調(diào)水調(diào)沙期黃河下游河道洪峰增值預(yù)測方法研究

關(guān)鍵詞：洪峰增值；特征參數(shù)；預(yù)測方法；調(diào)水調(diào)沙；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．１０００－１３７９．２０２４．０９．００６

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

０引言

黃河調(diào)水調(diào)沙是改善黃河水沙關(guān)系的重要手段之一［１］ 。調(diào)水調(diào)沙是指在適當(dāng)時(shí)機(jī)加大水庫下泄流量，形成人造洪峰，加強(qiáng)對(duì)下游河床的沖刷，增大下游主槽的行洪能力，同時(shí)聯(lián)合調(diào)度水庫群，合理運(yùn)用在水庫庫底運(yùn)動(dòng)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(diào)水調(diào)沙改變了進(jìn)入中下游河道的自然水沙過程［３］ ，充分發(fā)揮下游河道的輸沙能力遏制河槽萎縮，恢復(fù)并維持中水河槽［４］ ，對(duì)復(fù)蘇河口三角洲生態(tài)發(fā)揮了巨大作用［５］ ，同時(shí)也引發(fā)了一些特殊現(xiàn)象［６－７］ 。２００４—２０２２年調(diào)水調(diào)沙期，異重流排出小浪底水庫后，黃河下游出現(xiàn)了１０ 次洪峰增值的異常現(xiàn)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?yún)R流量）超過１０００ ｍ^３ ／ ｓ 的洪水共５ 次，最大增值流量達(dá)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?yún)R流量）］高達(dá)８１．４％。

洪峰增值現(xiàn)象吸引了眾多專家學(xué)者的關(guān)注［６－２３］ ?，F(xiàn)有水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)理論尚無法對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行解釋，同時(shí)又缺乏完整的觀測數(shù)據(jù)，因此目前對(duì)洪峰增值形成機(jī)理仍沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。具有代表性的觀點(diǎn)主要有漫灘洪水歸槽［９－１１］ 、河床形態(tài)變化［８，１２－１７］ 、細(xì)顆粒泥沙減阻［１４，１８－２４］ 等３ 類。從宏觀水力學(xué)角度看，減阻效應(yīng)是各家統(tǒng)一認(rèn)定的重要影響因素，而從微觀水動(dòng)力學(xué)的角度看，對(duì)減阻效應(yīng)的解釋則眾說紛紜。江恩惠等［１８］ 認(rèn)為糙率的減小與上游來水含沙量及級(jí)配有關(guān)；李國英［１４］ 認(rèn)為河道糙率的減小與水流含沙量、懸沙級(jí)配、床沙級(jí)配、床面形態(tài)、河道斷面形態(tài)及河岸周界情況等因素有關(guān)。

洪峰增值現(xiàn)象增大了洪水分析和預(yù)測的難度，一定程度上影響了小浪底水庫的調(diào)度決策［２３］ ?，F(xiàn)有洪峰增值相關(guān)研究成果多為定性描述，少數(shù)定量研究成果又因觀測數(shù)據(jù)的匱乏而難以在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用推廣。筆者基于現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)，提出簡單快速判斷洪峰增值是否發(fā)生、預(yù)測洪峰增值比例的方法，以期為黃河下游防汛工作及相關(guān)研究提供參考。

１洪峰增值特征參數(shù)篩選

以往黃河下游洪峰增值最大值發(fā)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(yù)判小浪底至花園口河段是否發(fā)生洪峰增值；二是若發(fā)生洪峰增值，則預(yù)測未來花園口洪峰流量。結(jié)合以往研究成果，影響洪峰增值的因素有來水來沙、來沙級(jí)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(yù)測的時(shí)效性，在洪峰增值特征參數(shù)選擇上優(yōu)先選擇能夠及時(shí)獲取完整觀測數(shù)據(jù)的參數(shù)。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(jí)配數(shù)據(jù)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(jí)配、床面形態(tài)、河道斷面形態(tài)及河岸周界情況等，其中床沙級(jí)配、河道斷面形態(tài)僅有汛前實(shí)測資料，尚無與洪峰增值匹配的系統(tǒng)觀測資料，而床面形態(tài)與河岸周界情況則無觀測資料。因此，本次特征參數(shù)選擇基于小浪底（２０１０年后采用西霞院數(shù)據(jù)，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(jí)配等參數(shù)。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(tǒng)計(jì)了含沙量起漲前２４ ｈ、１２ ｈ 及６ ｈ 等３ 個(gè)數(shù)據(jù)，懸沙級(jí)配統(tǒng)計(jì)了懸沙中值粒徑ｄ５０和懸沙平均粒徑ｄ，具體數(shù)據(jù)見表２。

