侯素珍，魏 歡，范冰潔，胡 恬

(1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河下游河道與河口治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；3.山西黃河河務(wù)局，山西 運(yùn)城 044000)

黃河有四汛，即桃汛、伏汛、秋汛、凌汛，分暴雨洪水和冰凌洪水兩個(gè)類(lèi)型。在夏季7月—8月形成的暴雨洪水稱(chēng)“伏汛”，是黃河的主汛期；秋季9月—10月一般由華西秋雨形成的暴雨洪水稱(chēng)“秋汛”，伏秋兩汛時(shí)間相連，合稱(chēng)“伏秋大汛”。在冬季，因河道封凍，河槽大量蓄水，在解凍開(kāi)河時(shí)，河道水流伴有大量冰凌下泄，很容易在彎曲狹窄河段卡冰阻水，壅高水位，威脅堤防安全，稱(chēng)“凌汛”。在3月底、4月初，寧蒙河段解凍開(kāi)河，河槽蓄水量下泄形成洪水過(guò)程，傳播到下游正值桃花盛開(kāi)季節(jié)，稱(chēng)“桃汛”。

黃河中游汛期洪水峰高、量大、含沙量高，對(duì)相應(yīng)水沙變化和洪水特性研究較多[1-3]，對(duì)桃汛洪水關(guān)注較少。寧蒙河道凌汛融冰形成的桃汛洪水，至頭道拐站具有較大的洪峰，演進(jìn)到潼關(guān)形成明顯的洪水過(guò)程，對(duì)潼關(guān)高程具有一定的沖刷作用[4-6]。在頭道拐至潼關(guān)河段的洪水演進(jìn)過(guò)程中，受山西河曲段凌汛槽蓄水量、沿程支流入?yún)R、北干流河道沖淤調(diào)整，以及天橋水庫(kù)和萬(wàn)家寨水庫(kù)運(yùn)用的影響，洪峰、洪量以及含沙量均發(fā)生變化[7]。1998年10月萬(wàn)家寨水庫(kù)下閘蓄水，初期凌汛期的運(yùn)用改變了中游桃汛洪水過(guò)程，削弱了對(duì)潼關(guān)高程的沖刷作用[5]。為更好發(fā)揮桃汛洪水對(duì)潼關(guān)高程的沖刷作用，2006年以來(lái)開(kāi)展利用桃汛洪水沖刷降低潼關(guān)高程試驗(yàn)(桃汛試驗(yàn))，在確保黃河內(nèi)蒙古河段與北干流防凌安全的前提下，通過(guò)劉家峽、萬(wàn)家寨、天橋、三門(mén)峽水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)用，優(yōu)化桃汛期潼關(guān)水文站水沙過(guò)程，實(shí)現(xiàn)潼關(guān)河床的沖刷，降低潼關(guān)高程，兼顧有關(guān)樞紐發(fā)電排沙運(yùn)用[8-10]。水庫(kù)調(diào)度對(duì)水沙過(guò)程的干涉程度直接影響桃汛洪水的沿程變化，洪水演進(jìn)過(guò)程的不同對(duì)調(diào)水調(diào)沙和洪水調(diào)度中水沙對(duì)接效果產(chǎn)生影響。隨著黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的推進(jìn)，調(diào)水調(diào)沙和洪水調(diào)度對(duì)水庫(kù)調(diào)控提出更高的要求，深入認(rèn)識(shí)演進(jìn)過(guò)程中水沙變化，可為水庫(kù)精準(zhǔn)調(diào)度提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

黃河內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)至陜西潼關(guān)河段稱(chēng)黃河北干流，全長(zhǎng)716.6 km。內(nèi)蒙古頭道拐到龍門(mén)河段位于晉陜峽谷，俗稱(chēng)“大北干流”，支流眾多，落差較大，其間有萬(wàn)家寨水庫(kù)與天橋水庫(kù)。龍門(mén)至潼關(guān)河段，俗稱(chēng)“小北干流”，河床寬淺，水流散亂，主流游蕩不定，為典型的堆積游蕩型河道。頭道拐水文站是中上游分界的控制站，也是萬(wàn)家寨水庫(kù)的入庫(kù)站；河曲水文站為天橋水庫(kù)入庫(kù)站、萬(wàn)家寨水庫(kù)出庫(kù)站，府谷水文站為天橋水庫(kù)出庫(kù)站；龍門(mén)水文站為小北干流的入口站。潼關(guān)斷面位于黃河和渭河交匯區(qū)下游，潼關(guān)高程(潼關(guān)(六)斷面1 000 m3/s流量相應(yīng)水位)相當(dāng)于渭河下游侵蝕基準(zhǔn)面，是三門(mén)峽水庫(kù)運(yùn)用的制約因素。區(qū)域主要水文站及工程位置見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)示意圖

