开封市2021 年雨水情调查与分析

周星宇，周文治，朱学函

（1.河南省豫东水利工程管理局，河南 开封 475002；2.河南省开封水文水资源勘测局，河南 开封 475000）

0 引言

2021 年河南省“7·20”特大暴雨给全省造成严重洪涝灾害，开封市毗邻暴雨中心郑州市，同样发生了历史罕见的暴雨洪水。 这次暴雨的降雨量和降雨强度均创历史实测记录的最大值， 造成开封市境内主要除涝河道惠济河长时间超警戒水位运行。 但这次大暴雨并未形成该区历史最大洪水， 甚至与历史最大洪水相差甚远，这在水利行业产生较大疑惑。

整理分析该年度水文特征值， 可为今后水文研究、水利工程规划设计及管理提供重要参考依据。同时， 通过对开封市全境雨量站多年实测资料统计分析，运用配线法绘制PⅢ频率曲线，估算最大1 日降雨量和最大3 日降雨量重复出现频率， 可为社会大众认知本年度降雨强度提供科学参考。 笔者对开封市2021 年雨水情进行了调查统计，从平原地区洪水成因角度，将其与历史最大洪水年份的降雨、流域内土壤墒情、 地下水位变动及地表水工建筑物影响等因素进行对比分析， 以期为当地今后分析研判特大雨水情提供参考。

1 开封市自然概况

1.1 自然地理及河流水系

开封市位于河南省中东部， 地理位置为东经113°52′15＂～115°15′42＂，北纬34°11′45＂～35°00′20＂，南北宽约87.5 km，东西长约125 km，总面积6 444 km2，其中市区面积546 km2。 开封市北临黄河，除黄河滩区属黄河流域外，其余均属淮河流域。 辖区内，流域面积大于100 km2的河流有32 条， 大于500 km2的河流有11 条，分属沙颍河水系、涡惠河水系、南四湖水系。 全市各地设有自动雨量观测设施82处，河道上设有水文监测断面8 处、国家基本水文站3 个［1］。

1.2 气象水文

开封市地处暖温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明，春季多风，夏季炎热，秋季凉爽，冬冷少雪。 开封市多年平均降雨量为662.7 mm （计算至2020 年），丰水年与枯水年的降雨量相差悬殊，最大年降雨量为1 062.3 mm，发生在1964 年，最小年降雨量为347.6 mm，发生在1966 年。 该市降水量年内分布极不均匀，6～9 月份的降雨量占全年降水量的70%左右，降水空间分布也不均匀，大体上是自西北至东南逐渐增大［1-2］。 开封市地处黄河冲积平原，土壤渗透性好，植被条件好，对于历时短、强度不大的降水，一般不会产生大的径流。开封市多年平均径流量为4.04×108m3，年径流主要集中在汛期，年际变化较大。

2 2021 年开封市降雨及河道洪水调查与分析

2.1 雨情调查分析

为准确了解开封市2021 年降雨情况，笔者收集整理了全市雨量站实测资料。 截至2021 年底，开封市共设置雨量站82 处， 剔除掉部分数据异常站，选取32 处代表站进行分析，其中市区3 处、祥符区7处、尉氏县7 处、通许县4 处、杞县6 处、兰考县5处。

综合各雨量站实测记录可知，2021 年全市除1月、12 月降雨较小，其他月份均有明显降雨过程。 全市最大年点雨量为1 303.5 mm， 发生在祥符区曲兴站，最小年点雨量为866.1 mm，发生在杞县柿园站。

统计各县区雨量站实测值，经算术平均，分别计算出开封市2021 年各县区年降雨量和全市汛期各月降雨量，结果如表1 和表2 所示。

表1 开封市2021 年各县区年降雨量统计结果Tab.1 Statistical results of annual rainfall in each county of Kaifeng city in 2021

表2 开封市2021 年汛期（5 月15 日～9 月30 日）各月降雨量统计结果Tab.2 Statistical results of monthly rainfall in flood season（From May 15th to September 30th）of Kaifeng city in 2021

由表1 和表2 可知，2021 年，各县区年降雨量均接近或超过1 000 mm， 约为开封市多年平均降雨量的1.5 倍。 降雨量空间分布不均，整体呈从西北向东南逐渐减小的趋势，这与往年大多数情况完全相反［3］。全年降雨主要发生在汛期（5 月15 日～9 月30 日），汛期各县区降雨量均在同地年降雨量的80%以上，这个比例明显高于多年平均值。

