愛河行洪能力及“2021·07”暴雨洪水分析

耿延博

（遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003）

1 概述

1.1 流域概況

愛河發(fā)源于遼寧寬甸雙山子鄉(xiāng)摩天嶺，河長189 km，流域面積5 891 km2。愛河上游兩岸為山區(qū)，中游為丘陵區(qū)，下游為沖積平原區(qū)。森林茂密，植被良好，水利資源豐富。愛河流域水系發(fā)達(dá)，支流較多，主要有八道河、草河，為防洪減災(zāi)的重點(diǎn)。

1.2 氣象水文

愛河流域位于我國溫帶的最北部，接近于亞寒帶。地區(qū)為溫暖、季風(fēng)型大陸性氣候，冬暖夏涼，氣候潮濕，降水頻發(fā)。流域多年平均氣溫7～9℃，多年平均降水量800～1 100 mm，多年平均蒸發(fā)量1 000～1 100 mm，多年平均濕度65%～70%。降水量年內(nèi)分配不勻，70%以上的降水集中在6—9月汛期，7—8月降水量約占年降水量的一半。年降水量的變差系數(shù)在0.2左右，年降水量豐枯年之比為3∶1，年際間降水豐枯交替出現(xiàn)。

愛河干流設(shè)有石城、梨樹溝（為三灣水庫入庫站）水文站，支流八道河有龍灣水文站、草河有草河水文站，雨量預(yù)報根據(jù)站10處。

1.3 水利工程

在干流下游建有三灣大型水庫，上游及其支流上建有水庫和水電站。愛河干流現(xiàn)有堤防40.9 km，左岸17.1 km，右岸23.8 km，堤防標(biāo)準(zhǔn)為10～20年一遇。

1.4 洪澇災(zāi)害

愛河流域暴雨的天氣系統(tǒng)主要有臺風(fēng)、氣旋（江淮、華北、黃海氣旋）、副熱帶高壓邊緣的輻射擾動和高空槽等。解放后發(fā)生有實測記錄以來大洪水7次。1960年8月4日洪峰流量11 400 m3/s，1985年7月26日洪峰流量13 200 m3/s，為解放后最大值；1995年7月18日洪峰流量12 700 m3/s，2010年8月21日洪峰流量12 300 m3/s，等等。均造成人民生命和財產(chǎn)損失。

2 河道行洪能力分析

2.1 現(xiàn)狀行洪能力

愛河兩岸無堤段村屯距離河道多數(shù)較遠(yuǎn)且地勢高出河道較多，僅有灌水鎮(zhèn)所轄6個村屯離河較近，納入分析范圍，其重點(diǎn)為兩岸現(xiàn)有40.9 km堤防。以三灣水庫為界分上下游進(jìn)行行洪能力分析。

1）三灣水利樞紐上游段

愛河三灣水利樞紐上游段現(xiàn)狀河道行洪能力主要包括灌水鎮(zhèn)團(tuán)結(jié)村漫水橋、石城水文站、大堡鎮(zhèn)保林橋上、石橋電站下游，其左右岸的現(xiàn)狀行洪能力分析計算結(jié)果：除大堡鎮(zhèn)保林橋上右岸低于20年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，灌水鎮(zhèn)團(tuán)結(jié)村漫水橋右岸低于10年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)外，其他都滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2）三灣水利樞紐下游段

三灣水利樞紐建成后，東西支河道比降基本不變。現(xiàn)狀行洪能力分析結(jié)果：三灣水庫壩址至三道灣大橋段右岸為土路；三灣水庫壩址至東支A5斷面左岸為山路；其他三道灣大橋至河口東西支都已經(jīng)建成堤防，均滿足20年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

3）無堤段

愛河干流兩岸村莊較多，除右岸灌水鎮(zhèn)團(tuán)結(jié)村不足10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)外，其余村莊均滿足10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 特征水位確定

愛河共設(shè)置特征水位觀測點(diǎn)5個，分別為灌水鎮(zhèn)團(tuán)結(jié)村漫水橋、石城水文站、大堡鎮(zhèn)保林橋上、石橋電站下和三道灣大橋上500 m處。

愛河上游段主要位于山區(qū)，且河道較長，行洪能力分析為單斷面復(fù)核，主要利用曼寧公式推求各個斷面的水位流量關(guān)系；下游段主要采用不同頻率洪水時的水面線計算成果，確定各個觀測斷面的水位流量關(guān)系，根據(jù)特征水位確定方法并利用各斷面水位流量關(guān)系得到各河段相應(yīng)觀測點(diǎn)的特征水位。各觀測點(diǎn)特征水位見表1。

表1 愛河各觀測點(diǎn)特征水位成果表

2.3 抗暴雨能力

假定此次雨洪同頻。防洪斷面或區(qū)間24 h設(shè)計面暴雨采用遼寧省水文水資源勘測局出版的1998年《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計暴雨洪水計算方法》的計算標(biāo)準(zhǔn)計算。即由等值線圖查得降水參數(shù)，通過點(diǎn)面折減得到不同重現(xiàn)期的設(shè)計面暴雨。愛河各斷面設(shè)計洪水及流域設(shè)計面暴雨成果見表2。

