黃河下游洪水頻率分析研究

蔡蓉蓉 張紅武 卜海磊

摘 要：為避免歷史調查洪水誤差較大對設計洪水計算的影響和我國過于保守的分析思路導致設計洪水值普遍偏大而影響黃河下游防洪體系合理運行的現狀，利用黃河下游花園口站百年實測洪峰流量還原資料，通過洪水頻率分析和調洪計算對花園口站在小浪底等水庫運用前后的設計洪水頻率及洪水過程進行研究，并結合洪峰流量相關圖確定了黃河下游各站的設計洪峰流量。結果表明：花園口站天然狀態(tài)和考慮小浪底等水庫運用的100 a一遇設計洪峰流量分別為22 949、12 948 m3/s，黃河下游夾河灘、高村、孫口站在小浪底等水庫運用后100 a一遇設計洪峰流量分別為11 730、11 050、10 100 m3/s;花園口站天然狀態(tài)和考慮小浪底等水庫運用的1 000 a一遇設計洪峰流量分別為32 301、20 865 m3/s，小浪底等水庫運用后相應的夾河灘、高村、孫口站1 000 a一遇設計洪峰流量分別為19 125、17 100、15 350 m3/s。對比其他學者的成果和目前采用的設計洪水標準，所得結果較小，現有堤防設防標準自然相應提高，表明黃河下游防洪安全客觀上存在一定余地，為解放北金堤滯洪區(qū)與明顯減小東平湖滯洪區(qū)的分洪概率和分洪量提供了良好條件，有利于采用“兩道防線”與生態(tài)治理、因灘施治相結合的“三灘分治”模式治理黃河，進而使黃河下游成為造福兩岸人民的幸福河。

關鍵詞：洪水頻率分析;調洪計算;設計洪水;花園口站;黃河下游

Abstract：In order to avoid the influence of the potential errors of the estimated historical floods to the design flood estimation and the potential influence of the overly conservative results of the design flood estimation to the current operation of the flood control system in the lower Yellow River （LYR）， this study conducted the flood frequency analysis of 100-year restored flood peak flow series of the Huayuankou Station （HYK） to quantify the flood frequency of the HYK before and after the operation of the Xiaolangdi Reservoir （XLDR） and estimate the corresponding design flood discharges of several stations （Jiahetan （JHT）， Gaocun （GC） and Sunkou （SK）） over the LYR by using the flood flow correlation diagrams. The results show that the calculated natural （before the XLDR） and current （after the XLDR） 100-year flood peak discharges over the HYK are 22 949 and 12 948 m3/s， while the corresponding values for the JHT， GC， and SK after the XLDR are 11 730， 11 050 and 10 100 m3/s respectively. Besides， the natural and current 1 000-year flood peak discharges of the HYK are 32 301 and 20 865 m3/s， while those values of the JHT， GC and SK after the XLDR are 19 125， 17 100 and 15 350 m3/s respectively. In comparison with the estimations of many other studies and the current design flood standards， the results shown in this study are smaller， indicating that the current levee protection standard over the LYR can provide sufficient security margins. The potential sufficient margins can provide proper conditions for the relief of the flood detention zones over the Beijindi and the reduction of the usage of the flood detention zones over the Dongping Lake and is conducive to the adoption of the “Two Lines of Defense” river management strategies combined with the ecological management and the basin specific management strategy “Three basins， Three Strategies”， thus making the LYR a “happiness river” for the benefit of the people.

Key words： flood frequency analysis; flood regulation calculation; design flood; Huayuankou Station; Lower Yellow River

1 引 言

設計洪水量級和河流治理對策的確定與具體防洪工程的布局密切相關[1-2]。為解決水文實測資料短缺問題，我國自20世紀50年代初期以來，借鑒日偽時期修建豐滿、水豐、二龍山等大型水庫工程確定設計洪水時，將發(fā)掘的遠年特大歷史洪水資料應用到設計洪水頻率分析計算中的做法[3]，采用歷史調查洪水和實測洪水資料相結合的方式，通過洪水頻率分析方法確定設計洪水[4-7]。具體到黃河流域，筆者通過查閱《黃河流域歷史洪水調查考證及計算工作的體會》[8]，發(fā)現了進行黃河流域洪水頻率分析時計入歷史調查洪水的理由。該報告指出：黃河流域干支流水文資料長度較短，新中國成立以前資料殘缺不全，采用數理統(tǒng)計方法進行頻率計算時，通過長度較短的水文資料進行外延以分析百年、千年、萬年一遇設計洪水會產生較大的抽樣誤差;進行洪水頻率分析時，若只采用實測（觀測）資料，統(tǒng)計參數和設計結果會隨資料長度的增加產生顯著變化，而在計算中加入歷史調查洪水后，即使資料長度不斷增加，成果也不會產生大的變化。由此看出，該理由前部分是合理的，“通過長度較短的水文資料進行外延以分析百年、千年、萬年一遇設計洪水”，由于所選擇資料系列相對于洪水系列總體不具代表性，因此會產生較大的誤差而缺乏可靠性。不過，該理由后部分則暴露出一些問題，“采用實測（觀測）資料，統(tǒng)計參數和設計結果會隨資料長度的增加產生顯著變化”實際是符合自然規(guī)律的（只是所用“顯著”一詞不那么確切，除非實際出現非常洪水，才可能產生“顯著變化”），不能作為加入歷史調查洪水資料的理由，至于“在計算中加入歷史調查洪水后，即使資料長度不斷增加，成果也不會產生大的變化”，卻暴露出加入歷史調查洪水資料的最大缺陷[9]，無論如何，都不能排除實測（觀測）資料對設計洪水成果的影響。

