花園口水文站測驗(yàn)河段河勢變化

王作嶺，吳幸華，崔 鵬

（黃委鄭州水文水資源勘測局，河南鄭州450045）

花園口水文站測驗(yàn)河段河勢變化

王作嶺，吳幸華，崔 鵬

（黃委鄭州水文水資源勘測局，河南鄭州450045）

簡要介紹了花園口水文站基本情況、黃河調(diào)水調(diào)沙以及該站近幾年河勢情況，初步分析了該站河勢變化的原因，闡述了對該站測報(bào)工作的影響并提出了相應(yīng)的對策，提高了該站的測報(bào)精度。

花園口水文站；河勢變化；分析與對策；河南

1　花園口水文站的基本情況

1.1測站基本概況

花園口水文站位于河南省鄭州市花園口鎮(zhèn)花園口村，設(shè)立于1938年7月，集水面積730036 km2，距河口距離768km。承擔(dān)著搜集黃河水文基本資料和向防汛部門提供實(shí)時(shí)水情信息的重任，是黃河干流國家重要報(bào)汛站，是下游黃河防洪決策的標(biāo)準(zhǔn)站，具有重要的防汛地位。也是黃河上第一個(gè)“數(shù)字化水文站”。

該站兩岸為大堤控制，測驗(yàn)斷面附近最寬約9800m，河床由細(xì)沙組成，沖淤變化劇烈，主流擺動(dòng)頻繁，分流串溝較多，經(jīng)常出現(xiàn)彎道、淺灘，水位流量關(guān)系復(fù)雜多變，屬典型的游蕩性寬淺河道。測驗(yàn)斷面在上游北裹頭和馬莊壩兩處控導(dǎo)工程作用下，中高水水流比較順直，主流集中于右岸。

目前測驗(yàn)河段內(nèi)共布設(shè)9個(gè)測驗(yàn)斷面，擁有大型測船5艘，沖鋒舟2艘，最長為31.03m，配備了超聲波水位計(jì)、ADCP、GPS、振動(dòng)式測沙儀、測深儀、全站儀、紅外測距儀、電子天平、自動(dòng)整平水準(zhǔn)儀等先進(jìn)儀器。

1.2測站測驗(yàn)河段上下游情況

在花園口水文站上下游20km測驗(yàn)河段內(nèi)，大型水工建筑物主要有：上游17km處武陟至西峽高速公路桃花峪黃河大橋、上游15km處京廣鐵路鄭州黃河鐵路大橋、上游14.8km處新建鄭焦城際黃河大橋、上游10～8km處左岸北裹頭控導(dǎo)工程、上游8～7km處右岸南裹頭控導(dǎo)工程、上游6～3km處左岸馬莊壩控導(dǎo)工程、下游1.8km處鄭州黃河公路大橋、下游5km處原陽黃河浮橋、下游11km處鄭新黃河大橋等。

2　黃河調(diào)水調(diào)沙情況及該站的河勢

2.1調(diào)水調(diào)沙情況

2002年以來，黃委組織開展了15次黃河調(diào)水調(diào)沙，其中2002—2004年開展了3次不同模式的調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)。

2002年是基于小浪底水庫單庫調(diào)節(jié)為主的原型試驗(yàn)，以小浪底、三門峽兩庫聯(lián)合水沙調(diào)度為主，結(jié)合三門峽以上河道中小洪水進(jìn)行。在保證試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)實(shí)現(xiàn)的前提下，兼顧了在小浪底壩前形成天然鋪蓋，減小水庫滲漏量。天然異重流入庫并到達(dá)壩前后，對其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)目刂啤?/p>

2003年是基于空間尺度水沙對接的原型試驗(yàn)，通過以小浪底水庫為主的四庫水沙聯(lián)調(diào)，有效地利用小花間的清水，與小浪底水庫下泄的高含沙量水流進(jìn)行水沙“對接”，在下游河道沖刷或不發(fā)生淤積的前提下，最大限度地排出小浪底水庫的泥沙，減少小浪底水庫的淤積，并進(jìn)一步深化對小浪底水庫運(yùn)用方式和黃河水沙規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

2004年是基于干流水庫群聯(lián)合調(diào)度、人工異重流塑造和泥沙擾動(dòng)的原型試驗(yàn)，主要依靠水庫蓄水，充分而巧妙地利用自然的力量，通過精確調(diào)度萬家寨、三門峽、小浪底等水利樞紐工程，在小浪底庫區(qū)塑造人工異重流，輔以人工擾動(dòng)措施，調(diào)整其淤積形態(tài)，同時(shí)加大小浪底水庫排沙量；利用進(jìn)入下游河道水流富余的挾沙能力，在黃河下游“二級(jí)懸河”及主槽淤積最為嚴(yán)重的河段實(shí)施河床泥沙擾動(dòng)，擴(kuò)大主槽過洪能力。

從2005年起，轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)運(yùn)行后，至2013年共開展了12次調(diào)水調(diào)沙生產(chǎn)運(yùn)行。

