河南省西平縣小洪河鄭州“7·20”特大暴雨移置洪水響應(yīng)分析

張 鴻,馬 濤,石東凱,陳偉杰,崔學(xué)禮

(西平縣水利局,河南 駐馬店 463900)

0 引 言

小洪河上中游流域內(nèi)現(xiàn)有大型水庫(kù)1座,中型水庫(kù)3座,小型水庫(kù)33座,大中型水閘12座,國(guó)家級(jí)滯洪區(qū)2個(gè)。河南省西平縣小洪河堤防段長(zhǎng)43 km,是淮河防洪體系的重要組成部分。縣域內(nèi)有水庫(kù)、河道、堤防、水閘、滯洪區(qū)、分洪區(qū)等,這些防洪工程承擔(dān)了豫中南重點(diǎn)防洪任務(wù)。通過小洪河桂李節(jié)制閘、分洪閘聯(lián)合調(diào)控運(yùn)用上下游防洪工程,使小洪河中上游防洪標(biāo)準(zhǔn)由10 a一遇提高到50 a一遇,減輕了洪河流域洪澇災(zāi)害和淮河干流洪水負(fù)擔(dān),對(duì)保護(hù)中下游京廣高鐵、京廣鐵路、107國(guó)道、京珠高速公路和西平縣城人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文采用暴雨移置方法[1-2],將鄭州“7·20”特大暴雨移置到洪汝河流域,分析西平縣小洪河對(duì)鄭州“7·20”特大暴雨洪水的響應(yīng)情況,旨在為西平縣小洪河流域防洪應(yīng)急預(yù)案的修訂提供參考,提高小洪河流域防洪水平。

1 小洪河流域概況

1.1 小洪河歷史及現(xiàn)狀

小洪河古名沅水,發(fā)源于方城縣東北境山區(qū),在方城縣境內(nèi)稱賈河,流入葉縣境內(nèi)稱乾江河,流入舞陽(yáng)縣境內(nèi)稱三里河,流入西平縣境內(nèi)稱洪溪河,經(jīng)西平縣嫘祖鎮(zhèn)洪村鋪村向東南流入西平縣楊莊鄉(xiāng)合水鎮(zhèn)與滾河(今稱小洪河)匯流,始稱洪河。元末至正年間(1341～1368年),因乾江河水常給下游造成洪澇災(zāi)害,于舞陽(yáng)縣卸甲店將乾江河向北導(dǎo)入漕河,堵死向東入河水路,從此,乾江河與洪河不再相通,因此自元末以后洪河源頭為舞陽(yáng)縣三里河。新中國(guó)成立后,將滾河定為洪河的上源,源頭出自舞鋼市南部的蘇寨山,1951年在滾河上游老盤店建成石漫灘大型水庫(kù),石漫灘水庫(kù)下游建有田崗中型水庫(kù)。滾河自西平縣嫘祖鎮(zhèn)常寺和宋莊之間入西平縣境,始稱西平縣小洪河,東行35 km到西平縣楊莊滯洪區(qū)大壩水閘,再東行16 km到小洪河桂李節(jié)制閘和老王坡滯洪區(qū)進(jìn)洪閘。下行17 km到五溝營(yíng)后鄭村出西平縣境,該河段有淤泥河匯入,匯入口以上即老王坡滯洪區(qū)。經(jīng)上蔡縣、汝南縣,在新蔡縣城東南三岔口與汝河匯合始稱大洪河,大洪河在東南豫皖交界處匯入淮河西平縣小洪河,自宋莊入境到楊莊滯洪區(qū)大壩段為自然河道,無堤防,河道比降1∶2 900;楊莊滯洪區(qū)大壩至桂李節(jié)制閘段為有堤防段,河道比降1∶5 200,堤防等級(jí)4級(jí),設(shè)計(jì)流量650 m3/s,防洪標(biāo)準(zhǔn)20 a一遇;桂李節(jié)制閘以下至后鄭段,河道比降1∶5 200,堤防等級(jí)5級(jí),設(shè)計(jì)流量350 m3/s,防洪標(biāo)準(zhǔn)10 a一遇。其中,17+900-24+550段為西平縣城市水系治理工程范圍河段,2018年河道治理完成后,河道比降1∶3 000,堤防等級(jí)提升為4級(jí),設(shè)計(jì)流量420 m3/s,防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到20 a一遇[3]。

