王 哲，李濤濤，朱靜思

（1.海河水利委員會(huì)水文局，天津 300170；2.天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)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發(fā)生的兩場(chǎng)較大暴雨洪水。兩場(chǎng)洪水暴雨強(qiáng)度大，降雨時(shí)空分布相對(duì)集中，洪水峰高量大、漲勢(shì)猛，多個(gè)站點(diǎn)降雨和多條河流的洪水超歷史記錄。對(duì)比研究?jī)蓤?chǎng)典型暴雨洪水的暴雨成因、降水過程和洪水特性，分析其對(duì)防洪調(diào)度工作的影響具有重要意義。

研究的主要目的，是通過歷史比較來總結(jié)分析海河流域近期或者未來暴雨洪水可能發(fā)生的變化?？偟膩砜?，“7·21”和“7·19”兩場(chǎng)洪水是1996 年以來海河流域降水過程最強(qiáng)、洪水量級(jí)最大、覆蓋范圍最廣的兩次暴雨洪水。暴雨強(qiáng)度大、洪水漲勢(shì)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個(gè)氣候系統(tǒng)綜合影響，旱澇急轉(zhuǎn)和平原城市內(nèi)澇成為海河流域防汛面臨的新課題和新任務(wù)。

2 暴雨對(duì)比分析

2.1 暴雨成因

2012 年7 月，高空低槽隨地面冷鋒東進(jìn)過程中遭遇副熱帶高壓和太行山地形阻擋移動(dòng)緩慢，同時(shí)2012 年第10 號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“達(dá)維”形成的臺(tái)風(fēng)低壓加強(qiáng)了華北地區(qū)東南風(fēng)/南風(fēng)低空急流，為華北地區(qū)輸送了充足水汽，形成了產(chǎn)生“7·21”大暴雨的有利條件。2016 年7 月，歐亞大陸中高緯度地區(qū)為強(qiáng)大的低壓區(qū)，在河西走廊—四川南部有深厚的西風(fēng)槽活動(dòng)，在西南—西北地區(qū)有低渦切變，在低渦切變和副高外圍之間形成了一支西南急流。7 月中旬，高空槽和低渦切變東移，西南急流在東移中快速向北伸展，受太行山南麓地形共同影響，在海河流域南部東南風(fēng)與東北風(fēng)輻合，形成了“7·19”強(qiáng)降水過程。

兩場(chǎng)暴雨產(chǎn)生原因的共同點(diǎn)是都受副熱帶高壓、臺(tái)風(fēng)和低空切邊等多個(gè)高低空系統(tǒng)的綜合影響，在低空急流前進(jìn)過程中遭遇太行山地形阻擋，使暖濕氣流從冷空氣移動(dòng)方向的側(cè)面抬升，冷暖氣流形成較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)峙，在一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定于太行山、燕山迎風(fēng)坡形成強(qiáng)降水。區(qū)別是影響暴雨產(chǎn)生的具體氣象系統(tǒng)不同，2012 年“7·21”暴雨受高空槽、低空切和臺(tái)風(fēng)影響較大，而2016 年“7·19”暴雨主要受副高和低空切影響。

2.2 降雨過程

2012年“7·21”強(qiáng)降雨從21日16時(shí)開始，22日8時(shí)結(jié)束，主要集中在大清河北支及永定河、北三河、灤河中下游地區(qū)。流域面平均降雨量為53 mm，較大降雨量河系及區(qū)域?yàn)楸比酉?27 mm、大清河系80 mm、灤河水系73 mm、大清河北支193 mm、張坊以上205 mm、潘大區(qū)間204 mm。降雨大于50 mm的覆蓋面積10.1萬km2，占流域面積近1/3，大于100 mm的覆蓋面積4.69 萬km2，大于250 mm 的覆蓋面積達(dá)到4 887 km2。累計(jì)降雨量較大的站點(diǎn)有大清河系河北鎮(zhèn)541 mm，霞云嶺398 mm，南窖365 mm。