表2 愛河各斷面設(shè)計洪水和設(shè)計暴雨成果表

3 “2021·07”暴雨洪水分析

3.1 前期影響

1）前期雨量充沛，土壤含水量趨于飽和。入汛以來，愛河經(jīng)歷多場強(qiáng)降雨過程，降雨范圍廣、雨量大、強(qiáng)度大。自7月13日8時，愛河梨樹溝以上流域土壤含水量達(dá)Pa=98 mm(流域土壤最大含水量Im=100 mm)，流域土壤含水量飽和，若遇降雨過程易全面產(chǎn)流。

2）水庫蓄水量高，河道流量大。愛河流域有部分中小型水庫水位均不同程度接近或達(dá)到汛限水位，河道底水偏多，與2020年同期相比河道流量較大，但水勢總體平穩(wěn)。

3.2 天氣成因

7月13日低渦北上至內(nèi)蒙東部，低空急流軸到達(dá)遼寧中東部，強(qiáng)度加強(qiáng)，水汽更加充沛，水汽量Pw＞45 mm。遼寧大部動力強(qiáng)，1～3 km風(fēng)切變達(dá)到8 m/s，遼寧東部地區(qū)局部達(dá)到20 m/s。14日低渦繼續(xù)北上至內(nèi)蒙東北，急流位于遼寧東部，中東部水汽繼續(xù)增強(qiáng)，Pw＞55 mm。遼寧東部動力加強(qiáng)，1～3 km風(fēng)切變達(dá)到10 m/s，局部達(dá)到16 m/s，維持強(qiáng)降雨。

3.3 暴雨特點(diǎn)

7月12日8時至15日8時，受高空槽東移和副高加強(qiáng)西伸北跳共同影響，造成愛河流域普降暴雨、特大暴雨，流域平均降水量175.3 mm，最大點(diǎn)降水量為丹東鳳城市賽馬站314.0 mm。此次降雨特點(diǎn)如下：

1）降雨歷時長，強(qiáng)度均勻。此次降雨從7月12日8時開始至15日8時結(jié)束，歷時72 h，降水持續(xù)時間之長為歷史罕見，也是此次降水過程的明顯特征。雨強(qiáng)大多在5～30 mm/h之間，最大點(diǎn)雨強(qiáng)51 mm/h。

2）上游大下游小，支流大干流小。愛河流域上游降雨量在150～300 mm之間，而下游在70～180 mm之間；支流八道河降雨量在170～314 mm之間，支流草河降雨量在140～260 mm之間，而干流上游降雨量在130～210 mm之間，下游在70～150 mm之間。支流比干流、上游比下游相差近1倍。

3）流域全覆蓋，雨量大、中心突出。此次為全流域普遍降雨，流域平均降水量175.3 mm。降雨分布較為均勻，暴雨中心在支流八道河上游，中心點(diǎn)雨量為丹東鳳城市賽馬站314 mm。據(jù)統(tǒng)計，流域賽馬站最大1 h雨量51 mm，最大3 h雨量119 mm，最大6 h雨量194 mm，最大12 h雨量206 mm，最大24 h雨量269.5 mm，均排在有資料記載以來前位。

3.4 洪水特性

3.4.1 洪峰洪量

梨樹溝水文站造峰雨從13日23時到14日14時歷時5個時段（每時段3 h），時段平均雨量33 mm，時段最大雨量39 mm。愛河上游石城水文站8月15日11時出現(xiàn)1 170 m3/s的洪峰流量，支流八道河龍灣水文站15日12時出現(xiàn)2 400 m3/s的洪峰流量，支流草河草河水文站15日17時出現(xiàn)2 060 m3/s的洪峰流量，上述3處來水加上區(qū)間來水匯聚到梨樹溝水文站，在15日18時出現(xiàn)6 440 m3/s的洪峰流量。由于此次降雨量大、歷時長、分布均勻，造成梨樹溝站洪水峰高量大，洪峰持續(xù)時間長達(dá)4 h。

3.4.2 洪水組合

應(yīng)用馬斯京干法將支流八道河龍灣水文站、支流草河草河水文站、愛河上游石城水文站洪水過程演算到梨樹溝水文站，得到梨樹溝站以上河道洪水過程；應(yīng)用降雨徑流模型法計算石、龍、草-梨站區(qū)間面積的產(chǎn)匯流過程；兩部分洪水過程得到梨樹溝站洪水組合過程，見表3。

表3 愛河梨樹溝站“2021·07”洪水組合分析表

3.4.3 洪水特點(diǎn)

1）干支流普遍發(fā)生洪水，干流洪水等級小，支流洪水等級高。愛河干流發(fā)生洪峰重現(xiàn)期小于5年一遇為小洪水；支流八道河發(fā)生洪峰重現(xiàn)期大于5年，接近20年一遇為中洪水。

2）洪水持續(xù)時間長，漲率快。愛河梨樹溝站洪水持續(xù)9 d，洪水起漲至出現(xiàn)洪峰時間達(dá)34 h，平均漲率為184 m3/s，最大1 h上漲率430 m3/s。