1.2 小洪河支流概況

西平縣小洪河流域?qū)嶋H控制面積1 592 km2。流域內(nèi)控制面積在300 km2以上支流有3條,分別是滾河、洪溪河、淤泥河。其中,滾河流域控制面積305 km2,流域內(nèi)有石漫灘大型水庫(kù)(控制面積230 km2),田崗中型水庫(kù)(區(qū)間控制面積75 km2),袁門、油坊山、水磨灣、王老莊、袁門、三岔口、銀洞溝、任洞溝、老張溝等9座小型水庫(kù);洪溪河流域控制面積388 km2,流域內(nèi)有紅衛(wèi)、朱蘭、小石漫灘、廟街、黃溝、葛莊、簍子溝、戚莊等8座小型水庫(kù);淤泥河流域控制面積555 km2;西平縣西南部流域有4條支流匯入小洪河,控制面積共344 km2,流域內(nèi)有譚山、康山2座中型水庫(kù),八家劉、陳連莊、后營(yíng)、首帕陳、同官李、小柴莊、滾河孫、八里崗、桐木溝、同心寨、任三樓、黃灣、大溝、楊鳳溝、老家溝、袁莊等16座小型水庫(kù),詳見圖1。

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

1.3 小洪河流域滯、行洪區(qū)概況

(1) 滯洪區(qū)。西平縣境內(nèi)小洪河無堤防段下游建有楊莊滯洪區(qū),西平縣境內(nèi)淤泥河入小洪河河口以上建有老王坡滯洪區(qū)。兩個(gè)滯洪區(qū)基本情況見表1。

表1 滯洪區(qū)情況

(2) 行洪區(qū)。西平縣小洪河自楊莊以下分別設(shè)有翟莊東周莊西(2+940-3+060)、原楊莊鄉(xiāng)政府東(0+271-0+411)、龍泉寺(33+100-33+270)3個(gè)超標(biāo)準(zhǔn)分洪口門,3個(gè)分洪行洪區(qū)基本情況見表2。

表2 行洪區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況

2 2021年鄭州“7·20”特大暴雨特點(diǎn)

2.1 雨量大

鄭州市4 d平均降雨量546 mm,占多年年平均降雨量(637 mm)的86%。鄭州市區(qū)4 d降雨量625.6 mm,新密市603.6 mm,滎陽(yáng)市586.9 mm,鞏義市535.6 mm,新鄭市448.2 mm,登封市437.7 mm,均創(chuàng)有歷史記錄以來極值[4]。

2.2 雨強(qiáng)高

鄭州國(guó)家氣象站最大1 h降雨量201.9 mm(7月20日16∶00～17∶00),為中國(guó)內(nèi)陸地區(qū)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站小時(shí)降雨量有氣象記錄以來歷史極值,最大日降雨量624.1 mm,最大3 d降雨量787.9 mm,均創(chuàng)當(dāng)?shù)赜涗洏O值。尖崗水庫(kù)3 h降雨量328 mm;地震局雨量站300 mm;常莊水庫(kù)降雨量277 mm;均創(chuàng)當(dāng)?shù)赜涗洏O值。

2.3 范圍廣

暴雨范圍籠罩整個(gè)鄭州市,還涉及周邊的洛陽(yáng)、許昌、開封、新鄉(xiāng)、焦作等地,暴雨中心位于鄭州市區(qū)西部賈魯河上游源頭區(qū)尖崗水庫(kù)、常莊水庫(kù)以及黃河支流汜水河上游。累積雨量籠罩面積: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 鄭州“7·20”暴雨移置方法

