黃河下游窄河段洪水演進(jìn)特征研究

李文義 楊俊 孟祥磊 何炳霖

摘要：基于小浪底水庫(kù)運(yùn)用前后黃河下游窄河段的河道形態(tài)變化，利用MIKE11模型，對(duì)黃河下游艾山—濼口窄河段2000年、2003年、2013年洪水過(guò)程進(jìn)行模擬。根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了河床糙率率定及模型檢驗(yàn)，并分析不同年份洪水水位流量的變化、洪峰沿程折減以及洪水傳播時(shí)間變化。結(jié)果表明：小浪底水庫(kù)進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙以后，黃河下游窄河段過(guò)流能力增強(qiáng)，河道對(duì)洪水的沿程削峰能力減弱，洪水傳播時(shí)間縮短。

關(guān)鍵詞：窄河段；洪水演進(jìn)；MIKE11；小浪底水庫(kù)；黃河下游

中圖分類號(hào)：TV122；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.007

1 引言

黃河是一條多沙河流，下游水少沙多、水沙不平衡，極易造成河道淤積，防洪形勢(shì)嚴(yán)峻川。黃河流經(jīng)陶城鋪后，進(jìn)入典型的彎曲型窄河段。從陶城鋪到寧海，河長(zhǎng)322km，兩岸堤距1～3km，河槽寬0.4～1.2km，最窄處東阿艾山卡口寬度僅275m；河道縱比降0.01%，排洪能力11000m3/s。目前，河床高于兩岸地面4～6m，河道特點(diǎn)和兩岸經(jīng)濟(jì)社會(huì)特性，使其成為黃河防洪安全的重點(diǎn)河段[2]。

小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)，下游河道形態(tài)發(fā)生了深刻變化，河道沖淤呈現(xiàn)新的特點(diǎn)。小浪底水庫(kù)2000年投人使用，2002年開始調(diào)水調(diào)沙。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年以來(lái)黃河下游河道全線沖刷10.6億m3泥沙，下游河道平均刷深近2m，平灘流量增加800～2600m3/s。

筆者選取黃河下游窄河段中的艾山—濼口區(qū)間為研究對(duì)象，該區(qū)間全長(zhǎng)約92.8km，以艾山水文站為起點(diǎn)，爍口水文站為終點(diǎn)，兩站間有黃河的一條支流玉符河，流域面積827km2，但該河常年沒(méi)有徑流匯人黃河。距艾山站27.6km處有潘莊引黃閘，見(jiàn)圖1，引水流量較大，多年平均引水流量為35m3/s。

利用MIKE11水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)該河段2000年、2003年、2013年的汛期洪水情況演進(jìn)進(jìn)行模擬，基于此對(duì)小浪底水庫(kù)運(yùn)用后黃河下游窄河段的洪水演進(jìn)特征進(jìn)行了研究。

2 MIKE11水動(dòng)力學(xué)模型

2.1 MIKE11基本原理

MIKE11軟件由水動(dòng)力、對(duì)流一擴(kuò)散、水質(zhì)、降雨-徑流、洪水預(yù)報(bào)等模塊組成，為河渠水流、水質(zhì)、泥沙的一維模擬系統(tǒng)，水動(dòng)力模塊為其核心模塊，簡(jiǎn)稱HD模塊[3]。一維水動(dòng)力模型的控制方程采用圣維南（Saint-Venant ）方程組，其離散采用Abbott六點(diǎn)隱式格式，可在相當(dāng)大的庫(kù)郎數(shù)下保持計(jì)算穩(wěn)定，以取得更長(zhǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

圣維南方程組由質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程和能量守恒的動(dòng)量方程組成，分別為式中：Q為流量m3/s； 9為側(cè)向入流流量，m3/s；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，mz；h為水位，m；R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2；C為謝才系數(shù)；α為動(dòng)量修正系數(shù)；x、t分別為空間、時(shí)間坐標(biāo)。

