水过程[2]。1959年，Crawford和Linsley研发了基于水量平衡的Stanford水文模型，同时也是较早时期出现的水文模型，该模型引入降水和蒸发两个重要影响因子，并最早开始进行融雪过程中径流的模拟[3]。随着对水循环自然规律认识更加深入，结合实际下垫面及气候情况的分布式水文模型被开发出来。Beven和Kirkby在1979年研发了TOPMODEL，但此模型还未加入降水及蒸发地区分布差异的影响，是半分布式水文模型[4]。美国农业部研究中心提出的SWAT模型，已能够实现较长时间维度下大面积复杂下垫面流域较精准化的模拟[5]。以上模型在现今水文研究及洪水预报应用方面都具有重要的研究价值。中国针对水文模型也进行了一定的研究，例如赵人俊等[6]1975年开发的新安江模型在计算湿润地区降水以及径流过程中被证实应用效果较好;包为民等[7]在1997年提出的垂向混合产流模型适用于半干旱地区的模拟计算;YANG等[8]根据特定流域参数特性提出了适应小流域的GBHM模型，该模型主要基于一维水分运动规律，流域下垫面特性主要运用面积及宽度函数描绘。针对中国不同地区地貌特点及降雨特点，刘昌军等[9-10]在2018年提出了时空变源产流模型和模块化分布式水文模型FFMS，时空变源混合产流模型将小流域超渗和蓄满机制在平面、垂向和时段3方面进行时空组合，考虑不同地貌参数引起的水文差异，实现径流特征不同时进行超渗蓄满模式的时空转换，进而提高了短历时、强降雨条件下洪水的模拟精度。

2021年7月17～24日，河南省遭遇罕见强降雨，持续时间长、累积雨量大、强降雨时段集中且范围广。嵩山、新密、新郑、登封、偃师等国家级气象观测站超过了建站以来日雨量历史极值，引发了城市内涝和山洪地质灾害，造成了重大社会影响和生命财产损失。1975年8月，河南省同样发生了特大暴雨，造成了淮河上游洪汝河、沙颍河以及长江流域唐白河水系特大洪水，导致板桥、石漫滩两座大型水库垮坝，下游7座县城遭到毁灭性灾害[11]。虽然这两场特大暴雨在成因和特点上有一定相似性，但在影响范围、持续时间和降雨量级上也有一定差异性。本文重点分析河南“21·7”特大暴雨洪水灾害的降雨情况、洪水过程、河段和沿河村落的危险性等，并与历史上河南“75·8”特大暴雨灾害进行对比，旨在为后续洪水调查和推演复盘提供支撑。

1 降雨情况分析

1.1 降雨情况

2021年7月17日08：00～23日08：00，安阳、鹤壁、新乡、焦作、济源、郑州、平顶山、漯河出现大到暴雨，局部特大暴雨。7月18～20日，郑州出现罕见持续强降水天气过程，全市普降大暴雨、特大暴雨，累积平均降水量449 mm。7月22日暴雨中心北移，新乡市中西部、鹤壁市南部等地区降中到大雨，局部暴雨。根据河南省水文报汛资料和气象站资料，郑州最大1 h点雨量201.9 mm（郑州站），3 h点雨量333.0 mm（郑州站），6 h点雨量382.0 mm（郑州站），24 h点雨量 696.9 mm（尖岗站），其中1 h点雨量刷新了中国陆地小时降雨极值。累积最大点雨量辉县市龙水梯雨量站1 159 mm，新乡市凤泉区分将池雨量站958 mm，焦作修武县东陵后雨量站952 mm，卫辉市猴头脑雨量站942 mm，淇县大水头雨量站921 mm，郑州市中原区尖岗水库站906 mm。累积平均降雨量：河南全省197 mm，鹤壁市647 mm，新乡市543 mm，郑州市528 mm。经统计，河南省总雨量287亿m3（面平均雨量172 mm），其中，郑州地区总雨量35.66亿m3（面平均雨量479 mm），新乡地区总雨量40.83亿m3（面平均雨量495 mm）。根据气象部门专家分析，河南暴雨主要受距离中国1 000 km的台风“烟花”控制。在“烟花”和副热带高压气流引导下，大量的水汽通过偏东风源源不断从海上输送到陆地，在河南集结成雨。偏东气流在河南遇到太行山和伏牛山后，在山前出现辐合抬升，地形导致降雨范围集中，雨势更强。而稳定的大气环流形势，导致降雨持续时间长。

1975年8月4～8日，受7503号台风登陆后变成的低压环流及与北方冷空气交汇影响，河南省中南部连续发生大暴雨[12]。暴雨区主要位于洪汝河、沙颍河、唐白河上游的低山丘陵区，雨带呈西北-东南向分布。暴雨强度很大，但范围比较局部。前后5 d雨量200.0 mm以上雨区范围为43 800 km2，相应总降水量201亿m3[12]。暴雨中心地区强度极大，林庄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，强度之大，超过了中国大陆上历次实测暴雨的记录，其中6 h雨量已达世界最高记录。

