基于郑州“7·20”特大暴雨移置的山东省傅疃河流域洪水形势分析

王 帆 王晓童 庄 玲 王玮琦 冯新政 张大伟

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038；3.水发规划设计有限公司，济南 250000）

0 引 言

受季风性气候影响，我国夏季降雨集中，洪涝灾害频发[1]。虽然目前我国已形成了较为完备的防洪减灾体系，流域防洪能力也得到了明显的提升，但仍存在很多薄弱环节[2]，尤其是在人类活动和气候变化的双重作用下，防洪安全面临着新的压力和挑战[3-4]。

2021 年7 月17—23 日，河南省遭遇罕见特大暴雨，持续时间长、累计雨量大、强降雨时段集中且范围广，造成严重洪涝灾害[5-6]。据调查，此次暴雨为河南郑州市有气象观测记录以来范围最广、强度最强的特大暴雨过程[7-9]，多处河道堤防、水库工程出现不同程度险情[8]，在灾害中还发生了多起重大人员伤亡和社会关注事件[10-12]，因而值得深刻反思并从中吸取教训，进一步提高洪涝风险管理能力。

为进一步提升山东日照市的极端暴雨洪水防范应对能力，本文采用暴雨移置和洪水模拟的方法，利用分布式水文模型和二维水动力模型，推演分析日照市傅疃河流域在现有工程体系、防御洪水方案及洪水调度方案的条件下，遭遇河南郑州市“7·20”特大暴雨时洪水对流域内的社会经济对象可能造成的影响，并绘制洪水风险图，以此为据做好极端暴雨灾害事件准备，并为应急预案编制和汛前演练等工作的开展提供支撑。

1 研究区域概况

1.1 傅疃河流域概况

傅疃河是山东日照市境内最大的一条独流入海的河流，是日照市的重要城市饮用水源[13]和市区北部的主要工农业水源[14]，也是日照市现代水网规划“二纵多支三区共治”中的两条纵向骨干河道之一，是全市防洪排涝减灾的主动脉。

傅疃河流域面积1 063 km2，干流长57 km，干流平均比降0.002 3，地势由西北向东南倾斜，西部为山地丘陵区，东部为滨海平原区[15]。流域内水系发达，上中游多有源短流急的山丘区河流，主要支流有三庄河、南湖河、曲河、崮河和沙墩河等。流域属暖温带湿润季风气候区，平均年降水量870.3 mm，降水量年内分配不均、年际变化大[16]。

1.2 防洪标准及防洪工程情况

根据《防洪标准》（GB 50201—2014），傅疃河防洪标准为50年一遇。傅疃河防洪工程始建于1952年，历经70余年的治理，已形成由堤防、水库组成的防洪工程体系。目前中下游堤防均达到50 年一遇设计标准，中游堤防全长15.79 km，河道行洪能力为1 900 ～3 996 m3/s，下游堤防全长11 km，河道行洪能力为2 884 ～5 655 m3/s。流域内日照水库为大（2）型水库，集水面积548 km2，总库容33 569万m3；马陵水库为中型水库，集水面积48 km2，总库容2 369万m3。流域内另有7座小（1）型水库、46座小（2）型水库，水库工程总库容为38 098万m3，兴利库容为24 271万m3。

1.3 极端降水事件

山东日照市汛期降雨集中，强降雨天气系统包括低涡切变线型、气旋型、低槽冷锋型和台风型等[17]，特别是7—8 月，易受台风影响而出现大暴雨及风暴潮。日照市受1210号台风“达维”外围云系影响，8月2日19时至3日19时，日照市城区、五莲县、莒县气象站实测降雨量分别为66.7 mm、68.5 mm 和77.0 mm，均达到暴雨级别[18]。日照市受1810 号台风“安比”、1814 号台风“摩羯”和1818 号台风“温比亚”影响，多次出现强降雨过程，全市有2 座大型水库、8 座中型水库达到或超过汛限水位[19-20]。受2106 号台风“烟花”影响，日照市有11 个乡（镇、街道）遭遇大暴雨，另有36 个乡（镇、街道）出现暴雨，8个乡（镇、街道）出现大雨[21]。

根据陆桂荣等[22]的研究，近55 年来，日照市年最大日降水量呈现“增大—减小—增大”的变化特征，进入21世纪后，极端强降水量和降水强度均呈现增加趋势。同时，自80年代中期以来，日照市大雨、暴雨、大暴雨及以上日数均呈增多趋势[16]。鉴于日照市的天气特征和对极端降水事件的统计分析，傅疃河流域亦存在发生特大暴雨的可能性。

