黃河小北干流河段洪水演進(jìn)規(guī)律變化分析

李保國(guó) 崔振華

摘要：為了給黃河小北干流河段河道工程建設(shè)管理、防洪減災(zāi)、水文預(yù)報(bào)等工作提供參考，根據(jù)1960-2015年龍門站50場(chǎng)流量6000m3/s以上的洪水資料，對(duì)河段洪水演進(jìn)規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：①小北干流洪水平均傳播時(shí)間為15.2h，1986年以后傳播時(shí)間逐步延長(zhǎng)，在2003年達(dá)到最大值30.6h。近年來(lái)隨著河道的持續(xù)沖刷，傳播時(shí)間縮短為約20h。②小北干流河段洪水平均削峰率為30%，20世紀(jì)60年代后期至70年代初期以及90年代至2015年是削峰率偏高的兩個(gè)時(shí)期，2003年以后隨著河段發(fā)生全線沖刷，削峰率呈減小趨勢(shì)。③小北干流洪水傳播時(shí)間及削峰率的變化與河道條件及水沙條件關(guān)系密切。三門峽水庫(kù)建成以后河道淤積導(dǎo)致過(guò)流能力減弱以及20世紀(jì)90年代以來(lái)遭遇較為不利的來(lái)水來(lái)沙條件，是河段洪水傳播時(shí)間延長(zhǎng)、削峰率增大的直接原因。同時(shí)，洪水洪峰流量的大小、峰型、“揭河底”沖刷等也會(huì)對(duì)傳播時(shí)間和削峰率產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞：傳播時(shí)間；削峰率；演進(jìn)規(guī)律；洪水；小北干流；黃河

中圖分類號(hào)：TV122；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi ：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.003

黃河小北干流歷史上為淤積性游蕩型河道，洪水演進(jìn)規(guī)律復(fù)雜。20世紀(jì)60年代以來(lái)，受人類活動(dòng)及氣候變化的雙重作用，來(lái)水來(lái)沙及河道條件進(jìn)一步惡化，洪水演進(jìn)規(guī)律發(fā)生了很大變化。2003年7月，龍門站發(fā)生洪峰流量為7340m3/s的洪水（為1996年以來(lái)最大），洪水演進(jìn)至潼關(guān)歷時(shí)30.6h，潼關(guān)站相應(yīng)洪峰流量為2110m3/s，扣除渭河、北洛河、汾河來(lái)水后流量為2010m3/s，削峰率達(dá)72.6%，洪水傳播時(shí)間和削峰率均大幅高于以往的一般統(tǒng)計(jì)值。洪水演進(jìn)規(guī)律的劇烈變化給河道工程建設(shè)管理、防洪減災(zāi)、水文預(yù)報(bào)等工作造成諸多不利影響，因此分析該河段的洪水演進(jìn)變化規(guī)律，具有一定的實(shí)際意義。

1 來(lái)水來(lái)沙及河道沖淤

1.1 來(lái)水來(lái)沙變化情況

根據(jù)1960年11月—2015年10月龍門、河津水文站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，龍門+河津水文站多年平均水沙量分別為257.4億m3、5.86億t，多年平均含沙量為22.8kg/m3，龍門站實(shí)測(cè)最大含沙量為933kg/m3（1966年）。進(jìn)入小北干流河段的水量主要來(lái)自河口鎮(zhèn)以上地區(qū)，泥沙主要來(lái)自河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間（簡(jiǎn)稱河龍區(qū)間），頭道拐站1960年11月—2013年10月多年平均來(lái)水量為210.0億m3，多年平均輸沙量為0.92億t，水量占龍門站的80.7%，而沙量?jī)H占15.2%。同一時(shí)期河龍區(qū)間多年平均水沙量分別為50.2億m3、5.14億t，多年平均含沙量為102.4kg/m，，水量占龍門站的19.3%，而沙量占龍門站的84.8%[1-2]。

1960年11月—2015年10月，龍門站最大年輸沙量為1966年的24.99億t（按運(yùn)用年，下同），約為最小年輸沙量0.38億t（2013年）的66倍；最大年來(lái)水量為556.3億m3（1966年），約為最小年來(lái)水量136.2億m3（2001年）的4.1倍。

1960年以來(lái)，龍門+河津水文站4個(gè)時(shí)段的多年平均水沙量統(tǒng)計(jì)見表1。從表1可知，20世紀(jì)60年代屬于豐水豐沙時(shí)段，1968年劉家峽水庫(kù)投入運(yùn)用后水沙量有所減小，80年代后期水沙量減幅增大，其中沙量減幅尤為突出。若與第一時(shí)段（1960-1968年）進(jìn)行對(duì)比，則第二、第三、第四時(shí)段減水比例分別為21.7%、45.5%、50.1%，減沙比例分別為42.4%、57.6%、88.8%，沙量減幅大于水量減幅，且減沙主要集中在汛期。1960-2015年水沙變化過(guò)程見圖1。

