《水利水电快报》专家特约稿件 | 中国水科院刘昌军：河南“21·7”暴雨洪水风险模拟及对比分析

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刘昌军：河南“21·7”暴雨洪水风险模拟及对比分析

2021年7月17日以来，河南省遭遇罕见持续强降雨，这次降雨持续时间长、累积雨量大、强降雨时段集中且范围广，造成了重大社会影响和生命财产损失。《水利水电快报》（月刊，水利部主管，长江水利委员会主办，RCCSE准核心期刊）编辑部第一时间向中国水科院减灾中心的刘昌军博士组约了《河南“21·7”暴雨洪水风险模拟及对比分析》一文，并于2021年第9期作为封面文章发表。文章重点分析了“21·7””暴雨洪水和河段、沿河村落危险情况，并与河南“75·8”特大暴雨洪水进行了对比。研究成果可为后续灾害调查、推演复盘、总结评估等提供参考。在此特别感谢刘昌军博士对我刊约稿工作的支持！ღ

 作者简介  刘昌军 正高级工程师

刘昌军（1976.10），男，山东人，博士，正高级工程师，主要从事防洪减灾、山洪灾害、渗流数值模拟、激光雷达数据处理等方面研发工作。现任中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究所副所长，获聘中国水利学会遥感专委会秘书长，减灾专委会、城市专委会委员。获得水利部水旱灾害战略创新团队骨干成员，中国水科院五大人才计划创新团队负责人，中国水科院2020年青年科技英才等称号。主持或参与完成了国际合作项目3项，国家科技支撑项目5项，省部级科研项目60余项；参与完成了《全国山洪灾害防治项目实施方案（2013-2015）》、《全国山洪灾害防治项目实施方案（2017-2020）》、《全国基层防洪预警能力建设实施方案（2017-2020）》等，主编行业标准1项，参与完成了全国山洪灾害防治项目相关技术要求和技术标准20余项。发表论文150余篇，SCI/EI检索34篇，ESI高被引用论文1篇，软件著作权20余项，专利20余项。获得省部级奖励10项，厅局级奖励5项。Email：[e-mail]。

河南“21·7”暴雨洪水

风险模拟及对比分析

刘昌军1，2，吕 娟1，2，翟晓燕1，2，李 青1，2，刘荣华1，2，孙朝兴1，2，赵彦增3 

（1. 中国水利水电科学研究院 减灾中心，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. 河南省水文水资源局，河南 郑州 450003）

收稿日期：2021-07-28

基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFC1510603，2019YFC1510605）；创新团队项目“时空变源混合产流模型与机理研究” （JZ0145B2017）；广西中小型水库洪水风险快速识别与动态预警关键技术研究（2019AB20003）；湖南省水利科技项目中小型水库风险识别与预警技术研究（XSKJ2019081-17）；水利部水旱灾害战略研究创新团队项目

作者简介：刘昌军，男，正高级工程师，博士，主要从事防洪减灾、山洪灾害防治等方面的研究。E-mail：

引用格式

刘昌军，吕娟，翟晓燕，等. 河南“21·7”暴雨洪水风险模拟及对比分析［J］. 水利水电快报，2021，42（9）：8-14.

文章摘要

2021年7月河南省遭遇极端强降雨，引发严重城市内涝和流域局部洪水，造成重大社会影响和生命财产损失。重点分析了“21·7””暴雨情况及主要河段的洪水过程，并与河南“75·8”特大暴雨洪水进行对比；基于时空变源混合产流模型，建立了覆盖河南省山区小流域的分布式水文模型，利用国家山洪灾害风险预报预警平台，计算得到了“21·7”特大暴雨洪水河段、沿河村落的危险等级；并基于下垫面现状条件，对 “75·8”暴雨洪水进行了复盘，探讨了“75·8”降雨条件下，河段和沿河村落成灾情况，进而对比了“21·7”和 “75·8”暴雨洪水和河段、沿河村落危险情况。研究成果可为后续灾害调查、推演复盘、总结评估等提供参考。