2 傅疃河流域洪水形势分析

2.1 河南郑州市“7·20”特大暴雨分析

收集河南郑州市城区常庄、二七农委和东风渠等32个雨量站点2021年7月19日0时至7月23日0时的10 min间隔降雨资料，绘制郑州市“7·20”特大暴雨等值面示意图（图1），其中降雨极值点位于中原区常庄站，累计降雨量743.0 mm。基于点降雨量过程分析获得区域面降雨量过程作为典型降雨量过程，如图2 所示。

图1 郑州市“7·20”特大暴雨等值面示意图

图2 典型降雨量过程

2.2 暴雨移置方案

为更全面地分析傅疃河流域遭遇极端暴雨的情景，基于流域可能的暴雨中心和水库工程分布情况，拟定2 个暴雨移置方案。方案1 将暴雨中心移置至日照水库上游东港区三庄镇贾家沟村，方案2 将暴雨中心移置至日照水库下游东港区日照街道，移置后的降雨量级、时程分布均不变，流域暴雨移置面降雨量分布如图3所示。

图3 暴雨移置面降雨量分布图

2.3 模拟分析方案

本文采用水文分析与水动力分析结合的方式进行暴雨洪水模拟。水文分析采用分布式水文模型，考虑暴雨的空间异质性；水动力分析则采用二维水动力模型，可为洪水影响分析提供淹没水深、流速分布等面状要素信息。

根据傅疃河流域地形地貌和水系分布情况，结合遥感影像分析，对研究区域的水文分析和水动力分析区域进行了划分，如图4所示。

图4 洪水模拟计算区域划分图

水文分析区域主要为傅疃河上游山丘区，包括日照、马陵两座水库的上游集水区，共划分为5个水文分析单元，进一步将5 个单元分解为子流域作为分布式水文模型的产汇流计算单元。分布式水文模型产流计算采用新安江模型，坡面汇流采用线性水库，河网汇流采用滞后演算法，河道演进采用马斯京根法。模型参数采用移置方法，将文献[23-25]中的沂沭泗水系其他流域模型参数移置至本流域，在此基础上参考《山东省水文图集》（1975版）中的瞬时单位线法估算小流域的洪水过程，对模型参数进行优化。

水动力分析区域主要为傅疃河中下游滨海平原区，覆盖日照市主城区的北京路街道、奎山街道、日照街道、石臼街道和山海天旅游度假区等。水动力分析基于中国水利水电科学研究院自主研发的通用高性能洪水分析计算软件FASFLOOD（Fast Analysis System for Flood）[26]，构建二维水动力模型对研究范围内的洪水演进过程进行数值模拟。模型采用二维非结构网格，以各支流及日照水库、马陵水库出库洪水过程作为入流边界条件，同时添加城区降雨输入，下游边界条件为自由出流。

2.4 流域产汇流计算

通过对研究区域降雨量分布的叠加分析，获得研究区域内各计算单元的降雨量，如图5 所示，各单元降雨过程以图2 所示典型降雨过程为基础，通过同倍比放大计算获得。

图5 各计算单元降雨量示意图

基于分布式水文模型计算获得各支流及日照水库、马陵水库入库洪水过程，各单元平均降雨量和出口洪峰流量如表1 所示。根据水文分析，方案1 与方案2 日照水库入库洪峰流量分别为6 441.56 m3/s、6 348.60 m3/s，均超过其历史最大入库洪峰流量（3 410 m3/s，发生于1975 年）及水库设计洪峰流量（4 200 m3/s，P=1%），但低于水库校核洪峰流量（8 610 m3/s，P=0.02%），72 h 洪量分别为30 800.7 万m3和30 490.6 万m3，均接近于水库校核洪量（33 025 万m3，P=0.02%）；方案1 与方案2 马陵水库入库洪峰流量分别为642.84 m3/s、755.35 m3/s，均超过其历史最大入库洪峰流量（552 m3/s，发生于1974 年），但低于设计入库洪峰流量（886 m3/s，P=1%），72 h 洪量分别为2 184.0 万m3、2 582.1 万m3，均接近于水库校核洪水洪量（2 575万m3，P=0.1%）。

