渭河中下游与黄河潼关段2021年洪水特征及预报分析

顾 钊,席小康,宋淑红

(1.西安水文水资源勘测中心,陕西 西安 710199;2.陕西省水文水资源勘测中心,陕西 西安 710068)

0 引言

渭河中下游及黄河潼关段,历史上洪涝灾害频发[1-2],如“54.8”、“03.8”、“05.10”、“11.9”等场次洪水,给人民生命财产带来重大损失[3]。受流域复杂产汇流特性、水利工程调度、水文监测空白等因素影响,给水位、流量及峰现时间预报带来诸多不确定性,增加了洪水预报的难度[4]。为深入了解渭河洪水特征,许多专家学者对渭河流域洪水来源组成、河道冲淤变化、洪水传播时间、气象成因等方面进行了大量分析研究工作,并取得了一定研究成果。蒋昕晖、庞雷、白少智、杨高治等分别利用2003、2005、2020、2021年渭河洪水资料分析了降雨特征、洪水历时、洪水来源、洪水峰型、河道冲刷状态等特征[5-8];史玉品等,对“2019.9”洪水的特性及持续性强降雨天气的成因进行了分析[9];秦毅等,利用典型洪水资料分析了渭河下游洪水变化特点及成因[10]。这些研究均侧重于渭河暴雨洪水特征特点及其降雨成因分析,而对预报误差及其影响因素定量分析少见报道。

2021年受强秋淋影响,渭河相继形成3次编号洪水,在黄河潼关站相继形成以渭河来水为主的1号洪水,以黄河北干流、渭河、北洛河、汾河同时来水的3号洪水。黄河潼关站出现1979年以来最大洪水,渭河咸阳、临潼站出现1981年以来最大洪水,华县站出现历史最高水位341.91 m。本文利用2021年渭河、黄河编号洪水资料,结合洪水预报成果,采用多种分析方法,分析了2021年渭河、黄河编号洪水特征,研究了预报误差影响因素,以期为今后洪水预报预警、防汛减灾工作提供重要参考。

1 研究区概况

渭河发源于甘肃省渭源县鸟鼠山,自宝鸡市陈仓区凤阁岭进入陕西,在潼关注入黄河,全长835 km,横贯陕西省关中平原,境内河长512 km,面积67 219 km2。流域地貌复杂,有横贯陕甘的秦岭北坡及六盘山、陇山山地,关中冲积平原及黄土高原。渭河属不对称水系,两岸支流众多,南部多于北部,流域属大陆性季风气候,年均气温为7.8℃～13.5℃,年均降水量为500～800 mm,年均径流量为20×108m3。渭河流域暴雨多出现在7、8月份,一般南部早于北部,东部早于西部,最早可发生在4、5月份。渭河及黄河小北干流控制站如图1。

图1 渭河及黄河小北干流主要控制站

2 数据与方法

2.1 资料来源

水位、流量资料均来源于2021年流域相关站点报汛及整编资料,洪水预报数据来源于编号洪水期间正式发布的洪水预报成果。

2.2 研究方法

(1)对此次洪水过程的水位、流量、洪量资料进行统计计算,分析洪水的主要来源、组成及在河道中的演进状态。通过与洪峰量级相近的历史洪水比较,分析此次洪水演进特征及河道冲淤变化。

(2)利用中国洪水预报系统中临潼站马斯京根演算乙等预报方案,以咸阳站及区间支流洪水整编资料为模型输入,模拟临潼站洪水过程,分析渭河2号洪水临潼站预报误差影响因素;采用潼关站马斯京根演算乙等预报方案,通过黄河3号洪水校准参数,模拟了黄河1号洪水中最不利的组合模式,分析黄河1号洪水潼关站预报误差影响因素。