关键词

暴雨洪水模拟；洪水风险分析；时空变源混合产流模型；河南“21·7”暴雨；河南“75·8”暴雨；河南省

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0 引 言

中国是世界上洪涝灾害最严重的国家之一，历年遭受的洪涝灾害次数、强度、损失、影响范围等均居中国各类自然灾害的前列。新中国成立以来，随着中国洪涝灾害防治能力的提高，主要江河骨干防洪工程相继建设完成，大江大河的洪水基本得到控制，成功抵御了多次重大洪涝灾害的侵袭。然而，受全球气候变化的影响，极端气候事件增多，加之中国社会经济飞速发展带来的新形势、新常态，防洪减灾工作仍然面临挑战，城市洪水、中小河流洪水、山洪灾害一定程度上影响了社会经济高质量发展。利用各类水文模型对暴雨洪水进行预报预警由来已久，最初多是经验判断法。1851年，Mulvaney提出了推理公式，是水文模型正式进入理论化研究的开端［1］。随后针对流域洪水行进过程计算，Sher⁃man于1932年提出了单位线法，认为地面径流过程线的形状反映了该流域所有物理特征的影响，主要将单位线法用于计算流域出口洪水过程［2］。1959年，Crawford和Linsley研发了基于水量平衡的Stan⁃ford水文模型，同时也是较早时期出现的水文模型，该模型引入降水和蒸发两个重要影响因子，并最早开始进行融雪过程中径流的模拟［3］。随着对水循环自然规律认识更加深入，结合实际下垫面及气候情况的分布式水文模型被开发出来。Beven和Kirkby在1979年研发了TOPMODEL，但此模型还未加入降水及蒸发地区分布差异的影响，是半分布式水文模型［4］。美国农业部研究中心提出的SWAT模型，已能够实现较长时间维度下大面积复杂下垫面流域较精准化的模拟［5］。以上模型在现今水文研究及洪水预报应用方面都具有重要的研究价值。中国针对水文模型也进行了一定的研究，例如赵人俊等［6］1975 年开发的新安江模型在计算湿润地区降水以及径流过程中被证实应用效果较好；包为民等［7］在 1997 年提出的垂向混合产流模型适用于半干旱地区的模拟计算；YANG 等［8］根据特定流域参数特性提出了适应小流域的GBHM模型，该模型主要基于一维水分运动规律，流域下垫面特性主要运 用面积及宽度函数描绘。针对中国不同地区地貌 特点及降雨特点，刘昌军等［9-10］在2018年提出了时 空变源产流模型和模块化分布式水文模型 FFMS， 时空变源混合产流模型将小流域超渗和蓄满机制 在平面、垂向和时段3方面进行时空组合，考虑不同 地貌参数引起的水文差异，实现径流特征不同时进 行超渗蓄满模式的时空转换，进而提高了短历时、 强降雨条件下洪水的模拟精度。

2021年7月17～24日，河南省遭遇罕见强降 雨，持续时间长、累积雨量大、强降雨时段集中且范 围广。嵩山、新密、新郑、登封、偃师等国家级气象 观测站超过了建站以来日雨量历史极值，引发了城 市内涝和山洪地质灾害，造成了重大社会影响和生 命财产损失。1975年8月，河南省同样发生了特大 暴雨，造成了淮河上游洪汝河、沙颍河以及长江流 域唐白河水系特大洪水，导致板桥、石漫滩两座大 型水库垮坝，下游7座县城遭到毁灭性灾害［11］。虽 然这两场特大暴雨在成因和特点上有一定相似性， 但在影响范围、持续时间和降雨量级上也有一定差 异性。本文重点分析河南“21·7”特大暴雨洪水灾害的降雨情况、洪水过程、河段和沿河村落的危险 性等，并与历史上河南“75·8”特大暴雨灾害进行对比，旨在为后续洪水调查和推演复盘提供支撑。

1 降雨情况分析

1.1 降雨情况

2021年7月17日08：00~23日08：00，安阳、鹤 壁、新乡、焦作、济源、郑州、平顶山、漯河出现大到暴雨，局部特大暴雨。7月18～20日，郑州出现罕见持续强降水天气过程，全市普降大暴雨、特大暴雨，累积平均降水量449 mm。7月22日暴雨中心北移，新乡市中西部、鹤壁市南部等地区降中到大雨，局部暴雨。根据河南省水文报汛资料和气象站资料，郑州最大 1 h 点雨量 201.9 mm（郑州站），3 h 点雨量 333.0 mm（郑州站），6 h 点雨量 382.0 mm（郑州站），24 h 点雨量 696.9 mm（尖岗站），其中 1 h 点雨量刷新了中国陆地小时降雨极值。累积最大点雨量辉县市龙水梯雨量站1 159 mm，新乡市凤泉区分将池雨量站958 mm，焦作修武县东陵后雨量站952 mm，卫辉市猴头脑雨量站 942 mm，淇县大水头雨量站921 mm，郑州市中原区尖岗水库站 906 mm。累积平均降雨量：河南全省 197 mm，鹤壁市 647 mm，新乡市543 mm，郑州市528 mm。经统计，河南省总雨量287亿m³（面平均雨量172 mm），其中，郑州地区总雨量35.66亿m³（面平均雨量479 mm），新乡地区总雨量 40.83 亿 m³（面平均雨量 495 mm）。根据气象部门专家分析，河南暴雨主要受距离中国1 000 km的台风“烟花”控制。在“烟花”和副热带高压气流引导下，大量的水汽通过偏东风源源不断从海上输送到陆地，在河南集结成雨。偏东气流在河南遇到太行山和伏牛山后，在山前出现辐合抬升，地形导致降雨范围集中，雨势更强。而稳定的大气环流形势，导致降雨持续时间长。