在已進(jìn)行的15次調(diào)水調(diào)沙過程中，其時(shí)間一般在6月中下旬至7月上旬，流量調(diào)度方式為先期大流量（流量為3500～4000m3/s）清水下泄沖涮河床，中期利用小浪底水庫產(chǎn)生的異重流進(jìn)行排沙，高含沙量渾水下泄，后期再利用清水以流量為2000～3000m3/s對下游河道中的泥沙進(jìn)行沖涮入海。在調(diào)水調(diào)沙期間，其最大下泄流量是根據(jù)下游河道最大平灘過流能力控制，2002—2007年逐年加大，從2002年的2600m3/s加大到2007年的4000m3/s，2007年后，一般控制在4000m3/s左右。但由于小浪底水文站至花園口水文站河道的特殊性，在2010年出現(xiàn)了較大的洪峰增值現(xiàn)象，花園口水文站達(dá)到了6600m3/s。排沙方式一般是當(dāng)小浪底水庫產(chǎn)生較強(qiáng)異重流后，小浪底水庫排沙洞全部打開，含沙量大小由異重流產(chǎn)生的含沙量大小決定。小浪底水文站最大含沙量一般在200～400kg/m3，通過河道的演進(jìn)，到達(dá)花園口水文站時(shí)其最大含沙量一般在60～150kg/m3之間。

2.2花園口水文站河勢情況

近幾年來，花園口水文站測驗(yàn)河段河勢變化巨大，2008年以前，河勢主要受上游北岸馬莊壩工程控制，黃河主流挑南后，直向基本斷面上游2 km處的花園口險(xiǎn)工，主流沿黃河南大堤而下，順著南大堤靠右岸行洪，大水期間，水流集中順直，洪水緊靠南岸大堤，北岸有少量淺灘，但流量不大。2008年左右，上游北岸馬莊壩工程主體漸脫河，灣道下移，主流開始分散，在河道內(nèi)分為左、右兩股水流，河道中間出現(xiàn)大片淺灘、串溝，流向紊亂，橋下斷面以下，河段水流集中在南岸200m范疇內(nèi)，水面大片出現(xiàn)渦流、翻花等現(xiàn)象。河床局部沖涮嚴(yán)重，最大水深超過10m，北岸出現(xiàn)近1000 m淺灘串溝，雜草叢生，流向錯(cuò)綜復(fù)雜。2008年之后，上游北岸馬莊壩工程完全脫河，徹底失去了控導(dǎo)作用，工程以下北岸灘地從上而下塌陷劇烈，花園口水文站Cs34斷面附近河道由原來的600m迅速擴(kuò)至2000m寬，并一直在持續(xù)發(fā)展中。黃河主流也漸北移，靠北行洪，河道在向北擴(kuò)展的過程中，南岸沒有較大的淤積現(xiàn)象，致使花園口水文站整個(gè)測驗(yàn)河段水流分散，在2000多m的河道中形成多股水流，且中間夾雜大片沙灘、雜草等。2005—2008年、2008—2010年和2010—2013年斷面逐漸變化套繪圖。

3　河勢變化的原因

1）由于花園口水文站測驗(yàn)斷面上下游河段中，在2002—2004年調(diào)水調(diào)沙中，河段淤積較嚴(yán)重，水面寬，馬莊壩處新建設(shè)的控導(dǎo)工程能有效地控導(dǎo)黃河主流向黃河南岸大堤導(dǎo)流，在花園口水文站基本斷面附近沿黃河南大堤而下；但隨著調(diào)水調(diào)沙工作的進(jìn)行，整個(gè)河段的河床進(jìn)行下切，過流能力增強(qiáng)，在小浪底水庫最大下泄流量基本控制不變的情況下，北岸的馬莊壩水利控導(dǎo)工程基本不著水，甚至于目前的完全脫河，起不到控導(dǎo)作用，但在其下游北岸灘地從上而下塌陷劇烈，導(dǎo)致該測驗(yàn)河段黃河主流河勢向北移動(dòng)。

2）通過對花園口水文站測驗(yàn)斷面上下游河段20km內(nèi)的大型水利工程調(diào)查可知，在這河段存在較多的水利工程，且各工程之間的位置相距較近，或多或少將影響洪水在河道中的演進(jìn)規(guī)律，在橋墩之間越?jīng)_越深，而在橋墩之后，將逐漸形成淤積，導(dǎo)致在其下游形成多股水流。

3）雖然小浪底水庫的最大排沙量及持續(xù)時(shí)間較長，但由于通過水庫的沉淀之后，其排出的沙量顆粒較小，通過測站泥沙顆粒級(jí)配分析研究可以看出，級(jí)配均在1.0mm以內(nèi)，這樣就形成了黃河下游特別是寬淺河道，容易形成“只沖不淤”的現(xiàn)象。

4　對觀測的影響及對策

到目前為止，通過黃委的15次調(diào)水調(diào)沙工作，花園口水文站的平灘流量由2002年的2000 m3/s達(dá)到了現(xiàn)在6000m3/s。因此，此次分析主要以不同的流量級(jí)進(jìn)行分析。

4.1花園口水文站出現(xiàn)中高水時(shí)