3 结果与分析

3.1 洪水特征分析

3.1.1 洪水来源与组成

渭河1号洪水临潼站洪峰3 810 m3/s,洪水在临潼至华县河段形成漫滩,华县站出现洪峰2 780 m3/s,洪水主要来自咸阳、泾河桃园至临潼区间,占总洪量的38.2%。渭河2号洪水咸阳站出现洪峰5 600 m3/s,加之区间洪水汇入,洪水在向下游演进过程中全面漫滩,洪峰演进速度明显减缓,洪峰衰减程度较大,临潼站出现洪峰5 860 m3/s,华县站出现洪峰4 860 m3/s,渭河洪水与黄河小北干流洪水组合后潼关站出现洪峰7 480 m3/s,形成黄河1号洪水。渭河2号洪水主要来自魏家堡以上及魏家堡至咸阳区间,分别占总洪量的29.7%、31.1%,黄河1号洪水主要来自渭河华县,占总洪量的60.8%。渭河3号洪水咸阳先后出现三次洪峰4 020 m3/s、3 740 m3/s、3 420 m3/s,洪水向下游演进过程中受泾河洪水影响,临潼站出现单峰4 810 m3/s,洪水向华县演进过程中依旧全面漫滩,但由于渭河2号洪水过程已填补大部分的滩地损失,临潼至华县洪峰损失量减少,华县站出现洪峰4 540 m3/s,受渭河、北洛河、黄河小北干流及区间流域来水影响,潼关站出现洪峰8 360 m3/s,形成黄河3号洪水。渭河3号洪水主要来自魏家堡以上及泾河桃园以上区间,分别占总洪量的47.9%、23.9%,黄河3号洪水主要来自渭河华县及干流龙门站以上,分别占总洪量的46.8%、27.8%。渭河1、2、3号洪水及黄河1、3号洪水各控制站洪水及洪水组成统计见图2、表1。

表1 渭河1、2、3号洪水及黄河1、3号洪水各区间洪量统计

图2 渭河1、2、3号洪水及黄河1、3号洪水各控制站洪水过程

3.1.2 河段过流能力分析

水位～流量关系曲线(图3)及过能力(表2)可得,渭河临潼、华县站3次洪水过程均为逆时针绳套曲线,并且3次洪水过程河道冲淤不明显。临潼站较2019年汛后、2020年汛后有所冲刷,过流能力增大。华县站较2019年汛后、2020年汛后有所淤积,过流能力减小。临潼站在2号洪水过程中出现小幅度的涨淤落冲现象,洪水消退(流量小于2 000 m3/s)后的3次洪水过程同流量级相应水位变化不大。华县站在3号洪水过程中断面略有冲刷,洪水消退(流量小于1 500 m3/s)后的1、2号洪水过程同流量级相应水位基本一致,3号洪水过程同流量级相应水位略小于前两次,但是幅度不大。由于洪水期华县站漫滩严重,在退水过程中,滩区过水时的水位～流量关系曲线斜率较小,仅主槽过水时水位～流量关系曲线斜率较大,落水曲线先缓后陡,与潼关站先陡后缓的落水曲线相异。

表2 临潼、华县、潼关站过流能力统计表

图3 编号洪水过程水位流量关系曲线

黄河1、3号洪水过程均表现为涨冲落淤的逆时针绳套曲线,河道冲淤不明显,中高水期涨、落水的水位～流量关系分化明显,洪水退下(流量小于2 000 m3/s)后的同流量级相应水位变化不大。潼关站相较于2019年汛后、2020年汛后有所冲刷,过流能力增大。

3.1.3 洪水演进规律

1)咸阳至临潼段

渭河1、2、3洪水咸阳至临潼段传播时间分别为7.9 h、10 h、12～18 h(剔除泾河洪水影响)(表3),渭河2号洪水在向临潼站演进过程中出现了较明显的衰减,3号洪水咸阳站洪峰流量4 020 m3/s,泾河桃园站相应流量1 150 m3/s,泾渭河洪水在向临潼站演进过程中同样出现了衰减,受渭河2号漫滩洪水影响,咸阳至临潼段部分滩地损失已满足,洪峰削减率减小,符合泾渭河同时来水的洪水演进规律。进一步对比了2018年“18.7”洪水,咸阳站洪峰流量4 210 m3/s,临潼站峰现时刻泾河桃园站相应流量1 190 m3/s,咸阳洪峰传播至临潼(洪峰流量4 500 m3/s)出现了明显衰减,由于该次洪水属于2018年首次漫滩洪水,洪峰衰减较大。

表3 渭河1、2、3洪水下游各站洪峰传播时间

2)临潼至华县段

渭河1号洪水过程中临潼站洪峰流量3 810 m3/s,大于2020年汛后渭河下游河段平滩流量(2 700 m3/s),在临潼至华县河段形成部分漫滩,临潼至华县传播时间达22.4 h(表3),华县站洪峰流量削减至2 780 m3/s,削减率为27.0%,符合首场漫滩洪水演进规律。渭河2号和3号洪水临潼站洪峰流量分别为5 860 m3/s、4 810 m3/s,大幅超过了1号洪水后的渭河下游河段平滩流量,导致了渭河下游洪水全线临堤,受临潼至华县部分河段滩区内玉米、灌木等高杆作物和道路田埂影响,漫滩部分的洪水演进速度远远小于主槽洪水,使得洪峰演进速度明显减缓,两次洪水过程临潼至华县河段洪峰水位传播时间为25～27 h,与近年来漫滩洪水演进规律基本一致。渭河2号洪水华县站洪峰流量较临潼站减小1 000 m3/s,削减率为17.1%;受2号漫滩洪水影响,临潼至华县段部分滩地损失已满足,洪峰削减率减小,3号洪水华县站洪峰流量较临潼站小270 m3/s左右,削减率仅为5.6%。

