黄河小北干流河段洪水演进规律变化分析

李保国 崔振华

摘要：为了给黄河小北干流河段河道工程建设管理、防洪减灾、水文预报等工作提供参考，根据1960-2015年龙门站50场流量6000m3/s以上的洪水资料，对河段洪水演进规律进行了分析。结果表明：①小北干流洪水平均傳播时间为15.2h，1986年以后传播时间逐步延长，在2003年达到最大值30.6h。近年来随着河道的持续冲刷，传播时间缩短为约20h。②小北干流河段洪水平均削峰率为30%，20世纪60年代后期至70年代初期以及90年代至2015年是削峰率偏高的两个时期，2003年以后随着河段发生全线冲刷，削峰率呈减小趋势。③小北干流洪水传播时间及削峰率的变化与河道条件及水沙条件关系密切。三门峡水库建成以后河道淤积导致过流能力减弱以及20世纪90年代以来遭遇较为不利的来水来沙条件，是河段洪水传播时间延长、削峰率增大的直接原因。同时，洪水洪峰流量的大小、峰型、“揭河底”冲刷等也会对传播时间和削峰率产生影响。

关键词：传播时间；削峰率；演进规律；洪水；小北干流；黄河

中图分类号：TV122；TV882.1 文献标志码：A doi ：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.003

黄河小北干流历史上为淤积性游荡型河道，洪水演进规律复杂。20世纪60年代以来，受人类活动及气候变化的双重作用，来水来沙及河道条件进一步恶化，洪水演进规律发生了很大变化。2003年7月，龙门站发生洪峰流量为7340m3/s的洪水（为1996年以来最大），洪水演进至潼关历时30.6h，潼关站相应洪峰流量为2110m3/s，扣除渭河、北洛河、汾河来水后流量为2010m3/s，削峰率达72.6%，洪水传播时间和削峰率均大幅高于以往的一般统计值。洪水演进规律的剧烈变化给河道工程建设管理、防洪减灾、水文预报等工作造成诸多不利影响，因此分析该河段的洪水演进变化规律，具有一定的实际意义。

1 来水来沙及河道冲淤

1.1 来水来沙变化情况

根据1960年11月—2015年10月龙门、河津水文站实测资料统计，龙门+河津水文站多年平均水沙量分别为257.4亿m3、5.86亿t，多年平均含沙量为22.8kg/m3，龙门站实测最大含沙量为933kg/m3（1966年）。进入小北干流河段的水量主要来自河口镇以上地区，泥沙主要来自河口镇至龙门区间（简称河龙区间），头道拐站1960年11月—2013年10月多年平均来水量为210.0亿m3，多年平均输沙量为0.92亿t，水量占龙门站的80.7%，而沙量仅占15.2%。同一时期河龙区间多年平均水沙量分别为50.2亿m3、5.14亿t，多年平均含沙量为102.4kg/m，，水量占龙门站的19.3%，而沙量占龙门站的84.8%[1-2]。

1960年11月—2015年10月，龙门站最大年输沙量为1966年的24.99亿t（按运用年，下同），约为最小年输沙量0.38亿t（2013年）的66倍；最大年来水量为556.3亿m3（1966年），约为最小年来水量136.2亿m3（2001年）的4.1倍。

1960年以来，龙门+河津水文站4个时段的多年平均水沙量统计见表1。从表1可知，20世纪60年代属于丰水丰沙时段，1968年刘家峡水库投入运用后水沙量有所减小，80年代后期水沙量减幅增大，其中沙量减幅尤为突出。若与第一时段（1960-1968年）进行对比，则第二、第三、第四时段减水比例分别为21.7%、45.5%、50.1%，减沙比例分别为42.4%、57.6%、88.8%，沙量减幅大于水量减幅，且减沙主要集中在汛期。1960-2015年水沙变化过程见图1。

1.2 河道冲淤变化情况

从历史上看，禹潼河段是一条堆积性河道，其河道淤积和来水来沙条件及河床边界条件有关。三门峡水库自1960年9月蓄水至今，经历了蓄水拦沙、滞洪排沙及蓄清排浑控制运用3个时期。1960年9月—2015年10月小北干流河道共淤积泥沙22.721亿m3，淤积主要发生在三门峡水库二期改建以前，截至1970年6月共淤积泥沙15.443亿m3，约占总淤积量的68%；二期改建期间，随着水库泄流排沙能力提高和运用水位降低，河道淤积速度有所减缓；1973年11月三门峡水库开始采用“蓄清排浑”控制运用方式，至1986年10月，该河段淤积泥沙1.093亿m3，年均淤积仅0.084亿m3。