當(dāng)花園口水文站出現(xiàn)7000m3/s以上洪水時(shí)，河勢主要受上游北岸馬莊壩工程控制，經(jīng)過馬莊壩后，黃河主流向南挑，直向基本斷面上游2 km處的花園口險(xiǎn)工，之后主流沿黃河南大堤而下，順著南大堤靠右岸行洪。此時(shí)花園口水文站的測報(bào)方案為：

水位：在Cs34斷面利用現(xiàn)有遙測水位計(jì)結(jié)合水尺觀讀，視水位漲落變化情況，合理分布測次。

流量、含沙量：在現(xiàn)有的橋下斷面或Cs34斷面進(jìn)行正常的水文測驗(yàn)工作。

報(bào)汛：建立適時(shí)水位流量關(guān)系線，以測站報(bào)汛任務(wù)書為基礎(chǔ)，以控制洪水過程為原則，及時(shí)加報(bào)起漲、洪峰、峰腰轉(zhuǎn)折點(diǎn)及落平的水情。

4.2花園口水文站出現(xiàn)中水時(shí)

當(dāng)花園口水文站出現(xiàn)中水（4000～7000m3/s）時(shí)，此級(jí)洪水在現(xiàn)有河道內(nèi)行洪，基本不受馬莊壩工程的控制，在黃河國家濕地公園河段水流集中，在其上游將出現(xiàn)較大的漫灘，可能持續(xù)到馬莊壩下延工程，水面將達(dá)3000m以上，南岸將出現(xiàn)較大的塌陷，而北岸灘地有較多雜草，不適合斷面的布設(shè)和流量的測驗(yàn)。當(dāng)水流通過鄭州黃河公路大橋后，由于其下游南北兩股水，中間是較大的嫩灘（達(dá)1000m），淺灘、串溝較多，這樣主流將分布在南北兩岸，中間水流分散，流向不定。根據(jù)河勢，測站在基下4640m處設(shè)立臨時(shí)Ⅱ斷面，進(jìn)行流量、含沙量的測驗(yàn)。此時(shí)花園口水文站的測報(bào)方案為：

水位：在CS34斷面以現(xiàn)有遙測水位計(jì)結(jié)合水尺觀讀，視水位漲落變化情況，合理分布測次。

流量、含沙量：在臨時(shí)Ⅱ斷面，進(jìn)行正常的水文測驗(yàn)工作。

報(bào)汛：建立適時(shí)水位流量關(guān)系線，以測站報(bào)汛任務(wù)書為基礎(chǔ)，以控制洪水過程為原則，及時(shí)加報(bào)起漲、洪峰、峰腰轉(zhuǎn)折點(diǎn)及落平的水情。

4.3花園口水文站出現(xiàn)低水時(shí)

當(dāng)花園口水文站出現(xiàn)低水（4000m3/s以下）時(shí)，此級(jí)洪水在現(xiàn)有河道內(nèi)行洪，不受上游任何控導(dǎo)工程的控制，在黃河國家濕地公園河段內(nèi)水流集中，河道順直，河床相對穩(wěn)定，水面寬在400～800 m之間；當(dāng)水流通過鄭州黃河公路大橋后，水流情況與當(dāng)花園口水文站出現(xiàn)中水（4000～7000m3/s）時(shí)一致，甚至更糟，北岸沖涮、塌陷嚴(yán)重，河心灘及南岸進(jìn)一步淤積，在Cs34斷面處形成多股水流，對測站影響較大。此時(shí)，測驗(yàn)斷面需建立在測站上游5km處（李西河村），該處水流集中，河道順直，水深、流速分布均勻，河床相對穩(wěn)定，具有良好的測驗(yàn)條件。此時(shí)花園口水文站的測報(bào)方案為：

水位：在臨時(shí)斷面處設(shè)立水位觀測點(diǎn)，與Cs34斷面的遙測水位計(jì)進(jìn)行同時(shí)對比觀測，建立相應(yīng)關(guān)系，以確保Cs34斷面水位的準(zhǔn)確性與延續(xù)性。

流量、含沙量：在該臨時(shí)斷面進(jìn)行正常的水文測驗(yàn)。

報(bào)汛：在流量測驗(yàn)時(shí)，在不同斷面水位觀測點(diǎn)進(jìn)行水位同時(shí)觀測，建立各自相應(yīng)的水位流量關(guān)系線，各自進(jìn)行推流以進(jìn)行對照，同時(shí)充分利用網(wǎng)上水情，進(jìn)行上下游水量的對照，以保證水情工作的及時(shí)、高效、準(zhǔn)確地完成。

5　結(jié)語

花園口水文站是黃河干流國家重要報(bào)汛站，是下游黃河防洪決策的標(biāo)準(zhǔn)站，具有重要的防汛地位。該站測報(bào)工作任務(wù)重、難度大、水流復(fù)雜，通過本次的分析，闡述了河勢變化對該站目前測報(bào)工作的影響并提出了相應(yīng)的對策，提高了該站的測報(bào)精度，為黃河水資源調(diào)度及防汛決策提供更加準(zhǔn)確的水情信息。

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2015-08-10