3.1 暴雨中心選取

1975年8月4～8日,超過400 mm的降雨覆蓋了整個(gè)臺(tái)風(fēng)滯留地帶,面積達(dá)19 410 km2,大于1 000 mm的降水區(qū)集中在京廣鐵路以西板橋水庫(kù)、石漫灘水庫(kù)到方城一帶。8月5,6,7日的3 d降水量超過以往的正式記錄,最大的暴雨中心為河南泌陽(yáng)板橋水庫(kù)北岸的林莊,8月7日降雨1 005.4 mm,其中6 h降雨量達(dá)830.1 mm,3 d的降雨量為1 606.1 mm,是當(dāng)?shù)卣Ｄ攴? a的降水量。洪水造成洪汝河流域石漫灘、板橋等大型水庫(kù)垮壩,60多座中小水庫(kù)也相繼潰壩,小洪河53處堤防決堤。因此,在暴雨移置時(shí),選用“75·8”暴雨極值站點(diǎn)林莊站為“7·20”暴雨中心進(jìn)行雨區(qū)平移。林莊站在汝河流域,位于東西走向山脈的南麓,板橋水庫(kù)以北山坡地帶;石漫灘水庫(kù)屬于小洪河流域,在相同山脈北麓,兩者相距25 km左右。

3.2 移置過程

“7·20”暴雨中心位于鄭州市尖崗水庫(kù)上游,將其移置至距石漫灘水庫(kù)東南25 km的“75·8”暴雨極值站點(diǎn)林莊,以此為基點(diǎn),兩個(gè)流域空間雨量分布相對(duì)應(yīng),降雨量級(jí)、時(shí)程分布不變。在“7·20”暴雨降雨時(shí)段取7月17日8∶00至21日8∶00,共4 d進(jìn)行移置。前期影響雨量按一般干旱情況處理[6]。“7·20”暴雨與“75·8”暴雨代表站時(shí)段最大雨量對(duì)比見表3。

表3 “7·20”暴雨與“75·8”暴雨特征值

3.3 移置結(jié)果

西平縣小洪河流域在淤泥河入河口以上控制流域面積1 592 km2;楊莊滯洪區(qū)以上流域1 037 km2,累積降雨量為400～800 mm,其中,石漫灘流域面積230 km2的降雨量在600 mm以上;田崗水庫(kù)流域面積70 km2降雨量在600 mm以上,面積約5 km2的降雨量在800 mm以上;西平縣西部山區(qū)流域面積200 km2的降雨量在600 mm以上,面積144 km2的降雨量在400mm以上;洪溪河流域面積388 km2的降雨量在400mm以上;淤泥河流域面積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等值線示意詳見圖1。

4 洪水預(yù)報(bào)及響應(yīng)分析

4.1 洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度

4.1.1 洪水預(yù)報(bào)方法

本文利用降雨徑流相關(guān)圖和謝爾曼單位線進(jìn)行計(jì)算。首先以成因分析為基礎(chǔ),建立次雨量、相應(yīng)產(chǎn)生的徑流總量以及影響主要因素的定量相關(guān)圖;推求出單位線后,用卷積式進(jìn)行流域匯流計(jì)算。河道匯流計(jì)算采用馬斯京根多河段連續(xù)流量演算模型[8]。

4.1.2 水庫(kù)調(diào)洪演算

依據(jù)水庫(kù)水量平衡方程和水庫(kù)蓄泄方程,采用蓄率中線法進(jìn)行水庫(kù)調(diào)洪演算。

4.2 水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度

(1) 石漫灘水庫(kù)。入庫(kù)洪水總量1.07億m3,最大入庫(kù)流量2 700 m3/s,最高水位109.96 m出現(xiàn)在7月20日18∶00,低于設(shè)計(jì)水位(110.65 m)0.69 m,預(yù)判出現(xiàn)最大出庫(kù)流量時(shí)間在7月20日18∶00,流量可達(dá)2 030 m3/s。

