黄河下游窄河段洪水演进特征研究

李文义 杨俊 孟祥磊 何炳霖

摘要：基于小浪底水库运用前后黄河下游窄河段的河道形态变化，利用MIKE11模型，对黄河下游艾山—泺口窄河段2000年、2003年、2013年洪水过程进行模拟。根据实测资料进行了河床糙率率定及模型检验，并分析不同年份洪水水位流量的变化、洪峰沿程折减以及洪水传播时间变化。结果表明：小浪底水库进行调水调沙以后，黄河下游窄河段过流能力增强，河道对洪水的沿程削峰能力减弱，洪水传播时间缩短。

关键词：窄河段；洪水演进；MIKE11；小浪底水库；黄河下游

中图分类号：TV122；TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.007

1 引言

黄河是一条多沙河流，下游水少沙多、水沙不平衡，极易造成河道淤积，防洪形势严峻川。黄河流经陶城铺后，进入典型的弯曲型窄河段。从陶城铺到宁海，河长322km，两岸堤距1～3km，河槽宽0.4～1.2km，最窄处东阿艾山卡口宽度仅275m；河道纵比降0.01%，排洪能力11000m3/s。目前，河床高于两岸地面4～6m，河道特点和两岸经济社会特性，使其成为黄河防洪安全的重点河段[2]。

小浪底水库运用以来，下游河道形态发生了深刻变化，河道冲淤呈现新的特点。小浪底水库2000年投人使用，2002年开始调水调沙。据统计，2000年以来黄河下游河道全线冲刷10.6亿m3泥沙，下游河道平均刷深近2m，平滩流量增加800～2600m3/s。

笔者选取黄河下游窄河段中的艾山—泺口区间为研究对象，该区间全长约92.8km，以艾山水文站为起点，烁口水文站为终点，两站间有黄河的一条支流玉符河，流域面积827km2，但该河常年没有径流汇人黄河。距艾山站27.6km处有潘庄引黄闸，见图1，引水流量较大，多年平均引水流量为35m3/s。

利用MIKE11水动力学模型对该河段2000年、2003年、2013年的汛期洪水情况演进进行模拟，基于此对小浪底水库运用后黄河下游窄河段的洪水演进特征进行了研究。

2 MIKE11水动力学模型

2.1 MIKE11基本原理

MIKE11软件由水动力、对流一扩散、水质、降雨-径流、洪水预报等模块组成，为河渠水流、水质、泥沙的一维模拟系统，水动力模块为其核心模块，简称HD模块[3]。一维水动力模型的控制方程采用圣维南（Saint-Venant ）方程组，其离散采用Abbott六点隐式格式，可在相当大的库郎数下保持计算稳定，以取得更长的时间步长，节省计算时间。

圣维南方程组由质量守恒的连续性方程和能量守恒的动量方程组成，分别为式中：Q为流量m3/s； 9为侧向入流流量，m3/s；A为过水断面面积，mz；h为水位，m；R为水力半径，m；g为重力加速度，m/s2；C为谢才系数；α为动量修正系数；x、t分别为空间、时间坐标。

圣维南方程组中的连续性方程和动量方程通过有限差分法进行离散，计算网络由流量点和水位点组成，其中流量点和水位点在同一时间步长下分别进行计算，见图2。计算网格由模型自动生成，水位点是横断面所在的位置，相邻水位点之间的距离可能不同，流量点位于两个相邻的水位点之间。计算网格点的分布遵循以下原则：①河段上下游端点为计算水位点；②支流入流点为计算水位点；③实测断面资料点为计算水位点；④模型根据max△x值自动插入的点为计算水位点；⑤建筑物点为计算水位点；⑥两个水位点之间只存在一个计算流量点[3]。

模型的定解条件包括水流的初始条件与边界条件：初始条件包括初始水位及流速，在模型计算中，一般会设定一组比较小的初始水位与流速作为初始条件；边界条件是指上下游端点的水位、流量过程，上边界一般采用入流断面的流量过程，下边界一般采用出流断面的水位过程。

2.2 MIKE11模型构建

MIKE11 HD建模所需要的信息包括河网形状、水工建筑物及水文测站位置、河道和滩区地形（实测断面数据）、边界水文数据、实测水文数据（用于模型率定）等，即在HD建模过程中要相应建立河网文件、断面文件、边界文件、参数文件等。

