2018年汛期黃河下游河道排洪能力分析

孫贊盈，尚紅霞，彭 紅

（黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州450003）

1 研究背景

2018年汛期，黃河流域暴雨過程頻繁，強降雨落區(qū)重疊度高、極端性強，主要集中在龍羊峽—托克托區(qū)間和山陜區(qū)間北部。黃河源區(qū)雖然暴雨不多、降水強度不大，但持續(xù)時間長、降水總量大；涇渭河、北洛河6月下旬至7月中旬也接連出現(xiàn)3場較大的致洪降水過程。受降雨影響，黃河上游來水嚴(yán)重偏多，干流唐乃亥站出現(xiàn)1次、蘭州站出現(xiàn)2次編號洪水，蘭托區(qū)間（蘭州—托克托區(qū)間）多條支流出現(xiàn)建站以來最大流量。黃河中游山陜區(qū)間、涇渭河及黃河下游大汶河也出現(xiàn)了明顯的洪水過程。據(jù)統(tǒng)計，潼關(guān)斷面7月水量為57.1億 m3，其中約52%來自龍門以上黃河干流，43%來自渭河，5%來自汾河和北洛河；8—10月潼關(guān)斷面水量為264.6億 m3，約81%來自龍門以上黃河干流，17%來自渭河，2%來自汾河和北洛河。受大汶河來水較多影響，東平湖向黃河泄水1.82億m3。

2018年汛期小浪底出庫水量為222億m3，2018年是小浪底水庫運用以來水量最大的年份，比次大年份2012年（152億m3）偏大46%，為小浪底水庫運用以來汛期年均水量77億m3的近3倍。2018年小浪底水庫出庫最大含沙量為353 kg/m3，全年排沙4.66億t，為小浪底站次大年份2004年（1.42億t）的3.27倍，是水庫運用以來出庫含沙量、排沙量均最大的一年。為應(yīng)對渭河洪水和上游來水，三門峽、小浪底水庫防洪運用，在黃河下游形成明顯的水沙過程，花園口站流量大于2 500 m3/s的洪水共有4場。水庫排沙主要集中于7月，水庫排沙4.15億t，黃河下游河段淤積2.483億t，占來沙量的近60%。雖然7月洪水期間高村以上河段尤其是花園口以上河段發(fā)生了大量淤積，但7月排沙期間淤積河段中絕大部分河段的同流量水位不但沒有升高，反而明顯降低[1]。

據(jù)統(tǒng)計，潼關(guān)斷面來沙量的84%由流量小于2 500 m3/s的水流挾帶[2]。自1997年汛前到2018年汛前，小浪底庫區(qū)累計淤積33.33億m3。小浪底水庫攔沙使得進入黃河下游的泥沙量大大減小，使下游河道發(fā)生沖刷，但另一方面又引起水庫淤積。未來，在遇到諸如2018年汛期這樣的較長歷時流量過程時，小浪底水庫必然還要排沙，從長遠(yuǎn)看，小浪底水庫也只能采取這種“零存整取”的運用方式[3-5]，其中“零存”即攔蓄入庫的小流量挾沙，“整取”則是在遇到長歷時大流量入庫流量過程時水庫集中排沙?？偨Y(jié)2018年汛期黃河下游河道沖淤、水位及河道排洪能力變化，對于未來小浪底水庫的運用具有一定的指導(dǎo)意義。

2 來水來沙過程

根據(jù)流量漲落過程，把2018年汛期進入黃河下游的流量過程劃分為7場，其中包括4場洪水過程和3場平水過程（見圖1，小黑武指小浪底、黑石關(guān)、武陟3站），表1為2018年汛期洪水過程特征值。由圖1及表1可以看出，4場洪水總歷時為82 d，總水量為178.6億m3，總沙量為4.44億t。其中洪水1的歷時為29 d，水量為68.8億m3，沙量為4.15億t，花園口站平均流量為2 957 m3/s，平均含沙量為62.5 kg/m3，是4場洪水中歷時最長、流量最大、水量最大、含沙量最高的洪水。水量居次的洪水為第4場洪水，水量為64.2億m3，為清水洪水。其他2場洪水水量均小得多。第1場洪水沙量為4.15億t，分別占4場洪水和汛期沙量的93%、89%，說明沙量主要集中在第1場洪水，其他幾場洪水水庫排沙很少或為清水。