2.2 降雨特征值分析

降雨特征值是水文特征资料的重要组成部分，是研究降雨情况的定量值， 用以表示一定时段内降雨情况的特征，如最大、最小、平均值等。现有水文资料收集的降雨特征值包括逐年各月降雨量、 年降雨总量、最大1 日降雨量、最大3 日降雨量等。 对于一定区域而言，由于降雨时空分布不同，单个雨量站的点降雨量不能反映区域整体降雨情况， 故常用年平均降雨量、多年平均降雨量、单日及多日平均降雨量表示区域降雨情况。其中，最能反映区域年际降雨总量和降雨强度的特征值是年平均降雨量和最大1日、3 日平均降雨量。

2.2.1 年平均降雨量

年平均降雨量计算方法有两种， 一种是根据各县区年降雨量进行算术平均， 另一种是根据县区降雨量和县区面积进行加权平均。 由于历年平均降雨量均采用算术平均法，为保持统计方法一致性，本次分析亦采用算术平均法。 即各县区年均降雨量为本境内各雨量站年降雨量的算术平均值， 全市年均降雨量为各县区年均降雨量的算术平均值。

根据开封市2021 年各县区年均降雨量统计结果， 经算术平均得出开封市2021 年年均降雨量为1 070.71 mm。 根据现有水文年鉴资料统计分析，开封市历年最大年均降雨量为1 062.3 mm， 发生在1964 年。 因此可以判定，开封市2021 年均降雨量超过历史最大降雨纪录，为多年最大年均降雨量。

2.2.2 最大1 日平均降雨量和最大3 日平均降雨量

最大1 日平均降雨量和最大3 日平均降雨量是衡量降雨强度的重要水文特征值。 受历年实测降雨资料限制， 本次调查仅对开封市城区及周边临近乡镇（主要为惠济河流域）区域的降雨资料进行统计分析。

对开封市城区及周边杏花营、柳园口、陈留、仙人庄等14 个雨量站实测数据进行统计， 结果表明，2021 年，该区域全年最大1 日平均降雨量为219.3mm，发生在7 月20 日； 最大3 日平均降雨量为328.8mm，发生在7 月19 日至21 日。其中，最大1 日点降雨量为280.5 mm，发生在示范区杏花营站；最大3 日点降雨量为377 mm，发生在祥符区扫东站。 根据现有水文年鉴资料统计，截至2020 年，城区及周边最大一日平均降雨量为160 mm，最大3 日平均降雨量为210 mm。 显然，2021 年最大1 日和3 日平均降雨量均远超历史最大值。

根据1954～2008 年开封市城区最大1 日和3日平均降雨量实测数据统计结果， 分别绘制最大1日和3 日平均降雨量频率曲线，如图1 和图2 所示。

图1 开封市城区最大1 日平均降雨量PIII 型频率曲线Fig.1 PIII frequency curve of the maximum one-day average rainfall in urban area of Kaifeng city

图2 开封市城区最大3 日平均降雨量PIII 型频率曲线Fig.2 PIII frequency curve of the maximum three-day average rainfall in urban area of Kaifeng city

查找频率曲线可知，2021 年开封市城区最大1日平均降雨量和最大3 日平均降雨量发生频率均超过千年一遇。

有关研究文献依据单个测站的点雨量得到的最大强度降雨重复频率可能会比本文的分析结果增大很多［4］。 这主要是由于单个测站点雨量的重复频率要远远大于多个测站同等平均雨量的重复频率。 比如，在统计过程中发现，新中国成立以来，开封市境内最大1 日点降雨量超过200 mm 的情况出现过12站次， 但多站平均1 日降雨量超过200 mm 的情况仅2021 年出现一次。

综合以上分析结果，开封市2021 年年均降雨量和降雨强度均创历史纪录最大值， 这一年的降雨特征值必定成为我们今后水文研究的重要参考依据。

2.3 主要河道水情

开封市境内的河流虽然很多， 但大多为淮河水系的末级支流，只有涡河、惠济河、贾鲁河为淮河水系的一、二级支流。 由于贾鲁河为过境河流，且在开封市境内干流上无水文测站，故本文仅对涡河、惠济河进行调查分析。

