北京冬季一次暴雨洪水过程分析

北京冬季一次暴雨洪水过程分析

1雨与风暴1.1雨1.1.1北运河流域天气概况2012年7月21日，北方寒冷的冷空气和中国西南部强大的供暖水强烈积聚在华北。北航道石门以上盆地20年来发生了一场降雨和洪水，洪水流量设计为接近河流的水位。此次降雨前,空气中水汽含量非常大,洪水具有暴雨强度大、总量大、历时短、洪水峰高量小等特点。当日14时,北运河流域北京地区上空空气湿度达90%,到20时达到饱和。并且,北京以南的水汽仍源源不断地输入,为降雨营造了良好的水汽条件。1.1.2气流混合升降北运河流域地处燕山余脉及山前平原区,北京西部、北部环山的特殊地形,可以使被“堵截”的气流产生抬升。此次降雨过程中,这种特殊的抬升地形使东移南下的冷空气和强盛的西南暖湿气流在此剧烈交汇,水汽产生强烈上升运动,对流云团集聚发展。此外,北京东部当时还存在一个高压天气系统,阻碍北京降雨东移,使降雨持续时间加长。1.1.3不可忽视的事项北运河流域大部分在北京市,其热岛效应不可忽视。在此次降雨过程中,正是由于地面热力大,产生对流运动,使得云系不断地新生和发展,加大了降雨强度。1.2暴雨、暴雨、天气条件2012年7月21日,北运河流域普降大暴雨到特大暴雨,流域平均降雨量178mm,北京市区平均降雨量200mm,廊坊市城区平均降雨量242mm,其总量和强度之大,均为建国以来所罕见。1.2.1暴雨中心最大点降雨情况本次降雨空间分布不均,有廊坊城区、北京城区两个暴雨中心。廊坊暴雨中心最大点降雨量277mm,北京城区暴雨中心最大点降雨量249mm。本次降雨量由两个暴雨中心向外呈递减趋势,由北向南具体分布为:北部昌平地区一般降雨量120~180mm,北京城区一般降雨量180~250mm,廊坊城区一般降雨量为200~280mm,在流域的东部通州、顺义一带一般降雨量180~220mm,其他地区一般降雨量120~180mm。1.2.2降雨时段分布本次降雨持续时间短、强度大。降雨从7月21日上午9时起,开始仅在流域上游西北部地区有小阵雨,至中午12时,北京城区开始出现降雨,至15时,全流域开始降雨,暴雨走向基本为西北向东南方向。上游昌平地区的主要降雨时段为21日14~18时,中部北京城区及通州地区的主要降雨时段为21日18~22时,下游廊坊地区的主要降雨时段集中在21日20时~22日2时。本次降雨过程从21日9时~22日6时结束,历时21h,其中主要降雨时段集中在21日14时~22日2时,主要降雨历时12h,各站点12h降雨量占本次降雨量的比例为90%~100%。1.3暴雨重现期化检出限2012年7月暴雨中心代表站短历时降雨量重现期分析成果如表1。暴雨频率分析选取1,6,24h三个时段,得出北运河流域各雨量站暴雨过程各历时暴雨重现期。最大1h暴雨量重现期一般为10年或低于10年,最大为20年(香河县淑阳镇和吴村闸);最大6h暴雨重现期一般为10年,廊坊市区各站为50~100年,最大重现期为200年(北史家务站);最大24h暴雨重现期一般为10年或低于10年,廊坊市区各站为20~50年,最大重现期为50年(北史家务站)。2洪水2.1洪水水质、水量北运河发源于北京市昌平区,流经北京市、河北省、天津市,沿河右岸有通惠河、凉水河、凤港减河、凤河、老龙河等支流汇入,左岸有运潮减河、牛牧屯引河、青龙湾减河等河道与潮白河相通。此次北运河洪水主要来自上游支流及干流右侧支流。具体组成为:温榆河、通惠河、凉水河、凤港减河等洪水。其中,温榆河和通惠河洪水由通州北关拦河闸和分洪闸控制(拦河闸洪水下泄至北运河,分洪闸洪水下泄至潮白河)。根据报汛资料,北关拦河闸最高水位19.79m,最大洪峰流量1200m3/s。由于暴雨中心位于北京市区,所以,北运河洪水的主要组成部分来自通惠河。另外,凉水河张家湾站最高水位19.22m,洪峰流量555m3/s。根据洪水预报方案推求,凤港减河军屯站洪峰流量142m3/s。