具體而言，進行黃河流域歷史洪水洪峰流量計算時（即確定歷史調查洪水時）多采用比降法[3，10-13]?？紤]到水深與糙率n之間的關系通常并不十分明確[14]，比降J不易測量[15]，采用綜合系數Kf（Kf= J/n=V/R2/3）代替比降計算洪峰流量[16]。以1843年洪水事件時三門峽站洪峰流量計算為例，采用三門峽上口站實測資料繪制水力半徑R與綜合系數Kf的關系曲線，根據洪水時的水力半徑求出對應的綜合系數Kf，再利用綜合系數、斷面面積、水力半徑計算出洪峰流量[17]，原始數據見表1。雖然采用綜合系數法減小了直接使用糙率n和比降J計算帶來的誤差，但仍存在一定的問題，如計算使用的斷面面積要素等實際難以確切量化，且計算假定特大洪水時的R—Kf關系與中常洪水時的R—Kf關系相同，也不符合實際。鑒于特大洪水發(fā)生年代久遠，調查結果與真實情況之間難免存在偏差，再考慮到高含沙水流的特殊性質，更不能直接將適用于中常洪水的水文指標關系式應用于特殊洪水計算，歷史洪水調查成果確實需要進一步修正[9]。

綜上，過去進行洪水頻率分析計算時資料年限較短，不具有代表性，為了穩(wěn)定設計洪水結果，將歷史調查洪水計入資料系列內。現如今，已積累了大量實測水文資料，同時考慮到當年歷史調查洪水成果的誤差較大，且經計算發(fā)現進行洪水頻率計算時即使不計入歷史調查洪水，只要洪水資料連續(xù)系列較長且包含典型豐中枯水的資料，近30多a沒有出現大洪水，對設計洪水結果影響有限，洪水頻率也相對穩(wěn)定，且分析成果更為合理[9，18]。已有學者指出，我國進行設計洪水計算時在各個環(huán)節(jié)偏于保守，使得設計洪水值普遍偏大，造成不必要的投資浪費[6]，甚至影響大江大河防洪體系的合理運行[9]。在當今的水沙情勢下，應科學修正設計洪水成果，使得防洪減災體系合理科學，與新時代的發(fā)展情勢相適應[9]。在如今可靠的實測洪水資料已較為豐富的背景下，根據國家重點科技研發(fā)計劃專項“黃河下游河道與灘區(qū)治理研究”項目第一課題“黃河下游未來洪水條件及其災害情景”任務書要求，為克服傳統(tǒng)的先利用稀遇洪水的歷史調查洪水點據與部分實測資料將頻率曲線走向確定后，再調整CS/CV進行經驗適線所導致的“即使資料長度不斷增加，成果也不會產生大的變化”的缺陷，盡可能利用實測資料而不采用歷史調查洪水點據，對黃河下游洪水頻率展開分析計算，以給出適用于當前與未來水沙情勢的設計洪水成果。

2 研究數據與方法

2.1 研究數據

收集花園口站1919—1949年歷年最大洪峰流量資料、1950—2010年實測洪峰流量還原資料[7]、三門峽站與花園口站2011—2020年年最大流量資料，其中花園口站歷年最大洪峰流量如圖1所示。2000年后由于缺少大洪水流量過程，洪水資料還原與否對設計洪水結果影響基本在分析的誤差范圍之內，因此2011—2020年資料基本可以直接采用實測資料。為偏于安全，對這10 a資料，如果某年份花園口站年最大流量小于三門峽站的，則該年采用三門峽站最大流量資料，相當于小浪底水庫沒有起到攔蓄作用。