圣維南方程組中的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程通過(guò)有限差分法進(jìn)行離散，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)由流量點(diǎn)和水位點(diǎn)組成，其中流量點(diǎn)和水位點(diǎn)在同一時(shí)間步長(zhǎng)下分別進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)圖2。計(jì)算網(wǎng)格由模型自動(dòng)生成，水位點(diǎn)是橫斷面所在的位置，相鄰水位點(diǎn)之間的距離可能不同，流量點(diǎn)位于兩個(gè)相鄰的水位點(diǎn)之間。計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)的分布遵循以下原則：①河段上下游端點(diǎn)為計(jì)算水位點(diǎn)；②支流入流點(diǎn)為計(jì)算水位點(diǎn)；③實(shí)測(cè)斷面資料點(diǎn)為計(jì)算水位點(diǎn)；④模型根據(jù)max△x值自動(dòng)插入的點(diǎn)為計(jì)算水位點(diǎn)；⑤建筑物點(diǎn)為計(jì)算水位點(diǎn)；⑥兩個(gè)水位點(diǎn)之間只存在一個(gè)計(jì)算流量點(diǎn)[3]。

模型的定解條件包括水流的初始條件與邊界條件：初始條件包括初始水位及流速，在模型計(jì)算中，一般會(huì)設(shè)定一組比較小的初始水位與流速作為初始條件；邊界條件是指上下游端點(diǎn)的水位、流量過(guò)程，上邊界一般采用入流斷面的流量過(guò)程，下邊界一般采用出流斷面的水位過(guò)程。

2.2 MIKE11模型構(gòu)建

MIKE11 HD建模所需要的信息包括河網(wǎng)形狀、水工建筑物及水文測(cè)站位置、河道和灘區(qū)地形（實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)）、邊界水文數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)（用于模型率定）等，即在HD建模過(guò)程中要相應(yīng)建立河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件、參數(shù)文件等。

艾山—濼口河段的建模以艾山站（里程0km）流量過(guò)程為上邊界條件，以濼口站（里程92.8km）水位過(guò)程為下邊界條件；以兩站間的實(shí)測(cè)大斷面資料建立斷面文件來(lái)反映河道形態(tài)；受資料限制，河段糙率尚未確定，計(jì)算時(shí)利用河段中韓劉（里程42.8km）、北店子（里程74.8km）兩站的實(shí)測(cè)資料來(lái)率定糙率；水工建筑物操作模塊是MIKE11 HD模塊的特色，為閘壩調(diào)度設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)提供支持，本研究中涉及一處側(cè)向引水閘——潘莊閘（里程27.6km），模型模擬中將閘門類型設(shè)定為流量類型，控制策略設(shè)為當(dāng)閘前水位達(dá)到某一閾值時(shí)，閘門開啟引水，以便更好地模擬實(shí)際工況。

3 參數(shù)率定分析

河床糙率反映了水流和河床相互作用過(guò)程中河道邊界粗糙程度、河道形態(tài)等因素對(duì)水流阻力的綜合影響。床面阻力系數(shù)的確定正確與否，直接影響到各水力要素的計(jì)算[4]。模型率定的方法是調(diào)整河床糙率值，使水位和流量的模擬值與實(shí)測(cè)值盡量吻合。

艾山—濼口河段河道較窄，灘地亦不是很寬，參數(shù)初始率定時(shí)，設(shè)定為統(tǒng)一值，結(jié)果表明：小流量時(shí)，模擬水位低于實(shí)測(cè)水位，相對(duì)誤差較大；大流量時(shí)二者較為接近。這說(shuō)明同一斷面的糙率在水位變化時(shí)呈現(xiàn)不同的值，主河槽糙率設(shè)置過(guò)大，對(duì)同一斷面設(shè)定均一的糙率無(wú)法準(zhǔn)確反映流量豐枯變化時(shí)的過(guò)流差異。而MIKE11可以對(duì)河道中各個(gè)斷面以及每個(gè)斷面沿橫向和垂向位置定義不同的糙率值，因此為提高模擬精度，對(duì)橫斷面的主槽和灘區(qū)分別設(shè)定不同的槽率值，最終河床糙率系數(shù)的率定值為0.025～0.030。

4 結(jié)果分析

4.1 參數(shù)率定結(jié)果

模型模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為5min，空間步長(zhǎng)為500m，設(shè)定糙率值分別模擬韓劉站和北店子站2009年、2013年6-8月的水位變化。主河槽糙率值設(shè)為0.025，灘地糙率值設(shè)為0.030，上游艾山站為流量邊界，下游爍口站為水位邊界，水位計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖3—圖6.