圖1 2018年汛期小黑武水沙過程線

表1 2018年汛期4場洪水3場平水過程的特征值

3 河道沖淤狀況分析

沙量法便于分析不同流量過程的沖淤狀況，而斷面法則便于分析沖淤量在斷面橫向上的沖淤分布。本文根據(jù)沙量法和斷面法的特點，對2018年汛期黃河下游的沖淤狀況進行分析[6]。

3.1 各場次洪水沖淤狀況的沙量法分析

沿程平均含沙量反映了泥沙濃度的沿程變化，實際上反映了河道沿程沖淤的變化，這種方法可以避開引沙量誤差對沖淤計算的影響。圖2為7場流量過程的平均含沙量沿程變化，從圖2看到，各場洪水含沙量沿程變化的共同特點是：①夾河灘以上河段含沙量變化較明顯，尤其是花園口以上河段；②高村以下河段含沙量沿程增減，變化不明顯，例如洪水1小黑武的平均含沙量為 53.5 kg/m3，到花園口斷面減小為30.0 kg/m3，減小約50%，到夾河灘又減小了19%，而高村及其以下河段的含沙量為21～23 kg/m3，總的來說沿程變化很小。

圖2 平均含沙量沿程變化

表2為包含4場洪水在內(nèi)的7場洪水或流量過程的河段沖淤量計算結(jié)果，除了洪水1小浪底—夾河灘河段尤其是花園口以上河段發(fā)生顯著淤積外，其他場次洪水整個下游各河段沿程沖淤不大。洪水1小浪底—花園口、花園口—夾河灘、夾河灘—高村和高村—孫口河段分別淤積1.920億、0.424億、0.068億、0.149億t，孫口以上河段共淤積2.412億t，占總來沙量4.15億t的62%。其中尤以小浪底—花園口河段最為突出，占孫口以上河段淤積量的75%。洪水4水量為64.2億t，由于水量大且為清水，因此是沖刷量最大的，下游共沖刷0.490億t，沖刷主要集中在花園口以上，為0.320億m3。小浪底—利津河段4場洪水共淤積1.717億t，3場平水期共沖刷0.081億t，汛期共淤積1.636億 t。

表2 2018年汛期不同河段沖淤量億t

3.2 斷面法對沖淤量及沖淤特點的分析

根據(jù)黃河下游小浪底—汊3河段汛期、汛后共369個河道統(tǒng)測大斷面計算成果，2018年4月26日—10月24日下游共沖刷0.204 7億m3；從沖淤量沿程分布看，夾河灘以上發(fā)生淤積，以下發(fā)生沖刷，夾河灘以上的淤積量中，花園口以上河段淤積量占80%，即汛期的淤積主要集中在花園口以上河段（見表3）。從圖3給出的斷面法沿程累計沖淤量看，夾河灘以上河段的淤積實際發(fā)生在距小浪底大壩174.92 km的郭莊以上河段，淤積量沿程分布比較均勻，淤積量為0.724 4億m3，相當(dāng)于斷面平均淤積面積為414 m2。從沖淤面積看，花園口以上河段淤積強度最大，為380 m2，夾河灘—高村河段的沖刷強度最大，為293 m2；孫口—利津的沖刷強度較小，為67～99 m2；高村—孫口和利津以下的沖刷強度居中，約為110 m2。

表3 斷面法計算的各河段沖淤量和河段平均斷面沖淤面積

圖3 斷面法計算的沿程累計沖淤量

3.3 郭莊以上河段淤積原因分析

（1）前期河道“寬淺散亂”。郭莊以上河段共有84個斷面，其中發(fā)生淤積的斷面共67個，約占80%。從圖4可知，多數(shù)斷面的淤積面積隨河槽寬度的增大而增大。這說明河槽越寬淺的斷面淤積越嚴(yán)重。根據(jù)2017年汛后西莊、駕部、趙蘭莊、黑石和郭莊斷面所在河段的衛(wèi)星影像可知，該河段“寬淺散亂”的特點十分明顯。由圖5可知，此次排沙期間大量的淤積發(fā)生在河槽邊上水深較小的嫰灘處。汛后和汛前相比，嫰灘抬高，主槽形態(tài)變得更為明顯，從排洪輸沙的角度看，主槽形態(tài)變得相對窄深，水流集中、流速增大，更有利于后期排洪輸沙。也就是說，經(jīng)過汛期的淤積調(diào)整，該河段的主槽形態(tài)更加明顯，排洪輸沙能力明顯增強。

