渭河下游河道冲淤变化对洪水演进特性的影响

杨 露， 王新宏， 黄修山， 眭红艳， 孙亚琴

(1.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利工程国家重点实验室， 陕西 西安 710048; 2.重庆航运建设发展有限公司， 重庆 400013)

1 研究背景

自1960年三门峡水库建成后，渭河下游出现河道泥沙淤积严重、河道主槽宽度束窄明显、主槽摆动加剧且过水断面逐渐萎缩、S型河势增多等现象[1-3]；与此同时，河道的洪水演进特性因河道条件的变化也相应地发生了较大改变。多年来国内很多学者对渭河下游河道产生淤积萎缩的原因作了大量的研究，结果表明渭河下游枯水枯沙、潼关高程的不断抬升和高含沙洪水频发是造成渭河下游行洪能力下降、洪水位大幅度抬升以及泥沙淤积严重的主要原因[4-9]。 王西超等[10]从洪水位、消峰率和洪峰传播时间等方面对渭河“05.10”和“03.08”洪水进行了对比分析；石长伟等[11]和宁爱琴等[12]均分析了渭河“11.09”洪水过程，研究表明该洪水具有洪水位高、持续时间长、削峰率小及临潼—华县河段洪水演进速度较慢等特性。张广林等[13]对渭河“17.10”洪水特性进行了分析，指出该场洪水具有水位较高、洪峰流量沿程增加、传播时间较长的特性。这些研究多仅限于对渭河某一两次洪水特性进行分析，有较大的局限性。本文依据三门峡水库建库以来渭河下游长期实测资料，在系统分析渭河下游河道冲淤变化对洪水演进特性影响的基础上，试图阐明渭河下游河道边界条件与洪水要素之间的规律性，建立两者之间的定量关系式。这不仅对提高渭河下游洪水预报精度有帮助，同时对黄河流域其他多泥沙河流的洪水预报具有参考意义。

2 渭河下游河道变化特征

三门峡水库建库前，渭河下游河槽处于相对冲淤平衡状态，主槽相对稳定。1960年三门峡水库建库以后，渭河下游冲淤变化可分为3个阶段。第1阶段，自1960年3月至1973年10月，是渭河下游淤积迅速发展的时期。本阶段渭河下游全河段累积淤积量达10.07×108m3(图1)，期间潼关高程大幅度抬升，河道造床流量下降明显，河道主槽开始淤积萎缩。第2阶段，自1973年10月至2002年10月，是渭河下游缓慢淤积的时期。本阶段三门峡水库开始采用蓄清排浑运用方式，渭河下游淤积发展速度明显减缓，期间渭河下游河段累积淤积量达3.14×108m3，潼关高程持续抬升。从图2可见，本阶段华县水文站处造床流量1974-1976年间前有小幅上升，1976年后大幅度减小。第3阶段，自2002年至今，是渭河下游冲刷下切的时期。2002年开始三门峡水库开展原型试验，渭河下游河道累积淤积量开始减小，2002年10月至2010年10月渭河下游累积冲刷1.50×108m3，潼关高程逐步下降，加之渭河来沙量大幅度减少，渭河下游淤积总量同步呈下降趋势，河道造床流量增大，主槽拓宽；自2010年渭河全线整治开始以来，除局部河段淤积外，渭河下游全线冲刷，潼关高程下降明显，河道造床流量也增大，主槽仍在拓宽。可见，三门峡水库建库以后，渭河下游经历了迅速淤积，缓慢淤积和冲刷下切3个不同阶段，各阶段渭河河道边界条件发生了较大变化，洪水演进特性也随之发生改变。