天橋水庫(kù)是一座以徑流發(fā)電為主、兼有防洪功能的中型水電站，位于河曲與府谷區(qū)間的峽谷河段。1975年12月截流，1976年底第一號(hào)機(jī)組開(kāi)始發(fā)電，1978年7月4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)，4臺(tái)機(jī)組的最大泄流量870 m3/s。運(yùn)用以來(lái)庫(kù)區(qū)以淤積為主，開(kāi)河期降低水位排冰排沙。

萬(wàn)家寨水庫(kù)位于頭道拐水文站與天橋水庫(kù)之間，下距天橋電站97 km，樞紐工程的主要任務(wù)為供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰，并兼有防洪、防凌作用。水庫(kù)1998年10月投入運(yùn)用，采用“蓄清排渾”運(yùn)用方式，水庫(kù)的防凌調(diào)度運(yùn)用主要以水位控制為主，盡量減少庫(kù)水位在封河期和開(kāi)河期對(duì)庫(kù)尾河段冰情的影響，凌汛前降低水位、洪峰期削峰運(yùn)用。

2 洪水演進(jìn)過(guò)程

以頭道拐到潼關(guān)區(qū)間干流水文站實(shí)測(cè)資料為依據(jù)，分析洪峰和含沙量的沿程變化過(guò)程。

2.1 洪峰流量演進(jìn)過(guò)程

內(nèi)蒙古河段凌汛開(kāi)河在頭道拐站形成的桃汛洪水，洪峰流量一般在1 400 m3/s～3 000 m3/s之間，多年(1954年—2020年)平均2 084 m3/s。經(jīng)過(guò)萬(wàn)家寨水庫(kù)、天橋電站和小北干流河道演進(jìn)到潼關(guān)，洪峰流量有增有減，不同階段呈不同的調(diào)整過(guò)程。

桃汛洪水演進(jìn)過(guò)程中，受山西河曲段凌汛槽蓄水量、北干流河道及沿程支流匯入影響，同時(shí)受萬(wàn)家寨和天橋水庫(kù)運(yùn)用的影響。對(duì)比潼關(guān)站和頭道拐站桃汛洪峰，多數(shù)年份沿程增加(見(jiàn)圖2)。結(jié)合水庫(kù)投運(yùn)時(shí)間分4個(gè)時(shí)段，并根據(jù)資料完整情況分析不同時(shí)段的特征(見(jiàn)表1)。第一階段為1954年—1977年天然情況，頭道拐站洪峰平均為2 095 m3/s，到潼關(guān)站除個(gè)別年份外均增加，最大增加940 m3/s，年平均增加398 m3/s。第二階段為1978年—1998年天橋水庫(kù)運(yùn)用期，頭道拐洪峰平均為2 418 m3/s，至潼關(guān)平均增加251 m3/s，但區(qū)間各段差異較大。其中頭道拐至河曲段洪峰流量有增有減、增大與減小次數(shù)基本相當(dāng)，時(shí)段平均增大46 m3/s；河曲至府谷段受天橋水庫(kù)泄水排沙的影響，洪峰流量以增大者居多，運(yùn)用初期出庫(kù)瞬時(shí)峰值曾達(dá)5 000 m3/s以上，時(shí)段平均增大1 206 m3/s達(dá)到3 670 m3/s；府谷以下以洪峰衰減者居多，特別是府谷到吳堡之間衰減最快，府谷至潼關(guān)站洪峰流量平均減少1 000 m3/s，洪峰流量的衰減主要是出庫(kù)的峰型尖瘦、演進(jìn)過(guò)程中洪水過(guò)程坦化所致。第三階段為萬(wàn)家寨水庫(kù)投入運(yùn)用至桃汛試驗(yàn)前的1999年—2005年，頭道拐洪峰流量平均為2 151 m3/s，萬(wàn)家寨水庫(kù)蓄水削峰減小了桃汛洪峰流量，到潼關(guān)站降低22%，平均為1 676 m3/s。其中頭道拐到河曲間以減小為主，平均減小357 m3/s，經(jīng)天橋水庫(kù)后洪峰增大，到吳堡站平均增值556 m3/s；吳堡到潼關(guān)仍為衰減過(guò)程，平均減少674 m3/s。第四階段為開(kāi)展利用桃汛洪水沖刷降低潼關(guān)高程試驗(yàn)后的2006年—2020年，在保證防凌安全的情況下，萬(wàn)家寨水庫(kù)維持一定水位，漲水過(guò)程入庫(kù)流量達(dá)1 000 m3/s以上時(shí)，水庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)水，優(yōu)化水庫(kù)蓄泄過(guò)程，出庫(kù)流量按調(diào)度指標(biāo)控制。期間頭道拐洪峰平均為1 514 m3/s，頭道拐到河曲洪峰流量增大，平均增大593 m3/s；經(jīng)天橋水庫(kù)到吳堡站，洪峰平均增加151 m3/s，小于之前時(shí)段；吳堡到潼關(guān)仍為衰減過(guò)程，到潼關(guān)洪峰流量平均2 013 m3/s。1954年—2020年多年平均頭道拐到潼關(guān)站桃汛洪峰流量增大271 m3/s。

