黃河北干流河段桃汛洪水演進特征分析

侯素珍，魏 歡，范冰潔，胡 恬

(1.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河下游河道與河口治理重點實驗室，河南 鄭州 450003；3.山西黃河河務局，山西 運城 044000)

黃河有四汛，即桃汛、伏汛、秋汛、凌汛，分暴雨洪水和冰凌洪水兩個類型。在夏季7月—8月形成的暴雨洪水稱“伏汛”，是黃河的主汛期；秋季9月—10月一般由華西秋雨形成的暴雨洪水稱“秋汛”，伏秋兩汛時間相連，合稱“伏秋大汛”。在冬季，因河道封凍，河槽大量蓄水，在解凍開河時，河道水流伴有大量冰凌下泄，很容易在彎曲狹窄河段卡冰阻水，壅高水位，威脅堤防安全，稱“凌汛”。在3月底、4月初，寧蒙河段解凍開河，河槽蓄水量下泄形成洪水過程，傳播到下游正值桃花盛開季節(jié)，稱“桃汛”。

黃河中游汛期洪水峰高、量大、含沙量高，對相應水沙變化和洪水特性研究較多[1-3]，對桃汛洪水關注較少。寧蒙河道凌汛融冰形成的桃汛洪水，至頭道拐站具有較大的洪峰，演進到潼關形成明顯的洪水過程，對潼關高程具有一定的沖刷作用[4-6]。在頭道拐至潼關河段的洪水演進過程中，受山西河曲段凌汛槽蓄水量、沿程支流入?yún)R、北干流河道沖淤調(diào)整，以及天橋水庫和萬家寨水庫運用的影響，洪峰、洪量以及含沙量均發(fā)生變化[7]。1998年10月萬家寨水庫下閘蓄水，初期凌汛期的運用改變了中游桃汛洪水過程，削弱了對潼關高程的沖刷作用[5]。為更好發(fā)揮桃汛洪水對潼關高程的沖刷作用，2006年以來開展利用桃汛洪水沖刷降低潼關高程試驗(桃汛試驗)，在確保黃河內(nèi)蒙古河段與北干流防凌安全的前提下，通過劉家峽、萬家寨、天橋、三門峽水庫的調(diào)度運用，優(yōu)化桃汛期潼關水文站水沙過程，實現(xiàn)潼關河床的沖刷，降低潼關高程，兼顧有關樞紐發(fā)電排沙運用[8-10]。水庫調(diào)度對水沙過程的干涉程度直接影響桃汛洪水的沿程變化，洪水演進過程的不同對調(diào)水調(diào)沙和洪水調(diào)度中水沙對接效果產(chǎn)生影響。隨著黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的推進，調(diào)水調(diào)沙和洪水調(diào)度對水庫調(diào)控提出更高的要求，深入認識演進過程中水沙變化，可為水庫精準調(diào)度提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

黃河內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)至陜西潼關河段稱黃河北干流，全長716.6 km。內(nèi)蒙古頭道拐到龍門河段位于晉陜峽谷，俗稱“大北干流”，支流眾多，落差較大，其間有萬家寨水庫與天橋水庫。龍門至潼關河段，俗稱“小北干流”，河床寬淺，水流散亂，主流游蕩不定，為典型的堆積游蕩型河道。頭道拐水文站是中上游分界的控制站，也是萬家寨水庫的入庫站；河曲水文站為天橋水庫入庫站、萬家寨水庫出庫站，府谷水文站為天橋水庫出庫站；龍門水文站為小北干流的入口站。潼關斷面位于黃河和渭河交匯區(qū)下游，潼關高程(潼關(六)斷面1 000 m3/s流量相應水位)相當于渭河下游侵蝕基準面，是三門峽水庫運用的制約因素。區(qū)域主要水文站及工程位置見圖1。

圖1 研究區(qū)示意圖

天橋水庫是一座以徑流發(fā)電為主、兼有防洪功能的中型水電站，位于河曲與府谷區(qū)間的峽谷河段。1975年12月截流，1976年底第一號機組開始發(fā)電，1978年7月4臺機組全部投產(chǎn)，4臺機組的最大泄流量870 m3/s。運用以來庫區(qū)以淤積為主，開河期降低水位排冰排沙。

萬家寨水庫位于頭道拐水文站與天橋水庫之間，下距天橋電站97 km，樞紐工程的主要任務為供水結合發(fā)電調(diào)峰，并兼有防洪、防凌作用。水庫1998年10月投入運用，采用“蓄清排渾”運用方式，水庫的防凌調(diào)度運用主要以水位控制為主，盡量減少庫水位在封河期和開河期對庫尾河段冰情的影響，凌汛前降低水位、洪峰期削峰運用。

