河南省西平县小洪河郑州“7·20”特大暴雨移置洪水响应分析

张 鸿,马 涛,石东凯,陈伟杰,崔学礼

(西平县水利局,河南 驻马店 463900)

0 引 言

小洪河上中游流域内现有大型水库1座,中型水库3座,小型水库33座,大中型水闸12座,国家级滞洪区2个。河南省西平县小洪河堤防段长43 km,是淮河防洪体系的重要组成部分。县域内有水库、河道、堤防、水闸、滞洪区、分洪区等,这些防洪工程承担了豫中南重点防洪任务。通过小洪河桂李节制闸、分洪闸联合调控运用上下游防洪工程,使小洪河中上游防洪标准由10 a一遇提高到50 a一遇,减轻了洪河流域洪涝灾害和淮河干流洪水负担,对保护中下游京广高铁、京广铁路、107国道、京珠高速公路和西平县城人民群众生命和财产安全发挥着至关重要的作用。本文采用暴雨移置方法[1-2],将郑州“7·20”特大暴雨移置到洪汝河流域,分析西平县小洪河对郑州“7·20”特大暴雨洪水的响应情况,旨在为西平县小洪河流域防洪应急预案的修订提供参考,提高小洪河流域防洪水平。

1 小洪河流域概况

1.1 小洪河历史及现状

小洪河古名沅水,发源于方城县东北境山区,在方城县境内称贾河,流入叶县境内称乾江河,流入舞阳县境内称三里河,流入西平县境内称洪溪河,经西平县嫘祖镇洪村铺村向东南流入西平县杨庄乡合水镇与滚河(今称小洪河)汇流,始称洪河。元末至正年间(1341～1368年),因乾江河水常给下游造成洪涝灾害,于舞阳县卸甲店将乾江河向北导入漕河,堵死向东入河水路,从此,乾江河与洪河不再相通,因此自元末以后洪河源头为舞阳县三里河。新中国成立后,将滚河定为洪河的上源,源头出自舞钢市南部的苏寨山,1951年在滚河上游老盘店建成石漫滩大型水库,石漫滩水库下游建有田岗中型水库。滚河自西平县嫘祖镇常寺和宋庄之间入西平县境,始称西平县小洪河,东行35 km到西平县杨庄滞洪区大坝水闸,再东行16 km到小洪河桂李节制闸和老王坡滞洪区进洪闸。下行17 km到五沟营后郑村出西平县境,该河段有淤泥河汇入,汇入口以上即老王坡滞洪区。经上蔡县、汝南县,在新蔡县城东南三岔口与汝河汇合始称大洪河,大洪河在东南豫皖交界处汇入淮河西平县小洪河,自宋庄入境到杨庄滞洪区大坝段为自然河道,无堤防,河道比降1∶2 900;杨庄滞洪区大坝至桂李节制闸段为有堤防段,河道比降1∶5 200,堤防等级4级,设计流量650 m3/s,防洪标准20 a一遇;桂李节制闸以下至后郑段,河道比降1∶5 200,堤防等级5级,设计流量350 m3/s,防洪标准10 a一遇。其中,17+900-24+550段为西平县城市水系治理工程范围河段,2018年河道治理完成后,河道比降1∶3 000,堤防等级提升为4级,设计流量420 m3/s,防洪标准提高到20 a一遇[3]。

1.2 小洪河支流概况

西平县小洪河流域实际控制面积1 592 km2。流域内控制面积在300 km2以上支流有3条,分别是滚河、洪溪河、淤泥河。其中,滚河流域控制面积305 km2,流域内有石漫滩大型水库(控制面积230 km2),田岗中型水库(区间控制面积75 km2),袁门、油坊山、水磨湾、王老庄、袁门、三岔口、银洞沟、任洞沟、老张沟等9座小型水库;洪溪河流域控制面积388 km2,流域内有红卫、朱兰、小石漫滩、庙街、黄沟、葛庄、篓子沟、戚庄等8座小型水库;淤泥河流域控制面积555 km2;西平县西南部流域有4条支流汇入小洪河,控制面积共344 km2,流域内有谭山、康山2座中型水库,八家刘、陈连庄、后营、首帕陈、同官李、小柴庄、滚河孙、八里岗、桐木沟、同心寨、任三楼、黄湾、大沟、杨凤沟、老家沟、袁庄等16座小型水库,详见图1。