總體看，洪峰流量沿程變化受水庫(kù)運(yùn)用直接影響，水庫(kù)下游到潼關(guān)峰值基本為衰減過(guò)程。

圖2 歷年頭道拐和潼關(guān)站洪峰流量過(guò)程

表1 不同時(shí)期洪峰沿程變化比較

2.2 最大含沙量沿程調(diào)整

桃汛期頭道拐到潼關(guān)站最大含沙量除個(gè)別年份外總體沿程增加，區(qū)間府谷和河曲站瞬時(shí)最大含沙量受不同因素影響有較大變化(見(jiàn)圖3)。

由于內(nèi)蒙古河段開(kāi)河期冰水輸移，頭道拐站流量增大，相應(yīng)含沙量也增大。根據(jù)1954年—2020年資料統(tǒng)計(jì)，最大瞬時(shí)含沙量多在8 kg/m3～20 kg/m3，平均為11.48 kg/m3，高于洪水期多年平均含沙量8.6 kg/m3。

河曲站為天橋水庫(kù)進(jìn)庫(kù)專(zhuān)用站，也是萬(wàn)家寨水庫(kù)出庫(kù)站。1978年有系統(tǒng)觀(guān)測(cè)資料至萬(wàn)家寨水庫(kù)運(yùn)用前1998年，最大含沙量多在5 kg/m3～18 kg/m3之間，平均為12.4 kg/m3，較頭道拐站同期平均值14.4 kg/m3略有減小。萬(wàn)家寨水庫(kù)投入運(yùn)用至2020年，受水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用影響河曲最大含沙量平均為20.5 kg/m3，大于相應(yīng)入庫(kù)值8.36 kg/m3；年際變幅增大，變化范圍在0～90.8 kg/m3，當(dāng)庫(kù)水位高時(shí)入庫(kù)泥沙淤積在庫(kù)區(qū)，出庫(kù)含沙量低至0，降低水位運(yùn)用時(shí)水庫(kù)排沙[11]，出庫(kù)含沙量增加大于入庫(kù)值，如圖3中的2005年—2010年。

圖3 頭道拐-潼關(guān)歷年沙峰值

府谷為天橋水庫(kù)出庫(kù)站，桃汛期最大含沙量取決于水庫(kù)排沙運(yùn)用。水庫(kù)降低水位運(yùn)用時(shí)，最大瞬時(shí)含沙量可達(dá)100 kg/m3以上，如1988年達(dá)228 kg/m3。但受天橋水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤積泥沙量有限影響，高含沙持續(xù)時(shí)間短、衰減快，到吳堡站一般在40 kg/m3以下，如圖4。一般情況下，當(dāng)府谷沙峰在20 kg/m3以上時(shí)沿程衰減，在20 kg/m3以下時(shí)到吳堡有不同程度增加。

圖4 府谷-吳堡沙峰衰減關(guān)系

吳堡經(jīng)龍門(mén)到潼關(guān)最大瞬時(shí)含沙量變化，各區(qū)間有增大也有減小，當(dāng)吳堡含沙量較大或流量較小時(shí)沙峰沿程衰減，反之則沿程增加，從多年平均值看3站均接近21 kg/m3。

總體看，在頭道拐到潼關(guān)最大含沙量沿程變化中，天橋水庫(kù)和萬(wàn)家寨水庫(kù)運(yùn)用對(duì)沙峰值影響較大。出庫(kù)含沙量大時(shí)沿程迅速衰減，出庫(kù)含沙量小時(shí)沿程增加，但增加值有限。2012年后河曲含沙量多數(shù)年份極小甚至為0，盡管得到沿程河道補(bǔ)給，潼關(guān)站最大含沙量仍然低于頭道拐最大含沙量。

