调水调沙期黄河下游河道洪峰增值预测方法研究

关键词：洪峰增值；特征参数；预测方法；调水调沙；黄河下游

中图分类号：ＴＶ１２２；ＴＶ８８２．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．００６

引用格式：赵连军，韩沙沙，董其华．调水调沙期黄河下游河道洪峰增值预测方法研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（９）：３７－４１．

０引言

黄河调水调沙是改善黄河水沙关系的重要手段之一［１］ 。调水调沙是指在适当时机加大水库下泄流量，形成人造洪峰，加强对下游河床的冲刷，增大下游主槽的行洪能力，同时联合调度水库群，合理运用在水库库底运动的异重流将泥沙排出水库，减少水库淤积，延长水库使用寿命［２］ 。黄河调水调沙改变了进入中下游河道的自然水沙过程［３］ ，充分发挥下游河道的输沙能力遏制河槽萎缩，恢复并维持中水河槽［４］ ，对复苏河口三角洲生态发挥了巨大作用［５］ ，同时也引发了一些特殊现象［６－７］ 。２００４—２０２２年调水调沙期，异重流排出小浪底水库后，黄河下游出现了１０ 次洪峰增值的异常现象（见表１），其中增值流量（花园口洪峰流量－小浪底洪峰流量－支流入汇流量）超过１０００ ｍ^３ ／ ｓ 的洪水共５ 次，最大增值流量达２ ９６３ ｍ^３／ｓ（２０１０年），增值比例［增值流量／ （小浪底洪峰流量＋支流入汇流量）］高达８１．４％。

洪峰增值现象吸引了众多专家学者的关注［６－２３］ 。现有水力学及河流动力学理论尚无法对该现象进行解释，同时又缺乏完整的观测数据，因此目前对洪峰增值形成机理仍没有统一的认识。具有代表性的观点主要有漫滩洪水归槽［９－１１］ 、河床形态变化［８，１２－１７］ 、细颗粒泥沙减阻［１４，１８－２４］ 等３ 类。从宏观水力学角度看，减阻效应是各家统一认定的重要影响因素，而从微观水动力学的角度看，对减阻效应的解释则众说纷纭。江恩惠等［１８］ 认为糙率的减小与上游来水含沙量及级配有关；李国英［１４］ 认为河道糙率的减小与水流含沙量、悬沙级配、床沙级配、床面形态、河道断面形态及河岸周界情况等因素有关。

洪峰增值现象增大了洪水分析和预测的难度，一定程度上影响了小浪底水库的调度决策［２３］ 。现有洪峰增值相关研究成果多为定性描述，少数定量研究成果又因观测数据的匮乏而难以在生产实践中应用推广。笔者基于现有观测数据，提出简单快速判断洪峰增值是否发生、预测洪峰增值比例的方法，以期为黄河下游防汛工作及相关研究提供参考。

１洪峰增值特征参数筛选

以往黄河下游洪峰增值最大值发生在花园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，一是预判小浪底至花园口河段是否发生洪峰增值；二是若发生洪峰增值，则预测未来花园口洪峰流量。结合以往研究成果，影响洪峰增值的因素有来水来沙、来沙级配［１４，１８－１９，２１，２３，２６］ 、异重流排沙前基流［１４，２５－２６］ 、小浪底出库含沙量变化梯度［１４，２５］ 、下游河道边界［１４，２５－２６］ 等。考虑洪峰增值预测的时效性，在洪峰增值特征参数选择上优先选择能够及时获取完整观测数据的参数。上述影响因素中，来水来沙、异重流排沙前基流、小浪底出库含沙量变化梯度等可通过分析小浪底水文站水沙过程获得；来沙级配数据可从小浪底水文站整编水文资料中获得；下游河道边界包括床沙级配、床面形态、河道断面形态及河岸周界情况等，其中床沙级配、河道断面形态仅有汛前实测资料，尚无与洪峰增值匹配的系统观测资料，而床面形态与河岸周界情况则无观测资料。因此，本次特征参数选择基于小浪底（２０１０年后采用西霞院数据，下同）出库水沙过程分析得到的沙峰、含沙量变化梯度、异重流排沙前基流及悬沙级配等参数。含沙量变化梯度采用含沙量涨峰期平均涨率来表征，异重流排沙前基流统计了含沙量起涨前２４ ｈ、１２ ｈ 及６ ｈ 等３ 个数据，悬沙级配统计了悬沙中值粒径ｄ５０和悬沙平均粒径ｄ，具体数据见表２。