图1 三门峡建库以来渭河下游河段累积淤积量变化曲线 图2 1974-2014年河道造床流量

3 渭河下游洪水特性变化概况

3.1 洪水位变化情况

根据黄河流域三门峡库区水文测验资料，点绘出建库前后华县站在不同年份的水位流量关系图(图3)。由华县站统计数据可知，建库前1954年最大流量为7 660 m3/s的洪水位为338.81 m；而建库后1962年最大流量为3 540 m3/s的洪水位为338.07 m；进入20世纪80年代，1981年最大流量为5 380 m3/s的洪水位为341.05 m；进入21世纪初期，2003年最大流量为3 540 m3/s的洪水位为342.76 m，而2009年最大流量为1 120 m3/s的洪水位为339.69 m，2011年最大流量为2 750 m3/s的洪水位为342.70 m。同时建库前1954年流量为3 450 m3/s时的洪水位高出流量为5 000 m3/s时的洪水位4.34 m。可知自建库至2003年，华县站河道行洪能力不断下降，洪水位发生大幅度地抬升。不同流量级的洪水位相比，建库前存在小流量级的洪水位有大于大流量级洪水位的现象，而建库后小流量级的洪水位均小于大流量级的洪水位。2003年以后华县站洪峰流量大幅度较小，洪水位也发生明显地降低。因渭河下游2003年和2005年出现了较大洪水，河道出现冲刷使河道主槽扩宽所致，而2011年的洪水位比2003年的洪水位高3.01 m，这是由于该年份较之前河道出现淤积且河底比降变缓，同时滩地作物增加河道糙率形成阻水。

将华县站不同年份同流量级对应的洪水位绘于图4中，由图4可知，华县站1996年同一流量级(图中4个流量级区间)的洪水位与1954年的洪水位相比分别升高了2.95、4.54、4.95和5.12 m；而2003年同流量级的洪水位与1954年的洪水位相比分别升高了3.93、4.8、5.09和5.74 m。说明建库后至2003年同流量级的洪水位明显高出建库前的洪水位，且随着水库的运行渭河下游的洪水位逐渐升高。但2003年之后，同流量级的洪水位却呈下降趋势。

3.2 三门峡建库后渭河下游洪水传播时间的变化情况

1961年至今临潼站至华县站年最大洪水的洪峰传播时间变化过程如图5所示。由于三门峡水库的建成运行及经历两次改建和运行方式的改变，使渭河下游河道发生了很大的变化，也导致了渭河下游洪水传播历时延长。经统计分析得到[13-14]，华县在1965-1989年间出现了33次流量大于2 000 m3/s的洪水，洪水的平均传播时长为11.8 h，且由临潼传播到华县河段所需传播时间长达18.5 h；20世纪90年代间出现了7次流量大于1 500 m3/s的洪水，洪水的平均传播时间长达17.3 h，且由临潼传播到华县河段所需传播时间达到33 h；2003年发生的洪水，前3次洪峰平均传播时长为34.9 h，其中该洪水第一次的洪峰平均传播时长都达到了52.3 h。2005年、2009年、2011年以及2017年由临潼传播到华县河段洪峰传播历时分别达到42.3、40.2、36.5和31.3 h。由图5可知，临潼至华县站自1973-2003年，洪峰传播历时明显延长，2003年洪峰传播历时出现缩短现象，2005年洪峰传播历时又出现大幅度增加之后又呈逐渐下降现象。这是由于2005年出现了特大洪水，河道大面积发生漫滩，导致洪峰传播历时延长。2005年之后洪水的洪峰流量减小，大部分在河槽中演进且河道泥沙淤积量减小，而渭河下游河道由淤积转为冲刷，河道的行洪能力增大，洪峰传播时间变短。

图3 华县站不同年份水位流量关系图 图4 华县站不同年份同流量级对应的洪水位

图5 临潼站至华县站河道洪水传播时间变化过程 图6 渭河下游洪峰削峰率随时间变化情况

3.3 建库后渭河下游洪峰消减情况

图6为临潼至华县河段渭河下游年内最大洪水消峰率随时间的变化情况。经统计分析得到[13-14]，华县在1965-1989年间出现了33次流量大于2 000 m3/s的洪水，在此期间洪水的平均削峰率为12.6%，其中临潼至华县河段存在的最大洪峰削峰率51.1%；20世纪90年代间出现了7次流量大于1 500 m3/s的洪水，洪水的平均削峰率为14.8%，其中临潼至华县河段存在的最大洪峰削峰率也达到41.2%；2003年间发生前3次洪水的洪峰削峰率的平均值为41.2%，其中首次削峰率就已达53.1%。本文点绘了临潼至华县河段渭河下游年内最大洪水消峰率随时间的变化情况(图6)。由图6可知，不同年份中渭河下游年内最大洪水削峰率变化存在显著地差别，这主要受渭河下游洪水来源的影响。若渭河下游来水以其支流汇入为主，由于渭河下游支流较多，汇入的水量使洪峰消减较小，甚至出现负值。例如1961、1963、1985、1988、1993和2017年其削峰率均为负值。若渭河下游来水以渭河上游(咸阳以上)为主，则洪峰削减较大。