3)华县至吊桥段

渭河1号洪水华县以下河段洪水基本不再漫滩,华县至吊桥河段传播时间为10.3 h(表3),传播时间较短。渭河2号和3号洪水华县以下河段全面漫滩,两次过程中华县至吊桥洪峰传播时间在19～22 h;在3号洪水过程中吊桥站分别于10月7号12时、10月9号6时出现了两次洪峰水位,较华县站峰现时间分别提前20.5 h、延后21.5 h,分析认为在渭河3号洪水过程中黄河潼关洪水对渭河形成了顶托,潼关站于10月7日7时36分出现洪峰8 360 m3/s,8 000 m3/s以上量级从7日2时至12时持续了10 h,潼关站峰现时刻的华县站同时流量为4 200 m3/s,吊桥站同时流量在2 300～2 800 m3/s,渭河洪水量级远小于黄河,潼关洪水对渭河形成了顶托,因此吊桥站首次洪峰水位出现时间较华县站提前了20.5 h,当潼关洪水缓慢回落时,吊桥站在华县峰现时间21.5 h后再次出现洪峰水位,同时在渭河3号洪水过程中华县站峰前出现一次长达15 h的平水段,该现象进一步表明了渭河洪水在华县以下河段演进过程中除了漫滩影响外,同是还存在黄河潼关洪水顶托影响。

通过本次洪水过程演进分析并结合历史洪水推演认为,当以咸阳来水为主,泾河未出现明显涨水时,咸阳至临潼河段洪水传播时间为10～15 h,当泾渭河同时来水时,需要根据泾河涨水过程具体判断。当渭河咸阳站洪水量级大于4 000 m3/s时,咸阳至临潼河段由部分漫滩向全面漫滩发展,峰型变胖,峰顶坦化,洪峰衰减程度较高。临潼至华县河段,平滩流量级洪水传播时间为12～16 h,1 000 m3/s量级洪水和部分漫滩洪水为20～22 h,全面漫滩洪水则为27 h左右。对于连续漫滩洪水,后续洪峰削减率较前次洪水有所减小。当渭河洪水量级小于黄河时,潼关洪水对渭河逐步形成了顶托,可能形成下游站洪峰早于上游站出现的现象。

3.2 预报误差分析

3.2.1 预报概况

渭河1、3号洪水以及黄河3号洪水洪峰量级研判准确。在渭河2号洪水以及黄河1号洪水中,临潼、华县站洪峰预报结果偏大,潼关站预报结果偏小,华县站、潼关站洪峰出现时间预报偏早。渭河2号洪水临潼站、华县站2次预报时间最大误差为4 h、16 h,洪峰流量预报误差均为1 140 m3/s,黄河1号洪水潼关站峰现时间预报误差、洪峰流量预报误差分别为16 h、1 380 m3/s。因此针对渭河2号洪水以及黄河1号洪水中临潼、华县、潼关站预报进一步复盘分析。

3.2.2 黄河1号洪水潼关站预报误差分析

潼关站洪水主要受渭河华县站来水及干流龙门站来水影响,本次华县站洪峰传播至潼关站用时29 h,其中传播至吊桥水位站用时26 h,符合一般漫滩洪水传播规律,根据潼关站实际洪峰现时间,分析认为龙门站相应流量在1 000～1 200 m3/s,北洛河南荣华站相应流量在220～250 m3/s,汾河河津站相应流量在180～200 m3/s,在不考虑洪峰衰减情况下,根据各站相应流量不同组合形式,潼关站洪峰量级应在6 260～6 510 m3/s。利用中国洪水预报系统中潼关站马斯京根演算方案,通过黄河3号洪水校准参数,模拟了1号洪水中最不利的组合,见图4,即各站最大流量遭遇,模拟结果显示潼关站9月29日22时出现洪峰6 533 m3/s。通过两种方式复现的潼关洪水计算结果与实测比较,实测洪峰量级远大于计算结果。为此从整编值与报汛值差异、洪水组成两个方面查找原因。