2 洪水演進過程

以頭道拐到潼關區(qū)間干流水文站實測資料為依據(jù)，分析洪峰和含沙量的沿程變化過程。

2.1 洪峰流量演進過程

內(nèi)蒙古河段凌汛開河在頭道拐站形成的桃汛洪水，洪峰流量一般在1 400 m3/s～3 000 m3/s之間，多年(1954年—2020年)平均2 084 m3/s。經(jīng)過萬家寨水庫、天橋電站和小北干流河道演進到潼關，洪峰流量有增有減，不同階段呈不同的調(diào)整過程。

桃汛洪水演進過程中，受山西河曲段凌汛槽蓄水量、北干流河道及沿程支流匯入影響，同時受萬家寨和天橋水庫運用的影響。對比潼關站和頭道拐站桃汛洪峰，多數(shù)年份沿程增加(見圖2)。結合水庫投運時間分4個時段，并根據(jù)資料完整情況分析不同時段的特征(見表1)。第一階段為1954年—1977年天然情況，頭道拐站洪峰平均為2 095 m3/s，到潼關站除個別年份外均增加，最大增加940 m3/s，年平均增加398 m3/s。第二階段為1978年—1998年天橋水庫運用期，頭道拐洪峰平均為2 418 m3/s，至潼關平均增加251 m3/s，但區(qū)間各段差異較大。其中頭道拐至河曲段洪峰流量有增有減、增大與減小次數(shù)基本相當，時段平均增大46 m3/s；河曲至府谷段受天橋水庫泄水排沙的影響，洪峰流量以增大者居多，運用初期出庫瞬時峰值曾達5 000 m3/s以上，時段平均增大1 206 m3/s達到3 670 m3/s；府谷以下以洪峰衰減者居多，特別是府谷到吳堡之間衰減最快，府谷至潼關站洪峰流量平均減少1 000 m3/s，洪峰流量的衰減主要是出庫的峰型尖瘦、演進過程中洪水過程坦化所致。第三階段為萬家寨水庫投入運用至桃汛試驗前的1999年—2005年，頭道拐洪峰流量平均為2 151 m3/s，萬家寨水庫蓄水削峰減小了桃汛洪峰流量，到潼關站降低22%，平均為1 676 m3/s。其中頭道拐到河曲間以減小為主，平均減小357 m3/s，經(jīng)天橋水庫后洪峰增大，到吳堡站平均增值556 m3/s；吳堡到潼關仍為衰減過程，平均減少674 m3/s。第四階段為開展利用桃汛洪水沖刷降低潼關高程試驗后的2006年—2020年，在保證防凌安全的情況下，萬家寨水庫維持一定水位，漲水過程入庫流量達1 000 m3/s以上時，水庫進行補水，優(yōu)化水庫蓄泄過程，出庫流量按調(diào)度指標控制。期間頭道拐洪峰平均為1 514 m3/s，頭道拐到河曲洪峰流量增大，平均增大593 m3/s；經(jīng)天橋水庫到吳堡站，洪峰平均增加151 m3/s，小于之前時段；吳堡到潼關仍為衰減過程，到潼關洪峰流量平均2 013 m3/s。1954年—2020年多年平均頭道拐到潼關站桃汛洪峰流量增大271 m3/s。

總體看，洪峰流量沿程變化受水庫運用直接影響，水庫下游到潼關峰值基本為衰減過程。

圖2 歷年頭道拐和潼關站洪峰流量過程

表1 不同時期洪峰沿程變化比較

2.2 最大含沙量沿程調(diào)整

桃汛期頭道拐到潼關站最大含沙量除個別年份外總體沿程增加，區(qū)間府谷和河曲站瞬時最大含沙量受不同因素影響有較大變化(見圖3)。

由于內(nèi)蒙古河段開河期冰水輸移，頭道拐站流量增大，相應含沙量也增大。根據(jù)1954年—2020年資料統(tǒng)計，最大瞬時含沙量多在8 kg/m3～20 kg/m3，平均為11.48 kg/m3，高于洪水期多年平均含沙量8.6 kg/m3。

