楊 露， 王新宏， 黃修山， 眭紅艷， 孫亞琴

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室， 陜西 西安 710048; 2.重慶航運(yùn)建設(shè)發(fā)展有限公司， 重慶 400013)

1 研究背景

自1960年三門峽水庫建成后，渭河下游出現(xiàn)河道泥沙淤積嚴(yán)重、河道主槽寬度束窄明顯、主槽擺動加劇且過水?dāng)嗝嬷饾u萎縮、S型河勢增多等現(xiàn)象[1-3]；與此同時，河道的洪水演進(jìn)特性因河道條件的變化也相應(yīng)地發(fā)生了較大改變。多年來國內(nèi)很多學(xué)者對渭河下游河道產(chǎn)生淤積萎縮的原因作了大量的研究，結(jié)果表明渭河下游枯水枯沙、潼關(guān)高程的不斷抬升和高含沙洪水頻發(fā)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積嚴(yán)重的主要原因[4-9]。 王西超等[10]從洪水位、消峰率和洪峰傳播時間等方面對渭河“05.10”和“03.08”洪水進(jìn)行了對比分析；石長偉等[11]和寧愛琴等[12]均分析了渭河“11.09”洪水過程，研究表明該洪水具有洪水位高、持續(xù)時間長、削峰率小及臨潼—華縣河段洪水演進(jìn)速度較慢等特性。張廣林等[13]對渭河“17.10”洪水特性進(jìn)行了分析，指出該場洪水具有水位較高、洪峰流量沿程增加、傳播時間較長的特性。這些研究多僅限于對渭河某一兩次洪水特性進(jìn)行分析，有較大的局限性。本文依據(jù)三門峽水庫建庫以來渭河下游長期實(shí)測資料，在系統(tǒng)分析渭河下游河道沖淤變化對洪水演進(jìn)特性影響的基礎(chǔ)上，試圖闡明渭河下游河道邊界條件與洪水要素之間的規(guī)律性，建立兩者之間的定量關(guān)系式。這不僅對提高渭河下游洪水預(yù)報精度有幫助，同時對黃河流域其他多泥沙河流的洪水預(yù)報具有參考意義。

2 渭河下游河道變化特征

三門峽水庫建庫前，渭河下游河槽處于相對沖淤平衡狀態(tài)，主槽相對穩(wěn)定。1960年三門峽水庫建庫以后，渭河下游沖淤變化可分為3個階段。第1階段，自1960年3月至1973年10月，是渭河下游淤積迅速發(fā)展的時期。本階段渭河下游全河段累積淤積量達(dá)10.07×108m3(圖1)，期間潼關(guān)高程大幅度抬升，河道造床流量下降明顯，河道主槽開始淤積萎縮。第2階段，自1973年10月至2002年10月，是渭河下游緩慢淤積的時期。本階段三門峽水庫開始采用蓄清排渾運(yùn)用方式，渭河下游淤積發(fā)展速度明顯減緩，期間渭河下游河段累積淤積量達(dá)3.14×108m3，潼關(guān)高程持續(xù)抬升。從圖2可見，本階段華縣水文站處造床流量1974-1976年間前有小幅上升，1976年后大幅度減小。第3階段，自2002年至今，是渭河下游沖刷下切的時期。2002年開始三門峽水庫開展原型試驗，渭河下游河道累積淤積量開始減小，2002年10月至2010年10月渭河下游累積沖刷1.50×108m3，潼關(guān)高程逐步下降，加之渭河來沙量大幅度減少，渭河下游淤積總量同步呈下降趨勢，河道造床流量增大，主槽拓寬；自2010年渭河全線整治開始以來，除局部河段淤積外，渭河下游全線沖刷，潼關(guān)高程下降明顯，河道造床流量也增大，主槽仍在拓寬?？梢姡T峽水庫建庫以后，渭河下游經(jīng)歷了迅速淤積，緩慢淤積和沖刷下切3個不同階段，各階段渭河河道邊界條件發(fā)生了較大變化，洪水演進(jìn)特性也隨之發(fā)生改變。