3 洪量和沙量變化

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，1954年—2020年頭道拐桃汛期最大10日洪量平均為9.21億m3，經(jīng)歷了增大和減少過(guò)程(見(jiàn)圖5)。其中1967年以前洪量較小，平均為7.20億m3；青銅峽和劉家峽水庫(kù)投運(yùn)后進(jìn)行防凌運(yùn)用，增大封河期流量，槽蓄水增量增多，1968年—1992年10日洪量平均為9.29億m3，1993年—2012年多在10億m3以上，最大達(dá)15.2億m3，平均為11.46億m3；2013年后受內(nèi)蒙古河段應(yīng)急分凌、海勃灣水利樞紐蓄水等的影響，降低了凌災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，減少了開(kāi)河期頭道拐的水量和流量，2014年—2020年10日洪量平均僅6.39億m3。傳播到潼關(guān)站，1998年以前10日洪量均為增加，1954年—1998年平均增加3.36億m3，達(dá)12.26億m3；1999年—2005年受萬(wàn)家寨水庫(kù)桃汛期蓄水調(diào)度的影響，潼關(guān)站洪量小于頭道拐；2006年后開(kāi)展桃汛試驗(yàn)期加強(qiáng)了桃汛期萬(wàn)家寨水庫(kù)的調(diào)度，進(jìn)行補(bǔ)水和優(yōu)化桃汛洪水過(guò)程，桃汛洪量增加，相應(yīng)潼關(guān)洪量大于頭道拐，年均增加1.47億m3。

在洪水傳播過(guò)程中，由于區(qū)間支流入?yún)R和水庫(kù)運(yùn)用的影響，洪量變化特點(diǎn)不同，沿程站最大10日洪量關(guān)系見(jiàn)圖6。可以看出，頭道拐到河曲1998年以前有增有減，平均變化不大；1998年—2005年因萬(wàn)家寨水庫(kù)調(diào)蓄河曲站洪量普遍減少，年平均減少3.38億m3，直接影響潼關(guān)洪量；2006年桃汛試驗(yàn)后，除個(gè)別小水年外河曲水量以增加為主。河曲到龍門(mén)段受支流入?yún)R和天橋水庫(kù)的影響，除個(gè)別年份外洪量總體為增加，年平均增加1.06億m3，沿時(shí)序沒(méi)有明確的變化趨勢(shì)。潼關(guān)站洪量與龍門(mén)站呈正相關(guān)，由于區(qū)間渭河等支流入?yún)R，洪量以增加為主，年平均增加0.783億m3。

圖5 頭道拐和潼關(guān)站10日洪量歷年變化

在洪水傳播過(guò)程中，由于粗泥沙落淤以及區(qū)間干支流河床泥沙補(bǔ)給，沙量沿程發(fā)生變化。根據(jù)桃汛期相應(yīng)最大10日洪量的沙量統(tǒng)計(jì)分析，頭道拐站多年平均(1954年—2020年)為0.051億t，2014年后較之前減少69%；潼關(guān)站平均為0.154億t，2000年后呈減少趨勢(shì)，特別是2014年水量減少后沙量更少，年均僅0.022億t，較之前減少86%；與頭道拐相比，2009年后潼關(guān)沙量變化很小，平均含沙量也與頭道拐相近。從沿程變化看(見(jiàn)圖6)，頭道拐到河曲，除個(gè)別年份受萬(wàn)家寨水庫(kù)調(diào)度排沙影響外洪水期沙量多為減少；河曲到龍門(mén)沙量變化大，除了河床補(bǔ)給，主要受天橋水庫(kù)排沙運(yùn)用的影響沙量增幅大，其中有兩年減少主要是萬(wàn)家寨水庫(kù)排沙集中而發(fā)生沿程衰減；龍門(mén)到潼關(guān)經(jīng)過(guò)132 km的游蕩性河段沙量普遍增加，同時(shí)兩站沙量趨勢(shì)關(guān)系較好，具有多來(lái)多排的變化特點(diǎn)，以?xún)绾瘮?shù)表示相關(guān)系數(shù)R達(dá)0.96。

從洪水期平均含沙量看，天橋水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)府谷站平均為8.21 kg/m3，到龍門(mén)增加1.84 kg/m3，龍門(mén)到潼關(guān)增加1.98 kg/m3，潼關(guān)站含沙量為12.03 kg/m3。2009年后沒(méi)有明顯變化。