圖4 斷面沖淤面積與河槽寬度的關(guān)系

圖5 駕部斷面2018年汛期前后的變化

“04·8”洪水期間，小浪底水庫出庫水量為13.67億m3、排沙量為1.42億 t，最大流量為2 690 m3/s，最大含沙量為346 kg/m3。該場洪水在花園口以上河道非但沒有發(fā)生淤積，反而沖刷了0.10億t。2018年排沙期間河道發(fā)生淤積，而2004年沒有，主要原因是前期河道邊界條件差別很大。作為對照，圖6為2004年和2018年汛前駕部斷面的套匯圖，2004—2018年高村以上不少河段受長期沖刷作用，河道變得相對寬淺，不少河段變得“寬淺散亂”，從而使河道在排沙期容易發(fā)生淤積。

圖6 2004年和2018年汛前駕部斷面

從花園口水文站基上1 700 m測流斷面水面寬和過流面積的關(guān)系（沒有選擇和2004年比較，原因是2004年的測流斷面位置與2018年的不一致）看，從2015年到2018年第一場洪水，花園口基上1 700 m測流斷面面積1 500 m2的水面寬由400 m增加到2018年的500～550 m，斷面展寬十分明顯，這必然引起流速減小。

（2）前期河槽對水流的阻力大。根據(jù)已有大量實驗室和天然河流水流條件和床面形態(tài)的研究，河槽的床面形態(tài)會隨著水流條件和床沙組成不同而發(fā)生變化，會出現(xiàn)沙壟、沙紋和動平整，其對水流的阻力不同[7-12]。2018年7月，根據(jù)張原鋒等對花園口附近縱向上長3 000 m河段的觀測，7月6日排沙前縱向上的沙浪起伏很大，竟達到了4 m。

4 同流量水位變化

（1）汛期水文站同流量水位變化。由表4可知，花園口和夾河灘的同流量水位經(jīng)歷了快速下降和緩慢抬升兩個階段，7月洪水期間，同流量水位快速下降，在近1個月的時間內(nèi)，花園口和夾河灘流量3 000 m3/s對應(yīng)的水位分別下降了0.60、0.44 m；8—10月則緩慢抬升，在70多d時間內(nèi)，花園口和夾河灘流量3 000 m3/s對應(yīng)的水位分別抬升了0.46、0.29 m。抬升階段的水位抬升速率遠(yuǎn)小于下降階段的水位下降速率。高村、孫口、艾山和利津站流量3 000 m3/s對應(yīng)的水位變幅不大。其次，濼口站流量3 000 m3/s對應(yīng)的水位降低明顯，但流量2 000 m3/s對應(yīng)水位降低不明顯。

表4 3 000 m3/s流量對應(yīng)的水位變化 m

（2）險工水尺及水位站7月洪水同流量水位變化。采用水位站或險工水尺附近水文站的流量過程，考慮不同場次洪水傳播時間的不同，將其平移到水位站，得到水位站流量過程，從而可得到水位站的水位流量關(guān)系。本文重點對7月排沙洪水期間的險工水尺水位變化進行了詳細(xì)分析。計算2018年7月上旬與7月下旬洪水漲落期同流量（2 800 m3/s）水位并計算其差值，可得：①鐵謝以上河段的同流量水位均是下降的，降幅為0.13～0.43 m；②逯村—開儀河段水位抬升，其中小浪底壩下40.82 km的花園鎮(zhèn)斷面的同流量水位抬升0.91 m，最為突出；③化工—駕部同流量水位變化不明顯；④棗樹溝—大宮同流量水位降幅最為明顯，其中雙井水位降幅為1.43 m，最為突出；⑤王庵—彭樓同流量水位降幅較為明顯；⑥彭樓以下水位升降不明顯（見圖7）?？梢?，此次洪水大部分河段的排洪能力沒有明顯降低，局部河段同流量水位抬升顯著，還需要進一步分析。