圖1 三門峽建庫以來渭河下游河段累積淤積量變化曲線 圖2 1974-2014年河道造床流量

3 渭河下游洪水特性變化概況

3.1 洪水位變化情況

根據(jù)黃河流域三門峽庫區(qū)水文測驗資料，點(diǎn)繪出建庫前后華縣站在不同年份的水位流量關(guān)系圖(圖3)。由華縣站統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，建庫前1954年最大流量為7 660 m3/s的洪水位為338.81 m；而建庫后1962年最大流量為3 540 m3/s的洪水位為338.07 m；進(jìn)入20世紀(jì)80年代，1981年最大流量為5 380 m3/s的洪水位為341.05 m；進(jìn)入21世紀(jì)初期，2003年最大流量為3 540 m3/s的洪水位為342.76 m，而2009年最大流量為1 120 m3/s的洪水位為339.69 m，2011年最大流量為2 750 m3/s的洪水位為342.70 m。同時建庫前1954年流量為3 450 m3/s時的洪水位高出流量為5 000 m3/s時的洪水位4.34 m?？芍越◣熘?003年，華縣站河道行洪能力不斷下降，洪水位發(fā)生大幅度地抬升。不同流量級的洪水位相比，建庫前存在小流量級的洪水位有大于大流量級洪水位的現(xiàn)象，而建庫后小流量級的洪水位均小于大流量級的洪水位。2003年以后華縣站洪峰流量大幅度較小，洪水位也發(fā)生明顯地降低。因渭河下游2003年和2005年出現(xiàn)了較大洪水，河道出現(xiàn)沖刷使河道主槽擴(kuò)寬所致，而2011年的洪水位比2003年的洪水位高3.01 m，這是由于該年份較之前河道出現(xiàn)淤積且河底比降變緩，同時灘地作物增加河道糙率形成阻水。

將華縣站不同年份同流量級對應(yīng)的洪水位繪于圖4中，由圖4可知，華縣站1996年同一流量級(圖中4個流量級區(qū)間)的洪水位與1954年的洪水位相比分別升高了2.95、4.54、4.95和5.12 m；而2003年同流量級的洪水位與1954年的洪水位相比分別升高了3.93、4.8、5.09和5.74 m。說明建庫后至2003年同流量級的洪水位明顯高出建庫前的洪水位，且隨著水庫的運(yùn)行渭河下游的洪水位逐漸升高。但2003年之后，同流量級的洪水位卻呈下降趨勢。

3.2 三門峽建庫后渭河下游洪水傳播時間的變化情況

1961年至今臨潼站至華縣站年最大洪水的洪峰傳播時間變化過程如圖5所示。由于三門峽水庫的建成運(yùn)行及經(jīng)歷兩次改建和運(yùn)行方式的改變，使渭河下游河道發(fā)生了很大的變化，也導(dǎo)致了渭河下游洪水傳播歷時延長。經(jīng)統(tǒng)計分析得到[13-14]，華縣在1965-1989年間出現(xiàn)了33次流量大于2 000 m3/s的洪水，洪水的平均傳播時長為11.8 h，且由臨潼傳播到華縣河段所需傳播時間長達(dá)18.5 h；20世紀(jì)90年代間出現(xiàn)了7次流量大于1 500 m3/s的洪水，洪水的平均傳播時間長達(dá)17.3 h，且由臨潼傳播到華縣河段所需傳播時間達(dá)到33 h；2003年發(fā)生的洪水，前3次洪峰平均傳播時長為34.9 h，其中該洪水第一次的洪峰平均傳播時長都達(dá)到了52.3 h。2005年、2009年、2011年以及2017年由臨潼傳播到華縣河段洪峰傳播歷時分別達(dá)到42.3、40.2、36.5和31.3 h。由圖5可知，臨潼至華縣站自1973-2003年，洪峰傳播歷時明顯延長，2003年洪峰傳播歷時出現(xiàn)縮短現(xiàn)象，2005年洪峰傳播歷時又出現(xiàn)大幅度增加之后又呈逐漸下降現(xiàn)象。這是由于2005年出現(xiàn)了特大洪水，河道大面積發(fā)生漫灘，導(dǎo)致洪峰傳播歷時延長。2005年之后洪水的洪峰流量減小，大部分在河槽中演進(jìn)且河道泥沙淤積量減小，而渭河下游河道由淤積轉(zhuǎn)為沖刷，河道的行洪能力增大，洪峰傳播時間變短。