由图6的变化趋势可知，自三门峡水库建成后，渭河下游华县站洪峰削峰率变化有升有降，20世纪80年代后洪峰削峰率有明显增加，2003年之后渭河下游洪峰削峰率呈明显的下降趋势。

4 渭河下游河道淤积萎缩对洪水特性的影响

4.1 对洪水位的影响

根据曼宁阻力公式可得到主槽流量从Q1上涨到Q2时的水位涨幅ΔH为：

ΔH=(Q23/5-Q13/5)(B·J1/2·n-1)-3/5

(1)

式中：B为河槽宽度，m；J为水力坡降；n为河床糙率。

由公式(1)可知，水位的变化与河道宽度和河床阻力存在着较为密切的非线性关系，计算结果表明，河道宽度减小一倍或河床糙率增加一倍，则引起水位上涨1.52倍；若河道水面线比降缩小1倍，则引起水位上涨1.23倍。本次泥沙数学模型计算中，需要确定基准断面、边界条件和计算时段。(1)基准断面选取：1983年华县河段的河道断面；(2)边界条件：入口水位-流量过程选择临潼河段的实测洪水资料，出口水位-流量过程选择华阴河段的实测洪水资料；(3)计算时段：1983年的8月25日2点至10月2日20点。然后，同时改变主槽宽度，即主槽过水断面同时减少，观察最大洪峰流量处洪水位的变化情况。将主槽宽度对洪水位和洪峰流量影响的图绘于图7和8，由图7可知，随主槽宽度的缩窄，洪水位升高；而随主槽宽度的拓宽，洪水位则下降。同时随主槽过水断面的减小，相应的河道断面的洪峰流量也随之减小。由图8可知：渭河下游洪水的流量级为3 000 m3/s时，主槽宽每减小100 m，洪水位将发生大约0.4～0.5 m的上升高度。

图7 渭河华县段主槽宽度改变对洪水位的影响 图8 渭河华县段主槽宽度改变对洪峰流量的影响

河道主槽缩窄将引起平摊流量变小，当渭河下游发生同流量级洪水时，主槽萎缩前后相比，前者洪水完全在主槽内，不会漫流到滩地，而后者将引起大量水流漫滩。随着洪水漫滩发生之后，河道水流的能坡比将变小，同时主槽糙率也会变大，主槽的过水断面的平均流速也将变小。由于河道流速分布是上游大下游小，势必使水流发生壅水，进而致使渭河下游洪水位上升[15-18]。这就表明河道主槽发生萎缩致使较小流量级洪水出现漫滩也是河道洪水位抬升的主要原因之一。

4.2 对洪水传播时间的影响

洪水波属于不稳定的缓变流运动，其特性与洪峰传播时长t和河长L有关。流量与传播时间t和河长L的关系为：Q=f(t，L)。当流量为常量时，dQ=0，则存在下列关系：

(2)

定义洪峰传播速度ω=dL/dt，则可得：

(3)

由不稳定流方程组(圣维南方程组)中的连续方程式得：

∂Q/∂L+∂A/∂t=0

(4)

由公式(3)和(4)得到洪峰的传播速度为：

ω=∂Q/∂A

(5)

公式(5)也说明计算中可采用断面平均流速代表洪水波的点波速。

因河道发生萎缩导致了洪水坦化，因此，洪峰的传播速度势必会遭到影响。对非复式及规则断面而言，洪峰传播速度ω与断面平均流速V正比关系：

ω=FV

(6)

(7)

式中：F为河道主槽形态对洪水传播特性的影响系数；R为水力半径，m；B为河槽宽度，m；Z为水位，m。

综上可推断出，当主槽断面形态一定，洪峰流量大于平滩流量，引起水流漫滩，造成河道过水断面面积增大，导致洪峰传播速度的减小。再者，影响断面平均流速的因素在一定程度也影响洪水洪峰的传播。但由于篇幅有限，仅研究由河道淤积萎缩导致断面平均流速减小的情形。水库建成后，因渭河下游河道泥沙淤积不断恶化导致河道比降变小，进而减小了水面比降与断面平均流速。流量为200 m3/s对应水面比降与洪水传播时长关系(临潼—华县)见图9。通过线性回归可得，渭河下游临潼—华县的洪水传播时间延长5～6 h，河道比降减小0.1‰。