3）上游洪水急劇匯聚，演進(jìn)速度快。由于愛河上游多為山地，加之流域土壤達(dá)飽和，坡面產(chǎn)流迅速，河道匯流快。草河水文站洪峰3～5 h到達(dá)梨樹溝站。

3.5 預(yù)報預(yù)警

3.5.1 洪水預(yù)報

在抗御“2021·07”暴雨洪水中，共進(jìn)行洪水預(yù)報2站次，預(yù)報精度90%以上，為科學(xué)調(diào)度洪水及防汛科學(xué)決策提供了有力的支撐。

3.5.2 洪水預(yù)警

愛河干流石城水文站7月15日11時40分，出現(xiàn)最高水位88.76 m，超警戒水位0.96 m。洪峰流量1 170 m3/s，超警戒流量450 m3/s；支流草河草河水文站15日17時，出現(xiàn)最高水位56.63 m，超警戒水位2.63 m。洪峰流量2 060 m3/s，超警戒流量760 m3/s。

3.5.3 水庫調(diào)度

三灣水庫控制運(yùn)用為當(dāng)入庫流量小于起調(diào)流量時，泄流設(shè)備按實際情況開啟；當(dāng)入庫流量大于起調(diào)流量時，泄流設(shè)備全部開啟。在抗御“2021·07”暴雨洪水調(diào)度中，前期蓄水抬高庫水位，為水庫下游洪水錯峰，直至庫水位達(dá)18.85 m時開始泄洪，最大泄流量5 340 m3/s，削峰率17%。

3.6 暴雨洪水評估

3.6.1 暴雨災(zāi)害等級評估

1）暴雨頻率分析

以愛河支流八道河為例計算洪水頻率，確定龍灣水文站“2021·07”洪峰流量為19年一遇；依據(jù)暴雨洪水同頻率原則，計算流域內(nèi)賽馬、三家子、龍灣雨量點(diǎn)流域平均值和Cv值,H面=225 mm，Cv=0.50，CS=3.5 Cv；以流域均值除該次各點(diǎn)的暴雨量即得各雨量點(diǎn)的K值，K馬=1.40，K三=0.80，K龍=0.81；利用數(shù)值逼近方法，反復(fù)反算此次暴雨各點(diǎn)的K值重現(xiàn)期，將各點(diǎn)的重現(xiàn)期加權(quán)平均直至算至與同次洪水重現(xiàn)期接近或等于的值為止，則流域內(nèi)暴雨中心點(diǎn)雨量的重現(xiàn)期即為所求。故用龍灣站洪峰流量的重現(xiàn)期估算暴雨中心賽馬站站最大暴雨314 mm的重現(xiàn)期為50年一遇，三家子站179 mm的重現(xiàn)期為5年一遇，龍灣站183 mm的重現(xiàn)期為5年一遇。

2）暴雨災(zāi)害等級評估

依據(jù)DB21/T 1454.1-2006《遼寧省氣象災(zāi)害評估方法》包含平均降雨量、降雨強(qiáng)度極值和覆蓋范圍3項指標(biāo)，通過賦予以上3項指標(biāo)不同的權(quán)重，最終得到暴雨災(zāi)害綜合評估指標(biāo)。依據(jù)該評估方法，此次暴雨過程的評估結(jié)果：愛河評估為二級暴雨災(zāi)害，屬較嚴(yán)重級別。

3.6.2 洪水等級評估

1）洪水歷時排位

八道河龍灣水文站洪水排位為有實測資料以來第3位，草河草河水文站洪水排位為有實測資料以來第10位，愛河石城水文站洪水排位為有實測資料以來第19位，梨樹溝水文站洪水排位為有實測資料以來第14位。

2）洪水等級評估

愛河干流梨樹溝水文站洪峰流量6 440 m3/s，小于5年一遇設(shè)計洪峰流量標(biāo)準(zhǔn)；最大7日洪量8.96億m3，小于5年一遇設(shè)計洪量標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮愛河干流為小洪水。支流八道河龍灣水文站洪峰流量2 400 m3/s，大于5年小于20年一遇設(shè)計洪峰流量標(biāo)準(zhǔn)；最大7日洪量1.91億m3，大于5年小于20年一遇設(shè)計洪量標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮八道河為中洪水。支流草河草河水文站洪峰流量2 060 m3/s，小于5年一遇設(shè)計洪峰流量標(biāo)準(zhǔn)；最大7日洪量2.98億m3，小于5年一遇設(shè)計洪量標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮草河為小洪水。

4 結(jié)語

通過對愛河河道行洪能力、“2021·07”暴雨洪水規(guī)律及洪水預(yù)報調(diào)度進(jìn)行分析，能進(jìn)一步了解這場暴雨洪水發(fā)生和發(fā)展的全過程，對熟悉流域暴雨洪水特性，掌握不同量級洪水形成條件和變化規(guī)律，以及對河道危害程度具有科學(xué)指導(dǎo)意義，對今后的防洪減災(zāi)工作起到借鑒作用。