黃河小北干流河段洪水演進規律變化分析

李保國 崔振華

摘要：為了給黃河小北干流河段河道工程建設管理、防洪減災、水文預報等工作提供參考，根據1960-2015年龍門站50場流量6000m3/s以上的洪水資料，對河段洪水演進規律進行了分析。結果表明：①小北干流洪水平均傳播時間為15.2h，1986年以后傳播時間逐步延長，在2003年達到最大值30.6h。近年來隨著河道的持續沖刷，傳播時間縮短為約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時期，2003年以后隨著河段發生全線沖刷，削峰率呈減小趨勢。③小北干流洪水傳播時間及削峰率的變化與河道條件及水沙條件關系密切。三門峽水庫建成以后河道淤積導致過流能力減弱以及20世紀90年代以來遭遇較為不利的來水來沙條件，是河段洪水傳播時間延長、削峰率增大的直接原因。同時，洪水洪峰流量的大小、峰型、“揭河底”沖刷等也會對傳播時間和削峰率產生影響。

關鍵詞：傳播時間；削峰率；演進規律；洪水；小北干流；黃河

中圖分類號：TV122；TV882.1 文獻標志碼：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，洪水演進規律復雜。20世紀60年代以來，受人類活動及氣候變化的雙重作用，來水來沙及河道條件進一步惡化，洪水演進規律發生了很大變化。2003年7月，龍門站發生洪峰流量為7340m3/s的洪水（為1996年以來最大），洪水演進至潼關歷時30.6h，潼關站相應洪峰流量為2110m3/s，扣除渭河、北洛河、汾河來水后流量為2010m3/s，削峰率達72.6%，洪水傳播時間和削峰率均大幅高于以往的一般統計值。洪水演進規律的劇烈變化給河道工程建設管理、防洪減災、水文預報等工作造成諸多不利影響，因此分析該河段的洪水演進變化規律，具有一定的實際意義。

1 來水來沙及河道沖淤

1.1 來水來沙變化情況

根據1960年11月—2015年10月龍門、河津水文站實測資料統計，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，龍門站實測最大含沙量為933kg/m3（1966年）。進入小北干流河段的水量主要來自河口鎮以上地區，泥沙主要來自河口鎮至龍門區間（簡稱河龍區間），頭道拐站1960年11月—2013年10月多年平均來水量為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%，而沙量僅占15.2%。同一時期河龍區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；最大年來水量為556.3億m3（1966年），約為最小年來水量136.2億m3（2001年）的4.1倍。

1960年以來，龍門+河津水文站4個時段的多年平均水沙量統計見表1。從表1可知，20世紀60年代屬于豐水豐沙時段，1968年劉家峽水庫投入運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。若與第一時段（1960-1968年）進行對比，則第二、第三、第四時段減水比例分別為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，其河道淤積和來水來沙條件及河床邊界條件有關。三門峽水庫自1960年9月蓄水至今，經歷了蓄水攔沙、滯洪排沙及蓄清排渾控制運用3個時期。1960年9月—2015年10月小北干流河道共淤積泥沙22.721億m3，淤積主要發生在三門峽水庫二期改建以前，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，隨著水庫泄流排沙能力提高和運用水位降低，河道淤積速度有所減緩；1973年11月三門峽水庫開始采用“蓄清排渾”控制運用方式，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月龍羊峽水庫投入運用后，龍劉（龍羊峽、劉家峽）兩庫聯合運用改變了小北干流河段來水的年內分配過程。汛期來水量顯著減小，非汛期水量變化不大，導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，黃委開展了三門峽水庫非汛期最高控制水位318m的原型試驗，由于水沙條件較為有利，因此2003年6月—2015年10月小北干流河段發生全線沖刷，總沖刷量為3.095億m3。由斷面法計算的小北干流河段1960-2015年累計淤積量見圖2。

2 洪水傳播時間變化規律

洪水在河道中的傳播時間不僅與水沙條件有關，還與河道條件密不可分。洪水演進一方面受河道條件的制約，另一方面洪水又對河道有塑造作用，兩者的相互作用決定了洪水在河道中傳播的復雜性。經統計，1960-2015年龍門站共出現洪峰流量在6000m3/s以上的洪水50次，龍門—潼關平均傳播時間為15.2h，最長傳播時間為30.6h（2003年）。