河曲站為天橋水庫進庫專用站，也是萬家寨水庫出庫站。1978年有系統(tǒng)觀測資料至萬家寨水庫運用前1998年，最大含沙量多在5 kg/m3～18 kg/m3之間，平均為12.4 kg/m3，較頭道拐站同期平均值14.4 kg/m3略有減小。萬家寨水庫投入運用至2020年，受水庫調(diào)度運用影響河曲最大含沙量平均為20.5 kg/m3，大于相應入庫值8.36 kg/m3；年際變幅增大，變化范圍在0～90.8 kg/m3，當庫水位高時入庫泥沙淤積在庫區(qū)，出庫含沙量低至0，降低水位運用時水庫排沙[11]，出庫含沙量增加大于入庫值，如圖3中的2005年—2010年。

圖3 頭道拐-潼關歷年沙峰值

府谷為天橋水庫出庫站，桃汛期最大含沙量取決于水庫排沙運用。水庫降低水位運用時，最大瞬時含沙量可達100 kg/m3以上，如1988年達228 kg/m3。但受天橋水庫庫區(qū)淤積泥沙量有限影響，高含沙持續(xù)時間短、衰減快，到吳堡站一般在40 kg/m3以下，如圖4。一般情況下，當府谷沙峰在20 kg/m3以上時沿程衰減，在20 kg/m3以下時到吳堡有不同程度增加。

圖4 府谷-吳堡沙峰衰減關系

吳堡經(jīng)龍門到潼關最大瞬時含沙量變化，各區(qū)間有增大也有減小，當吳堡含沙量較大或流量較小時沙峰沿程衰減，反之則沿程增加，從多年平均值看3站均接近21 kg/m3。

總體看，在頭道拐到潼關最大含沙量沿程變化中，天橋水庫和萬家寨水庫運用對沙峰值影響較大。出庫含沙量大時沿程迅速衰減，出庫含沙量小時沿程增加，但增加值有限。2012年后河曲含沙量多數(shù)年份極小甚至為0，盡管得到沿程河道補給，潼關站最大含沙量仍然低于頭道拐最大含沙量。

3 洪量和沙量變化

根據(jù)資料統(tǒng)計，1954年—2020年頭道拐桃汛期最大10日洪量平均為9.21億m3，經(jīng)歷了增大和減少過程(見圖5)。其中1967年以前洪量較小，平均為7.20億m3；青銅峽和劉家峽水庫投運后進行防凌運用，增大封河期流量，槽蓄水增量增多，1968年—1992年10日洪量平均為9.29億m3，1993年—2012年多在10億m3以上，最大達15.2億m3，平均為11.46億m3；2013年后受內(nèi)蒙古河段應急分凌、海勃灣水利樞紐蓄水等的影響，降低了凌災風險，減少了開河期頭道拐的水量和流量，2014年—2020年10日洪量平均僅6.39億m3。傳播到潼關站，1998年以前10日洪量均為增加，1954年—1998年平均增加3.36億m3，達12.26億m3；1999年—2005年受萬家寨水庫桃汛期蓄水調(diào)度的影響，潼關站洪量小于頭道拐；2006年后開展桃汛試驗期加強了桃汛期萬家寨水庫的調(diào)度，進行補水和優(yōu)化桃汛洪水過程，桃汛洪量增加，相應潼關洪量大于頭道拐，年均增加1.47億m3。

在洪水傳播過程中，由于區(qū)間支流入?yún)R和水庫運用的影響，洪量變化特點不同，沿程站最大10日洪量關系見圖6。可以看出，頭道拐到河曲1998年以前有增有減，平均變化不大；1998年—2005年因萬家寨水庫調(diào)蓄河曲站洪量普遍減少，年平均減少3.38億m3，直接影響潼關洪量；2006年桃汛試驗后，除個別小水年外河曲水量以增加為主。河曲到龍門段受支流入?yún)R和天橋水庫的影響，除個別年份外洪量總體為增加，年平均增加1.06億m3，沿時序沒有明確的變化趨勢。潼關站洪量與龍門站呈正相關，由于區(qū)間渭河等支流入?yún)R，洪量以增加為主，年平均增加0.783億m3。