图4 黄河1、3号洪水潼关站过程模拟

1)报汛值与整编值差异

在洪水预报过程中,主要依据各控制断面实时报汛数据制作洪水预报,为分析报汛值与整编值的差异对潼关站洪水预报的影响,绘制了各站报汛值与整编值洪水过程线,见图5。

图5 黄河1号洪水各控制站整编与报汛过程

从整体看,黄河龙门、潼关、支流渭河华县站报汛值与整编值洪水过程拟合度较高,同一时间流量量级差异不显著,支流北洛河南荣华站报汛值与整编值在峰顶略有差异,但对黄河潼关洪峰量级影响不大,因此报汛值与整编值的差异不是导致黄河1号洪水潼关站洪峰预报偏小的因素。

2)洪水组成分析

黄河1号洪水潼关站洪量34.85亿 m3,未控区域来水4.29亿 m3,占潼关站总量的12.3%;黄河3号洪水潼关站洪量55.60亿 m3,未控区域来水4.03亿 m3,占潼关站总量的7.3%;表明1号洪水过程中区间来水较多,1号洪水过程中未控区间及汾河、北洛河来水总量6.72亿 m3,接近干流龙门站来水量,但对潼关站的洪峰贡献较小。根据断面控制面积计算,华县&龙门～潼关未控流域面积在12 000 km2,对照潼关站峰现前48 h内降雨落区及强度,该区域在27日14时至28日8时出现一次大范围暴雨过程,面平均降雨量在50 mm以上,同时在9月17-19日以及9月22-26日期间,未控区域持续降雨,土壤接近饱和,流域产流能力增强,同时也有部分降雨直接进入河道参与汇流,在双重因素作用下增大了潼关站洪峰量级。

综上,黄河1号洪水潼关站洪峰预报结果偏小主要原因是华县&龙门～潼关未控流域在前期土壤接近饱和、产流能力较高的情况下,受暴雨影响,未控流域来水对潼关洪水贡献较常规偏大,导致了潼关站实测洪峰偏大偏晚。

3.2.3 渭河2号洪水临潼站预报误差分析

临潼站洪水主要受渭河干流咸阳站来水及区间主要支流泾河、沣河、灞河影响,根据近年来临潼站洪峰流量大于2 500 m3/s洪水场次分析,当咸阳站出现洪峰后,相应时间内区间支流泾河、沣河、灞河未出现洪水过程或洪水均已回落时,咸阳～临潼传播时间为6～8 h,支流沣河秦渡镇～临潼传播时间9～11 h,灞河马渡王～临潼传播时间5～9 h,泾河桃园～临潼传播时间2～3 h。本次洪水咸阳站于9月27日5时54分出现洪峰5 600 m3/s,根据临潼站峰现时间以及上述洪水传播时间,泾河桃园站相应流量为529～556 m3/s,沣河秦渡镇站相应流量为265～358 m3/s,灞河马渡王站相应流量为169～185 m3/s,根据各站相应流量不同组合形式,依据该段洪水普遍传播规律,临潼站洪峰量级应在6 560～6 700 m3/s,时间在27日12-14时之间,但实际临潼站于27日18时洪峰流量5 860 m3/s,表现出洪峰量级明显偏小,时间偏晚的特殊现象。为此从整编值与报汛值差异、洪水演进过程分析原因。

1)报汛值与整编值差异

为分析干支流控制断面报汛值与整编值的差异对临潼站洪水预报的影响,绘制了渭河2号洪水过程中干流咸阳站、临潼站、支流泾河桃园站、沣河秦渡镇站、灞河马渡王站报汛值与整编值洪水过程线,见图6。从整体看,干流临潼站,支流泾河桃园站、灞河马渡王站报汛值与整编值洪水过程拟合度较高,同一时间流量量级差异不显著,而干流咸阳站、支流沣河秦渡镇站报汛值与整编值洪水过程拟合度较低,在一些特定时段流量差异较为显著,如咸阳站洪峰流量报汛值6 050 m3/s,整编值5 600 m3/s,沣河秦渡镇站整编值26日11日30分洪峰流量600 m3/s,报汛值26日14时20分洪峰流量670 m3/s,27日整编值洪水量级在144～383 m3/s之间,报汛值在240～470 m3/s之间,报汛值偏大。由于咸阳站报汛值洪峰量级偏大450 m3/s,加上与相应时段沣河秦渡镇站27日报汛流量偏大近100 m3/s,是导致渭河2号洪水临潼站洪峰预报误差偏大的因素之一。