4.3 对洪水峰型的影响

洪水传播过程中，不同的河道边界条件会引起洪峰峰型(用洪峰流量大小简单表示)的变化，而峰型变形情况可由洪峰流量的变化幅度反映出来。洪峰流量的变化幅度用洪峰削峰率表示，即河道中相邻两断面的洪峰流量之差占上游断面洪峰流量的比率。

为研究河道条件对洪水洪峰削峰率的影响性，图10是基于现有的实测资料采用线性回归法得到洪峰削峰率与Q/QP(临潼洪峰流量与华县平滩流量比值)的关系曲线。从图10可以看出，洪峰削峰率随临潼洪峰流量与华县的平滩流量比值的增大而增大；当河道流量相同，而主槽存在不同的行洪能力时，也会引起Q/QP的变化；针对比值Q/QP而言，流量Q相同，QP值越大，其值越小，洪峰削峰率越小；反之，则洪峰削峰率越大。通过图10河道条件对洪峰削峰率的影响能很好地反映出来。图中也反映出临潼至华县河段洪峰削峰率与Q/QP具有良好的线性关系。若临潼站洪峰流量与华县站平滩流量已知，就能求得华县站处河段的流量，再由华阴水位-流量关系曲线查的其水位值。依据图10中点绘的回归曲线，可预测渭河下游的洪峰流量及水位值。

自1993年以来，渭河下游来水来沙量较小，出现枯水枯沙的现象，而来水量的减小值却大于来沙量，这造成小水带大沙的状况，从而导致高含沙洪水频繁发生[19]，以1994年以来最为严重。华县在1995年河道主槽的行洪能力仅有800 m3/s，原因主要是1995年存在极不利的水沙条件。1995年6和7月间近一月，华县河段的流量小于1 m3/s，随之遇到一场高含沙小洪水(如临潼与华县流量分别为2 640、1 500 m3/s，含沙量却均达600 ～700 kg/m3)。因该场洪水流量较小(相对于含沙量)，引起河槽边壁形成停滞层使河宽缩窄加剧。因1995年河道的行洪能力相当小，引起1995年存在2/3场高含沙洪水漫滩的现象，从而也使洪水的洪峰削峰率很大，达到了43.18%。

表1是1954-2017年临潼—华县典型洪水洪峰削峰率数据。由表1可知，自1995年以后，除1999年间水量及削峰率较小之外，临潼至华县1995-2003年间洪峰削峰率均很大，说明了洪峰削峰率大幅度增大是由渭河下游河道萎缩恶化导致的。2003年之后洪峰削峰率开始出现逐渐下降的现象，尤其在2017年洪水洪峰削峰率达到最小，这是因为2017年华县站洪峰流量比临潼站增加了260 m3/s引起的，期间渭河下游河道沿程有支流洪水汇入，临潼—华县支流较少，使该河段出现洪峰流量增大现象。

图9 临潼—华县河段流量为200 m3/s的水面比降与洪水传播时长关系 图10 临潼—华县河段削峰程度与河道条件关系

表1 1954-2017年临潼—华县的典型洪水削峰率

洪水演变洪峰峰型变化情况反映了不同历史时期渭河下游河道边界条件不相同，导致不同洪水有着不同洪峰峰型。因河道淤积大量泥沙，致使河道行洪能力下降。三门峡水库刚建成运行初期，如果发生较大的洪水，河道就会出现漫滩。图11为1962年7月27日-31日临潼—华县洪峰变形情况。由图11可知：此时峰型为矮胖型且具有较大的洪峰削峰率。若使洪水流量小于平滩流量，洪水不会发生漫滩，完全留在主槽内，洪峰削峰率与其变形量均很小(如图12、13所示)。由于三门峡水库建成投入运行后，河道泥沙淤积恶化，随后水库经过两次改建及水库运行方式的调整(即在改建过程中采用敞泄运用)[2]，由于20世纪70年代间来水来沙条件较为有利，使得渭河下游在1975-1985年间行洪能力增大，与建库前基本相同。但由图14数据与1962年相比，说明了在不同历史时期，洪水流量级都为4 000 m3/s左右时，洪峰变形情况并不相同，同时同流量级洪水情况下，1983年洪水完全在主槽内，而1962年大量洪水漫溢滩面，这是由于1983年洪水拓宽了河道主槽，加大了河道的行洪能力所致。进入20世纪90年代，渭河下游来水来沙条件不利导致河道主槽萎缩加剧。由此致使1985年之后，渭河下游河道的行洪能力急剧下降再次降为水库改建前的状态，即临潼河道主槽行洪能力不到4 000 m3/s，且华县河道主槽行洪能力不到3 000 m3/s。

