张婉丽 董永立

(1.郑州市河道工程管理处,河南 郑州 450007;2.郑州市水利建筑勘测设计院,河南 郑州 450007)

1 引 言

2021年7月18—22日,河南省出现历史罕见的极端强降雨,强降雨中心位于郑州、鹤壁、新乡、安阳等地。该场降雨总量大、雨强极值高,多站小时雨量、日雨量突破历史极值;暴雨引发洪水来势猛,多处水库、堤防工程出现险情;暴雨还造成郑州等城市发生严重内涝,地铁停运,大面积断水、断电,市民生产生活受到严重影响;暴雨所造成的人员伤亡和财产损失巨大,引发了社会高度关注[1]。

从流域分布看,“7·20”特大暴雨洪水涉及黄河流域、海河流域和淮河流域,在三个流域内均形成了较大的洪水灾情。暴雨中心距离黄河流域三花区间较近,如果暴雨西偏,主要降水在三花区间,将对黄河现有水利工程调度及黄河下游滩区群众安全产生严重影响。

2 “7·20”特大暴雨概况

7月18—22日,华北、华中地区出现持续性强降雨天气(见图1),多地出现暴雨、大暴雨,部分地区出现特大暴雨。此次强降雨过程覆盖海河、黄河及淮河流域部分地区,具有持续时间长、累积雨量大、强降雨范围广、强降雨时段集中等特点[2],过程累计100mm以上降雨笼罩面积12.99万km2,250mm以上降雨笼罩面积4.8万km2,400mm以上降水笼罩面积1.78万km2,累计降雨特征统计见表1。

表1 7月18—22日累计降雨特征统计

图1 7月18—22日强降雨过程累计面雨量

3 暴雨移植方案

根据黄河三花间可能最大暴雨估算成果,鉴于本次“7·20”暴雨距离三花间更近,同时充分考虑可能降雨的情形,按照1∶1比例平移,移植后降雨量将接近黄河三花间的可能最大降雨(PMP)。

“7·20”特大暴雨有多个暴雨中心,7月19—20日暴雨中心位于淮河流域郑州一带,7月21日暴雨中心移至海河流域新乡一带。本次选取暴雨中心郑州尖岗水库站作为基准点,尖岗水库7月18—22日5天累计雨量950.8mm,其中7月20日15:00—16:00最大1h雨量147mm。将其分别移至洛河流域宜阳(韩城站)、伊河流域伊川、三小区间垣曲(王茅站)以及洛河流域洛宁(长水站)4个位置(见表2、图2)。

表2 暴雨中心移植位置

图2 暴雨中心移植位置

方案一宜阳位置,暴雨中心位于三小间和沁河五龙口以上;方案二伊川位置,暴雨中心位于沁河润城至武陟区间和伊河陆浑至龙门镇区间;方案三垣曲位置,暴雨中心位于三小间和沁河飞岭至润城区间;方案四洛宁位置,暴雨中心位于三小间和洛河卢氏至长水区间。

4 移植洪水分析

利用水利部黄河水利委员会水文局研制的黄河三花间降雨径流模型,以现有主要水文站及水库为预报节点,根据目前现有水库调度原则,实施应对本次移植洪水的水库群的联合调度,进行洪水模拟计算。

各水库主要的调度运用方式如下:

三门峡水库原则上按敞泄运用,在小浪底水库不能满足防洪要求时,适时控制运用。小浪底水库在预报小花间流量小于4000m3/s或库水位低于254m时,关闭水库保滩运用,否则转入防洪运用。故县水库与陆浑水库调度方式相同,按同时控制下泄流量不大于1000m3/s和控制花园口流量不大于10000m3/s运用。河口村水库按同时控制花园口流量不大于10000m3/s和武陟站流量不大于4000m3/s运用[3]。退水次序为陆浑水库—河口村水库—故县水库。

计算方案一至方案四,花园口最大洪峰流量分别为18300m3/s、21900m3/s、16200m3/s、16000m3/s,见表3。黄河下游均发生大漫滩洪水,会形成较大的洪水灾害。