2016 年“7·19”強(qiáng)降雨從19 日0 時(shí)開始，至20日2時(shí)結(jié)束。降雨一直維持在流域西南部太行山山前地區(qū)，20 日3 時(shí)開始向東北方向移動(dòng)，至21 日8時(shí)，整個(gè)過程基本移出海河流域。降雨中心主要集中在太行山、燕山山前地區(qū)。全流域面平均降水量122 mm，降水較大的河系及地區(qū)有漳衛(wèi)河系134 mm、子牙河系192 mm、大清河系163 mm、北三河系132 mm、灤河河系100 mm，其中潘大區(qū)間199 mm。本次降雨大于250 、100 mm 的覆蓋面積分別為2.2萬、17.4萬km2，其中大于100 mm的覆蓋面積占流域總面積的55%。累計(jì)降水量較大站點(diǎn)有漳衛(wèi)河系安陽河百石灣站738 mm，硯花水站667.5 mm，東崗站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”暴雨特征值詳見表1，經(jīng)對(duì)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。兩場(chǎng)暴雨比較集中，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，2016年“7·19”暴雨降雨持續(xù)時(shí)間為26 h，比2012年“7·21”暴雨的16 h 持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)，但是2012 年8 月3 日海河流域北部灤河河系受臺(tái)風(fēng)影響又有接近48 h強(qiáng)降雨。從覆蓋面積上來看，2016 年“7·19”暴雨大于100 mm 的覆蓋面積17.4 萬km2，占流域總面積的55%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2012 年“7·21”暴雨的4.69 萬km2。兩場(chǎng)暴雨都有明顯的暴雨中心，降雨強(qiáng)度較大。從最大點(diǎn)雨量來看，2016年“7·19”暴雨最大點(diǎn)738 mm，大于2012年“7·21”暴雨。

2.3 降雨多年同期比較

從表2 可以看出，2012 年1—6 月的累計(jì)降雨比多年同期偏少9%，經(jīng)過2012 年“7·21”暴雨后累計(jì)降雨比多年同期偏多16%。2016 年1—6 月的累計(jì)降雨比多年同期偏多5%，經(jīng)過2016 年“7·19”暴雨后累計(jì)降雨比多年同期偏多29%。2012年產(chǎn)生“7·21”洪水的流域北部河系降水偏少，2016 年產(chǎn)生“7·19”洪水的流域南部降水偏多。各河系的降雨與多年同期比較也增大很多。這充分說明流域旱澇急轉(zhuǎn)特征明顯，流域累計(jì)降水受一次或幾次強(qiáng)降雨影響較大。

表2 2012年“7·21”暴雨和2016年“7·19”暴雨降雨前后流域累計(jì)降雨與多年同期比較 %

3 洪水對(duì)比分析

3.1 流域土壤含水量

海河流域?qū)儆诎敫珊蛋霛駶櫄夂虻貐^(qū)，前期影響雨量在流域產(chǎn)匯流中有著重要作用[2]，前期影響雨量可以很好反映流域土壤蓄水量的大小。流域平均前期影響雨量采用逐日連續(xù)計(jì)算方法，以流域最大初損值Im控制，計(jì)算公式如下：

圖1 兩場(chǎng)洪水之前流域土壤含水量對(duì)比

式中：Pa,t為t 日的流域平均前期影響雨量（mm）；K為日折減系數(shù)，海河流域K值一般取0.7～0.9[3]；Pa，t-1為t日前一天的流域平均前期影響雨量（mm）；Pt-1為t 日前一天的流域平均日雨量（mm）。若Pa，t＞Im，則Pa，t=Im。

采用上述公式對(duì)海河流域各個(gè)水文分區(qū)進(jìn)行前期影響雨量分析計(jì)算，并用前期影響雨量Pa，t與流域最大初損值Im的比值來反映流域土壤含水量的大小[4]，兩場(chǎng)洪水之前流域土壤含水量如圖1 所示。2012 年“7·21”洪水發(fā)生之前，流域土壤含水量較少，特別是發(fā)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，從側(cè)面反映出大清河系和北三河系發(fā)生的洪水多為超滲產(chǎn)流。2016年“7·19”洪水發(fā)生之前流域南部子牙河系和漳衛(wèi)河系前期土壤含水量多數(shù)在50%以上，說明遭遇降雨時(shí)流域南部容易產(chǎn)流，蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流都有，產(chǎn)生的洪水也較大。

3.2 洪水地區(qū)組成

2012 年“7·21”暴雨產(chǎn)生的洪水主要集中在流域北部，2016 年“7·19”暴雨產(chǎn)生的洪水主要在流域南部。2012 年大清河系拒馬河發(fā)生1963 年以來最大洪水，北運(yùn)河北關(guān)閘發(fā)生超歷史實(shí)測(cè)記錄洪水，灤河桃林口水庫發(fā)生1994 年以來最大入庫流量。2016 年漳衛(wèi)河系漳河發(fā)生10 a 一遇洪水，安陽河發(fā)生20 a 一遇洪水，子牙河系冶河發(fā)生超50 a 一遇洪水。可以看出，流域南部發(fā)生洪水主要集中在太行山山前河流[4]，流域北部發(fā)生洪水多為燕山山前地區(qū)，但流域內(nèi)的北京、天津等大型城市內(nèi)澇也容易引起部分人工化明顯的河道閘壩發(fā)生較大洪水。