由图15可知，该时间段的洪水与1983年同流量级相比，但洪峰坦化严重，其洪峰的形态改变较大，峰型呈矮胖状。河道主槽萎缩加剧，这是由于渭河下游在90年代河道泥沙淤积严重所致，截止2003年河道的行洪能力不到1 200 m3/s，导致洪水传播历时延长，且引起河道比降变化巨大。图16中，2003年期间洪峰发生合并现象，且洪峰削峰率增大。图17中，2011年期间洪峰形态相似，洪峰形态改变较小，在前两场洪水中洪峰峰形稍胖，但洪峰削峰率较2003年发生有所降低。由图18可得，2017年间洪峰形态变化较大，华县站较大场洪水出现双峰现象，同时华县站洪峰流量大于临潼站，导致洪峰削峰率大幅度降低。

通过上述分析得到渭河下游河道主槽萎缩的发展情况，自建库至2003年渭河下游河道萎缩恶化是导致了洪峰峰型改变的主要因素，而2003年之后洪峰峰形变化普遍较小。

图11 1962年7月27日-31日临潼—华县洪峰变形情况 图12 1971年6月29日-7月1日临潼—华县洪峰变形情况

图13 1975年7月10日-13日临潼—华阴洪峰变形情况 图14 1983年9月25日-10月5日临潼—华阴洪峰变形情况

图15 1990年7月6日-9日临潼—华阴洪峰变形情况 图16 2003年8月25日-10月14日临潼—华县洪峰变形情况

图17 2011年9月4日-26日临潼—华县洪峰变形情况 图18 2017年10月1日-31日临潼—华县洪峰变形情况

5 结 论

(1)自三门峡水库建成至2003年，渭河下游河道泥沙淤积严重，主槽缩窄，河道比降也变缓，造成渭河下游洪水位升高的主因是河道河床高程的抬升和河道主槽发生萎缩；导致渭河下游洪水传播历时延长的因素则是河道主槽发生萎缩引起河道行洪能力下降；河道主槽发生萎缩也会引起洪水时段水流漫滩，这是由于河道干流水流倒灌入支流中，干支流决口以及滩地的滞水作用增大了洪水的洪峰削峰率所致。因此，自三门峡水库建成至2003年，渭河下游河道淤积与主槽萎缩的主因是渭河下游洪水位的抬升、洪水传播历时延长以及洪峰削峰率增大。

(2)2003年以后，渭河下游河道由于2003和2005年发生了较大的洪水，导致渭河下游河道在临潼至华县河段间出现冲刷，主槽河道较之前扩宽，同时洪峰流量级大幅度减小，水流主要在主槽内。同时由于2002年三门峡水库开展原型试验及2010年渭河下游进行全线整治，使渭河下游河道近期与2003年以前相比，洪水位出现逐渐下降趋势、洪水的洪峰传播历时缩短、洪峰削峰率降低的现象。

本研究基于三门峡水库建成前后实测资料统计得到：渭河下游河道冲淤变化对洪水演进特性的影响很大，影响到渭河下游同流量洪水位的升降、洪水传播历时变化等，与渭河下游的防洪和治理有着直接的关系。因此渭河下游河道防洪，应分析前期洪水过程对下游河道的冲淤变化的影响，同时需要建立系统的监测设施，对渭河下游的水文泥沙进行系统地分析研究，及时掌握渭河下游来水来沙的变化、河道冲淤状况以及河道演变趋势，为提高洪水灾害的预报精度提供依据。