考虑到样本数量有限，本次研究仅进行单因素线性回归分析。以增值比例为因变量，表２ 中小浪底出库水沙特征参数为自变量，分析各自变量与因变量之间的相关性，见表３。由表３ 可知，各自变量与增值比例回归相关系数为０．１６３ ３～０．５４６ ４，这印证了小浪底至花园口河段出现洪峰增值现象不是受单因素影响，而是多因素共同作用下的复杂现象。各特征参数对增值比例影响的重要程度排序为：沙峰＞含沙量涨峰期平均涨率＞悬沙中值粒径ｄ ＞悬沙平均粒径ｄ ＞含沙量起涨前２４ ｈ 基流＞含沙量起涨前６ ｈ 基流＞含沙量起涨前１２ ｈ 基流。小浪底含沙量起涨前２４ ｈ 基流、６ ｈ基流和１２ ｈ 基流对洪峰增值的作用机理相似，保留对增值比例影响最大的小浪底含沙量起涨前２４ ｈ基流。小浪底悬沙中值粒径ｄ 与小浪底悬沙平均粒径ｄ均为小浪底悬沙粒径的度量，且两者有一定的相关性，保留对增值比例影响最大的小浪底悬沙平均粒径ｄ。据此筛选出４ 个特征参数，其对增值比例影响排序为：沙峰＞含沙量涨峰期平均涨率＞悬沙中值粒径ｄ＞含沙量起涨前２４ ｈ 基流。

为判断洪峰增值是否发生，将２００４年以来小浪底水库排沙期未发生洪峰增值的特征参数也进行了相应统计。按筛选出的４ 个特征参数对增值比例影响的重要程度，分别点绘小浪底沙峰、含沙量涨峰期平均涨率、悬沙中值粒径ｄ和含沙量起涨前２４ ｈ 基流与增值比例之间的关系，如图１ 所示。由图１ 可知，小浪底沙峰越大、含沙量涨峰期平均涨率越大、悬沙粒径越细，小浪底至花园口河段洪峰增值比例越大；小浪底含沙量起涨前２４ ｈ 基流越小，小浪底至花园口河段洪峰增值比例越大。

以往研究发现，沙峰小于４００ ｋｇ／ ｍ^３ 时，河道糙率系数基本呈现随含沙量的增大而减小的趋势；细颗粒含量越大，减阻现象越明显［２７－２９］ 。２００４年以来小浪底水库排沙期沙峰处于４５～４００ ｋｇ／ ｍ^３ 范围内，沙峰越大、泥沙组成越细，糙率减小幅度越大［１８］ ；含沙量涨峰期平均涨率越大，糙率减小速度越快；小浪底含沙量起涨前基流越小，水流阻力越大，同时稀释能力越小，随后高含沙洪水下泄使得河道糙率减小幅度越大。河道糙率减小，水流加速，洪峰发生增值［１８］ 。

从图１ 中还可以看出，在小浪底沙峰、悬沙中值粒径ｄ和含沙量起涨前２４ ｈ 基流与增值比例的关系图中，增值与未增值之间区分较不明显；而小浪底含沙量涨峰期平均涨率与增值比例的关系中，增值与未增值之间有明显区分。因此，可将小浪底含沙量涨峰期平均涨率作为小浪底至花园口河段洪峰增值是否发生的一个判别标准。

由图１（ｂ）可知，现有的１０ 次洪峰增值中，小浪底含沙量涨峰期平均涨率最小为２２．９ ｋｇ／ （ｍ^３·ｈ）。因此，可认为当小浪底含沙量涨峰期平均涨率超过２２．９ｋｇ／ （ｍ^３·ｈ）时，小浪底至花园口河段可能发生洪峰增值现象。此外，小浪底沙峰与增值比例之间的回归相关系数超过０．５（见表３），因此可建立其与增值比例之间的相关关系，以此来预测增值区间。