考慮到樣本數(shù)量有限，本次研究僅進(jìn)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(shù)為自變量，分析各自變量與因變量之間的相關(guān)性，見表３。由表３ 可知，各自變量與增值比例回歸相關(guān)系數(shù)為０．１６３ ３～０．５４６ ４，這印證了小浪底至花園口河段出現(xiàn)洪峰增值現(xiàn)象不是受單因素影響，而是多因素共同作用下的復(fù)雜現(xiàn)象。各特征參數(shù)對(duì)增值比例影響的重要程度排序?yàn)椋荷撤澹竞沉繚q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(duì)洪峰增值的作用機(jī)理相似，保留對(duì)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(guān)性，保留對(duì)增值比例影響最大的小浪底懸沙平均粒徑ｄ。據(jù)此篩選出４ 個(gè)特征參數(shù)，其對(duì)增值比例影響排序?yàn)椋荷撤澹竞沉繚q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(fā)生，將２００４年以來小浪底水庫排沙期未發(fā)生洪峰增值的特征參數(shù)也進(jìn)行了相應(yīng)統(tǒng)計(jì)。按篩選出的４ 個(gè)特征參數(shù)對(duì)增值比例影響的重要程度，分別點(diǎn)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(guān)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(xì)，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(fā)現(xiàn)，沙峰小于４００ ｋｇ／ ｍ^３ 時(shí)，河道糙率系數(shù)基本呈現(xiàn)隨含沙量的增大而減小的趨勢；細(xì)顆粒含量越大，減阻現(xiàn)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(nèi)，沙峰越大、泥沙組成越細(xì)，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(shí)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(fā)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(guān)系圖中，增值與未增值之間區(qū)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(guān)系中，增值與未增值之間有明顯區(qū)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(fā)生的一個(gè)判別標(biāo)準(zhǔn)。

由圖１（ｂ）可知，現(xiàn)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(rèn)為當(dāng)小浪底含沙量漲峰期平均漲率超過２２．９ｋｇ／ （ｍ^３·ｈ）時(shí)，小浪底至花園口河段可能發(fā)生洪峰增值現(xiàn)象。此外，小浪底沙峰與增值比例之間的回歸相關(guān)系數(shù)超過０．５（見表３），因此可建立其與增值比例之間的相關(guān)關(guān)系，以此來預(yù)測增值區(qū)間。

２ ２０２３年洪峰增值預(yù)測預(yù)報(bào)分析

２０２３ 年６ 月２１ 日９ 時(shí)至７ 月１６ 日１６ 時(shí)，黃河水利委員會(huì)結(jié)合汛前騰庫迎汛實(shí)施了汛前調(diào)水調(diào)沙。結(jié)合以上研究成果，在本次調(diào)水調(diào)沙過程中，對(duì)花園口洪峰流量進(jìn)行了預(yù)測預(yù)報(bào)。

２０２３ 年黃河調(diào)水調(diào)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(shí)，小浪底出庫含沙量開始上漲，至７ 月６ 日２１ 時(shí)，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(shí)，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(fā)生洪峰增值時(shí)最低含沙量漲峰期平均漲率２２．９ ｋｇ／ （ｍ^３ ·ｈ），預(yù)計(jì)洪水演進(jìn)至花園口將發(fā)生洪峰增值現(xiàn)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(duì)應(yīng)外包線上增值比例為７％～６６％，按擬合線計(jì)算增值比例為３０％左右。根據(jù)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(yù)估支流入?yún)R３５０ｍ^３／ ｓ 左右，按外包線預(yù)估增值比例計(jì)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(jù)２０２３年水文整編資料，小浪底至花園口河段實(shí)測增值流量為８９０ ｍ^３／ｓ，增值比例２８％，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，說明該預(yù)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(yù)判洪峰增值是否發(fā)生、預(yù)測增值比例，尚不能進(jìn)行洪峰演進(jìn)時(shí)間等的預(yù)測。此外，因樣本數(shù)量有限，本研究僅采用了單因素進(jìn)行相關(guān)分析，然而造成洪峰增值現(xiàn)象的因素是多元的，后續(xù)隨著樣本數(shù)量的增加，可進(jìn)行多因素綜合分析。

３結(jié)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(shù)為自變量，分別計(jì)算各自變量與因變量的相關(guān)系數(shù)，據(jù)此篩選出對(duì)洪峰增值影響較大的參數(shù)，并提出了判斷洪峰增值是否發(fā)生以及預(yù)測洪峰增值區(qū)間的方法，主要結(jié)論如下。

１）小浪底出庫水沙主要特征參數(shù)對(duì)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(duì)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(yù)判參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)小浪底含沙量漲峰期平均漲率超過２２．９ｋｇ／ （ｍ^３·ｈ）時(shí)，小浪底至花園口河段可能發(fā)生洪峰增值現(xiàn)象，并可基于小浪底沙峰與增值比例之間的相關(guān)關(guān)系，預(yù)測增值比例區(qū)間。

３）基于２０２３年黃河調(diào)水調(diào)沙期小浪底水文站實(shí)時(shí)水、沙情數(shù)據(jù)，在小浪底水文站第一個(gè)沙峰出現(xiàn)后，對(duì)小浪底至花園口河段洪峰增值進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)，預(yù)計(jì)洪水演進(jìn)至黃河下游將發(fā)生洪峰增值現(xiàn)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(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)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(jié)果，目前由于樣本數(shù)量有限，因此僅進(jìn)行了單因素相關(guān)分析，后續(xù)需要收集更多的實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善洪峰增值預(yù)測方法。