表3 水库常规运用不同方案花园口站洪水组成

比较四个暴雨移植方案的应急调度结果,方案二(伊川位置)中花园口洪峰流量、超10000m3/s洪量最大,对下游最不利。方案一、方案三中河口村水库入库洪水远超校核标准,鉴于山地地形对水汽输送的阻隔作用,上述两个方案存在不合理性。

为此,选择方案二(伊川位置)作为桃花峪水库调度分析运用方案,表4为各来源洪水洪峰表。可以看出由于降雨集中在三花间,各水库入库洪峰流量均较大,小浪底、陆浑、故县、河口村等水库入库流量分别为9780m3/s、10100m3/s、4280m3/s、7060m3/s,丹河山路坪站流量5270m3/s,小花干区间洪峰流量4259m3/s。

表4 各水库入库及支流入汇洪峰

5 桃花峪调度效果分析

桃花峪水库是《黄河流域综合规划(2012—2030)》中确定的干流最后一座大型水利枢纽工程,规划坝址位于黄河中游末端,上距西霞院水库94km,距小浪底水库110km。总控制黄河流域面积71.7万km2,占黄河总流域面积的95.5%,控制小花间未控区面积78%[4]。其中小浪底水库控制流域面积为69.4万km2,桃花峪至小浪底区间控制流域面积2.3万km2。扣除现状支流中小水库控制面积,实际控制小花间未控区面积的83%,约1.5万km2。

采用2021年汛前地形计算桃花峪水库库水位与库容关系,库水位106.9m时,库容16.5亿m3;库水位110m时,库容28.17亿m3。拟定桃花峪水库分别按照库水位106.9m和110m敞泄运用。

考虑桃花峪水库能够拦蓄沁河口以上洪水,黄河下游花园口以下河段按照保滩4500m3/s运用,尽可能减少漫滩流量和漫滩历时,按照桃花峪水库库水位106.9m、110m削峰滞洪运用,不考虑桃花峪水库因泥沙淤积损耗的拦沙库容,经计算,花园口流量过程对比见图3,桃花峪水库库容见表5,桃花峪水库蓄水过程见图4。

表5 2021年汛前地形条件下桃花峪水库库容

图3 桃花峪水库运用前后花园口流量过程

图4 桃花峪水库蓄水过程

从计算结果可以看出:以保滩运用为目标,控制花园口流量不超4500m3/s,当预报花园口流量超4500m3/s时,如果沁河不超4500m3/s,按花园口4500m3/s运用;运用当沁河超4500m3/s时,桃花峪水库进行拦洪运用。与不运用桃花峪相比,桃花峪106.9m运用时,超10000m3/s历时减少44h,超4500m3/s历时减少46h,超4500m3/s水量减少16.5亿m3。与不运用桃花峪相比,桃花峪110.0m运用时,超10000m3/s历时减少66h,超4500m3/s历时减少46h,超4500m3/s水量减少28.17亿m3。表明桃花峪水库的运用能够大大减小黄河下游的漫滩历时和漫滩水量。

6 结 论

由于黄河小花区间仍有1.8万km2流域面积的洪水尚未得到控制,这里是花园口洪水的主要来源,且预见期短,对下游堤防威胁较大[5]。

模拟“7·20”特大暴雨中心发生在伊川位置情况下,三花间各水库入库洪峰流量最为不利,小浪底、陆浑、故县、河口村等水库入库流量分别为9780m3/s、10100m3/s、4280m3/s、7060m3/s,小花干区间洪峰流量4259m3/s,洪水通过调度后,演进至花园口处,流量达21900m3/s,超10000m3/s流量历时90h,漫滩历时108h,漫滩水量56.1亿m3。在建设桃花峪水库后,花园口处洪峰流量19000m3/s,超10000m3/s流量历时24h,漫滩历时62h,漫滩水量27.9亿m3。表明遇特大洪水情况下,建设桃花峪水库能够极大缩短超10000m3/s洪峰流量的历时,大幅减小黄河下游的漫滩水量。