(2) 田崗水庫(kù)。入庫(kù)洪水總量1.25億m3,最大入庫(kù)流量2 730 m3/s,最高水位88.50 m出現(xiàn)在7月20日18∶00,超過設(shè)計(jì)水位(87.35 m)1.15 m,預(yù)判出現(xiàn)最大出庫(kù)流量時(shí)間在7月20日20∶00,流量達(dá)2 700 m3/s,下游河道出現(xiàn)漫流。

(3) 譚山水庫(kù)。入庫(kù)洪水總量0.150 5億m3,最大入庫(kù)流量400 m3/s,最高水位111.50 m出現(xiàn)在7月20日18∶00,超過設(shè)計(jì)水位(110.55 m)0.95 m,預(yù)判出現(xiàn)最大出庫(kù)流量時(shí)間在7月20日20∶00,流量達(dá)408 m3/s。

(4) 康山水庫(kù)。入庫(kù)洪水總量0.133億m3,最大入庫(kù)流量367 m3/s,最高水位109.00 m出現(xiàn)在7月20日18∶00,超過設(shè)計(jì)水位(108.20 m)0.8 m,預(yù)判出現(xiàn)最大出庫(kù)流量時(shí)間在7月20日20∶00,流量達(dá)370 m3/s。

由上述水庫(kù)水情研判,石漫灘大型水庫(kù)未超過設(shè)計(jì)水位,庫(kù)水位超過109.62 m時(shí),采用閘門全開泄洪方式調(diào)度可確保水庫(kù)安全;3座中型水庫(kù)均超過設(shè)計(jì)水位,暴雨量級(jí)均超過水庫(kù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到或超過水庫(kù)的校核標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。因此,洪水可能漫壩,水庫(kù)可能出現(xiàn)潰壩等險(xiǎn)情,其余小型水庫(kù)同樣暴雨量級(jí)均超過水庫(kù)的校核標(biāo)準(zhǔn),洪水會(huì)漫壩,部分水庫(kù)可能會(huì)出現(xiàn)垮壩等險(xiǎn)情,應(yīng)全力搶險(xiǎn),提前采取擴(kuò)大溢洪道泄流能力、分洪等措施,并組織下游群眾避險(xiǎn)。

4.3 滯洪區(qū)洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度

(1) 楊莊滯洪區(qū)。最大進(jìn)洪流量可達(dá)2 460 m3/s;滯洪區(qū)最高水位達(dá)到校核水位72.15 m,最大蓄滯洪量可達(dá)2.56億m3,滯洪時(shí)間預(yù)測(cè)需要2 d。

(2) 老王坡滯洪區(qū)。最大進(jìn)洪流量830 m3/s;滯洪區(qū)最高水位57.45 m,最大蓄滯洪量1.48億m3,滯洪時(shí)間5 d。經(jīng)淤泥河流域內(nèi)澇水疊加,最大蓄洪量可達(dá)到2.38億m3,為了保證東大壩安全,在西平縣五溝營(yíng)鎮(zhèn)龍泉寺排澇閘附近分洪口門將爆破小洪河左右岸堤防向南行洪,滯洪區(qū)新老2閘敞開泄洪,五溝營(yíng)水文測(cè)站斷面水位不超過57.00 m(超保證水位0.51 m)時(shí),時(shí)間不超過12 h,下游河道可保證安全,否則下游河道有決堤風(fēng)險(xiǎn),詳見表4。

表4 滯洪區(qū)洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度

4.4 小洪河洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度

(1) 小洪河楊莊滯洪區(qū)最大入庫(kù)流量2 460 m3/s,超過下游河道保證流量,需啟用楊莊滯洪區(qū)滯洪;楊莊最大下泄1 500 m3/s 持續(xù)6 h,需在楊莊鄉(xiāng)政府東(右堤)、翟莊東周莊西(左堤)處分洪。