２ ２０２３年洪峰增值预测预报分析

２０２３ 年６ 月２１ 日９ 时至７ 月１６ 日１６ 时，黄河水利委员会结合汛前腾库迎汛实施了汛前调水调沙。结合以上研究成果，在本次调水调沙过程中，对花园口洪峰流量进行了预测预报。

２０２３ 年黄河调水调沙期小浪底／ 西霞院出库含沙量过程如图２ 所示。由图２ 可知，７ 月６ 日１５ 时，小浪底出库含沙量开始上涨，至７ 月６ 日２１ 时，小浪底沙峰为２５５ ｋｇ／ ｍ^３，含沙量涨峰期平均涨率为３７．０ ｋｇ／ （ｍ^３·ｈ）；至７ 月７ 日１ 时，西霞院沙峰为２３１ ｋｇ／ ｍ^３，含沙量涨峰期平均涨率为５１．７ ｋｇ／ （ｍ^３ ·ｈ），均超过了已发生洪峰增值时最低含沙量涨峰期平均涨率２２．９ ｋｇ／ （ｍ^３ ·ｈ），预计洪水演进至花园口将发生洪峰增值现象。

绘制洪峰增值比例随小浪底沙峰变化的外包线及拟合线，如图３ 所示。沙峰２３１ ｋｇ／ ｍ３对应外包线上增值比例为７％～６６％，按拟合线计算增值比例为３０％左右。根据西霞院下泄流量过程（见图４）可知，其下泄洪峰为２ ４９０ ｍ^３／ｓ，预估支流入汇３５０ｍ^３／ ｓ 左右，按外包线预估增值比例计算可知小浪底至花园口河段增值流量为２００～１ ８７０ ｍ^３／ｓ，平均增值流量为８８０ ｍ^３／ｓ 左右。根据２０２３年水文整编资料，小浪底至花园口河段实测增值流量为８９０ ｍ^３／ｓ，增值比例２８％，预报结果与实际情况基本相符，说明该预测方法基本可行，可为黄河下游防洪提供一定的参考。

需要说明的是，该方法仅能预判洪峰增值是否发生、预测增值比例，尚不能进行洪峰演进时间等的预测。此外，因样本数量有限，本研究仅采用了单因素进行相关分析，然而造成洪峰增值现象的因素是多元的，后续随着样本数量的增加，可进行多因素综合分析。

３结论

以小浪底至花园口河段洪峰增值比例为因变量，以小浪底沙峰、含沙量涨峰期平均涨率、含沙量起涨前基流、悬沙中值粒径ｄ和悬沙平均粒径ｄ等出库水沙特征参数为自变量，分别计算各自变量与因变量的相关系数，据此筛选出对洪峰增值影响较大的参数，并提出了判断洪峰增值是否发生以及预测洪峰增值区间的方法，主要结论如下。

１）小浪底出库水沙主要特征参数对洪峰增值比例影响程度为沙峰＞含沙量涨峰期平均涨率＞悬沙中值粒径ｄ＞含沙量起涨前２４ ｈ 基流。

２）筛选出对洪峰增值影响较大的小浪底沙峰、含沙量涨峰期平均涨率作为洪峰增值的预判参数，研究发现当小浪底含沙量涨峰期平均涨率超过２２．９ｋｇ／ （ｍ^３·ｈ）时，小浪底至花园口河段可能发生洪峰增值现象，并可基于小浪底沙峰与增值比例之间的相关关系，预测增值比例区间。

３）基于２０２３年黄河调水调沙期小浪底水文站实时水、沙情数据，在小浪底水文站第一个沙峰出现后，对小浪底至花园口河段洪峰增值进行预测预报，预计洪水演进至黄河下游将发生洪峰增值现象，且平均增值比例为３０％左右，平均增值流量为８８０ｍ^３／ｓ左右，预测结果与实测结果基本相符。

需要说明的是，洪峰增值是多种因素综合影响的结果，目前由于样本数量有限，因此仅进行了单因素相关分析，后续需要收集更多的实测数据，进一步完善洪峰增值预测方法。