調水調沙期黃河下游河道洪峰增值預測方法研究

關鍵詞：洪峰增值；特征參數；預測方法；調水調沙；黃河下游

中圖分類號：ＴＶ１２２；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．００６

引用格式：趙連軍，韓沙沙，董其華．調水調沙期黃河下游河道洪峰增值預測方法研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（９）：３７－４１．

０引言

黃河調水調沙是改善黃河水沙關系的重要手段之一［１］ 。調水調沙是指在適當時機加大水庫下泄流量，形成人造洪峰，加強對下游河床的沖刷，增大下游主槽的行洪能力，同時聯合調度水庫群，合理運用在水庫庫底運動的異重流將泥沙排出水庫，減少水庫淤積，延長水庫使用壽命［２］ 。黃河調水調沙改變了進入中下游河道的自然水沙過程［３］ ，充分發揮下游河道的輸沙能力遏制河槽萎縮，恢復并維持中水河槽［４］ ，對復蘇河口三角洲生態發揮了巨大作用［５］ ，同時也引發了一些特殊現象［６－７］ 。２００４—２０２２年調水調沙期，異重流排出小浪底水庫后，黃河下游出現了１０ 次洪峰增值的異常現象（見表１），其中增值流量（花園口洪峰流量－小浪底洪峰流量－支流入匯流量）超過１０００ ｍ^３ ／ ｓ 的洪水共５ 次，最大增值流量達２ ９６３ ｍ^３／ｓ（２０１０年），增值比例［增值流量／ （小浪底洪峰流量＋支流入匯流量）］高達８１．４％。

洪峰增值現象吸引了眾多專家學者的關注［６－２３］ 。現有水力學及河流動力學理論尚無法對該現象進行解釋，同時又缺乏完整的觀測數據，因此目前對洪峰增值形成機理仍沒有統一的認識。具有代表性的觀點主要有漫灘洪水歸槽［９－１１］ 、河床形態變化［８，１２－１７］ 、細顆粒泥沙減阻［１４，１８－２４］ 等３ 類。從宏觀水力學角度看，減阻效應是各家統一認定的重要影響因素，而從微觀水動力學的角度看，對減阻效應的解釋則眾說紛紜。江恩惠等［１８］ 認為糙率的減小與上游來水含沙量及級配有關；李國英［１４］ 認為河道糙率的減小與水流含沙量、懸沙級配、床沙級配、床面形態、河道斷面形態及河岸周界情況等因素有關。

洪峰增值現象增大了洪水分析和預測的難度，一定程度上影響了小浪底水庫的調度決策［２３］ 。現有洪峰增值相關研究成果多為定性描述，少數定量研究成果又因觀測數據的匱乏而難以在生產實踐中應用推廣。筆者基于現有觀測數據，提出簡單快速判斷洪峰增值是否發生、預測洪峰增值比例的方法，以期為黃河下游防汛工作及相關研究提供參考。

１洪峰增值特征參數篩選

以往黃河下游洪峰增值最大值發生在花園口水文站附近或其上游河段［２５］ ，因此本次洪峰增值研究的主要目的，一是預判小浪底至花園口河段是否發生洪峰增值；二是若發生洪峰增值，則預測未來花園口洪峰流量。結合以往研究成果，影響洪峰增值的因素有來水來沙、來沙級配［１４，１８－１９，２１，２３，２６］ 、異重流排沙前基流［１４，２５－２６］ 、小浪底出庫含沙量變化梯度［１４，２５］ 、下游河道邊界［１４，２５－２６］ 等。考慮洪峰增值預測的時效性，在洪峰增值特征參數選擇上優先選擇能夠及時獲取完整觀測數據的參數。上述影響因素中，來水來沙、異重流排沙前基流、小浪底出庫含沙量變化梯度等可通過分析小浪底水文站水沙過程獲得；來沙級配數據可從小浪底水文站整編水文資料中獲得；下游河道邊界包括床沙級配、床面形態、河道斷面形態及河岸周界情況等，其中床沙級配、河道斷面形態僅有汛前實測資料，尚無與洪峰增值匹配的系統觀測資料，而床面形態與河岸周界情況則無觀測資料。因此，本次特征參數選擇基于小浪底（２０１０年后采用西霞院數據，下同）出庫水沙過程分析得到的沙峰、含沙量變化梯度、異重流排沙前基流及懸沙級配等參數。含沙量變化梯度采用含沙量漲峰期平均漲率來表征，異重流排沙前基流統計了含沙量起漲前２４ ｈ、１２ ｈ 及６ ｈ 等３ 個數據，懸沙級配統計了懸沙中值粒徑ｄ５０和懸沙平均粒徑ｄ，具體數據見表２。