圖3 華縣站不同年份水位流量關(guān)系圖 圖4 華縣站不同年份同流量級對應(yīng)的洪水位

圖5 臨潼站至華縣站河道洪水傳播時間變化過程 圖6 渭河下游洪峰削峰率隨時間變化情況

3.3 建庫后渭河下游洪峰消減情況

圖6為臨潼至華縣河段渭河下游年內(nèi)最大洪水消峰率隨時間的變化情況。經(jīng)統(tǒng)計分析得到[13-14]，華縣在1965-1989年間出現(xiàn)了33次流量大于2 000 m3/s的洪水，在此期間洪水的平均削峰率為12.6%，其中臨潼至華縣河段存在的最大洪峰削峰率51.1%；20世紀(jì)90年代間出現(xiàn)了7次流量大于1 500 m3/s的洪水，洪水的平均削峰率為14.8%，其中臨潼至華縣河段存在的最大洪峰削峰率也達(dá)到41.2%；2003年間發(fā)生前3次洪水的洪峰削峰率的平均值為41.2%，其中首次削峰率就已達(dá)53.1%。本文點(diǎn)繪了臨潼至華縣河段渭河下游年內(nèi)最大洪水消峰率隨時間的變化情況(圖6)。由圖6可知，不同年份中渭河下游年內(nèi)最大洪水削峰率變化存在顯著地差別，這主要受渭河下游洪水來源的影響。若渭河下游來水以其支流匯入為主，由于渭河下游支流較多，匯入的水量使洪峰消減較小，甚至出現(xiàn)負(fù)值。例如1961、1963、1985、1988、1993和2017年其削峰率均為負(fù)值。若渭河下游來水以渭河上游(咸陽以上)為主，則洪峰削減較大。

由圖6的變化趨勢可知，自三門峽水庫建成后，渭河下游華縣站洪峰削峰率變化有升有降，20世紀(jì)80年代后洪峰削峰率有明顯增加，2003年之后渭河下游洪峰削峰率呈明顯的下降趨勢。

4 渭河下游河道淤積萎縮對洪水特性的影響

4.1 對洪水位的影響

根據(jù)曼寧阻力公式可得到主槽流量從Q1上漲到Q2時的水位漲幅ΔH為：

ΔH=(Q23/5-Q13/5)(B·J1/2·n-1)-3/5

(1)

式中：B為河槽寬度，m；J為水力坡降；n為河床糙率。

由公式(1)可知，水位的變化與河道寬度和河床阻力存在著較為密切的非線性關(guān)系，計算結(jié)果表明，河道寬度減小一倍或河床糙率增加一倍，則引起水位上漲1.52倍；若河道水面線比降縮小1倍，則引起水位上漲1.23倍。本次泥沙數(shù)學(xué)模型計算中，需要確定基準(zhǔn)斷面、邊界條件和計算時段。(1)基準(zhǔn)斷面選?。?983年華縣河段的河道斷面；(2)邊界條件：入口水位-流量過程選擇臨潼河段的實(shí)測洪水資料，出口水位-流量過程選擇華陰河段的實(shí)測洪水資料；(3)計算時段：1983年的8月25日2點(diǎn)至10月2日20點(diǎn)。然后，同時改變主槽寬度，即主槽過水?dāng)嗝嫱瑫r減少，觀察最大洪峰流量處洪水位的變化情況。將主槽寬度對洪水位和洪峰流量影響的圖繪于圖7和8，由圖7可知，隨主槽寬度的縮窄，洪水位升高；而隨主槽寬度的拓寬，洪水位則下降。同時隨主槽過水?dāng)嗝娴臏p小，相應(yīng)的河道斷面的洪峰流量也隨之減小。由圖8可知：渭河下游洪水的流量級為3 000 m3/s時，主槽寬每減小100 m，洪水位將發(fā)生大約0.4～0.5 m的上升高度。