图6 渭河2号洪水各控制站整编与报汛过程

2)洪水演进过程特征分析

临潼站马斯京根演算乙级预报方案是根据历年临潼站洪水过程,选用渭河干流咸阳站、支流秦渡镇、灞河马渡王站、泾河张家山相应洪水过程资料,构建的综合拟合结果最优的预报方案,该方案反映了咸阳～临潼区间洪水演进一般规律,通常情况下能够准确模拟临潼站洪水过程。为分析渭河2号洪水临潼站洪水演进特征,以咸阳站及区间支流洪水整编资料为模型输入,模拟临潼站洪水过程,见图7。

图7 临潼站理论与实际洪水过程线

从模拟结果来看,临潼站模拟过程洪量16.28亿 m3,与实测过程洪量误差-1.6%,模拟过程与实测过程洪量基本匹配。当涨水段临潼站洪水量级小于4 000 m3/s时,实测与模拟过程变化趋势一致,拟合度非常高,表明该量级下洪水上下游演进符合咸阳～临潼区间洪水正常演进规律。当涨水段临潼站洪水量级大于4 000 m3/s时,实测过程变缓,洪峰出现时间延迟,实测与模拟差值随着洪水量级增大而增大,表明在该量级涨水段咸阳～临潼区间洪水演进规律发生明显改变。落水段,与模拟过程相比,实测过程洪水回落速度较慢,实测与模拟差值随着洪水量级减小而增大,当量级小于2 000 m3/s时,二者趋于一致。

分析认为,本次洪水过程主要以咸阳来水为主,涨水段咸阳站洪水量级小于4 000 m3/s时,咸阳至临潼区间洪水在主河槽内演进,洪水演进过程未发生明显形变;当咸阳站洪水量级大于4 000 m3/s时,洪水向下游演进过程中由局部向全面漫滩发展,峰型出现坦化,削峰率增大。落水段,随着洪水量级的逐渐降低,漫滩洪水回流河槽,导致实测过程洪水回落速度变缓。

3.2.4 渭河2号洪水华县站预报误差分析

根据洪水组成分析,华县站洪水来自临潼以上,临潼～华县区间基本未产生洪水,本次洪水临潼站洪峰流量5 860 m3/s,远超了渭河1号洪水后的渭河下游河段平滩流量,洪水在临潼至华县河段全线漫滩临堤,出槽洪水传播速度慢于主槽洪水,使得临潼至华县洪峰传播延长至25 h,同时洪水漫滩后,过水断面增大,断面糙率相应变大,河段滞洪作用明显,加上滩地内玉米、灌木等高杆作物和道路田埂影响,使得峰顶坦化,洪峰削减率提高,在落水段漫滩洪水回流至主槽,又进一步形成矮胖峰型。在渭河2号洪水过程中华县站洪峰削减率达17.1%。分析认为渭河下游全面漫滩是导致华县站洪峰预报以及峰现时间预报出现误差的主要原因。

4 结语

受2021年强秋淋降雨影响,渭河相继形成3次编号洪水,黄河形成2次编号洪水,受洪水量级、漫滩程度、黄河小北干流顶托、连续洪水等多种因素影响,洪水演进特征各不相同,本文通过对渭河、黄河2021典型洪水来源与组成、河段过流能力、洪水演进规律及预报误差分析研究,得出以下主要结论:

(1)2021年渭河秋淋洪水过程中渭河下游河道及黄河潼关断面冲淤变化不明显,与2019、2020年相比较,临潼、潼关断面略有冲刷,华县断面有轻微淤积。

(2)渭河1号洪水为2021年首场部分漫滩洪水,临潼至华县河段洪水传播时间长、洪峰削减率达到27.0%。渭河2、3号洪水渭河下游存在不同程度漫滩,华县洪峰均出现衰减与滞后,由于2号洪水临潼以下全面漫滩临堤,3号洪水华县站洪峰削减率明显减小,由17.1%降低为5.6%。渭河3号洪水中潼关洪水对渭河华县以下河段洪水形成顶托,华县站峰顶持续时间长达15 h,并且华县站下游吊桥水位站最高水位出现时间早于华县站峰现时间。

(3)渭河2号洪水咸阳至临潼段洪水演进异常衰减、滞时及报汛值较整编值偏大是导致临潼站洪峰预报偏大、出现时间偏早的原因。黄河1号洪水中华县&龙门～潼关未控流域来水对潼关洪水贡献异常偏大是导致潼关站洪峰预报偏小、出现时间偏早的原因。

渭河下游洪水演进复杂,分析渭河黄河2021年典型洪水演进特征,深入挖掘预报误差影响因素,可为准确判断渭河下游不同形式漫滩洪水洪峰流量削减率和传播时间提供参考,为渭河下游与黄河潼关段及时预警、准确预报提供参考依据。