考慮到樣本數量有限，本次研究僅進行單因素線性回歸分析。以增值比例為因變量，表２ 中小浪底出庫水沙特征參數為自變量，分析各自變量與因變量之間的相關性，見表３。由表３ 可知，各自變量與增值比例回歸相關系數為０．１６３ ３～０．５４６ ４，這印證了小浪底至花園口河段出現洪峰增值現象不是受單因素影響，而是多因素共同作用下的復雜現象。各特征參數對增值比例影響的重要程度排序為：沙峰＞含沙量漲峰期平均漲率＞懸沙中值粒徑ｄ ＞懸沙平均粒徑ｄ ＞含沙量起漲前２４ ｈ 基流＞含沙量起漲前６ ｈ 基流＞含沙量起漲前１２ ｈ 基流。小浪底含沙量起漲前２４ ｈ 基流、６ ｈ基流和１２ ｈ 基流對洪峰增值的作用機理相似，保留對增值比例影響最大的小浪底含沙量起漲前２４ ｈ基流。小浪底懸沙中值粒徑ｄ 與小浪底懸沙平均粒徑ｄ均為小浪底懸沙粒徑的度量，且兩者有一定的相關性，保留對增值比例影響最大的小浪底懸沙平均粒徑ｄ。據此篩選出４ 個特征參數，其對增值比例影響排序為：沙峰＞含沙量漲峰期平均漲率＞懸沙中值粒徑ｄ＞含沙量起漲前２４ ｈ 基流。

為判斷洪峰增值是否發生，將２００４年以來小浪底水庫排沙期未發生洪峰增值的特征參數也進行了相應統計。按篩選出的４ 個特征參數對增值比例影響的重要程度，分別點繪小浪底沙峰、含沙量漲峰期平均漲率、懸沙中值粒徑ｄ和含沙量起漲前２４ ｈ 基流與增值比例之間的關系，如圖１ 所示。由圖１ 可知，小浪底沙峰越大、含沙量漲峰期平均漲率越大、懸沙粒徑越細，小浪底至花園口河段洪峰增值比例越大；小浪底含沙量起漲前２４ ｈ 基流越小，小浪底至花園口河段洪峰增值比例越大。

以往研究發現，沙峰小于４００ ｋｇ／ ｍ^３ 時，河道糙率系數基本呈現隨含沙量的增大而減小的趨勢；細顆粒含量越大，減阻現象越明顯［２７－２９］ 。２００４年以來小浪底水庫排沙期沙峰處于４５～４００ ｋｇ／ ｍ^３ 范圍內，沙峰越大、泥沙組成越細，糙率減小幅度越大［１８］ ；含沙量漲峰期平均漲率越大，糙率減小速度越快；小浪底含沙量起漲前基流越小，水流阻力越大，同時稀釋能力越小，隨后高含沙洪水下泄使得河道糙率減小幅度越大。河道糙率減小，水流加速，洪峰發生增值［１８］ 。

從圖１ 中還可以看出，在小浪底沙峰、懸沙中值粒徑ｄ和含沙量起漲前２４ ｈ 基流與增值比例的關系圖中，增值與未增值之間區分較不明顯；而小浪底含沙量漲峰期平均漲率與增值比例的關系中，增值與未增值之間有明顯區分。因此，可將小浪底含沙量漲峰期平均漲率作為小浪底至花園口河段洪峰增值是否發生的一個判別標準。

由圖１（ｂ）可知，現有的１０ 次洪峰增值中，小浪底含沙量漲峰期平均漲率最小為２２．９ ｋｇ／ （ｍ^３·ｈ）。因此，可認為當小浪底含沙量漲峰期平均漲率超過２２．９ｋｇ／ （ｍ^３·ｈ）時，小浪底至花園口河段可能發生洪峰增值現象。此外，小浪底沙峰與增值比例之間的回歸相關系數超過０．５（見表３），因此可建立其與增值比例之間的相關關系，以此來預測增值區間。