從圖3～圖6可以看出，水位整體模擬效果較好。2009年韓劉站實(shí)測(cè)最高水位36.69m，模擬最高水位36.85m，相對(duì)誤差為0.44%，二者出現(xiàn)的時(shí)間差為3h；2009年北店子站實(shí)測(cè)最高水位32.94m，模擬最高水位33.28m，相對(duì)誤差為1.03%，二者出現(xiàn)的時(shí)間差為9h；2013年韓劉站實(shí)測(cè)最高水位37.01m，模擬最高水位37.04m，相對(duì)誤差為0.08%，二者出現(xiàn)的時(shí)間差為6h；2013年北店子站實(shí)測(cè)最高水位33.04m，模擬最高水位33.50m，相對(duì)誤差為1.39%，二者出現(xiàn)的時(shí)間差為9h。模擬的水位變化過(guò)程與實(shí)測(cè)水位變化過(guò)程相比誤差很小，說(shuō)明河床糙率的設(shè)置比較合理。

4.2 河段洪水演進(jìn)特征變化分析

在小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)的十幾年間，黃河下游艾山—濼口窄河段不同量級(jí)洪水演進(jìn)呈現(xiàn)出不同的特征，以下將結(jié)合該河段2000年汛期洪水（1000m3/s量級(jí)）、2003年汛期洪水（3000m3/s量級(jí)）、2013年汛期洪水（4000m3/s量級(jí)），從水位流量變化、縱斷面水面線變化、洪峰折減、洪水傳播時(shí)間變化等方面進(jìn)行分析。

4.2.1 水位、流量的變化

黃河下游窄河段水位一流量關(guān)系主要受河道主槽的擺動(dòng)和沖淤變化的影響而發(fā)生變化，總體上與上游來(lái)水來(lái)沙所造成的下游河段的漲沖落淤有關(guān)[5]。以黃河艾山站為例，2000-2013年該站的水位一流量變化見(jiàn)圖7，2000-2003年同等水位級(jí)下河道的過(guò)流能力增加量約為200m3/s，2003-2013年同等水位級(jí)下河道過(guò)流能力增加量約為1500m3/s，可見(jiàn)小浪底水庫(kù)2002年調(diào)水調(diào)沙以來(lái)，下游河床形態(tài)發(fā)生了變化，過(guò)流能力提高。

2000-2013年該河段縱斷面洪水水面線的變化也可反映河道沖淤形態(tài)的變化。2000年洪水量級(jí)較小，為體現(xiàn)同等量級(jí)洪水或相近量級(jí)洪水在河道形態(tài)發(fā)生變化時(shí)水面線的變化，假定2000年發(fā)生了與2003年同等量級(jí)（3000m3/s）的洪水，則水面線計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8可以看出2000年發(fā)生3000m3/s量級(jí)洪水時(shí)，水面線較高；到2003年，小浪底水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用僅1a，同等量級(jí)洪水的水面線已開始降低；到2013年，即使其洪水量級(jí)略大于2003年，但其水面線在大多數(shù)斷面處依然低于2003年的水面線。由此可以反映出，黃河下游窄河段10a內(nèi)河道形態(tài)變化明顯，調(diào)水調(diào)沙后，同流量級(jí)的洪水對(duì)應(yīng)水位降低。