圖7 渭河華縣段主槽寬度改變對洪水位的影響 圖8 渭河華縣段主槽寬度改變對洪峰流量的影響

河道主槽縮窄將引起平攤流量變小，當(dāng)渭河下游發(fā)生同流量級洪水時，主槽萎縮前后相比，前者洪水完全在主槽內(nèi)，不會漫流到灘地，而后者將引起大量水流漫灘。隨著洪水漫灘發(fā)生之后，河道水流的能坡比將變小，同時主槽糙率也會變大，主槽的過水?dāng)嗝娴钠骄魉僖矊⒆冃?。由于河道流速分布是上游大下游小，勢必使水流發(fā)生壅水，進(jìn)而致使渭河下游洪水位上升[15-18]。這就表明河道主槽發(fā)生萎縮致使較小流量級洪水出現(xiàn)漫灘也是河道洪水位抬升的主要原因之一。

4.2 對洪水傳播時間的影響

洪水波屬于不穩(wěn)定的緩變流運(yùn)動，其特性與洪峰傳播時長t和河長L有關(guān)。流量與傳播時間t和河長L的關(guān)系為：Q=f(t，L)。當(dāng)流量為常量時，dQ=0，則存在下列關(guān)系：

(2)

定義洪峰傳播速度ω=dL/dt，則可得：

(3)

由不穩(wěn)定流方程組(圣維南方程組)中的連續(xù)方程式得：

?Q/?L+?A/?t=0

(4)

由公式(3)和(4)得到洪峰的傳播速度為：

ω=?Q/?A

(5)

公式(5)也說明計算中可采用斷面平均流速代表洪水波的點(diǎn)波速。

因河道發(fā)生萎縮導(dǎo)致了洪水坦化，因此，洪峰的傳播速度勢必會遭到影響。對非復(fù)式及規(guī)則斷面而言，洪峰傳播速度ω與斷面平均流速V正比關(guān)系：

ω=FV

(6)

(7)

式中：F為河道主槽形態(tài)對洪水傳播特性的影響系數(shù)；R為水力半徑，m；B為河槽寬度，m；Z為水位，m。

綜上可推斷出，當(dāng)主槽斷面形態(tài)一定，洪峰流量大于平灘流量，引起水流漫灘，造成河道過水?dāng)嗝婷娣e增大，導(dǎo)致洪峰傳播速度的減小。再者，影響斷面平均流速的因素在一定程度也影響洪水洪峰的傳播。但由于篇幅有限，僅研究由河道淤積萎縮導(dǎo)致斷面平均流速減小的情形。水庫建成后，因渭河下游河道泥沙淤積不斷惡化導(dǎo)致河道比降變小，進(jìn)而減小了水面比降與斷面平均流速。流量為200 m3/s對應(yīng)水面比降與洪水傳播時長關(guān)系(臨潼—華縣)見圖9。通過線性回歸可得，渭河下游臨潼—華縣的洪水傳播時間延長5～6 h，河道比降減小0.1‰。

4.3 對洪水峰型的影響

洪水傳播過程中，不同的河道邊界條件會引起洪峰峰型(用洪峰流量大小簡單表示)的變化，而峰型變形情況可由洪峰流量的變化幅度反映出來。洪峰流量的變化幅度用洪峰削峰率表示，即河道中相鄰兩斷面的洪峰流量之差占上游斷面洪峰流量的比率。

為研究河道條件對洪水洪峰削峰率的影響性，圖10是基于現(xiàn)有的實(shí)測資料采用線性回歸法得到洪峰削峰率與Q/QP(臨潼洪峰流量與華縣平灘流量比值)的關(guān)系曲線。從圖10可以看出，洪峰削峰率隨臨潼洪峰流量與華縣的平灘流量比值的增大而增大；當(dāng)河道流量相同，而主槽存在不同的行洪能力時，也會引起Q/QP的變化；針對比值Q/QP而言，流量Q相同，QP值越大，其值越小，洪峰削峰率越?。环粗?，則洪峰削峰率越大。通過圖10河道條件對洪峰削峰率的影響能很好地反映出來。圖中也反映出臨潼至華縣河段洪峰削峰率與Q/QP具有良好的線性關(guān)系。若臨潼站洪峰流量與華縣站平灘流量已知，就能求得華縣站處河段的流量，再由華陰水位-流量關(guān)系曲線查的其水位值。依據(jù)圖10中點(diǎn)繪的回歸曲線，可預(yù)測渭河下游的洪峰流量及水位值。