表1 各水文分析单元平均降雨量与洪峰流量

2.5 水库调洪演算

基于汛期调度运用计划，对日照、马陵两座水库进行调洪演算。方案1 的调洪演算结果如图6 所示，其中日照水库调洪过程最高水位46.05 m，入库过程洪峰流量6 441.56 m3/s，最大泄量3 621.06 m3/s，削峰率44%；马陵水库调洪过程最高水位58.97 m，入库过程洪峰流量642.84 m3/s，最大泄量515.66 m3/s，削峰率20%。方案2 的调洪演算结果如图7 所示，其中日照水库调洪过程最高水位46.00 m，入库过程洪峰流量6 348.60 m3/s，最大泄量3 594.00 m3/s，削峰率43%；马陵水库调洪过程最高水位59.24 m，入库过程洪峰流量755.35 m3/s，最大泄量569.96 m3/s，削峰率25%。

图6 方案1调洪演算结果图

图7 方案2调洪演算结果图

2.6 洪水演进模拟与影响分析

基于二维水动力模型计算获得下游区域的最大淹没水深分布，并对受影响（淹没水深超过0.15 m）的居民小区、村庄、医疗机构和教育机构等对象进行了提取，分别绘制2个方案的淹没水深分布图，如图8、图9所示。

图8 方案1情景下淹没水深示意图

图9 方案2情景下淹没水深示意图

经统计分析，方案1 情景下傅疃河下游社会经济区内最大淹没水深为1.77 m，淹没平均水深为0.46 m，最大流速为1.3 m/s，平均流速为0.19 m/s，整体受灾范围达151.96 km2；方案2 情景下傅疃河下游社会经济区内最大淹没水深为2.67 m，淹没平均水深为0.73 m，最大流速为1.66 m/s，平均流速为0.46 m/s，整体受灾范围达166.02 km2。

方案1 和方案2 情景下，受洪水影响的主要社会经济对象统计数据见图10。同时，两种情景下研究区域内的新石铁路和鲁南高铁均受到不同程度影响，国道G204、日照南路、日照北路、丹阳路和奎安路，沈海高速公路、日兰高速公路及日照石臼港区疏港高速公路的部分路段也被洪水淹没。

图10 受洪水影响社会经济对象统计图

通过方案1和方案2两种情景下的水文分析及水动力分析可知，由于暴雨中心从日照水库上游移至下游日照街道，城区降雨量增加明显，方案2情景下的洪灾损失要更为严重。产汇流模拟方面，由于方案1的降雨集中于西北部山区，马陵水库的入库洪峰高于方案2，两个方案的入库洪水经调节后下泄流量差距并不明显。洪水演进模拟方面，方案2 情景下的城区面降雨量较方案1增加了约45.6%，受灾范围相较于方案1 增加了9.3%，平均水深也从0.46 m 上涨至0.73 m，受灾居民小区、村庄、教育机构及医疗机构的数量均有明显增加，人民的生命财产安全受到更大的威胁。

综上所述，在两种情景下，傅疃河流域内均有较大范围的居民聚集区、重要社会机构和基础设施受到洪水的侵袭，因而制定防汛避险措施和人民群众疏散预案显得尤为必要。

3 结 语

暴雨移置和洪水模拟分析作为一种情景预演方法，能够有效分析流域在现状工程条件下对极端暴雨的响应，从而提高对灾害的认识和应对能力。本文所构建的流域分布式水文模型能够有效捕捉降雨的空间分布，是暴雨移置水文分析的有力工具；二维水动力模型则能够提供水深、流速分布等丰富的面状要素信息，支撑高效、精细的洪水影响分析。本文基于拟定的两种暴雨移置方案，开展了日照市傅疃河流域在河南郑州市“7·20”特大暴雨情景下的洪水形势分析，绘制了淹没水深分布图，并对比了不同情景下的洪水影响，希望以此为傅疃河流域的应急预案编制、汛前演练等工作提供支撑。

作为新阶段水利高质量发展的6 条实施路径之一，水利部高度重视智慧水利建设，为实现流域防洪，提出建设具有预报、预警、预演、预案“四预”功能的数字孪生水利体系。随着水利业务模型向精细化、高性能等方向发展，流域产汇流和洪水演进全过程的实时快速模拟已经成为现实，并能够有效支撑流域洪水预报、预警，不同条件下的情景预演，以及预案的动态生成。数字孪生流域防洪“四预”系统能够实现标准内洪水、超标准洪水等各类情景下的流域防洪快速、精准和动态模拟分析，是未来应对极端暴雨灾害的重要抓手。