2.2洪水处理北运河发源于北京市昌平区,流经北京市、河北省、天津市,有北关闸枢纽和土门楼枢纽两个国家基本水文站。2.2.1洪水情况北运河北关拦河闸7月21日17时50分开始涨水,21日18时30分闸门7孔提0.5m,泄量170m3/s,20时闸门7孔提1m,泄量加大到230m3/s,至22日1时闸门7孔提出水面,最大泄洪流量1200m3/s。此后洪水回落,至22日6时,拦河闸7孔提3m,泄量500m3/s,11时7孔提2m,泄量200m3/s,14时7孔提1m,泄量140m3/s,23日零时北关闸闭闸。北关拦河闸洪水流量过程线如图1。2.2.2月32日北运河闸洪分析北运河土门楼站7月21日22时开始涨水,木厂节制闸闸上水位9.46m,流量23.9m3/s,7月21日23时北运河木厂节制闸全闭。青龙湾减河土门楼泄洪闸7月21日19时25分,10孔闸门提0.2m,21时20分该闸10孔全提开始泄洪,此时闸上水位9.43m,流量350m3/s,到7月22日10时出现洪峰流量1090m3/s,闸上最高水位12.07m,洪峰持续时间3h。为了减轻青龙湾减河行洪压力,7月22日8时50分北运河木厂节制闸提闸泄洪,至7月22日16时出现最大流量148m3/s,22日21时闸门全闭。综合分析,7月22日12时北运河出现最大合成流量1280m3/s。青龙湾减河土门楼站洪水流量过程线如图2。2.3洪水分析2.3.1径流系数和洪峰模数经过分析北关闸、凉水河及土门楼等站洪水资料,得出各站洪水指标,如表2。通过对比可以看出,凉水河榆林庄站径流系数和洪峰模数均明显大于其他各站,北运河土门楼站洪峰模数最低。凉水河是北京的主要沥水通道,北京市城区面积大,地面硬化率高,造成降雨产流量大、汇流时间短,所以其径流系数和洪峰模数明显偏大。土门楼水文站位于流域下端,其洪峰流量未包含运潮减河分出去的流量,所以洪峰模数偏小。2.3.2洪水重现期不一致土门楼站有完整的水文资料,通过对土门楼站系列流量资料进行统计分析,得出北运河土门楼站洪水标准为20年一遇。根据以上分析,北运河2012年暴雨重现期多为10年一遇,而暴雨产生的洪水重现期为20年一遇。重现期不一致的主要原因与北京市城区面积不断扩大、流域下垫面不透水面积不断增加有很大关系。城市不透水面积的增加,直接导致降雨入渗和地面截留减少,降雨产流系数加大,汇流时间缩短,易形成峰高量小型洪水。32年洪水特征1994年7月13日,北运河水系发生较大洪水,其洪水规模与2012年洪水规模相当。为了分析北运河洪水变化规律,绘制了两场洪水过程线如图3~图4,并分析了洪水参数如表3。通过对两场洪水过程线及参数计算结果的比较,发现两次洪水的洪峰相当,青龙湾减河“94·7”洪峰流量1010m3/s,2012年洪峰流量1090m3/s,但亦有不同之处。主要表现为:(1)“94·7”洪水水位高。青龙湾减河土门楼站“94·7”最高水位12.70m,2012年最高水位12.17m,两者相差0.53m;(2)“94·7”洪水持续时间长,洪水总量大,洪水过程线呈宽胖型;2012年洪水持续时间短洪水总量小,洪水过程呈窄瘦型;(3)2012年洪水的径流系数和洪峰模数基本高于“94·7”洪水。出现以上不同的主要原因:(1)流域下垫面不透水面积所占比例逐年增加,降雨入渗越来越少,造成流域特别是城市区域产汇流时间缩短,易形成窄瘦型洪峰;(2)2012年洪水的暴雨强度大时间短,且暴雨中心位于流域中部的北京市区,使洪水呈现峰高量小的特征;(3)北运河香河下段、青龙湾减河进行了清淤治理,提高了河道的行洪能力,降低了河道行洪水位。通过以上分析,可以看出北运河洪水特征出现了上游集水面积增加、暴雨洪水汇流时间短、强度大、峰高量小等新的变化。4水文装备落后、防治措施充分(1)由于2012年暴雨洪水呈现出的新特点,并且暴雨雷电对电力、供水、通信、交通均产生了严重影响,从而在应对2012年暴雨洪水中也暴露出水文装备比较落后、防汛物