2.3.1 涡河

涡河为淮河第二大支流， 发源于开封市祥符区西姜寨乡， 在开封市境内长为60 km， 流域面积为898 km2，河道比降为1／4 000～1／6 000。 该流域窄而长，平均宽度为17.2 km，流域形状系数为0.33，主要支流有运粮河、孙城河、百邸沟、惠贾渠、马家河、涡河故道等。涡河上邸阁水文站设立于1997 年1 月，位于开封市通许县与周口市扶沟县交界处。该水文站最大实测流量为117 m3／s，发生在2000 年7 月7 日。

受2021 年降雨影响，涡河全年共有2 次较大洪水过程。 一次发生在7 月21 日～7 月26 日，持续时间较长，最大流量为57.3 m3／s。 另一次发生在9 月25 日～9 月27 日，历时较短，最大流量为31.9 m3／s。1～4 月及12 月份，河道径流量为零，其他月份流量很小，最大不超过10 m3／s。

由于全年无较大洪峰，且洪水历时较短，从最大洪水位、洪峰流量、洪水历时和全年过水量等特征值方面进行比较，2021 年开封市涡河水情应归结为平水年份。

2.3.2 惠济河

惠济河发源于开封市郊区黄汴河口， 流经开封市祥符区、杞县、商丘市睢县、柘城县、周口市鹿邑县，在安徽省两河口汇入涡河，全长181.8 km，流域面积为4 130 km2。 惠济河为开封市主要防洪排涝河道，同时担负市区（包括祥符区）工业废水、生活污水的排放任务，以及柳园口、黑岗口引黄灌区退水任务。惠济河上大王庙水文站设立于1964 年1 月， 位于杞县裴村店乡周岗村，控制流域面积为1 265 km2，河道长70 km。 该水文站最大实测流量为303 m3／s，发生在1977 年7 月11 日。 水文站上游主要支流有惠北泄水渠、马家河、黄汴河、百慈沟、淤泥河等。

受2021 年7 月19 日～21 日暴雨影响， 惠济河大王庙水文站7 月23 日2 时最大流量为113 m3／s，最高水位为58.65 m，超警戒水位（57.40 m）1.25 m，超警历时108 h。 受8 月22 日～8 月30 日两次暴雨影响， 惠济河大王庙水文站8 月31 日12 时最大流量为95.2 m3／s， 最高水位为58.36 m， 超警戒水位（57.40 m）0.96 m；9 月5 日14 时最大流量为80.5 m3／s，18 时最高水位为58.12 m，超警戒水位0.72 m，超警历时210 h。 根据主汛期降雨及洪水位实测资料， 绘制2021 年7～9 月降雨及洪水过程线如图3 所示。

图3 大王庙水文站2021 年7～9 月降雨量及洪水过程线Fig.3 Rainfall and flood hygrograph from July to September in 2021 at Dawangmiao hydrological station

根据惠济河大王庙水文站多年实测资料，2021年惠济河全年最大洪峰、 最高洪水位及洪水历时均为近10 年来的最大值，为典型丰水年份。

3 开封市2021 年与1977 年汛期雨水情对比分析

对开封市和惠济河而言，1977 年和2021 年是2个特殊水文年份。 1977 年7 月11 日发生惠济河大王庙水文站建站以来最大洪水， 实测洪峰流量达303 m3／s，造成多处河堤决口、洪水漫堤，给当地带来严重洪涝灾害。 2021 年开封城区全年降雨量和降雨强度为历年最大，主要河道却未形成历史最大洪水。 为探究这个问题，本文对这2 个年份开封惠济河流域的有关水文特征值、降雨时间分布、上游产流区地下水位变化及地面控水建筑物设置情况进行比较分析。

3.1 水文特征值对比分析

惠济河大王庙水文站上游流域主要包括开封市区、祥符区、杞县和兰考县的部分区域。依据1977 年该流域内开封雨量站、陈留站、晁村站、曲兴站实测资料，统计出当年该流域有关降雨特征值。前文统计分析开封城区降雨特征值所依据测站全部位于该流域内， 故2021 年降雨特征值直接采用开封城区数据。结合惠济河实测洪峰流量，统计出2 个年份的有关水文特征值，对比结果如表3 所示。