艾山—泺口河段的建模以艾山站（里程0km）流量过程为上边界条件，以泺口站（里程92.8km）水位过程为下边界条件；以两站间的实测大断面资料建立断面文件来反映河道形态；受资料限制，河段糙率尚未确定，计算时利用河段中韩刘（里程42.8km）、北店子（里程74.8km）两站的实测資料来率定糙率；水工建筑物操作模块是MIKE11 HD模块的特色，为闸坝调度设计方案的实现提供支持，本研究中涉及一处侧向引水闸——潘庄闸（里程27.6km），模型模拟中将闸门类型设定为流量类型，控制策略设为当闸前水位达到某一阈值时，闸门开启引水，以便更好地模拟实际工况。

3 参数率定分析

河床糙率反映了水流和河床相互作用过程中河道边界粗糙程度、河道形态等因素对水流阻力的综合影响。床面阻力系数的确定正确与否，直接影响到各水力要素的计算[4]。模型率定的方法是调整河床糙率值，使水位和流量的模拟值与实测值尽量吻合。

艾山—泺口河段河道较窄，滩地亦不是很宽，参数初始率定时，设定为统一值，结果表明：小流量时，模拟水位低于实测水位，相对误差较大；大流量时二者较为接近。这说明同一断面的糙率在水位变化时呈现不同的值，主河槽糙率设置过大，对同一断面设定均一的糙率无法准确反映流量丰枯变化时的过流差异。而MIKE11可以对河道中各个断面以及每个断面沿横向和垂向位置定义不同的糙率值，因此为提高模拟精度，对横断面的主槽和滩区分别设定不同的槽率值，最终河床糙率系数的率定值为0.025～0.030。

4 结果分析

4.1 参数率定结果

模型模拟的时间步长为5min，空间步长为500m，设定糙率值分别模拟韩刘站和北店子站2009年、2013年6-8月的水位变化。主河槽糙率值设为0.025，滩地糙率值设为0.030，上游艾山站为流量边界，下游烁口站为水位边界，水位计算结果与实测值对比见图3—图6.

从图3～图6可以看出，水位整体模拟效果较好。2009年韩刘站实测最高水位36.69m，模拟最高水位36.85m，相对误差为0.44%，二者出现的时间差为3h；2009年北店子站实测最高水位32.94m，模拟最高水位33.28m，相对误差为1.03%，二者出现的时间差为9h；2013年韩刘站实测最高水位37.01m，模拟最高水位37.04m，相对误差为0.08%，二者出现的时间差为6h；2013年北店子站实测最高水位33.04m，模拟最高水位33.50m，相对误差为1.39%，二者出现的时间差为9h。模拟的水位变化过程与实测水位变化过程相比误差很小，说明河床糙率的设置比较合理。

4.2 河段洪水演进特征变化分析

在小浪底水库运用以来的十几年间，黄河下游艾山—泺口窄河段不同量级洪水演进呈现出不同的特征，以下将结合该河段2000年汛期洪水（1000m3/s量级）、2003年汛期洪水（3000m3/s量级）、2013年汛期洪水（4000m3/s量级），从水位流量变化、纵断面水面线变化、洪峰折减、洪水传播时间变化等方面进行分析。

4.2.1 水位、流量的变化

黄河下游窄河段水位一流量关系主要受河道主槽的摆动和冲淤变化的影响而发生变化，总体上与上游来水来沙所造成的下游河段的涨冲落淤有关[5]。以黄河艾山站为例，2000-2013年该站的水位一流量变化见图7，2000-2003年同等水位级下河道的过流能力增加量约为200m3/s，2003-2013年同等水位级下河道过流能力增加量约为1500m3/s，可见小浪底水库2002年调水调沙以来，下游河床形态发生了变化，过流能力提高。

