2018年汛期黄河下游河道排洪能力分析

孙赞盈，尚红霞，彭 红

（黄河水利科学研究院，河南郑州450003）

1 研究背景

2018年汛期，黄河流域暴雨过程频繁，强降雨落区重叠度高、极端性强，主要集中在龙羊峡—托克托区间和山陕区间北部。黄河源区虽然暴雨不多、降水强度不大，但持续时间长、降水总量大；泾渭河、北洛河6月下旬至7月中旬也接连出现3场较大的致洪降水过程。受降雨影响，黄河上游来水严重偏多，干流唐乃亥站出现1次、兰州站出现2次编号洪水，兰托区间（兰州—托克托区间）多条支流出现建站以来最大流量。黄河中游山陕区间、泾渭河及黄河下游大汶河也出现了明显的洪水过程。据统计，潼关断面7月水量为57.1亿 m3，其中约52%来自龙门以上黄河干流，43%来自渭河，5%来自汾河和北洛河；8—10月潼关断面水量为264.6亿 m3，约81%来自龙门以上黄河干流，17%来自渭河，2%来自汾河和北洛河。受大汶河来水较多影响，东平湖向黄河泄水1.82亿m3。

2018年汛期小浪底出库水量为222亿m3，2018年是小浪底水库运用以来水量最大的年份，比次大年份2012年（152亿m3）偏大46%，为小浪底水库运用以来汛期年均水量77亿m3的近3倍。2018年小浪底水库出库最大含沙量为353 kg/m3，全年排沙4.66亿t，为小浪底站次大年份2004年（1.42亿t）的3.27倍，是水库运用以来出库含沙量、排沙量均最大的一年。为应对渭河洪水和上游来水，三门峡、小浪底水库防洪运用，在黄河下游形成明显的水沙过程，花园口站流量大于2 500 m3/s的洪水共有4场。水库排沙主要集中于7月，水库排沙4.15亿t，黄河下游河段淤积2.483亿t，占来沙量的近60%。虽然7月洪水期间高村以上河段尤其是花园口以上河段发生了大量淤积，但7月排沙期间淤积河段中绝大部分河段的同流量水位不但没有升高，反而明显降低[1]。

据统计，潼关断面来沙量的84%由流量小于2 500 m3/s的水流挟带[2]。自1997年汛前到2018年汛前，小浪底库区累计淤积33.33亿m3。小浪底水库拦沙使得进入黄河下游的泥沙量大大减小，使下游河道发生冲刷，但另一方面又引起水库淤积。未来，在遇到诸如2018年汛期这样的较长历时流量过程时，小浪底水库必然还要排沙，从长远看，小浪底水库也只能采取这种“零存整取”的运用方式[3-5]，其中“零存”即拦蓄入库的小流量挟沙，“整取”则是在遇到长历时大流量入库流量过程时水库集中排沙。总结2018年汛期黄河下游河道冲淤、水位及河道排洪能力变化，对于未来小浪底水库的运用具有一定的指导意义。

2 来水来沙过程

根据流量涨落过程，把2018年汛期进入黄河下游的流量过程划分为7场，其中包括4场洪水过程和3场平水过程（见图1，小黑武指小浪底、黑石关、武陟3站），表1为2018年汛期洪水过程特征值。由图1及表1可以看出，4场洪水总历时为82 d，总水量为178.6亿m3，总沙量为4.44亿t。其中洪水1的历时为29 d，水量为68.8亿m3，沙量为4.15亿t，花园口站平均流量为2 957 m3/s，平均含沙量为62.5 kg/m3，是4场洪水中历时最长、流量最大、水量最大、含沙量最高的洪水。水量居次的洪水为第4场洪水，水量为64.2亿m3，为清水洪水。其他2场洪水水量均小得多。第1场洪水沙量为4.15亿t，分别占4场洪水和汛期沙量的93%、89%，说明沙量主要集中在第1场洪水，其他几场洪水水库排沙很少或为清水。

图1 2018年汛期小黑武水沙过程线

表1 2018年汛期4场洪水3场平水过程的特征值

3 河道冲淤状况分析

沙量法便于分析不同流量过程的冲淤状况，而断面法则便于分析冲淤量在断面横向上的冲淤分布。本文根据沙量法和断面法的特点，对2018年汛期黄河下游的冲淤状况进行分析[6]。

3.1 各场次洪水冲淤状况的沙量法分析

沿程平均含沙量反映了泥沙浓度的沿程变化，实际上反映了河道沿程冲淤的变化，这种方法可以避开引沙量误差对冲淤计算的影响。图2为7场流量过程的平均含沙量沿程变化，从图2看到，各场洪水含沙量沿程变化的共同特点是：①夹河滩以上河段含沙量变化较明显，尤其是花园口以上河段；②高村以下河段含沙量沿程增减，变化不明显，例如洪水1小黑武的平均含沙量为 53.5 kg/m3，到花园口断面减小为30.0 kg/m3，减小约50%，到夹河滩又减小了19%，而高村及其以下河段的含沙量为21～23 kg/m3，总的来说沿程变化很小。