1986年10月龙羊峡水库投入运用后，龙刘（龙羊峡、刘家峡）两库联合运用改变了小北干流河段来水的年内分配过程。汛期来水量显著减小，非汛期水量变化不大，导致河段淤积量明显增大。1986年10月—2002年10月，小北干流河段共淤积泥沙6.820亿m3，年均淤积0.426亿m3。2003年6月以来，黄委开展了三门峡水库非汛期最高控制水位318m的原型试验，由于水沙条件较为有利，因此2003年6月—2015年10月小北干流河段发生全线冲刷，总冲刷量为3.095亿m3。由断面法计算的小北干流河段1960-2015年累计淤积量见图2。

2 洪水传播时间变化规律

洪水在河道中的传播时间不仅与水沙条件有关，还与河道条件密不可分。洪水演进一方面受河道条件的制约，另一方面洪水又对河道有塑造作用，两者的相互作用决定了洪水在河道中传播的复杂性。经统计，1960-2015年龙门站共出现洪峰流量在6000m3/s以上的洪水50次，龙门—潼关平均传播时间为15.2h，最长传播时间为30.6h（2003年）。

由图3（气泡越大洪峰流量越大）可知：1960-1972年洪水传播时间基本为10～20h，平均传播时间与多年平均值接近；1973-1985年，随着三门峡水库的改建及运用方式调整，形成了较为有利的河道条件，洪水演进特性也发生了变化，这一时期洪水平均传播时间为12.1h，最短传播时间仅为7.5h；1986年以后，河段的洪水传播时间呈逐年延长态势，其中1986-2000年洪水传播时间基本为15～20h，2000年以后传播时间延长较为明显，2003年达到最高值，但此后随着河段持续冲刷，洪水传播时间又恢复到20h左右。

由于2000年以来龙门站仅发生两次流量在600（m3/s以上的洪水，样本较少，因此本次对2000年以来年最大洪峰的传播时间进行了分析。由图4可知，2000年以来禹潼河段洪水传播时间全部在20 h以上，最长的为35.7 h（2005年），且洪水傳播时间变化与河段的淤积发展具有一定的一致性。

河段洪水传播时间与主槽过流能力和洪水漫滩程度密切相关。淤积条件下，主槽过流能力低，大流量洪水易漫滩，导致洪水传播时间延长；冲淤平衡条件下，主槽相对稳定，洪水传播时间相对缩短。通过对小北干流河段不同时期的汛前大断面进行套绘，可知河道主槽随着冲淤变化而展宽加深或淤积萎缩，其整体趋势与前文分析的河段洪水传播时间的变化情况一致，进一步说明了河段淤积或冲刷导致主槽过流能力的降低或提高是影响禹潼河段洪水传播的主要原因。

3 洪水削峰率变化规律

龙门站的洪峰多为高瘦型，洪水出龙门峡谷后，流散在宽约10km的河道上，加之高含沙洪水频繁发生，河床演变迅速，导致河段洪峰演变特性较为复杂。对于影响河段削峰率的因素，史辅成等[3]通过分析1981年以前的资料认为，三门峡水库的修建改变了河道过流能力所产生的影响是主要原因，同时洪峰大小、峰型系数、“揭河底”冲刷等有时也可起主导作用。

经统计，龙门站有实测资料以来发生的61次流量在6000m3/s以上洪水的平均削峰率为27.2%，见表2。由表2可知，小北干流河段洪水削峰率与洪峰流量大小密切相关，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，这也说明了游荡型宽河段对大洪水的削减作用明显高于小洪水的。同时，个别年份受“揭河底”影响，削峰率有可能出现负值，如1977年8月6日洪水削峰率为一16.6%，原因是漫滩洪水反注回槽，形成了洪水叠加[4]。

从时间上看，削峰率较大的情况集中在两个时段，一是20世纪60年代后期至70年代初期，二是20世纪90年代至今。如第一个时段的1967年8月上旬至9月上旬，龙门发生5次流量大于14000m3/s的洪峰，削峰率为50%～60%[5]；又如1992年以来发生的7次流量在6000m3/s以上洪峰，平均削峰率为45.6%，其中2003年洪水的削峰率达到72.6%，为实测资料中的最大值。