图1 小洪河流域水系示意(单位:mm)Fig.1 River system of Xiaohong River Basin

1.3 小洪河流域滞、行洪区概况

(1) 滞洪区。西平县境内小洪河无堤防段下游建有杨庄滞洪区,西平县境内淤泥河入小洪河河口以上建有老王坡滞洪区。两个滞洪区基本情况见表1。

表1 滞洪区情况

(2) 行洪区。西平县小洪河自杨庄以下分别设有翟庄东周庄西(2+940-3+060)、原杨庄乡政府东(0+271-0+411)、龙泉寺(33+100-33+270)3个超标准分洪口门,3个分洪行洪区基本情况见表2。

表2 行洪区社会经济情况

2 2021年郑州“7·20”特大暴雨特点

2.1 雨量大

郑州市4 d平均降雨量546 mm,占多年年平均降雨量(637 mm)的86%。郑州市区4 d降雨量625.6 mm,新密市603.6 mm,荥阳市586.9 mm,巩义市535.6 mm,新郑市448.2 mm,登封市437.7 mm,均创有历史记录以来极值[4]。

2.2 雨强高

郑州国家气象站最大1 h降雨量201.9 mm(7月20日16∶00～17∶00),为中国内陆地区国家级地面气象观测站小时降雨量有气象记录以来历史极值,最大日降雨量624.1 mm,最大3 d降雨量787.9 mm,均创当地记录极值。尖岗水库3 h降雨量328 mm;地震局雨量站300 mm;常庄水库降雨量277 mm;均创当地记录极值。

2.3 范围广

暴雨范围笼罩整个郑州市,还涉及周边的洛阳、许昌、开封、新乡、焦作等地,暴雨中心位于郑州市区西部贾鲁河上游源头区尖岗水库、常庄水库以及黄河支流汜水河上游。累积雨量笼罩面积:大于800 mm的共115 km2、大于600 mm的共2 424 km2、大于400 mm的共6 355 km2、大于200 mm的共46 553 km2[5]。

3 郑州“7·20”暴雨移置方法

3.1 暴雨中心选取

1975年8月4～8日,超过400 mm的降雨覆盖了整个台风滞留地带,面积达19 410 km2,大于1 000 mm的降水区集中在京广铁路以西板桥水库、石漫滩水库到方城一带。8月5,6,7日的3 d降水量超过以往的正式记录,最大的暴雨中心为河南泌阳板桥水库北岸的林庄,8月7日降雨1 005.4 mm,其中6 h降雨量达830.1 mm,3 d的降雨量为1 606.1 mm,是当地正常年份2 a的降水量。洪水造成洪汝河流域石漫滩、板桥等大型水库垮坝,60多座中小水库也相继溃坝,小洪河53处堤防决堤。因此,在暴雨移置时,选用“75·8”暴雨极值站点林庄站为“7·20”暴雨中心进行雨区平移。林庄站在汝河流域,位于东西走向山脉的南麓,板桥水库以北山坡地带;石漫滩水库属于小洪河流域,在相同山脉北麓,两者相距25 km左右。

3.2 移置过程

“7·20”暴雨中心位于郑州市尖岗水库上游,将其移置至距石漫滩水库东南25 km的“75·8”暴雨极值站点林庄,以此为基点,两个流域空间雨量分布相对应,降雨量级、时程分布不变。在“7·20”暴雨降雨时段取7月17日8∶00至21日8∶00,共4 d进行移置。前期影响雨量按一般干旱情况处理[6]。“7·20”暴雨与“75·8”暴雨代表站时段最大雨量对比见表3。

表3 “7·20”暴雨与“75·8”暴雨特征值

3.3 移置结果

西平县小洪河流域在淤泥河入河口以上控制流域面积1 592 km2;杨庄滞洪区以上流域1 037 km2,累积降雨量为400～800 mm,其中,石漫滩流域面积230 km2的降雨量在600 mm以上;田岗水库流域面积70 km2降雨量在600 mm以上,面积约5 km2的降雨量在800 mm以上;西平县西部山区流域面积200 km2的降雨量在600 mm以上,面积144 km2的降雨量在400mm以上;洪溪河流域面积388 km2的降雨量在400mm以上;淤泥河流域面积555 km2的降雨量在300 mm以上[7]。各小流域降雨量分布800,600,400,300 mm等值线示意详见图1。

