海河流域近10 a两场典型暴雨洪水的分析研究

王 哲，李涛涛，朱静思

（1.海河水利委员会水文局，天津 300170；2.天津市水利勘测设计院，天津 300204）

1 引言

2012 年“7·21”洪水和2016 年“7·19”洪水是海河流域近10 a发生的两场较大暴雨洪水。两场洪水暴雨强度大，降雨时空分布相对集中，洪水峰高量大、涨势猛，多个站点降雨和多条河流的洪水超历史记录。对比研究两场典型暴雨洪水的暴雨成因、降水过程和洪水特性，分析其对防洪调度工作的影响具有重要意义。

研究的主要目的，是通过历史比较来总结分析海河流域近期或者未来暴雨洪水可能发生的变化。总的来看，“7·21”和“7·19”两场洪水是1996 年以来海河流域降水过程最强、洪水量级最大、覆盖范围最广的两次暴雨洪水。暴雨强度大、洪水涨势猛和峰高量大是海河流域基本的水文特征[1]，造成海河流域大暴雨和大洪水的根本原因是多个气候系统综合影响，旱涝急转和平原城市内涝成为海河流域防汛面临的新课题和新任务。

2 暴雨对比分析

2.1 暴雨成因

2012 年7 月，高空低槽随地面冷锋东进过程中遭遇副热带高压和太行山地形阻挡移动缓慢，同时2012 年第10 号强热带风暴“达维”形成的台风低压加强了华北地区东南风/南风低空急流，为华北地区输送了充足水汽，形成了产生“7·21”大暴雨的有利条件。2016 年7 月，欧亚大陆中高纬度地区为强大的低压区，在河西走廊—四川南部有深厚的西风槽活动，在西南—西北地区有低涡切变，在低涡切变和副高外围之间形成了一支西南急流。7 月中旬，高空槽和低涡切变东移，西南急流在东移中快速向北伸展，受太行山南麓地形共同影响，在海河流域南部东南风与东北风辐合，形成了“7·19”强降水过程。

两场暴雨产生原因的共同点是都受副热带高压、台风和低空切边等多个高低空系统的综合影响，在低空急流前进过程中遭遇太行山地形阻挡，使暖湿气流从冷空气移动方向的侧面抬升，冷暖气流形成较长时间对峙，在一段时间内稳定于太行山、燕山迎风坡形成强降水。区别是影响暴雨产生的具体气象系统不同，2012 年“7·21”暴雨受高空槽、低空切和台风影响较大，而2016 年“7·19”暴雨主要受副高和低空切影响。

2.2 降雨过程

2012年“7·21”强降雨从21日16时开始，22日8时结束，主要集中在大清河北支及永定河、北三河、滦河中下游地区。流域面平均降雨量为53 mm，较大降雨量河系及区域为北三河系127 mm、大清河系80 mm、滦河水系73 mm、大清河北支193 mm、张坊以上205 mm、潘大区间204 mm。降雨大于50 mm的覆盖面积10.1万km2，占流域面积近1/3，大于100 mm的覆盖面积4.69 万km2，大于250 mm 的覆盖面积达到4 887 km2。累计降雨量较大的站点有大清河系河北镇541 mm，霞云岭398 mm，南窖365 mm。

2016 年“7·19”强降雨从19 日0 时开始，至20日2时结束。降雨一直维持在流域西南部太行山山前地区，20 日3 时开始向东北方向移动，至21 日8时，整个过程基本移出海河流域。降雨中心主要集中在太行山、燕山山前地区。全流域面平均降水量122 mm，降水较大的河系及地区有漳卫河系134 mm、子牙河系192 mm、大清河系163 mm、北三河系132 mm、滦河河系100 mm，其中潘大区间199 mm。本次降雨大于250 、100 mm 的覆盖面积分别为2.2万、17.4万km2，其中大于100 mm的覆盖面积占流域总面积的55%。累计降水量较大站点有漳卫河系安阳河百石湾站738 mm，砚花水站667.5 mm，东岗站666.5 mm。

表1 2012年“7·21”暴雨和2016年“7·19”暴雨特征值

2012 年“7·21”暴雨和2016 年“7·19”暴雨特征值详见表1，经对比分析，2012 年“7·21”暴雨主要集中在流域北部，而2016 年“7·19”暴雨主要集中在流域南部。两场暴雨比较集中，持续时间较长，2016年“7·19”暴雨降雨持续时间为26 h，比2012年“7·21”暴雨的16 h 持续时间要长，但是2012 年8 月3 日海河流域北部滦河河系受台风影响又有接近48 h强降雨。从覆盖面积上来看，2016 年“7·19”暴雨大于100 mm 的覆盖面积17.4 万km2，占流域总面积的55%，远远大于2012 年“7·21”暴雨的4.69 万km2。两场暴雨都有明显的暴雨中心，降雨强度较大。从最大点雨量来看，2016年“7·19”暴雨最大点738 mm，大于2012年“7·21”暴雨。

2.3 降雨多年同期比较

从表2 可以看出，2012 年1—6 月的累计降雨比多年同期偏少9%，经过2012 年“7·21”暴雨后累计降雨比多年同期偏多16%。2016 年1—6 月的累计降雨比多年同期偏多5%，经过2016 年“7·19”暴雨后累计降雨比多年同期偏多29%。2012年产生“7·21”洪水的流域北部河系降水偏少，2016 年产生“7·19”洪水的流域南部降水偏多。各河系的降雨与多年同期比较也增大很多。这充分说明流域旱涝急转特征明显，流域累计降水受一次或几次强降雨影响较大。