自1993年以來，渭河下游來水來沙量較小，出現(xiàn)枯水枯沙的現(xiàn)象，而來水量的減小值卻大于來沙量，這造成小水帶大沙的狀況，從而導(dǎo)致高含沙洪水頻繁發(fā)生[19]，以1994年以來最為嚴(yán)重。華縣在1995年河道主槽的行洪能力僅有800 m3/s，原因主要是1995年存在極不利的水沙條件。1995年6和7月間近一月，華縣河段的流量小于1 m3/s，隨之遇到一場高含沙小洪水(如臨潼與華縣流量分別為2 640、1 500 m3/s，含沙量卻均達(dá)600 ～700 kg/m3)。因該場洪水流量較小(相對于含沙量)，引起河槽邊壁形成停滯層使河寬縮窄加劇。因1995年河道的行洪能力相當(dāng)小，引起1995年存在2/3場高含沙洪水漫灘的現(xiàn)象，從而也使洪水的洪峰削峰率很大，達(dá)到了43.18%。

表1是1954-2017年臨潼—華縣典型洪水洪峰削峰率數(shù)據(jù)。由表1可知，自1995年以后，除1999年間水量及削峰率較小之外，臨潼至華縣1995-2003年間洪峰削峰率均很大，說明了洪峰削峰率大幅度增大是由渭河下游河道萎縮惡化導(dǎo)致的。2003年之后洪峰削峰率開始出現(xiàn)逐漸下降的現(xiàn)象，尤其在2017年洪水洪峰削峰率達(dá)到最小，這是因為2017年華縣站洪峰流量比臨潼站增加了260 m3/s引起的，期間渭河下游河道沿程有支流洪水匯入，臨潼—華縣支流較少，使該河段出現(xiàn)洪峰流量增大現(xiàn)象。

圖9 臨潼—華縣河段流量為200 m3/s的水面比降與洪水傳播時長關(guān)系 圖10 臨潼—華縣河段削峰程度與河道條件關(guān)系

表1 1954-2017年臨潼—華縣的典型洪水削峰率

洪水演變洪峰峰型變化情況反映了不同歷史時期渭河下游河道邊界條件不相同，導(dǎo)致不同洪水有著不同洪峰峰型。因河道淤積大量泥沙，致使河道行洪能力下降。三門峽水庫剛建成運(yùn)行初期，如果發(fā)生較大的洪水，河道就會出現(xiàn)漫灘。圖11為1962年7月27日-31日臨潼—華縣洪峰變形情況。由圖11可知：此時峰型為矮胖型且具有較大的洪峰削峰率。若使洪水流量小于平灘流量，洪水不會發(fā)生漫灘，完全留在主槽內(nèi)，洪峰削峰率與其變形量均很小(如圖12、13所示)。由于三門峽水庫建成投入運(yùn)行后，河道泥沙淤積惡化，隨后水庫經(jīng)過兩次改建及水庫運(yùn)行方式的調(diào)整(即在改建過程中采用敞泄運(yùn)用)[2]，由于20世紀(jì)70年代間來水來沙條件較為有利，使得渭河下游在1975-1985年間行洪能力增大，與建庫前基本相同。但由圖14數(shù)據(jù)與1962年相比，說明了在不同歷史時期，洪水流量級都為4 000 m3/s左右時，洪峰變形情況并不相同，同時同流量級洪水情況下，1983年洪水完全在主槽內(nèi)，而1962年大量洪水漫溢灘面，這是由于1983年洪水拓寬了河道主槽，加大了河道的行洪能力所致。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，渭河下游來水來沙條件不利導(dǎo)致河道主槽萎縮加劇。由此致使1985年之后，渭河下游河道的行洪能力急劇下降再次降為水庫改建前的狀態(tài)，即臨潼河道主槽行洪能力不到4 000 m3/s，且華縣河道主槽行洪能力不到3 000 m3/s。