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

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

河段洪水傳播時間與主槽過流能力和洪水漫灘程度密切相關。淤積條件下，主槽過流能力低，大流量洪水易漫灘，導致洪水傳播時間延長；沖淤平衡條件下，主槽相對穩定，洪水傳播時間相對縮短。通過對小北干流河段不同時期的汛前大斷面進行套繪，可知河道主槽隨著沖淤變化而展寬加深或淤積萎縮，其整體趨勢與前文分析的河段洪水傳播時間的變化情況一致，進一步說明了河段淤積或沖刷導致主槽過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生，河床演變迅速，導致河段洪峰演變特性較為復雜。對于影響河段削峰率的因素，史輔成等[3]通過分析1981年以前的資料認為，三門峽水庫的修建改變了河道過流能力所產生的影響是主要原因，同時洪峰大小、峰型系數、“揭河底”沖刷等有時也可起主導作用。

經統計，龍門站有實測資料以來發生的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，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，這也說明了游蕩型寬河段對大洪水的削減作用明顯高于小洪水的。同時，個別年份受“揭河底”影響，削峰率有可能出現負值，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]。

從時間上看，削峰率較大的情況集中在兩個時段，一是20世紀60年代后期至70年代初期，二是20世紀90年代至今。如第一個時段的1967年8月上旬至9月上旬，龍門發生5次流量大于14000m3/s的洪峰，削峰率為50%～60%[5]；又如1992年以來發生的7次流量在6000m3/s以上洪峰，平均削峰率為45.6%，其中2003年洪水的削峰率達到72.6%，為實測資料中的最大值。

通過比較河段典型大斷面不同時期主槽過水斷面面積的變化來分析河道條件變化對洪水削峰率的影響。洪水前期若河道過流能力較低，則主槽過同樣流量時水位必然升高，易引起洪水漫灘，洪水漫灘后滯蓄作用增大，對洪峰削減作用明顯。由圖5可知，自20世紀80年代后期以來，小北干流河段主槽過水面積呈逐年減小趨勢，在2003年前后達到了最低水平，隨后隨著水沙條件向有利方面發展，主槽過流能力逐步提高，這與河段洪水削峰率變化的趨勢是一致的，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，當遭遇適當的大水大沙，河段可能出現獨特的“揭河底”現象，將使河道條件發生猛烈調整，也會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可以歸納如下：由于三門峽建庫初期淤積嚴重，河道過洪能力較低，因此稍大的洪水就會發生漫灘，此時洪水削峰率較大；隨著三門峽水庫的兩次改建和改建期間的敞泄運用，加上20世紀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年以后特別是進入到20世紀90年代以后，小北干流河段遭遇不利的水沙條件，河道主槽進一步萎縮，洪峰的變形也較大，至2003年主槽過洪能力已嚴重不足，為削峰率最大的時期；2003年以后水沙條件向有利方面發展，河段發生全線沖刷，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、水沙過程以及“揭河底”沖刷等。

4 結語

（1）根據1960-2015年龍門站50場流量在6000m3/s以上的洪水資料統計，小北干流洪水平均傳播時間為15.2h。1986年以后傳播時間逐步延長，在2003年達到最大值30.6h。近年來隨著河道的持續沖刷，傳播時間縮短為約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時期，2003年以后隨著河段發生全線沖刷，削峰率呈降低趨勢。

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

參考文獻：

[1]黃河勘測規劃設計有限公司.黃河禹門口至潼關河段“十三五”治理工程可行性研究報告[R].鄭州：黃河勘測規劃設計有限公司，2016：22-31.

[2]劉社強，郭寶群，田文君.黃河小北干流河段水沙變化及沖淤特性[J].人民黃河，2015，37（8）：13-16.

[3]史輔成，易元俊.龍門—潼關河段滯洪作用淺析[J].人民黃河，1985，7（4）：9-13.

[4]原保平，馬繼峰.論黃河小北干流河道“揭河底”產生的不利影響[J].山西水利科技，2002（1）：57-58.

[5]史輔成，易元俊，高治定.黃河流域暴雨與洪水[M].鄭州：黃河水利出版社，1997：147-156.

[6]張清，曹永濤，張楊.“揭河底”沖刷期龍門—潼關河段的水沙響應[J].人民黃河，2017，39（2）：11-14.

[7]胡天軍，張苗.黃河中游“揭河底”沖刷機理分析[J].人民黃河，2017，39（3）：14-16.

[8]范永強，劉旭，李會榮，等.黃河小北干流河段揭河底規律分析[J].水資源與水工程學報，2012，23（5）：145-147.

[9]郭貴麗，李曉飛，譚勝兵，等.黃河小北干流河段河勢變化分析[J].中國防汛抗旱，2014（4）：65-67.

[10]高治定，李文家，李海榮.黃河流域暴雨洪水與環境變化影響研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2002：89-95.

[11]霍世青，蔣聽暉，羅思武，等.黃河小北干流“2003·7”洪水演進特點分析[J].人民黃河，2004，26（1）：26-27.