(2) 小洪河桂李控制斷面最大流量650 m3/s,超過保證流量,按照調(diào)度方案,需啟用老王坡滯洪區(qū)滯洪,保證下游河道安全。

(3) 小洪河五溝營(yíng)控制斷面最大流量420 m3/s,超過保證流量和保證水位,下游河道在加強(qiáng)防守的基礎(chǔ)上,可保證安全。五溝營(yíng)斷面水位不超過57.00 m(超保證水位0.51 m)時(shí),時(shí)間不超過12 h,下游河道可保證安全,否則下游河道有決堤風(fēng)險(xiǎn),詳見表5。

表5 小洪河洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度

4.5 行洪區(qū)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度

楊莊滯洪區(qū)大閘全開,最大下泄流量可達(dá)1 500 m3/s,下泄時(shí)間需持續(xù)6 h,下泄流量超過小洪河保證流量,需在翟莊東周莊西處爆破小洪河左堤向北分洪,并相機(jī)在原楊莊鄉(xiāng)政府東爆破小洪河右堤向南分洪;當(dāng)老王坡滯洪區(qū)最大蓄洪量達(dá)到2.38億m3,為了保證老王坡滯洪區(qū)東大壩安全,需在龍泉寺閘附近爆破小洪河兩岸堤防向南行洪,詳見表6。

表6 行洪區(qū)洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度

5 結(jié)果分析

(1) 將“7·20”特大暴雨移置到洪汝河流域后,通過對(duì)小洪河流域水庫(kù)、河道、滯洪區(qū)、行洪區(qū)的預(yù)報(bào)調(diào)度分析,發(fā)現(xiàn)在以往的水庫(kù)調(diào)度中,忽略了水庫(kù)提前預(yù)泄、預(yù)留一定防洪庫(kù)容的積極條件[9]。尤其是石漫灘、田崗兩座水庫(kù),以往較少預(yù)泄。水庫(kù)調(diào)度中,只對(duì)超過汛限水位的庫(kù)水進(jìn)行預(yù)泄,但遇到極端暴雨洪水時(shí),需充分考慮運(yùn)用防洪庫(kù)容攔蓄進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度。水庫(kù)防洪庫(kù)容水量預(yù)泄的越多,越有利于下游洪水調(diào)度。例如,2020年7月石漫灘水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程完工后空庫(kù)運(yùn)行,在遭遇流域強(qiáng)降雨后攔蓄滯洪3 300萬m3,使下游洪水錯(cuò)峰行洪,避免了滯洪區(qū)運(yùn)用。因此,梯級(jí)水庫(kù)迎洪峰迅速騰空防洪庫(kù)容對(duì)策也適用于小洪河流域水庫(kù)群[10]。此外,需加強(qiáng)對(duì)水庫(kù)大壩、河道、滯洪區(qū)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)測(cè),大壩、堤防險(xiǎn)工是防范重點(diǎn),大型水庫(kù)防止大壩出現(xiàn)意外險(xiǎn)情,中型水庫(kù)除防止險(xiǎn)情出現(xiàn)外還應(yīng)防止洪水漫壩,小型水庫(kù)加大溢洪道泄流能力。

(2) 西平縣小洪河堤防險(xiǎn)工險(xiǎn)段應(yīng)重點(diǎn)防止堤防決口、做好潰壩影響范圍內(nèi)人員轉(zhuǎn)移。在小洪河3處分洪口門分洪前做好行洪區(qū)群眾轉(zhuǎn)移是防汛工作的重點(diǎn)。對(duì)比西平縣小洪河目前的防洪應(yīng)急預(yù)案,發(fā)現(xiàn)缺少對(duì)小洪河原楊莊鄉(xiāng)政府東分洪行洪區(qū)上蔡縣大路李、百尺2個(gè)鄉(xiāng)群眾轉(zhuǎn)移預(yù)案的編制;缺少對(duì)小洪河龍泉寺分洪行洪區(qū)上蔡縣無量寺、大路李2個(gè)鄉(xiāng)群眾轉(zhuǎn)移預(yù)案的編制。