2.3 水庫運用方式

根據胡一三等[22]的研究成果查得小浪底水庫2002年汛前的庫容及泄流量（見表2），小浪底水庫防洪限制水位為275 m，允許防洪運用庫容為40.5億m3。根據水位庫容曲線與40.5億m3防洪庫容，確定起始計算庫容為71.5億m3，通過線性插值求得對應水位為258 m，根據水位通過線性插值得到對應的泄流能力。擬定小浪底水庫100 a一遇洪水時的運行方式：①當入庫流量小于10 000 m3/s時，出庫流量等于入庫流量;②當入庫流量大于等于10 000 m3/s時，按湊泄花園口站流量為10 000 m3/s（當入庫流量小于12 000 m3/s時，陸渾、故縣、河口村水庫按合計1 000 m3/s下泄，小花區(qū)間來水按2 000 m3/s計算;當入庫流量大于等于12 000 m3/s時，陸渾、故縣、河口村水庫不下泄，小花區(qū)間來水按2 000 m3/s計算）;③當入庫流量大于等于10 000 m3/s，但湊泄花園口流量為10 000 m3/s無法滿足時，出庫流量按對應水位的泄流能力計算。

小浪底水庫300 a一遇洪水時的運行方式：①當入庫流量小于10 000 m3/s時，出庫流量等于入庫流量;②當入庫流量大于等于10 000 m3/s時，按湊泄花園口流量為10 000 m3/s（當入庫流量小于12 000 m3/s時，陸渾、故縣、河口村水庫按合計1 250 m3/s下泄，小花區(qū)間來水按2 500 m3/s計算;當入庫流量大于等于12 000 m3/s時，陸渾、故縣、河口村水庫不下泄，小花區(qū)間來水按2 500 m3/s計算）;③當入庫流量大于等于10 000 m3/s，但湊泄花園口流量為10 000 m3/s無法滿足時，出庫流量按對應水位的泄流能力計算。

小浪底水庫1 000 a一遇洪水時的運行方式：①當入庫流量小于10 000 m3/s時，出庫流量等于入庫流量;②當入庫流量大于等于10 000 m3/s時，按湊泄花園口流量為12 000 m3/s（當入庫流量小于12 000 m3/s時，陸渾、故縣、河口村水庫按合計2 000 m3/s下泄，小花區(qū)間來水按4 000 m3/s計算;當入庫流量大于等于12 000 m3/s時，陸渾、故縣、河口村水庫不下泄，小花區(qū)間來水按4 000 m3/s計算）;③當入庫流量大于等于10 000 m3/s，但湊泄花園口流量為12 000 m3/s無法滿足時，出庫流量按對應水位的泄流能力計算。

3 花園口站設計洪水分析

3.1 天然狀態(tài)下花園口站設計洪水成果

采用2.1節(jié)中的研究數據，即nf=100，根據2.2節(jié)中的分析方法，得到花園口站洪水頻率分析結果，見圖2和表3。由此得到考慮小浪底等水庫影響前，天然狀態(tài)下花園口站的設計洪水成果，100 a一遇設計洪峰流量為22 949 m3/s，300 a一遇設計洪峰流量為27 424 m3/s，1 000 a一遇設計洪峰流量為32 301 m3/s。將張紅武等修正的較為符合實際的1843年洪水花園口洪峰流量為33 000 m3/s、重現期為1 200 a[9]，點繪在圖2中，可看出其點據恰好在設計頻率曲線上，表明上述成果較為合理。

3.2 考慮水庫影響時花園口站設計洪水成果

李保國等[7]通過洪水頻率分析得到天然狀態(tài)下的設計洪水成果后，還根據不同量級設計洪水成果與典型洪水過程線放大得到對應量級的設計洪水過程線，再通過調洪計算得到考慮水庫等影響后的設計洪水成果。本文選取1958年7月實測洪水過程為典型洪水過程（見圖3），以千年一遇分析結果為例，可根據32 301 m3/s與22 300 m3/s的比值同倍比放大得到設計洪水過程線（見圖3）。

使用放大后的洪水過程線，根據2.3節(jié)介紹的水庫運用方式進行調洪計算，得到小浪底水庫的出庫流量。將此流量過程與對應陸渾、故縣、河口村水庫及小花區(qū)間來水的總和作為花園口站的洪水過程，該洪水過程的最大值即為考慮小浪底等水庫影響后對應量級設計洪水花園口站的洪峰流量。最終，計算得到考慮小浪底等水庫運用后花園口站100 a一遇設計洪峰流量為12 948 m3/s，使用相同的方法計算得到考慮小浪底等水庫運用后花園口站300 a一遇、1 000 a一遇設計洪峰流量分別為13 611、20 865 m3/s。將本文計算結果與已有文獻中的計算結果[7，23]進行對比，見表4，發(fā)現本文結果比李保國等[7]計算得到的結果還小。