1975年8月4~8日，受7503号台风登陆后变成的低压环流及与北方冷空气交汇影响，河南省中南部连续发生大暴雨［12］。暴雨区主要位于洪汝河、沙颍河、唐白河上游的低山丘陵区，雨带呈西北-东南向分布。暴雨强度很大，但范围比较局部。前后5 d雨量200.0 mm以上雨区范围为43 800 km²，相应总降水量201亿m³［12］。暴雨中心地区强度极大，林庄3 d 雨量 1 605.3 mm，24 h 雨量 1 060.3 mm，6 h 雨量830.1 mm，4 h雨量641.7 mm，强度之大，超过了中国大陆上历次实测暴雨的记录，其中 6 h 雨量已达世界最高记录。

1.2 对比分析

河南“21·7”暴雨过程与“75·8”暴雨过程在暴雨中心、历时、最大时段雨量等方面均有所差异。“21·7”暴雨中心主要集中在郑州、新乡、鹤壁等中北部地区，“75·8”暴雨主要集中在南阳、驻马店等中南部地区；“21·7”暴雨持续8 d，“75·8”暴雨持续5 d；“21·7”暴雨最大1 h降雨201.9 mm（郑州站），刷新了中国陆地小时降雨极值，“75·8”暴雨最大 1 h降雨 189.5 mm（老君站）；“21·7”暴雨最大 6 h 降雨382.0 mm（郑州站），“75·8”暴雨最大6 h降雨830.1mm（林庄站），超当时世界最高纪录（782 mm）；“21·7”暴雨最大 24 h 降雨 696.9 mm（尖岗站），“75·8”暴雨最大 24 h 降雨 1 060.3 mm（林庄站）。“21·7”和“75·8”暴雨不同时段最大点雨量对比见图 1。2021 年 7 月 17～24 日与 1975 年 8 月 5～8 日河南省累积降雨量见图2~3。

2 水文站和水库水情分析

据河南省水文水资源局水情专报，“21·7”暴雨导致河南省贾鲁河、贾鲁河支流双洎河、卫河、卫河支流安阳河等出现洪水过程，其中贾鲁河、双洎河、安阳河出现了大洪水过程。在洪水过程中，共有大沙河修武水文站、共产主义渠合河水文站、共产主义渠黄土岗水文站、卫河汲县水文站、安阳河横水水文站、贾鲁河中牟水文站和贾鲁河扶沟水文站等水文站洪峰水位超过有水文记录以来最高水位。根据报汛资料，共有盘石头、小南海、尖岗、常庄、丁 店、五星、后胡、纸坊（登封）、唐岗、坞罗、佛耳岗、安 沟，李湾等13座水库最高水位超过建库以来历史最高水位（2021 年 7 月 20~24 日郑州市新乡市水文站和水库水情见图4）。

“75·8”大洪水主要发生在洪汝河、沙颍河及唐白河上游。位于暴雨中心区上游一些支流，洪水量级大。汝河板桥水库上游小支沟石河下陈河段集水面积仅11.9 km²，洪峰流量高达618 m³/s，下游祖师庙的集水面积 71.2 km²，洪峰流量 2 470m³/s。板桥水库以上集水面积768 km²，经按雨量推算最大入库流量达13 000 m³/s，澧河支流干 江 河 官 寨 河 段 集 水 面 积1 124 km²，洪峰流量达 14 700m³/s。由于洪汝河上游洪水极大，洪水位超过板桥、石漫滩水库防浪墙顶 0.30，0.35 m，两库在 1975 年 8 月 8 日凌晨失事。竹沟、田岗等中型水库及多座小型水库也相继失事。石漫滩下游老王坡滞洪区和沙河泥河洼滞洪区也先后漫决，沙颍河、洪汝河两河河道堤防多处漫溢决口，洪水互相窜流，至8月底、 9月初才全部退至淮河干流。

3 洪水危险性分析

河南“21·7”暴雨、“75·8”暴雨造成了重大的人员伤亡和经济损失，部分中小河流、山沟洪水危险性很高。洪水危险性存在于因洪水而可能遭受伤害、损失或损害的地区［13］，主要受区内天气因素（影响区内洪水）和下垫面因素的共同作用［14］。以河南“21·7”暴雨、“75·8”暴雨降雨情况为输入条件，基于现状下垫面条件，建立河南省山丘区小流域分布式水文模型，分析山丘区小流域河段洪水危险性以及沿河村落受山洪影响的危险性，初步评价危险性等级。