(3) 在滯洪區(qū)、分洪行洪區(qū)的預(yù)報(bào)預(yù)警方面,還應(yīng)加大自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施配備,提高預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)科技水平,王立輝等[10-11]在行洪區(qū)運(yùn)用中建立含有多個(gè)行洪區(qū)的淮干中游段洪水模擬模型并進(jìn)行了模型應(yīng)用,為淮河中游洪水調(diào)度管理提供了有利工具,可提高預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警準(zhǔn)確性,最大程度減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失。

(4) 西平縣老王坡滯洪區(qū)分洪一直沿用小洪河桂李站保證水位達(dá)到63.0m、保證流量420 m3/s的分洪標(biāo)準(zhǔn)。按駐馬店市防辦提供的最新老王坡滯洪區(qū)進(jìn)洪洪水調(diào)度預(yù)案要求,在西平縣小洪河防洪應(yīng)急預(yù)案的修訂中增加了“桂李站流量達(dá)到420 m3/s,且下游洪水超過保證水位,上游來水繼續(xù)保持洪水流量的情況下,遵循老王坡滯洪區(qū)桂李進(jìn)洪閘分洪”的調(diào)度指示。對(duì)比2020年7月,2021年7月、9月這3次小洪河桂李站洪水過程,考慮小洪河西平縣城區(qū)以下段防洪標(biāo)準(zhǔn)僅10 a一遇,而西平縣城區(qū)段防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到20 a一遇的實(shí)際情況,經(jīng)計(jì)算,建議小洪河桂李站防汛特征水位警戒水位和流量不變,變更保證水位由63.0 m為62.51 m,保證流量為420 m3/s[12]。

6 結(jié)論與建議

本文將“7·20”特大暴雨移置到洪汝河流域,對(duì)小洪河流域洪水響應(yīng)情況進(jìn)行分析,在鄭州“7·20”特大暴雨條件下,得到如下結(jié)論和建議:① 西平縣小洪河流域水利工程(除石漫灘外)均超保證水位。② 水庫(kù)大壩、堤防均有可能出現(xiàn)漫溢、潰壩險(xiǎn)情,需采取全力搶險(xiǎn)、分洪等措施,并組織下游群眾避險(xiǎn)。③ 小洪河堤防險(xiǎn)工處可能決口,需加強(qiáng)防范,同時(shí),預(yù)留潰壩影響范圍內(nèi)群眾轉(zhuǎn)移時(shí)間。④ 滯洪區(qū)、行洪區(qū)全部運(yùn)用。建議完善滯洪區(qū)、行洪區(qū)群眾轉(zhuǎn)移預(yù)案編制,注意翟莊東周莊西分洪口門爆破時(shí)間與楊莊政府東分洪口門爆破時(shí)間的銜接,建議先運(yùn)用翟莊東周莊西分洪區(qū),后結(jié)合老王坡滯洪區(qū)應(yīng)用時(shí)間,再選擇楊莊政府東分洪口門爆破時(shí)間。⑤ 建議在防洪工程調(diào)度運(yùn)用中對(duì)大中型水庫(kù)工程防洪庫(kù)容試行全部攔蓄原則,在水庫(kù)流域遇到大的降雨預(yù)報(bào)前使水庫(kù)預(yù)泄到最大防洪庫(kù)容。⑥ 建議小洪河桂李站防汛特征水位、警戒水位和流量不變,保證水位變更為62.51 m,保證流量變更為420 m3/s,為小洪河、洪汝河、淮河防汛工作提供決策依據(jù)。⑦ 建議建立小洪河洪水演進(jìn)模型,為小洪河洪水精準(zhǔn)科學(xué)預(yù)報(bào)和科學(xué)調(diào)度提供技術(shù)支撐。