1.2 河道沖淤變化情況

從歷史上看，禹潼河段是一條堆積性河道，其河道淤積和來(lái)水來(lái)沙條件及河床邊界條件有關(guān)。三門峽水庫(kù)自1960年9月蓄水至今，經(jīng)歷了蓄水?dāng)r沙、滯洪排沙及蓄清排渾控制運(yùn)用3個(gè)時(shí)期。1960年9月—2015年10月小北干流河道共淤積泥沙22.721億m3，淤積主要發(fā)生在三門峽水庫(kù)二期改建以前，截至1970年6月共淤積泥沙15.443億m3，約占總淤積量的68%；二期改建期間，隨著水庫(kù)泄流排沙能力提高和運(yùn)用水位降低，河道淤積速度有所減緩；1973年11月三門峽水庫(kù)開始采用“蓄清排渾”控制運(yùn)用方式，至1986年10月，該河段淤積泥沙1.093億m3，年均淤積僅0.084億m3。

1986年10月龍羊峽水庫(kù)投入運(yùn)用后，龍劉（龍羊峽、劉家峽）兩庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用改變了小北干流河段來(lái)水的年內(nèi)分配過(guò)程。汛期來(lái)水量顯著減小，非汛期水量變化不大，導(dǎo)致河段淤積量明顯增大。1986年10月—2002年10月，小北干流河段共淤積泥沙6.820億m3，年均淤積0.426億m3。2003年6月以來(lái)，黃委開展了三門峽水庫(kù)非汛期最高控制水位318m的原型試驗(yàn)，由于水沙條件較為有利，因此2003年6月—2015年10月小北干流河段發(fā)生全線沖刷，總沖刷量為3.095億m3。由斷面法計(jì)算的小北干流河段1960-2015年累計(jì)淤積量見圖2。

2 洪水傳播時(shí)間變化規(guī)律

洪水在河道中的傳播時(shí)間不僅與水沙條件有關(guān)，還與河道條件密不可分。洪水演進(jìn)一方面受河道條件的制約，另一方面洪水又對(duì)河道有塑造作用，兩者的相互作用決定了洪水在河道中傳播的復(fù)雜性。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1960-2015年龍門站共出現(xiàn)洪峰流量在6000m3/s以上的洪水50次，龍門—潼關(guān)平均傳播時(shí)間為15.2h，最長(zhǎng)傳播時(shí)間為30.6h（2003年）。

由圖3（氣泡越大洪峰流量越大）可知：1960-1972年洪水傳播時(shí)間基本為10～20h，平均傳播時(shí)間與多年平均值接近；1973-1985年，隨著三門峽水庫(kù)的改建及運(yùn)用方式調(diào)整，形成了較為有利的河道條件，洪水演進(jìn)特性也發(fā)生了變化，這一時(shí)期洪水平均傳播時(shí)間為12.1h，最短傳播時(shí)間僅為7.5h；1986年以后，河段的洪水傳播時(shí)間呈逐年延長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，其中1986-2000年洪水傳播時(shí)間基本為15～20h，2000年以后傳播時(shí)間延長(zhǎng)較為明顯，2003年達(dá)到最高值，但此后隨著河段持續(xù)沖刷，洪水傳播時(shí)間又恢復(fù)到20h左右。

由于2000年以來(lái)龍門站僅發(fā)生兩次流量在600（m3/s以上的洪水，樣本較少，因此本次對(duì)2000年以來(lái)年最大洪峰的傳播時(shí)間進(jìn)行了分析。由圖4可知，2000年以來(lái)禹潼河段洪水傳播時(shí)間全部在20 h以上，最長(zhǎng)的為35.7 h（2005年），且洪水傳播時(shí)間變化與河段的淤積發(fā)展具有一定的一致性。

河段洪水傳播時(shí)間與主槽過(guò)流能力和洪水漫灘程度密切相關(guān)。淤積條件下，主槽過(guò)流能力低，大流量洪水易漫灘，導(dǎo)致洪水傳播時(shí)間延長(zhǎng)；沖淤平衡條件下，主槽相對(duì)穩(wěn)定，洪水傳播時(shí)間相對(duì)縮短。通過(guò)對(duì)小北干流河段不同時(shí)期的汛前大斷面進(jìn)行套繪，可知河道主槽隨著沖淤變化而展寬加深或淤積萎縮，其整體趨勢(shì)與前文分析的河段洪水傳播時(shí)間的變化情況一致，進(jìn)一步說(shuō)明了河段淤積或沖刷導(dǎo)致主槽過(guò)流能力的降低或提高是影響禹潼河段洪水傳播的主要原因。