由圖15可知，該時間段的洪水與1983年同流量級相比，但洪峰坦化嚴(yán)重，其洪峰的形態(tài)改變較大，峰型呈矮胖狀。河道主槽萎縮加劇，這是由于渭河下游在90年代河道泥沙淤積嚴(yán)重所致，截止2003年河道的行洪能力不到1 200 m3/s，導(dǎo)致洪水傳播歷時延長，且引起河道比降變化巨大。圖16中，2003年期間洪峰發(fā)生合并現(xiàn)象，且洪峰削峰率增大。圖17中，2011年期間洪峰形態(tài)相似，洪峰形態(tài)改變較小，在前兩場洪水中洪峰峰形稍胖，但洪峰削峰率較2003年發(fā)生有所降低。由圖18可得，2017年間洪峰形態(tài)變化較大，華縣站較大場洪水出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，同時華縣站洪峰流量大于臨潼站，導(dǎo)致洪峰削峰率大幅度降低。

通過上述分析得到渭河下游河道主槽萎縮的發(fā)展情況，自建庫至2003年渭河下游河道萎縮惡化是導(dǎo)致了洪峰峰型改變的主要因素，而2003年之后洪峰峰形變化普遍較小。

圖11 1962年7月27日-31日臨潼—華縣洪峰變形情況 圖12 1971年6月29日-7月1日臨潼—華縣洪峰變形情況

圖13 1975年7月10日-13日臨潼—華陰洪峰變形情況 圖14 1983年9月25日-10月5日臨潼—華陰洪峰變形情況

圖15 1990年7月6日-9日臨潼—華陰洪峰變形情況 圖16 2003年8月25日-10月14日臨潼—華縣洪峰變形情況

圖17 2011年9月4日-26日臨潼—華縣洪峰變形情況 圖18 2017年10月1日-31日臨潼—華縣洪峰變形情況

5 結(jié) 論

(1)自三門峽水庫建成至2003年，渭河下游河道泥沙淤積嚴(yán)重，主槽縮窄，河道比降也變緩，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發(fā)生萎縮；導(dǎo)致渭河下游洪水傳播歷時延長的因素則是河道主槽發(fā)生萎縮引起河道行洪能力下降；河道主槽發(fā)生萎縮也會引起洪水時段水流漫灘，這是由于河道干流水流倒灌入支流中，干支流決口以及灘地的滯水作用增大了洪水的洪峰削峰率所致。因此，自三門峽水庫建成至2003年，渭河下游河道淤積與主槽萎縮的主因是渭河下游洪水位的抬升、洪水傳播歷時延長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年發(fā)生了較大的洪水，導(dǎo)致渭河下游河道在臨潼至華縣河段間出現(xiàn)沖刷，主槽河道較之前擴(kuò)寬，同時洪峰流量級大幅度減小，水流主要在主槽內(nèi)。同時由于2002年三門峽水庫開展原型試驗及2010年渭河下游進(jìn)行全線整治，使渭河下游河道近期與2003年以前相比，洪水位出現(xiàn)逐漸下降趨勢、洪水的洪峰傳播歷時縮短、洪峰削峰率降低的現(xiàn)象。

本研究基于三門峽水庫建成前后實(shí)測資料統(tǒng)計得到：渭河下游河道沖淤變化對洪水演進(jìn)特性的影響很大，影響到渭河下游同流量洪水位的升降、洪水傳播歷時變化等，與渭河下游的防洪和治理有著直接的關(guān)系。因此渭河下游河道防洪，應(yīng)分析前期洪水過程對下游河道的沖淤變化的影響，同時需要建立系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)施，對渭河下游的水文泥沙進(jìn)行系統(tǒng)地分析研究，及時掌握渭河下游來水來沙的變化、河道沖淤狀況以及河道演變趨勢，為提高洪水災(zāi)害的預(yù)報精度提供依據(jù)。