5 郭莊以上河段同流量水位變化和沖淤量不一致的原因分析

洪水1郭莊以上絕大部分河段的同流量水位是下降的，而花園口以上河段淤積1.92億t，二者似乎有“矛盾”，但其實沖淤只是影響水位變化的因素之一，而不是全部因素。分析洪水1河道淤積但水位下降的原因有：①據(jù)R2SONIC2024多波束測深系統(tǒng)（MBES）實地觀測，排沙后的7月24日，沙浪起伏值最大為1.5 m，與之前相比大大減小，床面變得平整，從而使河槽對水流的阻力顯著減小，流速顯著增大；②據(jù)對汛期前后的大斷面套匯比較，凡是寬淺的斷面，邊灘均發(fā)生大量淤積，淤厚2 m左右，有的甚至達到3 m。邊灘大量淤積，河槽變得相對窄深，進一步減少了高低流速帶因流速差異引起水流交換帶來的能量損失[13-14]，也使水流更加集中，有利于提高流速。圖7為花園口水文站（基上1 700 m）洪水張落期間的流速變化，受以上兩個因素的影響，落水期流速比漲水期大0.50～0.70 m/s。流速提高后，通過相同的流量需要的過水面積顯著減小，使得同流量水位降低。

圖7 花園口水文站（基上1 700 m）流速變化

6 結(jié)論、認(rèn)識與建議

6.1 主要結(jié)論

（1）汛期進入下游的水沙量分別為222億m3和4.66億t。按沙量法計算，黃河下游河道（小浪底—利津）共淤積1.636億t，淤積主要集中在花園口以上河段以及花園口—夾河灘河段，分別為1.336億、0.434億t，高村—孫口以及濼口—利津河段也發(fā)生了微量淤積，淤積量分別為0.172億、0.056億t；夾河灘—高村、孫口—艾山及艾山—濼口發(fā)生了沖刷，共計沖刷0.361億t，汛期沒有發(fā)生漫灘，沖淤均發(fā)生在河槽內(nèi)。

（2）2018年汛末與汛初相比，花園口、夾河灘和濼口站同流量水位分別降低了0.15、0.16、0.38 m，高村、孫口、利津站水位分別抬升了0.04、0.07、0.08 m。

6.2 認(rèn) 識

在持續(xù)沖刷條件下，花園口以上河道展寬明顯，河道相對散亂、水流分散，當(dāng)小浪底水庫塑造高含沙大流量過程時，雖然下游河道發(fā)生了較大淤積，但淤積主要集中在花園口以上河段，使得河槽形態(tài)向窄深方向發(fā)展，從而使水流更加集中，同時河槽床面變得平整，流速增大，淤積河段的同流量水位并沒有發(fā)生抬升，反而有所降低。

6.3 建 議

小浪底水庫近年的運用實踐表明，水庫在遇到入庫流量大于3 000 m3/s的較大流量過程時，通過降低庫水位可以形成出庫含沙量在200 kg/m3以上的較大流量高含沙水流；另一方面，黃河下游高村以上河段歷經(jīng)長期清水沖刷，變得越來越寬淺散亂，支溝眾多，水庫排沙洪水經(jīng)過時，會在支溝、邊灘等水淺流緩的地方發(fā)生大量淤積，主河槽不淤積或淤積甚微，洪水過后，水流集中，流速增大，同流量水位并未抬升，邊灘發(fā)生淤積，主槽更為明顯，河槽的排洪和輸沙能力反而有所提高。

近30多a來，隨著黃河中上游工農(nóng)業(yè)發(fā)展和流域下墊面條件的變化，進入小浪底水庫的水沙過程發(fā)生了巨大變化，洪水量級越來越小，頻次變得越來越少，長歷時、大流量入庫過程已變得可遇而不可求[4]。為盡可能減緩小浪底水庫淤積，建議在遇到諸如2018年這樣的較長歷時、較大流量過程時，水庫應(yīng)盡可能降低水位多排沙。