3.3 洪水特性

兩場(chǎng)洪水主要站點(diǎn)洪峰流量詳見表3，2016 年“7·19”暴雨產(chǎn)生的洪峰流量要比2012 年“7·21”產(chǎn)生的洪峰大，流域南部產(chǎn)生洪峰要比流域北部大?！?·19”洪水冶河微水站洪峰流量8 500 m3/s，超過50 a一遇；“7·21”洪水灤縣洪峰流量4 280 m3/s，不到5 a一遇。兩場(chǎng)洪水均起漲較快，2016年漳河觀臺(tái)站6 h 內(nèi)流量從44.3 m3/s 快速上漲到6 150 m3/s，冶河微水站13 h內(nèi)流量從10 m3/s快速上漲到8 500 m3/s，如圖2 所示；2012 年7 月21 日張坊站1 h 內(nèi) 流量從300 m3/s 快速上漲到2 570 m3/s，如圖3 所示。兩場(chǎng)洪水反映了流域洪水峰高量大，漲勢(shì)快，流域南部要比北部大。

表3 兩場(chǎng)洪水主要站點(diǎn)洪峰流量 m3/s

圖2 2016年“7·19”微水站水位流量過程線

圖3 2012年“7·21”張坊站水位流量過程線

3.4 城市防洪

海河流域分布地級(jí)以上的大中型城市26個(gè)，其中24 個(gè)有防洪要求[1]。北京市和天津市的城市防洪標(biāo)準(zhǔn)均為200 a一遇，主要是防范城市周邊河流發(fā)生洪水進(jìn)入城區(qū)。但在2012年“7·21”洪水和2016年“7·19”洪水時(shí)，雖然城區(qū)外骨干河流洪水沒有進(jìn)入城區(qū)，但是兩座城市均發(fā)生內(nèi)澇?！?·21”洪水時(shí)，北京全市面平均降雨量170 mm，是新中國成立以來最大降雨；城區(qū)面平均降雨量215 mm，是1963 年以來最大降雨；房山區(qū)河北鎮(zhèn)站降雨量541 mm，達(dá)500 a 一遇。2016 年“7·19”洪水時(shí)，天津市區(qū)24 h 平均降雨量218.5 mm，重現(xiàn)期達(dá)到20 a一遇；最大24 h降雨為河西區(qū)掛甲寺站359.1 mm，重現(xiàn)期超100 a 一遇；市區(qū)平均小時(shí)降雨強(qiáng)度為33.8 mm，最大小時(shí)降雨強(qiáng)度為77.7 mm，重現(xiàn)期超10 a一遇。分析兩場(chǎng)洪水可以看出，海河流域在遭遇大的強(qiáng)降雨時(shí)，特別是遭遇平均降雨強(qiáng)度超過35 mm時(shí)，由于下墊面硬化指數(shù)過高和排澇標(biāo)準(zhǔn)偏低等[5]，大中型城市極容易發(fā)生內(nèi)澇。

4 結(jié)語

2012 年“7·21”和2016 年“7·19”兩場(chǎng)暴雨洪水的降雨量、洪峰流量和洪水特征均呈現(xiàn)了新的特點(diǎn)，都是海河流域1996 年以來發(fā)生的具有流域特性的大洪水。兩場(chǎng)暴雨均由多個(gè)氣象系統(tǒng)配合地形阻擋形成，呈現(xiàn)了降水范圍廣、強(qiáng)度大，洪水峰高、量大、漲勢(shì)快的特點(diǎn)，雖然大中型城市防洪標(biāo)準(zhǔn)高，但遭遇強(qiáng)降雨時(shí)易發(fā)生內(nèi)澇。同時(shí)，由于兩場(chǎng)暴雨洪水覆蓋范圍不同，所以降水歷時(shí)、產(chǎn)流特性及洪峰大小又各有不同?？偨Y(jié)分析這兩場(chǎng)暴雨洪水的成因及洪水演變發(fā)展過程，對(duì)于掌握海河流域暴雨、洪水形成條件和變化規(guī)律十分有益。