图2 平均含沙量沿程变化

表2为包含4场洪水在内的7场洪水或流量过程的河段冲淤量计算结果，除了洪水1小浪底—夹河滩河段尤其是花园口以上河段发生显著淤积外，其他场次洪水整个下游各河段沿程冲淤不大。洪水1小浪底—花园口、花园口—夹河滩、夹河滩—高村和高村—孙口河段分别淤积1.920亿、0.424亿、0.068亿、0.149亿t，孙口以上河段共淤积2.412亿t，占总来沙量4.15亿t的62%。其中尤以小浪底—花园口河段最为突出，占孙口以上河段淤积量的75%。洪水4水量为64.2亿t，由于水量大且为清水，因此是冲刷量最大的，下游共冲刷0.490亿t，冲刷主要集中在花园口以上，为0.320亿m3。小浪底—利津河段4场洪水共淤积1.717亿t，3场平水期共冲刷0.081亿t，汛期共淤积1.636亿 t。

表2 2018年汛期不同河段冲淤量亿t

3.2 断面法对冲淤量及冲淤特点的分析

根据黄河下游小浪底—汊3河段汛期、汛后共369个河道统测大断面计算成果，2018年4月26日—10月24日下游共冲刷0.204 7亿m3；从冲淤量沿程分布看，夹河滩以上发生淤积，以下发生冲刷，夹河滩以上的淤积量中，花园口以上河段淤积量占80%，即汛期的淤积主要集中在花园口以上河段（见表3）。从图3给出的断面法沿程累计冲淤量看，夹河滩以上河段的淤积实际发生在距小浪底大坝174.92 km的郭庄以上河段，淤积量沿程分布比较均匀，淤积量为0.724 4亿m3，相当于断面平均淤积面积为414 m2。从冲淤面积看，花园口以上河段淤积强度最大，为380 m2，夹河滩—高村河段的冲刷强度最大，为293 m2；孙口—利津的冲刷强度较小，为67～99 m2；高村—孙口和利津以下的冲刷强度居中，约为110 m2。

表3 断面法计算的各河段冲淤量和河段平均断面冲淤面积

图3 断面法计算的沿程累计冲淤量

3.3 郭庄以上河段淤积原因分析

（1）前期河道“宽浅散乱”。郭庄以上河段共有84个断面，其中发生淤积的断面共67个，约占80%。从图4可知，多数断面的淤积面积随河槽宽度的增大而增大。这说明河槽越宽浅的断面淤积越严重。根据2017年汛后西庄、驾部、赵兰庄、黑石和郭庄断面所在河段的卫星影像可知，该河段“宽浅散乱”的特点十分明显。由图5可知，此次排沙期间大量的淤积发生在河槽边上水深较小的嫰滩处。汛后和汛前相比，嫰滩抬高，主槽形态变得更为明显，从排洪输沙的角度看，主槽形态变得相对窄深，水流集中、流速增大，更有利于后期排洪输沙。也就是说，经过汛期的淤积调整，该河段的主槽形态更加明显，排洪输沙能力明显增强。

图4 断面冲淤面积与河槽宽度的关系

图5 驾部断面2018年汛期前后的变化

“04·8”洪水期间，小浪底水库出库水量为13.67亿m3、排沙量为1.42亿 t，最大流量为2 690 m3/s，最大含沙量为346 kg/m3。该场洪水在花园口以上河道非但没有发生淤积，反而冲刷了0.10亿t。2018年排沙期间河道发生淤积，而2004年没有，主要原因是前期河道边界条件差别很大。作为对照，图6为2004年和2018年汛前驾部断面的套汇图，2004—2018年高村以上不少河段受长期冲刷作用，河道变得相对宽浅，不少河段变得“宽浅散乱”，从而使河道在排沙期容易发生淤积。

图6 2004年和2018年汛前驾部断面

从花园口水文站基上1 700 m测流断面水面宽和过流面积的关系（没有选择和2004年比较，原因是2004年的测流断面位置与2018年的不一致）看，从2015年到2018年第一场洪水，花园口基上1 700 m测流断面面积1 500 m2的水面宽由400 m增加到2018年的500～550 m，断面展宽十分明显，这必然引起流速减小。

（2）前期河槽对水流的阻力大。根据已有大量实验室和天然河流水流条件和床面形态的研究，河槽的床面形态会随着水流条件和床沙组成不同而发生变化，会出现沙垄、沙纹和动平整，其对水流的阻力不同[7-12]。2018年7月，根据张原锋等对花园口附近纵向上长3 000 m河段的观测，7月6日排沙前纵向上的沙浪起伏很大，竟达到了4 m。

4 同流量水位变化

（1）汛期水文站同流量水位变化。由表4可知，花园口和夹河滩的同流量水位经历了快速下降和缓慢抬升两个阶段，7月洪水期间，同流量水位快速下降，在近1个月的时间内，花园口和夹河滩流量3 000 m3/s对应的水位分别下降了0.60、0.44 m；8—10月则缓慢抬升，在70多d时间内，花园口和夹河滩流量3 000 m3/s对应的水位分别抬升了0.46、0.29 m。抬升阶段的水位抬升速率远小于下降阶段的水位下降速率。高村、孙口、艾山和利津站流量3 000 m3/s对应的水位变幅不大。其次，泺口站流量3 000 m3/s对应的水位降低明显，但流量2 000 m3/s对应水位降低不明显。