圖5 頭道拐和潼關站10日洪量歷年變化

在洪水傳播過程中，由于粗泥沙落淤以及區(qū)間干支流河床泥沙補給，沙量沿程發(fā)生變化。根據(jù)桃汛期相應最大10日洪量的沙量統(tǒng)計分析，頭道拐站多年平均(1954年—2020年)為0.051億t，2014年后較之前減少69%；潼關站平均為0.154億t，2000年后呈減少趨勢，特別是2014年水量減少后沙量更少，年均僅0.022億t，較之前減少86%；與頭道拐相比，2009年后潼關沙量變化很小，平均含沙量也與頭道拐相近。從沿程變化看(見圖6)，頭道拐到河曲，除個別年份受萬家寨水庫調(diào)度排沙影響外洪水期沙量多為減少；河曲到龍門沙量變化大，除了河床補給，主要受天橋水庫排沙運用的影響沙量增幅大，其中有兩年減少主要是萬家寨水庫排沙集中而發(fā)生沿程衰減；龍門到潼關經(jīng)過132 km的游蕩性河段沙量普遍增加，同時兩站沙量趨勢關系較好，具有多來多排的變化特點，以冪函數(shù)表示相關系數(shù)R達0.96。

從洪水期平均含沙量看，天橋水庫運用以來府谷站平均為8.21 kg/m3，到龍門增加1.84 kg/m3，龍門到潼關增加1.98 kg/m3，潼關站含沙量為12.03 kg/m3。2009年后沒有明顯變化。

從這些資料可知，雖然萬家寨水庫或者天橋水庫出庫瞬時含沙量較大，但傳播至潼關的含沙量并不大，如1988年府谷站最大瞬時含沙量達226 kg/m3，傳播至潼關站最大含沙量只有36.7 kg/m3。同時桃汛期庫區(qū)沖刷量有限，府谷以下輸沙量和含沙量均沿程增加，因此水庫排沙對小北干流和潼關河段沖刷影響甚微。

圖6 頭道拐到潼關站洪量和沙量變化

4 潼關高程變化

桃汛洪水演進到潼關斷面，對潼關高程具有一定沖刷作用。三門峽水庫1974年蓄清排渾運用以來至萬家寨水庫運用前，桃汛洪水期當三門峽壩前水位低于320 m時潼關高程一般表現(xiàn)為沖刷，流量越大、壩前水位越低，潼關高程沖刷下降值越大[4]，當壩前水位低于316 m后洪峰流量大于1 500 m3/s即發(fā)生沖刷。1986年—1998年潼關站桃汛洪峰平均值2 670 m3/s，期間壩前最低水位平均值317.6 m，潼關高程平均下降0.18 m；1999年—2005年，桃汛洪峰平均值1 680 m3/s，壩前最低水位平均值315.4 m，潼關高程平均下降0.03 m，可見，洪峰流量減小直接影響潼關高程的沖刷下降。2006年開始萬家寨水庫根據(jù)“桃汛試驗”方案進行補水調(diào)度，其中2006年—2012年潼關洪峰平均值為2 537 m3/s，壩前最低水位平均值312.7 m，潼關高程平均下降0.11 m；之后，受開河期頭道拐洪量減小和萬家寨水庫補水能力降低的影響[12-16]，潼關洪峰在1 800 m3/s以下，洪量減小，潼關高程有沖有淤，平均基本平衡。

可見，優(yōu)化桃汛洪水期萬家寨水庫的調(diào)度，增大桃汛洪峰對潼關高程的沖刷作用，對控制潼關高程抬升具有重要作用。

5 結 論

(1) 頭道拐桃汛洪峰多年平均為2 084 m3/s，經(jīng)過北干流河道到潼關多為增加，天然情況下增值較大，天橋和萬家寨水庫運用后增值減小或為負值，2006年桃汛試驗后洪峰增值增加。區(qū)間府谷以上受水庫運用的影響，瞬時洪峰增值很大，沿程至潼關均為衰減過程。最大含沙量的變化受水庫排沙運用的影響更大，當出庫站含沙量超過40 kg/m3快速衰減，小于20 kg/m3時沿程增加的幾率較高。

(2) 洪量和沙量總體呈沿程增加趨勢，最大含沙量減小但平均含沙量增加，其中潼關與龍門站沙量具有很好的關系，經(jīng)過小北干流河段具有多來多排的特點。

(3) 天橋水庫排沙運用可能造成比較高的瞬時含沙量，但從府谷到吳堡含沙量衰減很快，水庫下游洪水期沙量總體為沿程增加。萬家寨水庫運用初期，頭道拐到潼關洪峰衰減、洪量減少，不利于潼關高程的沖刷。

(4) 桃汛洪水對控制潼關高程抬升具有重要作用。建議桃汛期萬家寨水庫的調(diào)度繼續(xù)保持一定的出庫流量指標，到潼關站能維持在2 000 m3/s以上，發(fā)揮桃汛洪水對河道的有利作用；同時洪水期水庫可以進行適當排沙，不會對龍門以下河段沖淤產(chǎn)生明顯影響。