1.2 对比分析

河南“21·7”暴雨过程与“75·8”暴雨过程在暴雨中心、历时、最大时段雨量等方面均有所差异。“21·7”暴雨中心主要集中在郑州、新乡、鹤壁等中北部地区，“75·8”暴雨主要集中在南阳、驻马店等中南部地区;“21·7”暴雨持续8 d，“75·8”暴雨持续5 d;“21·7”暴雨最大1 h降雨201.9 mm（郑州站），刷新了中国陆地小时降雨极值，“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（郑州站），“75·8”暴雨最大6 h降雨830.1 mm（林庄站），超当时世界最高纪录（782 mm）;“21·7”暴雨最大24 h降雨696.9 mm（尖岗站），“75·8”暴雨最大24 h降雨1 060.3 mm（林庄站）。“21·7”和“75·8”暴雨不同时段最大点雨量对比见图1。 2021年7月17～24日与1975年8月5～8日河南省累积降雨量见图2～3。

2 水文站和水库水情分析

据河南省水文水资源局水情专报，“21·7”暴雨导致河南省贾鲁河、贾鲁河支流双洎河、卫河、卫河支流安阳河等出现洪水过程，其中贾鲁河、双洎河、安阳河出现了大洪水过程。在洪水过程中，共有大沙河修武水文站、共产主义渠合河水文站、共产主义渠黄土岗水文站、卫河汲县水文站、安阳河横水水文站、贾鲁河中牟水文站和贾鲁河扶沟水文站等水文站洪峰水位超过有水文记录以来最高水位。根据报汛资料，共有盘石头、小南海、尖岗、常庄、丁店、五星、后胡、纸坊（登封）、唐岗、坞罗、佛耳岗、安沟，李湾等13座水库最高水位超过建库以来历史最高水位（2021年7月20～24日郑州市新乡市水文站和水库水情见图4）。

“75·8”大洪水主要发生在洪汝河、沙颍河及唐白河上游。位于暴雨中心区上游一些支流，洪水量级大。汝河板桥水库上游小支沟石河下陈河段集水面积仅11.9 km2，洪峰流量高达618 m3/s，下游祖师庙的集水面积71.2 km2，洪峰流量2 470 m3/s。板桥水库以上集水面积768 km2，经按雨量推算最大入库流量达13 000 m3/s，澧河支流干江河官寨河段集水面积1 124 km2，洪峰流量达14 700 m3/s。由于洪汝河上游洪水极大，洪水位超過板桥、石漫滩水库防浪墙顶0.30，0.35 m，两库在1975年8月8日凌晨失事。竹沟、田岗等中型水库及多座小型水库也相继失事。石漫滩下游老王坡滞洪区和沙河泥河洼滞洪区也先后漫决，沙颍河、洪汝河两河河道堤防多处漫溢决口，洪水互相窜流，至8月底、9月初才全部退至淮河干流。

3 洪水危险性分析

河南“21·7”暴雨、“75·8”暴雨造成了重大的人员伤亡和经济损失，部分中小河流、山沟洪水危险性很高。洪水危险性存在于因洪水而可能遭受伤害、损失或损害的地区[13]，主要受区内天气因素（影响区内洪水）和下垫面因素的共同作用[14]。以河南“21·7”暴雨、“75·8”暴雨降雨情况为输入条件，基于现状下垫面条件，建立河南省山丘区小流域分布式水文模型，分析山丘区小流域河段洪水危险性以及沿河村落受山洪影响的危险性，初步评价危险性等级。

3.1 建模及参数率定

基于时空变源混合产流模型[9，15]及分布式时变单位线汇流模型[16]，构建了河南省山丘区小流域分布式水文模型。采用中国水利水电科学研究院自主研发的模块化分布式水文模型软件FFMS和自主研发的OMHMS模块化水文建模系统框架（图5），构建了国家山洪灾害风险预报预警平台，该平台软件在北京、河南、吉林、陕西、山西、湖北、福建、安徽等省、市小流域山洪灾害预报工作中已得到了广泛的应用。本次建模基于全国山洪灾害小流域数据、土地利用及土壤质地数据和河南省22个水文站点位置，共划分11 982个小流域，建立了1 004个并行计算单元进行模拟计算。基于河南省22个站点实测水文资料，以小流域为单元，利用机器学习方法，对河南省小流域进行了参数区域化工作，本次分布式水文模型参数采用模型区域化参数结果[9]。

选取河南省6个流域面积在1 000 km2以上的山丘区流域历史场次洪水对模型进行验证（表1），验证结果平均纳什系数NSE=0.86，除社旗流域外，其他所选流域最大洪峰误差均小于10%。社旗流域纳什系数NSE=0.84，由于实测数据缺失，模拟计算的洪峰误差略高于其他所选流域，为13.72%（图6），表明该模型可以较好地模拟河南省山丘区小流域暴雨洪水。