通过比较河段典型大断面不同时期主槽过水断面面积的变化来分析河道条件变化对洪水削峰率的影响。洪水前期若河道过流能力较低，则主槽过同样流量时水位必然升高，易引起洪水漫滩，洪水漫滩后滞蓄作用增大，对洪峰削减作用明显。由图5可知，自20世纪80年代后期以来，小北干流河段主槽过水面积呈逐年减小趋势，在2003年前后达到了最低水平，随后随着水沙条件向有利方面发展，主槽过流能力逐步提高，这与河段洪水削峰率变化的趋势是一致的，反映了河道条件变化是影响洪水削峰率的主要因素之一。同时，当遭遇适当的大水大沙，河段可能出现独特的“揭河底”现象，将使河道条件发生猛烈调整，也会影响洪水削峰率的变化[6-11]。

综合以上分析，小北干流河段削峰率的变化趋势可以归纳如下：由于三门峡建库初期淤积严重，河道过洪能力较低，因此稍大的洪水就会发生漫滩，此时洪水削峰率较大；随着三门峡水库的两次改建和改建期间的敞泄运用，加上20世纪70年代较为有利的水沙条件，洪水削峰率逐步减小到20%左右；1985年以后特别是进入到20世纪90年代以后，小北干流河段遭遇不利的水沙条件，河道主槽进一步萎缩，洪峰的变形也较大，至2003年主槽过洪能力已严重不足，为削峰率最大的时期；2003年以后水沙条件向有利方面发展，河段发生全线冲刷，洪水削峰率有所降低。影响洪水削峰率变化的因素包括河道边界条件、水沙过程以及“揭河底”冲刷等。

4 结语

（1）根据1960-2015年龙门站50场流量在6000m3/s以上的洪水资料统计，小北干流洪水平均传播时间为15.2h。1986年以后传播时间逐步延长，在2003年达到最大值30.6h。近年来随着河道的持续冲刷，传播时间缩短为约20h。

（2）小北干流河段洪水平均削峰率为30%，20世纪60年代后期至70年代初期以及90年代至2015年是削峰率较高的两个时期，2003年以后随着河段发生全线冲刷，削峰率呈降低趋势。

（3）小北干流洪水传播时间及削峰率的变化与河道条件及水沙条件关系密切。三门峡水库建库以后河道淤积导致过流能力减弱以及20世纪90年代以来遭遇较为不利的来水来沙条件，是河段洪水传播时间延长、削峰率增大的直接原因。同时，洪水洪峰流量的大小、峰型、“揭河底”冲刷等也会对传播时间和削峰率产生影响。

参考文献：

[1]黄河勘测规划设计有限公司.黄河禹门口至潼关河段“十三五”治理工程可行性研究报告[R].郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2016：22-31.

[2]刘社强，郭宝群，田文君.黄河小北干流河段水沙变化及冲淤特性[J].人民黄河，2015，37（8）：13-16.

[3]史辅成，易元俊.龙门—潼关河段滞洪作用浅析[J].人民黄河，1985，7（4）：9-13.

[4]原保平，马继峰.论黄河小北干流河道“揭河底”产生的不利影响[J].山西水利科技，2002（1）：57-58.

[5]史辅成，易元俊，高治定.黄河流域暴雨与洪水[M].郑州：黄河水利出版社，1997：147-156.

[6]张清，曹永涛，张杨.“揭河底”冲刷期龙门—潼关河段的水沙响应[J].人民黄河，2017，39（2）：11-14.

[7]胡天军，张苗.黄河中游“揭河底”冲刷机理分析[J].人民黄河，2017，39（3）：14-16.

[8]范永强，刘旭，李会荣，等.黄河小北干流河段揭河底规律分析[J].水资源与水工程学报，2012，23（5）：145-147.

[9]郭贵丽，李晓飞，谭胜兵，等.黄河小北干流河段河势变化分析[J].中国防汛抗旱，2014（4）：65-67.

[10]高治定，李文家，李海荣.黄河流域暴雨洪水与环境变化影响研究[M].郑州：黄河水利出版社，2002：89-95.

[11]霍世青，蒋听晖，罗思武，等.黄河小北干流“2003·7”洪水演进特点分析[J].人民黄河，2004，26（1）：26-27.