4.2.2 洪峰削減分析

一般來(lái)說(shuō)，洪水通過(guò)河道向下游運(yùn)行，受河床糙率影響，洪峰流量會(huì)有所削減，不同時(shí)期、不同量級(jí)的洪水其洪水削減程度是不同的[6]。為體現(xiàn)同等量級(jí)洪水或相近量級(jí)洪水在河道形態(tài)發(fā)生變化時(shí)洪峰削減程度的不同，假定2000年發(fā)生了與2003年同等量級(jí)（3000m3/s）的洪水。2000年小浪底水庫(kù)投入使用初期，下游河道淤積依然較為嚴(yán)重，主槽較淺，洪水極易上灘，洪水沿程削減較為明顯，洪峰折減率為2.47%；2003-2013年，在人為干預(yù)下，下游窄河段受清水沖刷，主河槽加寬加深，即使洪水量級(jí)較大，也可保證下泄洪水基本在河槽內(nèi)運(yùn)行，洪峰折減率為1.52%～1.58%（見(jiàn)表1）。表1中朱圈一潘莊洪峰流量變化較其他河段明顯，其原因是潘莊斷面上游的潘莊引水閘（側(cè)向引水閘）引水所致。

4.2.3 洪水傳播時(shí)間分析

2000-2013年艾山—濼口河段同等量級(jí)洪水或相近量級(jí)洪水傳播時(shí)間逐漸縮短（見(jiàn)表2）。需要說(shuō)明的是，為體現(xiàn)同等量級(jí)洪水或相近量級(jí)洪水在河道形態(tài)發(fā)生變化時(shí)洪水傳播時(shí)間的不同，假定2000年發(fā)生了與2003年同等量級(jí)（3000m3/s）的洪水。2000年整個(gè)河段洪水傳播時(shí)間為26.5h，韓劉一北店子區(qū)間傳播時(shí)間最長(zhǎng)，為12h；2003年整個(gè)河段洪水傳播時(shí)間為25h，韓劉一北店子區(qū)間傳播時(shí)間最長(zhǎng)，為10.5h；2013年整個(gè)河段洪水傳播時(shí)間為10h，韓劉一北店子區(qū)間傳播時(shí)間最長(zhǎng)，為5h；2013年洪水較2000年洪水傳播時(shí)間縮短16.5h。究其原因，就是調(diào)水調(diào)沙之前洪水容易漫灘，洪水傳播延遲，調(diào)水調(diào)沙后河道沖刷下切，過(guò)流斷面水力半徑增大，洪水在河槽內(nèi)的平均傳播速度有所提高。韓劉一北店子區(qū)間的洪水傳播時(shí)間之所以較長(zhǎng)，是因?yàn)樵搮^(qū)間河道彎曲較多，且不同里程處的主河槽寬窄不均，從而影響了河道行洪。

5 結(jié)論

小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)，水沙條件發(fā)生變化，2000-2013年黃河下游艾山—濼口窄河段受到持續(xù)沖刷，洪水在該河段的演進(jìn)過(guò)程呈現(xiàn)以下特征。

（1）河道形態(tài)發(fā)生明顯變化，主河槽過(guò)流能力增強(qiáng)，平灘流量增大。2000-2013年艾山站相同水位下，流量增加約1700m3/s；同流量級(jí)的洪水對(duì)應(yīng)河道縱斷面水面線降低。小浪底水庫(kù)的調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用有效解決了下游窄河段的泥沙淤積問(wèn)題，對(duì)于河道行洪十分有利。

（2）調(diào)水調(diào)沙以后，河道對(duì)洪水的沿程削峰能力減弱。經(jīng)過(guò)十幾年的持續(xù)沖刷，主河槽加寬加深，洪水漫灘的概率減小，洪水基本在河槽內(nèi)演進(jìn)，受河床糙率的影響較小，洪峰動(dòng)能損失較小，2000年洪峰折減率為2.47%，2013年洪峰折減率為1.58%。

（3）河段洪水傳播速度整體加快。2003年洪水較2000年洪水傳播時(shí)間縮短1.5h，2013年較2003年洪水傳播時(shí)間縮短15h。2013年4000m3/s量級(jí)的洪水傳播時(shí)間縮短為10h。由于區(qū)間河道彎曲較多，且不同里程處的主河槽寬窄不均，因此2013年韓劉一北店子河段洪水傳播時(shí)間仍達(dá)到5h，占區(qū)間洪水傳播時(shí)間的50%。

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