表4 3 000 m3/s流量对应的水位变化 m

（2）险工水尺及水位站7月洪水同流量水位变化。采用水位站或险工水尺附近水文站的流量过程，考虑不同场次洪水传播时间的不同，将其平移到水位站，得到水位站流量过程，从而可得到水位站的水位流量关系。本文重点对7月排沙洪水期间的险工水尺水位变化进行了详细分析。计算2018年7月上旬与7月下旬洪水涨落期同流量（2 800 m3/s）水位并计算其差值，可得：①铁谢以上河段的同流量水位均是下降的，降幅为0.13～0.43 m；②逯村—开仪河段水位抬升，其中小浪底坝下40.82 km的花园镇断面的同流量水位抬升0.91 m，最为突出；③化工—驾部同流量水位变化不明显；④枣树沟—大宫同流量水位降幅最为明显，其中双井水位降幅为1.43 m，最为突出；⑤王庵—彭楼同流量水位降幅较为明显；⑥彭楼以下水位升降不明显（见图7）。可见，此次洪水大部分河段的排洪能力没有明显降低，局部河段同流量水位抬升显著，还需要进一步分析。

5 郭庄以上河段同流量水位变化和冲淤量不一致的原因分析

洪水1郭庄以上绝大部分河段的同流量水位是下降的，而花园口以上河段淤积1.92亿t，二者似乎有“矛盾”，但其实冲淤只是影响水位变化的因素之一，而不是全部因素。分析洪水1河道淤积但水位下降的原因有：①据R2SONIC2024多波束测深系统（MBES）实地观测，排沙后的7月24日，沙浪起伏值最大为1.5 m，与之前相比大大减小，床面变得平整，从而使河槽对水流的阻力显著减小，流速显著增大；②据对汛期前后的大断面套汇比较，凡是宽浅的断面，边滩均发生大量淤积，淤厚2 m左右，有的甚至达到3 m。边滩大量淤积，河槽变得相对窄深，进一步减少了高低流速带因流速差异引起水流交换带来的能量损失[13-14]，也使水流更加集中，有利于提高流速。图7为花园口水文站（基上1 700 m）洪水张落期间的流速变化，受以上两个因素的影响，落水期流速比涨水期大0.50～0.70 m/s。流速提高后，通过相同的流量需要的过水面积显著减小，使得同流量水位降低。

图7 花园口水文站（基上1 700 m）流速变化

6 结论、认识与建议

6.1 主要结论

（1）汛期进入下游的水沙量分别为222亿m3和4.66亿t。按沙量法计算，黄河下游河道（小浪底—利津）共淤积1.636亿t，淤积主要集中在花园口以上河段以及花园口—夹河滩河段，分别为1.336亿、0.434亿t，高村—孙口以及泺口—利津河段也发生了微量淤积，淤积量分别为0.172亿、0.056亿t；夹河滩—高村、孙口—艾山及艾山—泺口发生了冲刷，共计冲刷0.361亿t，汛期没有发生漫滩，冲淤均发生在河槽内。

（2）2018年汛末与汛初相比，花园口、夹河滩和泺口站同流量水位分别降低了0.15、0.16、0.38 m，高村、孙口、利津站水位分别抬升了0.04、0.07、0.08 m。

6.2 认 识

在持续冲刷条件下，花园口以上河道展宽明显，河道相对散乱、水流分散，当小浪底水库塑造高含沙大流量过程时，虽然下游河道发生了较大淤积，但淤积主要集中在花园口以上河段，使得河槽形态向窄深方向发展，从而使水流更加集中，同时河槽床面变得平整，流速增大，淤积河段的同流量水位并没有发生抬升，反而有所降低。

6.3 建 议

小浪底水库近年的运用实践表明，水库在遇到入库流量大于3 000 m3/s的较大流量过程时，通过降低库水位可以形成出库含沙量在200 kg/m3以上的较大流量高含沙水流；另一方面，黄河下游高村以上河段历经长期清水冲刷，变得越来越宽浅散乱，支沟众多，水库排沙洪水经过时，会在支沟、边滩等水浅流缓的地方发生大量淤积，主河槽不淤积或淤积甚微，洪水过后，水流集中，流速增大，同流量水位并未抬升，边滩发生淤积，主槽更为明显，河槽的排洪和输沙能力反而有所提高。

近30多a来，随着黄河中上游工农业发展和流域下垫面条件的变化，进入小浪底水库的水沙过程发生了巨大变化，洪水量级越来越小，频次变得越来越少，长历时、大流量入库过程已变得可遇而不可求[4]。为尽可能减缓小浪底水库淤积，建议在遇到诸如2018年这样的较长历时、较大流量过程时，水库应尽可能降低水位多排沙。