3.1 建模及参数率定

基于时空变源混合产流模型［9，15］及分布式时变单位线汇流模型［16］，构建了河南省山丘区小流域分布式水文模型。采用中国水利水电科学研究院自主研发的模块化分布式水文模型软件FFMS和自主研发的OMHMS模块化水文建模系统框架（图 5），构建了国家山洪灾害风险预报预警平台，该平台软件在北京、河南、吉林、陕西、山西、湖北、福建、安徽等省、市小流域山洪灾害预报工作中已得到了广泛的应用。本次建模基于全国山洪灾害小流域数据、土地利用及土壤质地数据和河南省 22 个水文站点位置，共划分11 982个小流域，建立了1 004个并行计算单元进行模拟计算。基于河南省22个站点实测水文资料，以小流域为单元，利用机器学习方法，对河南省小流域进行了参数区域化工作，本次分布式水文模型参数采用模型区域化参数结果［9］。

选取河南省 6 个流域面积在1 000 km²以上的山丘区流域历史场次洪水对模型进行验证（表 1），验证结果平均纳什系数NSE=0.86，除社旗流域外，其他所选流域最大洪峰误差均小于10%。社旗流域纳什系数NSE=0.84，由于实测数据缺失，模拟计算的洪峰误差略高于其他所选流域，为13.72%（图6），表明该模型可以较好地模拟河南省山丘区小流域暴雨洪水。

3.2 洪水危险性分析结果

利用山洪灾害调查评价河段设计暴雨、设计洪水和沿河村落现状防洪能力等成果，将河段危险性等级分为 4 级，即一般危险（5 a 一遇至 10 a 一遇），危险（10 a 一遇至 20 a 一遇），高危险（20 a 一遇至50 a一遇）和极高危险（大于50 a一遇）。

根据2021年7月17~24日河南省中小流域逐小时暴雨洪水模拟分析结果显示：1 645个河段流量超5 a 一遇，达到一般危险等级；1 700 个河段流量超10 a一遇，达到危险等级；645个河段流量超20 a一 遇，达到高危险等级；423 个河段流量超 50 a 一遇，达到极高危险等级。共计 31 114 个村庄受山洪威胁，其中12 180村庄洪水超5 a一遇，达到一般危险等级；12 888 个村庄洪水超 10 a 一遇，达到危险等级；3 402 个村庄洪水超 20 a 一遇，达到高危险等级；2 644个村庄洪水超50 a一遇，达到极高危险等级（图7~10）。

基于河南省小流域下垫面现状条件，将1975年 8月5~8日逐小时降雨作为输入，模拟河南省现状条件下小流域河道洪水过程，分析河道洪水危险性。河南省中小流域逐小时暴雨洪水模拟分析结果显示：若河南省再发生“75·8”暴雨，将有8 000余条小流域出现高风险点，部分险工段可能出现漫溢决口情况，可能发生中小流域洪水、山洪灾害；1 600个山洪防治村受暴雨洪水影响，山洪灾害发生危险较高，受威胁人口约 76.5 万人（图11~12）。

4 结 论

本研究基于暴雨洪水资料，分析了河南“21·7” 与“75·8”两场特大灾害的暴雨洪水过程，“21·7”暴雨中心主要集中在郑州、新乡、鹤壁等中北部地区，其小时降雨更强，暴雨导致贾鲁河、双洎河、安阳河出现了大洪水过程，其中13座水库最高水位超过建库以来历史最高水位；“75·8”暴雨主要集中在南阳、驻马店等中南部地区，累积降雨量更大，洪水主要发生在洪汝河、沙颍河及唐白河上，板桥、石漫滩大型水库，竹沟、田岗等中型水库及多座小型水库相继失事。

基于小流域下垫面现状条件，利用时空变源混合产流模型及分布式时变单位线汇流模型，构建了河南省山丘区小流域分布式水文模型；利用国家山洪风险预报预警平台，实时计算得到了洪水危险性模拟结果，结果表明：河南“21·7”暴雨中小流域1 645个河段流量达到一般危险等级，1 700个达到危险等级，645个达到高危险等级，423个达到极高危险等级，31 114 个村庄受山洪威胁；若发生河南“75·8”暴雨，8 000余条小流域将出现高风险点，部分险工段可能出现漫溢决口情况，可能发生中小流域洪水、山洪灾害，1 600个山洪防治村受暴雨洪水影响，受威胁人口约76.5万人。

本期编辑：江文

说明：本文未列出参考文献及英文摘要，详见原文

本期审核：《水利水电快报》编辑部

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