表2 2012年“7·21”暴雨和2016年“7·19”暴雨降雨前后流域累计降雨与多年同期比较 %

3 洪水对比分析

3.1 流域土壤含水量

海河流域属于半干旱半湿润气候地区，前期影响雨量在流域产汇流中有着重要作用[2]，前期影响雨量可以很好反映流域土壤蓄水量的大小。流域平均前期影响雨量采用逐日连续计算方法，以流域最大初损值Im控制，计算公式如下：

图1 两场洪水之前流域土壤含水量对比

式中：Pa,t为t 日的流域平均前期影响雨量（mm）；K为日折减系数，海河流域K值一般取0.7～0.9[3]；Pa，t-1为t日前一天的流域平均前期影响雨量（mm）；Pt-1为t 日前一天的流域平均日雨量（mm）。若Pa，t＞Im，则Pa，t=Im。

采用上述公式对海河流域各个水文分区进行前期影响雨量分析计算，并用前期影响雨量Pa，t与流域最大初损值Im的比值来反映流域土壤含水量的大小[4]，两场洪水之前流域土壤含水量如图1 所示。2012 年“7·21”洪水发生之前，流域土壤含水量较少，特别是发生“7·21”洪水的大清河系南支和北三河系土壤含水量基本在10%以下，从侧面反映出大清河系和北三河系发生的洪水多为超渗产流。2016年“7·19”洪水发生之前流域南部子牙河系和漳卫河系前期土壤含水量多数在50%以上，说明遭遇降雨时流域南部容易产流，蓄满产流和超渗产流都有，产生的洪水也较大。

3.2 洪水地区组成

2012 年“7·21”暴雨产生的洪水主要集中在流域北部，2016 年“7·19”暴雨产生的洪水主要在流域南部。2012 年大清河系拒马河发生1963 年以来最大洪水，北运河北关闸发生超历史实测记录洪水，滦河桃林口水库发生1994 年以来最大入库流量。2016 年漳卫河系漳河发生10 a 一遇洪水，安阳河发生20 a 一遇洪水，子牙河系冶河发生超50 a 一遇洪水。可以看出，流域南部发生洪水主要集中在太行山山前河流[4]，流域北部发生洪水多为燕山山前地区，但流域内的北京、天津等大型城市内涝也容易引起部分人工化明显的河道闸坝发生较大洪水。

3.3 洪水特性

两场洪水主要站点洪峰流量详见表3，2016 年“7·19”暴雨产生的洪峰流量要比2012 年“7·21”产生的洪峰大，流域南部产生洪峰要比流域北部大。“7·19”洪水冶河微水站洪峰流量8 500 m3/s，超过50 a一遇；“7·21”洪水滦县洪峰流量4 280 m3/s，不到5 a一遇。两场洪水均起涨较快，2016年漳河观台站6 h 内流量从44.3 m3/s 快速上涨到6 150 m3/s，冶河微水站13 h内流量从10 m3/s快速上涨到8 500 m3/s，如图2 所示；2012 年7 月21 日张坊站1 h 内 流量从300 m3/s 快速上涨到2 570 m3/s，如图3 所示。两场洪水反映了流域洪水峰高量大，涨势快，流域南部要比北部大。

表3 两场洪水主要站点洪峰流量 m3/s

图2 2016年“7·19”微水站水位流量过程线

图3 2012年“7·21”张坊站水位流量过程线

3.4 城市防洪

海河流域分布地级以上的大中型城市26个，其中24 个有防洪要求[1]。北京市和天津市的城市防洪标准均为200 a一遇，主要是防范城市周边河流发生洪水进入城区。但在2012年“7·21”洪水和2016年“7·19”洪水时，虽然城区外骨干河流洪水没有进入城区，但是两座城市均发生内涝。“7·21”洪水时，北京全市面平均降雨量170 mm，是新中国成立以来最大降雨；城区面平均降雨量215 mm，是1963 年以来最大降雨；房山区河北镇站降雨量541 mm，达500 a 一遇。2016 年“7·19”洪水时，天津市区24 h 平均降雨量218.5 mm，重现期达到20 a一遇；最大24 h降雨为河西区挂甲寺站359.1 mm，重现期超100 a 一遇；市区平均小时降雨强度为33.8 mm，最大小时降雨强度为77.7 mm，重现期超10 a一遇。分析两场洪水可以看出，海河流域在遭遇大的强降雨时，特别是遭遇平均降雨强度超过35 mm时，由于下垫面硬化指数过高和排涝标准偏低等[5]，大中型城市极容易发生内涝。

4 结语

2012 年“7·21”和2016 年“7·19”两场暴雨洪水的降雨量、洪峰流量和洪水特征均呈现了新的特点，都是海河流域1996 年以来发生的具有流域特性的大洪水。两场暴雨均由多个气象系统配合地形阻挡形成，呈现了降水范围广、强度大，洪水峰高、量大、涨势快的特点，虽然大中型城市防洪标准高，但遭遇强降雨时易发生内涝。同时，由于两场暴雨洪水覆盖范围不同，所以降水历时、产流特性及洪峰大小又各有不同。总结分析这两场暴雨洪水的成因及洪水演变发展过程，对于掌握海河流域暴雨、洪水形成条件和变化规律十分有益。