3 洪水削峰率變化規(guī)律

龍門站的洪峰多為高瘦型，洪水出龍門峽谷后，流散在寬約10km的河道上，加之高含沙洪水頻繁發(fā)生，河床演變迅速，導(dǎo)致河段洪峰演變特性較為復(fù)雜。對(duì)于影響河段削峰率的因素，史輔成等[3]通過(guò)分析1981年以前的資料認(rèn)為，三門峽水庫(kù)的修建改變了河道過(guò)流能力所產(chǎn)生的影響是主要原因，同時(shí)洪峰大小、峰型系數(shù)、“揭河底”沖刷等有時(shí)也可起主導(dǎo)作用。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，龍門站有實(shí)測(cè)資料以來(lái)發(fā)生的61次流量在6000m3/s以上洪水的平均削峰率為27.2%，見表2。由表2可知，小北干流河段洪水削峰率與洪峰流量大小密切相關(guān)，洪峰流量大于10000m3/s的洪水削峰率均值要大于洪峰流量小于10000m3/s洪水的削峰率均值，這也說(shuō)明了游蕩型寬河段對(duì)大洪水的削減作用明顯高于小洪水的。同時(shí)，個(gè)別年份受“揭河底”影響，削峰率有可能出現(xiàn)負(fù)值，如1977年8月6日洪水削峰率為一16.6%，原因是漫灘洪水反注回槽，形成了洪水疊加[4]。

從時(shí)間上看，削峰率較大的情況集中在兩個(gè)時(shí)段，一是20世紀(jì)60年代后期至70年代初期，二是20世紀(jì)90年代至今。如第一個(gè)時(shí)段的1967年8月上旬至9月上旬，龍門發(fā)生5次流量大于14000m3/s的洪峰，削峰率為50%～60%[5]；又如1992年以來(lái)發(fā)生的7次流量在6000m3/s以上洪峰，平均削峰率為45.6%，其中2003年洪水的削峰率達(dá)到72.6%，為實(shí)測(cè)資料中的最大值。

通過(guò)比較河段典型大斷面不同時(shí)期主槽過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的變化來(lái)分析河道條件變化對(duì)洪水削峰率的影響。洪水前期若河道過(guò)流能力較低，則主槽過(guò)同樣流量時(shí)水位必然升高，易引起洪水漫灘，洪水漫灘后滯蓄作用增大，對(duì)洪峰削減作用明顯。由圖5可知，自20世紀(jì)80年代后期以來(lái)，小北干流河段主槽過(guò)水面積呈逐年減小趨勢(shì)，在2003年前后達(dá)到了最低水平，隨后隨著水沙條件向有利方面發(fā)展，主槽過(guò)流能力逐步提高，這與河段洪水削峰率變化的趨勢(shì)是一致的，反映了河道條件變化是影響洪水削峰率的主要因素之一。同時(shí)，當(dāng)遭遇適當(dāng)?shù)拇笏笊?，河段可能出現(xiàn)獨(dú)特的“揭河底”現(xiàn)象，將使河道條件發(fā)生猛烈調(diào)整，也會(huì)影響洪水削峰率的變化[6-11]。

綜合以上分析，小北干流河段削峰率的變化趨勢(shì)可以歸納如下：由于三門峽建庫(kù)初期淤積嚴(yán)重，河道過(guò)洪能力較低，因此稍大的洪水就會(huì)發(fā)生漫灘，此時(shí)洪水削峰率較大；隨著三門峽水庫(kù)的兩次改建和改建期間的敞泄運(yùn)用，加上20世紀(jì)70年代較為有利的水沙條件，洪水削峰率逐步減小到20%左右；1985年以后特別是進(jìn)入到20世紀(jì)90年代以后，小北干流河段遭遇不利的水沙條件，河道主槽進(jìn)一步萎縮，洪峰的變形也較大，至2003年主槽過(guò)洪能力已嚴(yán)重不足，為削峰率最大的時(shí)期；2003年以后水沙條件向有利方面發(fā)展，河段發(fā)生全線沖刷，洪水削峰率有所降低。影響洪水削峰率變化的因素包括河道邊界條件、水沙過(guò)程以及“揭河底”沖刷等。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)1960-2015年龍門站50場(chǎng)流量在6000m3/s以上的洪水資料統(tǒng)計(jì)，小北干流洪水平均傳播時(shí)間為15.2h。1986年以后傳播時(shí)間逐步延長(zhǎng)，在2003年達(dá)到最大值30.6h。近年來(lái)隨著河道的持續(xù)沖刷，傳播時(shí)間縮短為約20h。

（2）小北干流河段洪水平均削峰率為30%，20世紀(jì)60年代后期至70年代初期以及90年代至2015年是削峰率較高的兩個(gè)時(shí)期，2003年以后隨著河段發(fā)生全線沖刷，削峰率呈降低趨勢(shì)。

（3）小北干流洪水傳播時(shí)間及削峰率的變化與河道條件及水沙條件關(guān)系密切。三門峽水庫(kù)建庫(kù)以后河道淤積導(dǎo)致過(guò)流能力減弱以及20世紀(jì)90年代以來(lái)遭遇較為不利的來(lái)水來(lái)沙條件，是河段洪水傳播時(shí)間延長(zhǎng)、削峰率增大的直接原因。同時(shí)，洪水洪峰流量的大小、峰型、“揭河底”沖刷等也會(huì)對(duì)傳播時(shí)間和削峰率產(chǎn)生影響。

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