4 黃河下游各站設計洪水分析

采用陳贊廷等[24]編制的“黃河流域實用水文預報方案”中花園口站—夾河灘站、夾河灘站—高村站、高村站—孫口站的洪峰流量相關圖，根據花園口站的100 a一遇、300 a一遇和1 000 a一遇設計洪峰流量得到夾河灘站、高村站、孫口站的對應設計洪峰流量，如圖4～圖6所示。

將上述結果與已有文獻中的計算結果[7，23]對比，見表5。本文方法所得孫口站計算結果比李保國等[7]計算結果還小，本文方法所得夾河灘站、高村站、孫口站計算結果明顯小于黃委[23]的計算結果。此外，張紅武等使用1919—1999年實測洪水還原資料，結合調洪計算，得到小浪底等水庫影響前后花園口站的設計洪水成果，再進一步利用下游各站洪峰流量相關關系與以往所開展的黃河下游模型試驗經驗，給出黃河下游各站設計洪水成果[9]，同本文方法所得結果頗為接近，只是本文方法所得夾河灘、高村等站的洪峰流量更小一些。

著名治黃專家陳先德在指導本文研究工作時指出，大型工程對黃河水沙變化的影響具有階躍特性，例如龍羊峽與劉家峽水利樞紐使托克托站汛期流量由2 000 m3/s降至500 m3/s左右，基流減少使北干流的洪水峰高量小，洪水進入干流迅速坦化，龍門很難出現20 000 m3/s以上洪水流量，洪水流量基本在10 000 m3/s以下?；▓@口站流量超過10 000 m3/s的萬年一遇最大洪量為26億m3，完全能被現有工程和桃花峪工程攔蓄。

綜合本文結果，小浪底等水庫運用后黃河下游各水文站設計洪峰流量都有所減小，自然意味著現有堤防設防標準都相應提高，例如，由表5數據估計出花園口現狀設防流量22 000 m3/s相應的洪水頻率可達1 560 a一遇，而按原設計該流量洪水頻率為“近千年一遇”，表明黃河下游防洪安全確實存在一定余地。若再進一步修建桃花峪水庫，可在黃河下游發(fā)生千年一遇洪水時不使用北金堤滯洪區(qū)，徹底解放北金堤滯洪區(qū)[9]，且可在黃河發(fā)生300 a一遇以上洪水時，明顯減小東平湖滯洪區(qū)的分洪概率和分洪量，從而為黃河下游成為造福山東、河南人民的幸福河提供前提條件。與此同時，在黃河下游10 000 m3/s流量實際出現頻率已經較小的條件下，清華大學與黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司等單位共同承擔的國家重大科技研發(fā)計劃專項“黃河下游河道與灘區(qū)治理研究”提出了“兩道防線”布局[25]與生態(tài)治理、因灘施治[26]相結合的“三灘分治”方案，即防護堤按高標準修建，作為保障“二灘”和“嫩灘”區(qū)域的相對穩(wěn)定的“第一道防線”，從而將從黃河大堤到主槽的灘地依次分區(qū)改造為“高灘”“二灘”和“嫩灘”[27]。以該方案實施黃河下游河道和灘區(qū)綜合提升治理工程，可實現黃委的“寬河固堤、穩(wěn)定主槽、因灘施治、綜合治理”思路和目標[28]，使黃河下游形成生態(tài)保護和高質量發(fā)展的嶄新局面。

5 結 論

以往分析設計洪水頻率曲線時，多先利用稀遇洪水的歷史調查洪水點據與部分實測資料將頻率曲線走向確定后，再調整CS/CV進行經驗適線，不僅人為性強，而且存在“即使資料長度不斷增加，成果也不會產生大的變化”的缺陷。為此，本文不采用歷史調查洪水點據，利用花園口站1919—1949年歷年最大洪峰流量資料、1950—2010年實測洪峰流量還原資料與2011—2020年最大流量資料，對黃河下游花園口站的設計洪水頻率及洪水過程進行計算分析。結果表明，天然狀態(tài)下花園口站100 a一遇設計洪峰流量為22 949 m3/s，考慮小浪底等水庫影響后花園口站100 a一遇設計洪峰流量為12 948 m3/s，結合洪峰流量相關圖計算出黃河下游孫口站對應量級洪峰流量為10 100 m3/s。本文所得設計洪水成果比其他學者推薦修訂成果小，人為性小且適用于當前與未來水沙情勢。小浪底等水庫運用后黃河下游各水文站設計洪峰流量都有所減小，花園口現狀設防流量22 000 m3/s相應的洪水頻率由“近千年一遇”減小到1 560 a一遇，意味著現有堤防設防標準都相應提高，有利于按照“兩道防線”與生態(tài)治理、因灘施治相結合的“三灘分治”模式，實施黃河下游河道和灘區(qū)綜合提升治理工程。

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