從這些資料可知，雖然萬(wàn)家寨水庫(kù)或者天橋水庫(kù)出庫(kù)瞬時(shí)含沙量較大，但傳播至潼關(guān)的含沙量并不大，如1988年府谷站最大瞬時(shí)含沙量達(dá)226 kg/m3，傳播至潼關(guān)站最大含沙量只有36.7 kg/m3。同時(shí)桃汛期庫(kù)區(qū)沖刷量有限，府谷以下輸沙量和含沙量均沿程增加，因此水庫(kù)排沙對(duì)小北干流和潼關(guān)河段沖刷影響甚微。

圖6 頭道拐到潼關(guān)站洪量和沙量變化

4 潼關(guān)高程變化

桃汛洪水演進(jìn)到潼關(guān)斷面，對(duì)潼關(guān)高程具有一定沖刷作用。三門(mén)峽水庫(kù)1974年蓄清排渾運(yùn)用以來(lái)至萬(wàn)家寨水庫(kù)運(yùn)用前，桃汛洪水期當(dāng)三門(mén)峽壩前水位低于320 m時(shí)潼關(guān)高程一般表現(xiàn)為沖刷，流量越大、壩前水位越低，潼關(guān)高程沖刷下降值越大[4]，當(dāng)壩前水位低于316 m后洪峰流量大于1 500 m3/s即發(fā)生沖刷。1986年—1998年潼關(guān)站桃汛洪峰平均值2 670 m3/s，期間壩前最低水位平均值317.6 m，潼關(guān)高程平均下降0.18 m；1999年—2005年，桃汛洪峰平均值1 680 m3/s，壩前最低水位平均值315.4 m，潼關(guān)高程平均下降0.03 m，可見(jiàn)，洪峰流量減小直接影響潼關(guān)高程的沖刷下降。2006年開(kāi)始萬(wàn)家寨水庫(kù)根據(jù)“桃汛試驗(yàn)”方案進(jìn)行補(bǔ)水調(diào)度，其中2006年—2012年潼關(guān)洪峰平均值為2 537 m3/s，壩前最低水位平均值312.7 m，潼關(guān)高程平均下降0.11 m；之后，受開(kāi)河期頭道拐洪量減小和萬(wàn)家寨水庫(kù)補(bǔ)水能力降低的影響[12-16]，潼關(guān)洪峰在1 800 m3/s以下，洪量減小，潼關(guān)高程有沖有淤，平均基本平衡。

可見(jiàn)，優(yōu)化桃汛洪水期萬(wàn)家寨水庫(kù)的調(diào)度，增大桃汛洪峰對(duì)潼關(guān)高程的沖刷作用，對(duì)控制潼關(guān)高程抬升具有重要作用。

5 結(jié) 論

(1) 頭道拐桃汛洪峰多年平均為2 084 m3/s，經(jīng)過(guò)北干流河道到潼關(guān)多為增加，天然情況下增值較大，天橋和萬(wàn)家寨水庫(kù)運(yùn)用后增值減小或?yàn)樨?fù)值，2006年桃汛試驗(yàn)后洪峰增值增加。區(qū)間府谷以上受水庫(kù)運(yùn)用的影響，瞬時(shí)洪峰增值很大，沿程至潼關(guān)均為衰減過(guò)程。最大含沙量的變化受水庫(kù)排沙運(yùn)用的影響更大，當(dāng)出庫(kù)站含沙量超過(guò)40 kg/m3快速衰減，小于20 kg/m3時(shí)沿程增加的幾率較高。

(2) 洪量和沙量總體呈沿程增加趨勢(shì)，最大含沙量減小但平均含沙量增加，其中潼關(guān)與龍門(mén)站沙量具有很好的關(guān)系，經(jīng)過(guò)小北干流河段具有多來(lái)多排的特點(diǎn)。

(3) 天橋水庫(kù)排沙運(yùn)用可能造成比較高的瞬時(shí)含沙量，但從府谷到吳堡含沙量衰減很快，水庫(kù)下游洪水期沙量總體為沿程增加。萬(wàn)家寨水庫(kù)運(yùn)用初期，頭道拐到潼關(guān)洪峰衰減、洪量減少，不利于潼關(guān)高程的沖刷。

(4) 桃汛洪水對(duì)控制潼關(guān)高程抬升具有重要作用。建議桃汛期萬(wàn)家寨水庫(kù)的調(diào)度繼續(xù)保持一定的出庫(kù)流量指標(biāo)，到潼關(guān)站能維持在2 000 m3/s以上，發(fā)揮桃汛洪水對(duì)河道的有利作用；同時(shí)洪水期水庫(kù)可以進(jìn)行適當(dāng)排沙，不會(huì)對(duì)龍門(mén)以下河段沖淤產(chǎn)生明顯影響。