4 洪水预报及响应分析

4.1 洪水预报及调度

4.1.1 洪水预报方法

本文利用降雨径流相关图和谢尔曼单位线进行计算。首先以成因分析为基础,建立次雨量、相应产生的径流总量以及影响主要因素的定量相关图;推求出单位线后,用卷积式进行流域汇流计算。河道汇流计算采用马斯京根多河段连续流量演算模型[8]。

4.1.2 水库调洪演算

依据水库水量平衡方程和水库蓄泄方程,采用蓄率中线法进行水库调洪演算。

4.2 水库洪水预报及调度

(1) 石漫滩水库。入库洪水总量1.07亿m3,最大入库流量2 700 m3/s,最高水位109.96 m出现在7月20日18∶00,低于设计水位(110.65 m)0.69 m,预判出现最大出库流量时间在7月20日18∶00,流量可达2 030 m3/s。

(2) 田岗水库。入库洪水总量1.25亿m3,最大入库流量2 730 m3/s,最高水位88.50 m出现在7月20日18∶00,超过设计水位(87.35 m)1.15 m,预判出现最大出库流量时间在7月20日20∶00,流量达2 700 m3/s,下游河道出现漫流。

(3) 谭山水库。入库洪水总量0.150 5亿m3,最大入库流量400 m3/s,最高水位111.50 m出现在7月20日18∶00,超过设计水位(110.55 m)0.95 m,预判出现最大出库流量时间在7月20日20∶00,流量达408 m3/s。

(4) 康山水库。入库洪水总量0.133亿m3,最大入库流量367 m3/s,最高水位109.00 m出现在7月20日18∶00,超过设计水位(108.20 m)0.8 m,预判出现最大出库流量时间在7月20日20∶00,流量达370 m3/s。

由上述水库水情研判,石漫滩大型水库未超过设计水位,库水位超过109.62 m时,采用闸门全开泄洪方式调度可确保水库安全;3座中型水库均超过设计水位,暴雨量级均超过水库的设计标准,达到或超过水库的校核标准[9-10]。因此,洪水可能漫坝,水库可能出现溃坝等险情,其余小型水库同样暴雨量级均超过水库的校核标准,洪水会漫坝,部分水库可能会出现垮坝等险情,应全力抢险,提前采取扩大溢洪道泄流能力、分洪等措施,并组织下游群众避险。

4.3 滞洪区洪水预报及调度

(1) 杨庄滞洪区。最大进洪流量可达2 460 m3/s;滞洪区最高水位达到校核水位72.15 m,最大蓄滞洪量可达2.56亿m3,滞洪时间预测需要2 d。

(2) 老王坡滞洪区。最大进洪流量830 m3/s;滞洪区最高水位57.45 m,最大蓄滞洪量1.48亿m3,滞洪时间5 d。经淤泥河流域内涝水叠加,最大蓄洪量可达到2.38亿m3,为了保证东大坝安全,在西平县五沟营镇龙泉寺排涝闸附近分洪口门将爆破小洪河左右岸堤防向南行洪,滞洪区新老2闸敞开泄洪,五沟营水文测站断面水位不超过57.00 m(超保证水位0.51 m)时,时间不超过12 h,下游河道可保证安全,否则下游河道有决堤风险,详见表4。

表4 滞洪区洪水预报及调度

4.4 小洪河洪水预报及调度

(1) 小洪河杨庄滞洪区最大入库流量2 460 m3/s,超过下游河道保证流量,需启用杨庄滞洪区滞洪;杨庄最大下泄1 500 m3/s 持续6 h,需在杨庄乡政府东(右堤)、翟庄东周庄西(左堤)处分洪。

(2) 小洪河桂李控制断面最大流量650 m3/s,超过保证流量,按照调度方案,需启用老王坡滞洪区滞洪,保证下游河道安全。

(3) 小洪河五沟营控制断面最大流量420 m3/s,超过保证流量和保证水位,下游河道在加强防守的基础上,可保证安全。五沟营断面水位不超过57.00 m(超保证水位0.51 m)时,时间不超过12 h,下游河道可保证安全,否则下游河道有决堤风险,详见表5。

表5 小洪河洪水预报及调度

4.5 行洪区洪水预报调度

杨庄滞洪区大闸全开,最大下泄流量可达1 500 m3/s,下泄时间需持续6 h,下泄流量超过小洪河保证流量,需在翟庄东周庄西处爆破小洪河左堤向北分洪,并相机在原杨庄乡政府东爆破小洪河右堤向南分洪;当老王坡滞洪区最大蓄洪量达到2.38亿m3,为了保证老王坡滞洪区东大坝安全,需在龙泉寺闸附近爆破小洪河两岸堤防向南行洪,详见表6。