２ ２０２３年洪峰增值預測預報分析

２０２３ 年６ 月２１ 日９ 時至７ 月１６ 日１６ 時，黃河水利委員會結合汛前騰庫迎汛實施了汛前調水調沙。結合以上研究成果，在本次調水調沙過程中，對花園口洪峰流量進行了預測預報。

２０２３ 年黃河調水調沙期小浪底／ 西霞院出庫含沙量過程如圖２ 所示。由圖２ 可知，７ 月６ 日１５ 時，小浪底出庫含沙量開始上漲，至７ 月６ 日２１ 時，小浪底沙峰為２５５ ｋｇ／ ｍ^３，含沙量漲峰期平均漲率為３７．０ ｋｇ／ （ｍ^３·ｈ）；至７ 月７ 日１ 時，西霞院沙峰為２３１ ｋｇ／ ｍ^３，含沙量漲峰期平均漲率為５１．７ ｋｇ／ （ｍ^３ ·ｈ），均超過了已發生洪峰增值時最低含沙量漲峰期平均漲率２２．９ ｋｇ／ （ｍ^３ ·ｈ），預計洪水演進至花園口將發生洪峰增值現象。

繪制洪峰增值比例隨小浪底沙峰變化的外包線及擬合線，如圖３ 所示。沙峰２３１ ｋｇ／ ｍ３對應外包線上增值比例為７％～６６％，按擬合線計算增值比例為３０％左右。根據西霞院下泄流量過程（見圖４）可知，其下泄洪峰為２ ４９０ ｍ^３／ｓ，預估支流入匯３５０ｍ^３／ ｓ 左右，按外包線預估增值比例計算可知小浪底至花園口河段增值流量為２００～１ ８７０ ｍ^３／ｓ，平均增值流量為８８０ ｍ^３／ｓ 左右。根據２０２３年水文整編資料，小浪底至花園口河段實測增值流量為８９０ ｍ^３／ｓ，增值比例２８％，預報結果與實際情況基本相符，說明該預測方法基本可行，可為黃河下游防洪提供一定的參考。

需要說明的是，該方法僅能預判洪峰增值是否發生、預測增值比例，尚不能進行洪峰演進時間等的預測。此外，因樣本數量有限，本研究僅采用了單因素進行相關分析，然而造成洪峰增值現象的因素是多元的，后續隨著樣本數量的增加，可進行多因素綜合分析。

３結論

以小浪底至花園口河段洪峰增值比例為因變量，以小浪底沙峰、含沙量漲峰期平均漲率、含沙量起漲前基流、懸沙中值粒徑ｄ和懸沙平均粒徑ｄ等出庫水沙特征參數為自變量，分別計算各自變量與因變量的相關系數，據此篩選出對洪峰增值影響較大的參數，并提出了判斷洪峰增值是否發生以及預測洪峰增值區間的方法，主要結論如下。

１）小浪底出庫水沙主要特征參數對洪峰增值比例影響程度為沙峰＞含沙量漲峰期平均漲率＞懸沙中值粒徑ｄ＞含沙量起漲前２４ ｈ 基流。

２）篩選出對洪峰增值影響較大的小浪底沙峰、含沙量漲峰期平均漲率作為洪峰增值的預判參數，研究發現當小浪底含沙量漲峰期平均漲率超過２２．９ｋｇ／ （ｍ^３·ｈ）時，小浪底至花園口河段可能發生洪峰增值現象，并可基于小浪底沙峰與增值比例之間的相關關系，預測增值比例區間。

３）基于２０２３年黃河調水調沙期小浪底水文站實時水、沙情數據，在小浪底水文站第一個沙峰出現后，對小浪底至花園口河段洪峰增值進行預測預報，預計洪水演進至黃河下游將發生洪峰增值現象，且平均增值比例為３０％左右，平均增值流量為８８０ｍ^３／ｓ左右，預測結果與實測結果基本相符。

需要說明的是，洪峰增值是多種因素綜合影響的結果，目前由于樣本數量有限，因此僅進行了單因素相關分析，后續需要收集更多的實測數據，進一步完善洪峰增值預測方法。