表3 2021 年、1977 年水文特征值对比表Tab.3 Comparison of hydrology characteristic values in 2021 and 1977

由表3 可知，2021 年全年降雨量是1977 年的1.4 倍， 最大1 日平均降雨量是1977 年的1.27 倍，最大3 日平均降雨量是1977 年的1.46 倍， 但惠济河汛期最大洪峰流量却约为1977 年的1／3。

3.2 汛前雨情对比分析

1977 年惠济河最大洪峰（303 m3／s）发生在7 月11 日，2021 年最大洪峰（113 m3／s） 发生在7 月23日，2 次洪峰均发生在主汛期，均由降雨造成。 根据1977 年水文年鉴资料和2021 年流域内雨量站实测资料， 统计出2 个年份汛前、 汛中降雨时间分布情况，如表4 所示。

表4 2021 年、1977 年汛期降雨量对比表Tab.4 Comparison of rainfall in flood season in 2021 and 1977

由表4 可知，1977 年4～7 月降雨总量为549.4 mm，2021 年同期降雨总量为454.6 mm，前者比后者多出94.8 mm。 1977 年4～6 月降雨总量为133.9 mm，2021 年为70.8 mm，前者比后多出近一倍。也就是说，7 月份之前，1977 年的降雨量要比2021 年大很多。特别是6 月份，2021 年降雨严重偏少，土地干旱，而1977 年接近多年平均值。 根据开封水文水资源勘测局有关研究成果［1］，开封地区径流系数年际变化较大，变幅在0.3～0.03 之间，土壤墒情是降雨产流的重要影响因素之一。所以，2021 年7 月之前，天气少雨，土壤干旱，是造成“7·20”暴雨产流减少的原因之一。

根据两个年份逐日降雨实测记录，1977 年汛期几次较大降雨主要集中在6 月25 日～7 月10 日，比2021 年同期降雨量多出80 mm 左右，且几次暴雨比较集中，间隔只有2～3 d 时间，极易造成洪水叠加，形成特大洪峰。 而2021 年7 月中下旬和8 月、9 月中下旬均有较大降雨过程。 所以，2021 年虽然降雨量很大，最大1 日和3 日降雨强度很高，但整个汛期内降雨次数较多，雨量比较分散，洪水历时较长，没有因洪水叠加造成特大洪峰。

3.3 流域内地下水位对比分析

地下水位是影响降雨产流的重要因素之一［5］。本文选取祥符区兴隆乡兴隆村地下水观测井实测资料进行对比分析。 该观测井位于惠济河大王庙水文站上游50 km 祥符区境内（该区域是惠济河上游主要产流区）。 数据显示，1977 年5 月，兴隆乡兴隆村地下水位平均值为65.50 m，2021 年5 月同地平均值为60.09 m，二者相差5.41 m。由此可见，2021 年暴雨之前地下水位远低于1977 年同期，地下水补给空间很大。 该区域土质多为沙壤土，透水性好，很大一部分降雨容易形成地下水，从而降低了地表径流量。

另外，近年来开封市注重海绵城市建设，一批海绵道路、海绵广场等节水工程陆续建成并投入使用，在一定程度上起到了储存雨水，减少径流的作用［6］。

3.4 地面水利工程影响分析

与1977 年相比，惠济河上游产流区新建了很多水利生态环境工程， 如开封市城区内新修了黑岗口引黄调蓄工程（简称汴西湖）、如意湖、“六河一渠”工程等，总体调蓄能力约2 000 万m3，在一定程度上发挥了对惠济河汛期洪水削峰调节的作用。

综上对比分析，2021 年开封市汛期特大暴雨并未造成惠济河特大洪水， 主要是由于流域内汛前土地干旱、地下水位严重降低、汛期降雨分散、新建水利工程调节等综合因素所致。

4 结语

2021 年开封市发生的特大暴雨，改写了多项水文数据的历史极值。 调查分析特殊年份的水文特征值，积累丰富水文资料，可为今后水文预报提供科学依据。同时，将其与1977 年特大洪水进行对比分析，可以深化对河道洪水形成要素的全面性认识， 提高河道汛期防洪分析研判的能力。