表6 行洪区洪水预报及调度

5 结果分析

(1) 将“7·20”特大暴雨移置到洪汝河流域后,通过对小洪河流域水库、河道、滞洪区、行洪区的预报调度分析,发现在以往的水库调度中,忽略了水库提前预泄、预留一定防洪库容的积极条件[9]。尤其是石漫滩、田岗两座水库,以往较少预泄。水库调度中,只对超过汛限水位的库水进行预泄,但遇到极端暴雨洪水时,需充分考虑运用防洪库容拦蓄进行水库调度。水库防洪库容水量预泄的越多,越有利于下游洪水调度。例如,2020年7月石漫滩水库除险加固工程完工后空库运行,在遭遇流域强降雨后拦蓄滞洪3 300万m3,使下游洪水错峰行洪,避免了滞洪区运用。因此,梯级水库迎洪峰迅速腾空防洪库容对策也适用于小洪河流域水库群[10]。此外,需加强对水库大坝、河道、滞洪区可能出现的风险点预测,大坝、堤防险工是防范重点,大型水库防止大坝出现意外险情,中型水库除防止险情出现外还应防止洪水漫坝,小型水库加大溢洪道泄流能力。

(2) 西平县小洪河堤防险工险段应重点防止堤防决口、做好溃坝影响范围内人员转移。在小洪河3处分洪口门分洪前做好行洪区群众转移是防汛工作的重点。对比西平县小洪河目前的防洪应急预案,发现缺少对小洪河原杨庄乡政府东分洪行洪区上蔡县大路李、百尺2个乡群众转移预案的编制;缺少对小洪河龙泉寺分洪行洪区上蔡县无量寺、大路李2个乡群众转移预案的编制。

(3) 在滞洪区、分洪行洪区的预报预警方面,还应加大自动监测设施配备,提高预测预报科技水平,王立辉等[10-11]在行洪区运用中建立含有多个行洪区的淮干中游段洪水模拟模型并进行了模型应用,为淮河中游洪水调度管理提供了有利工具,可提高预测预报预警准确性,最大程度减少人民生命财产损失。

(4) 西平县老王坡滞洪区分洪一直沿用小洪河桂李站保证水位达到63.0m、保证流量420 m3/s的分洪标准。按驻马店市防办提供的最新老王坡滞洪区进洪洪水调度预案要求,在西平县小洪河防洪应急预案的修订中增加了“桂李站流量达到420 m3/s,且下游洪水超过保证水位,上游来水继续保持洪水流量的情况下,遵循老王坡滞洪区桂李进洪闸分洪”的调度指示。对比2020年7月,2021年7月、9月这3次小洪河桂李站洪水过程,考虑小洪河西平县城区以下段防洪标准仅10 a一遇,而西平县城区段防洪标准提高到20 a一遇的实际情况,经计算,建议小洪河桂李站防汛特征水位警戒水位和流量不变,变更保证水位由63.0 m为62.51 m,保证流量为420 m3/s[12]。

6 结论与建议

本文将“7·20”特大暴雨移置到洪汝河流域,对小洪河流域洪水响应情况进行分析,在郑州“7·20”特大暴雨条件下,得到如下结论和建议:① 西平县小洪河流域水利工程(除石漫滩外)均超保证水位。② 水库大坝、堤防均有可能出现漫溢、溃坝险情,需采取全力抢险、分洪等措施,并组织下游群众避险。③ 小洪河堤防险工处可能决口,需加强防范,同时,预留溃坝影响范围内群众转移时间。④ 滞洪区、行洪区全部运用。建议完善滞洪区、行洪区群众转移预案编制,注意翟庄东周庄西分洪口门爆破时间与杨庄政府东分洪口门爆破时间的衔接,建议先运用翟庄东周庄西分洪区,后结合老王坡滞洪区应用时间,再选择杨庄政府东分洪口门爆破时间。⑤ 建议在防洪工程调度运用中对大中型水库工程防洪库容试行全部拦蓄原则,在水库流域遇到大的降雨预报前使水库预泄到最大防洪库容。⑥ 建议小洪河桂李站防汛特征水位、警戒水位和流量不变,保证水位变更为62.51 m,保证流量变更为420 m3/s,为小洪河、洪汝河、淮河防汛工作提供决策依据。⑦ 建议建立小洪河洪水演进模型,为小洪河洪水精准科学预报和科学调度提供技术支撑。