2000-2013年该河段纵断面洪水水面线的变化也可反映河道冲淤形态的变化。2000年洪水量级较小，为体现同等量级洪水或相近量级洪水在河道形态发生变化时水面线的变化，假定2000年发生了与2003年同等量级（3000m3/s）的洪水，则水面线计算结果见图8。从图8可以看出2000年发生3000m3/s量级洪水时，水面线较高；到2003年，小浪底水库调水调沙运用仅1a，同等量级洪水的水面线已开始降低；到2013年，即使其洪水量级略大于2003年，但其水面线在大多数断面处依然低于2003年的水面线。由此可以反映出，黄河下游窄河段10a内河道形态变化明显，调水调沙后，同流量级的洪水对应水位降低。

4.2.2 洪峰削减分析

一般来说，洪水通过河道向下游运行，受河床糙率影响，洪峰流量会有所削减，不同时期、不同量级的洪水其洪水削减程度是不同的[6]。为体现同等量级洪水或相近量级洪水在河道形态发生变化时洪峰削减程度的不同，假定2000年发生了与2003年同等量级（3000m3/s）的洪水。2000年小浪底水库投入使用初期，下游河道淤积依然较为严重，主槽较浅，洪水极易上滩，洪水沿程削减较为明显，洪峰折减率为2.47%；2003-2013年，在人为干预下，下游窄河段受清水冲刷，主河槽加宽加深，即使洪水量级较大，也可保证下泄洪水基本在河槽内运行，洪峰折减率为1.52%～1.58%（见表1）。表1中朱圈一潘庄洪峰流量变化较其他河段明显，其原因是潘庄断面上游的潘庄引水闸（侧向引水闸）引水所致。

4.2.3 洪水传播时间分析

2000-2013年艾山—泺口河段同等量级洪水或相近量级洪水传播时间逐渐缩短（见表2）。需要说明的是，为体现同等量级洪水或相近量级洪水在河道形态发生变化时洪水传播时间的不同，假定2000年发生了与2003年同等量级（3000m3/s）的洪水。2000年整个河段洪水传播时间为26.5h，韩刘一北店子区间传播时间最长，为12h；2003年整个河段洪水传播时间为25h，韩刘一北店子区间传播时间最长，为10.5h；2013年整个河段洪水传播时间为10h，韩刘一北店子区间传播时间最长，为5h；2013年洪水较2000年洪水传播时间缩短16.5h。究其原因，就是调水调沙之前洪水容易漫滩，洪水传播延迟，调水调沙后河道冲刷下切，过流断面水力半径增大，洪水在河槽内的平均传播速度有所提高。韩刘一北店子区间的洪水传播时间之所以较长，是因为该区间河道弯曲较多，且不同里程处的主河槽宽窄不均，从而影响了河道行洪。

5 结论

小浪底水库运用以来，水沙条件发生变化，2000-2013年黄河下游艾山—泺口窄河段受到持续冲刷，洪水在该河段的演进过程呈现以下特征。

（1）河道形态发生明显变化，主河槽过流能力增强，平滩流量增大。2000-2013年艾山站相同水位下，流量增加约1700m3/s；同流量级的洪水对应河道纵断面水面线降低。小浪底水库的调水调沙运用有效解决了下游窄河段的泥沙淤积问题，对于河道行洪十分有利。

（2）調水调沙以后，河道对洪水的沿程削峰能力减弱。经过十几年的持续冲刷，主河槽加宽加深，洪水漫滩的概率减小，洪水基本在河槽内演进，受河床糙率的影响较小，洪峰动能损失较小，2000年洪峰折减率为2.47%，2013年洪峰折减率为1.58%。

（3）河段洪水传播速度整体加快。2003年洪水较2000年洪水传播时间缩短1.5h，2013年较2003年洪水传播时间缩短15h。2013年4000m3/s量级的洪水传播时间缩短为10h。由于区间河道弯曲较多，且不同里程处的主河槽宽窄不均，因此2013年韩刘一北店子河段洪水传播时间仍达到5h，占区间洪水传播时间的50%。

参考文献：

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[3]衣秀勇，关春曼.DHI MIKE FLOOD洪水模拟技术应用与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2014；3-4.

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[5]张明，张建民，刘敏，等.“调水调沙”对黄河下游河道过水能力的影响[J].水资源与水工程学报，2009，20（3）：140-142.

[6]江恩惠，万强，曹永涛.小浪底水库拦沙运用九年后黄河下游防洪形势预测[J].泥沙研究，2010（1）：1-4.