3.2 洪水危险性分析结果

利用山洪灾害调查评价河段设计暴雨、设计洪水和沿河村落现状防洪能力等成果，将河段危险性等级分为4级，即一般危险（5 a一遇至10 a一遇），危险（10 a一遇至20 a一遇），高危险（20 a一遇至50 a一遇）和极高危险（大于50 a一遇）。

根据2021年7月17～24日河南省中小流域逐小时暴雨洪水模拟分析结果显示：1 645个河段流量超5 a一遇，达到一般危险等级;1 700个河段流量超10 a一遇，达到危险等级;645个河段流量超20 a一遇，达到高危险等级;423个河段流量超50 a一遇，达到极高危险等级。共计31 114个村庄受山洪威胁，其中12 180村庄洪水超5 a一遇，达到一般危险等级;12 888个村庄洪水超10 a一遇，达到危险等级;3 402个村庄洪水超20 a一遇，达到高危险等级;2 644个村庄洪水超50 a一遇，达到极高危险等级（图7～10）。

基于河南省小流域下垫面现状条件，将1975年8月5～8日逐小时降雨作为输入，模拟河南省现状条件下小流域河道洪水过程，分析河道洪水危险性。河南省中小流域逐小时暴雨洪水模拟分析结果显示：若河南省再发生“75·8”暴雨，将有8 000余条小流域出现高风险点，部分险工段可能出现漫溢决口情况，可能发生中小流域洪水、山洪灾害;1 600个山洪防治村受暴雨洪水影响，山洪灾害发生危险较高，受威胁人口约76.5万人（图11～12）。

4 结 论

本研究基于暴雨洪水资料，分析了河南“21·7”与“75·8”两场特大灾害的暴雨洪水过程，“21·7”暴雨中心主要集中在郑州、新乡、鹤壁等中北部地区，其小时降雨更强，暴雨导致贾鲁河、双洎河、安阳河出现了大洪水过程，其中13座水庫最高水位超过建库以来历史最高水位;“75·8”暴雨主要集中在南阳、驻马店等中南部地区，累积降雨量更大，洪水主要发生在洪汝河、沙颍河及唐白河上，板桥、石漫滩大型水库，竹沟、田岗等中型水库及多座小型水库相继失事。

基于小流域下垫面现状条件，利用时空变源混合产流模型及分布式时变单位线汇流模型，构建了河南省山丘区小流域分布式水文模型;利用国家山洪风险预报预警平台，实时计算得到了洪水危险性模拟结果，结果表明：河南“21·7”暴雨中小流域1 645个河段流量达到一般危险等级，1 700个达到危险等级，645个达到高危险等级，423个达到极高危险等级，31 114个村庄受山洪威胁;若发生河南“75·8”暴雨，8 000余条小流域将出现高风险点，部分险工段可能出现漫溢决口情况，可能发生中小流域洪水、山洪灾害，1 600个山洪防治村受暴雨洪水影响，受威胁人口约76.5万人。

参考文献：

[1] 陈尧， 杨宏伟， 何秉顺，等.日本九州北部2017年7月暴雨山洪灾害反思及其对我国的借鉴[J].中国防汛抗旱， 2018， 28（11）：72-76.

[2] 徐宗学. 水文模型：回顾与展望[J]. 北京师范大学学报（自然科学版），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水文预报模型及与之集成的水文模型系统介绍[J]. 水利水文自动化，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] 赵人俊，庄一鸰，刘新仁，等. 中国湿润地区降雨径流计算方法的探讨[J]. 广西水利电力科技，1975（增1）：20-33.

[7] 包为民，王从良. 垂向混合产流模型及应用[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] 刘昌军，周剑，文磊，等. 中小流域时空变源混合产流模型及参数区域化方法研究[J]. 中国水利水电科学研究院学报，2021，19（1）：99-114.

[10] 刘昌军， 文磊， 周剑，等.小流域暴雨山洪水文模型与水动力学方法计算比较分析[J].  中国水利水电科学研究院学报， 2019（8）：262-270，278.

[11] 丁一汇.论河南“75.8”特大暴雨的研究：回顾与评述[J].气象学报， 73（3）：411-424.

[12] 杨罗.“75·8”特大暴雨洪水情况及主要经验教训探讨[J].  治淮， 2005（8）：13-14.

[13] 澳大利亚GHD 公司，中国水利水电科学研究院.中国洪水管理战略研究[M].  郑州： 黄河水利出版社， 2006： 12.

[14] 魏一鸣， 范英， 金菊良. 洪水灾害风险分析的系统理论[J]. 管理科学学报， 2001，4（2）：7-11.

[15] 翟晓燕， 郭良， 刘荣华，等.中国山洪水文模型研制与应用：以安徽省中小流域为例[J].  应用基础与工程科学学报， 2020（5）;1018-1036.

[16] 郭良，翟晓燕，刘荣华，等.全国小流域分布式单位线综合分析[J]. 中国水利水电科学研究院学报，2019，17（4）：252-261.

（编辑：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