黄河北干流河段桃汛洪水演进特征分析

侯素珍，魏 欢，范冰洁，胡 恬

(1.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2.水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室，河南 郑州 450003；3.山西黄河河务局，山西 运城 044000)

黄河有四汛，即桃汛、伏汛、秋汛、凌汛，分暴雨洪水和冰凌洪水两个类型。在夏季7月—8月形成的暴雨洪水称“伏汛”，是黄河的主汛期；秋季9月—10月一般由华西秋雨形成的暴雨洪水称“秋汛”，伏秋两汛时间相连，合称“伏秋大汛”。在冬季，因河道封冻，河槽大量蓄水，在解冻开河时，河道水流伴有大量冰凌下泄，很容易在弯曲狭窄河段卡冰阻水，壅高水位，威胁堤防安全，称“凌汛”。在3月底、4月初，宁蒙河段解冻开河，河槽蓄水量下泄形成洪水过程，传播到下游正值桃花盛开季节，称“桃汛”。

黄河中游汛期洪水峰高、量大、含沙量高，对相应水沙变化和洪水特性研究较多[1-3]，对桃汛洪水关注较少。宁蒙河道凌汛融冰形成的桃汛洪水，至头道拐站具有较大的洪峰，演进到潼关形成明显的洪水过程，对潼关高程具有一定的冲刷作用[4-6]。在头道拐至潼关河段的洪水演进过程中，受山西河曲段凌汛槽蓄水量、沿程支流入汇、北干流河道冲淤调整，以及天桥水库和万家寨水库运用的影响，洪峰、洪量以及含沙量均发生变化[7]。1998年10月万家寨水库下闸蓄水，初期凌汛期的运用改变了中游桃汛洪水过程，削弱了对潼关高程的冲刷作用[5]。为更好发挥桃汛洪水对潼关高程的冲刷作用，2006年以来开展利用桃汛洪水冲刷降低潼关高程试验(桃汛试验)，在确保黄河内蒙古河段与北干流防凌安全的前提下，通过刘家峡、万家寨、天桥、三门峡水库的调度运用，优化桃汛期潼关水文站水沙过程，实现潼关河床的冲刷，降低潼关高程，兼顾有关枢纽发电排沙运用[8-10]。水库调度对水沙过程的干涉程度直接影响桃汛洪水的沿程变化，洪水演进过程的不同对调水调沙和洪水调度中水沙对接效果产生影响。随着黄河流域高质量发展的推进，调水调沙和洪水调度对水库调控提出更高的要求，深入认识演进过程中水沙变化，可为水库精准调度提供参考依据。

1 研究区域概况

黄河内蒙古托克托县河口镇至陕西潼关河段称黄河北干流，全长716.6 km。内蒙古头道拐到龙门河段位于晋陕峡谷，俗称“大北干流”，支流众多，落差较大，其间有万家寨水库与天桥水库。龙门至潼关河段，俗称“小北干流”，河床宽浅，水流散乱，主流游荡不定，为典型的堆积游荡型河道。头道拐水文站是中上游分界的控制站，也是万家寨水库的入库站；河曲水文站为天桥水库入库站、万家寨水库出库站，府谷水文站为天桥水库出库站；龙门水文站为小北干流的入口站。潼关断面位于黄河和渭河交汇区下游，潼关高程(潼关(六)断面1 000 m3/s流量相应水位)相当于渭河下游侵蚀基准面，是三门峡水库运用的制约因素。区域主要水文站及工程位置见图1。

图1 研究区示意图

天桥水库是一座以径流发电为主、兼有防洪功能的中型水电站，位于河曲与府谷区间的峡谷河段。1975年12月截流，1976年底第一号机组开始发电，1978年7月4台机组全部投产，4台机组的最大泄流量870 m3/s。运用以来库区以淤积为主，开河期降低水位排冰排沙。

万家寨水库位于头道拐水文站与天桥水库之间，下距天桥电站97 km，枢纽工程的主要任务为供水结合发电调峰，并兼有防洪、防凌作用。水库1998年10月投入运用，采用“蓄清排浑”运用方式，水库的防凌调度运用主要以水位控制为主，尽量减少库水位在封河期和开河期对库尾河段冰情的影响，凌汛前降低水位、洪峰期削峰运用。

2 洪水演进过程

以头道拐到潼关区间干流水文站实测资料为依据，分析洪峰和含沙量的沿程变化过程。

2.1 洪峰流量演进过程

内蒙古河段凌汛开河在头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之间，多年(1954年—2020年)平均2 084 m3/s。经过万家寨水库、天桥电站和小北干流河道演进到潼关，洪峰流量有增有减，不同阶段呈不同的调整过程。

桃汛洪水演进过程中，受山西河曲段凌汛槽蓄水量、北干流河道及沿程支流汇入影响，同时受万家寨和天桥水库运用的影响。对比潼关站和头道拐站桃汛洪峰，多数年份沿程增加(见图2)。结合水库投运时间分4个时段，并根据资料完整情况分析不同时段的特征(见表1)。第一阶段为1954年—1977年天然情况，头道拐站洪峰平均为2 095 m3/s，到潼关站除个别年份外均增加，最大增加940 m3/s，年平均增加398 m3/s。第二阶段为1978年—1998年天桥水库运用期，头道拐洪峰平均为2 418 m3/s，至潼关平均增加251 m3/s，但区间各段差异较大。其中头道拐至河曲段洪峰流量有增有减、增大与减小次数基本相当，时段平均增大46 m3/s；河曲至府谷段受天桥水库泄水排沙的影响，洪峰流量以增大者居多，运用初期出库瞬时峰值曾达5 000 m3/s以上，时段平均增大1 206 m3/s达到3 670 m3/s；府谷以下以洪峰衰减者居多，特别是府谷到吴堡之间衰减最快，府谷至潼关站洪峰流量平均减少1 000 m3/s，洪峰流量的衰减主要是出库的峰型尖瘦、演进过程中洪水过程坦化所致。第三阶段为万家寨水库投入运用至桃汛试验前的1999年—2005年，头道拐洪峰流量平均为2 151 m3/s，万家寨水库蓄水削峰减小了桃汛洪峰流量，到潼关站降低22%，平均为1 676 m3/s。其中头道拐到河曲间以减小为主，平均减小357 m3/s，经天桥水库后洪峰增大，到吴堡站平均增值556 m3/s；吴堡到潼关仍为衰减过程，平均减少674 m3/s。第四阶段为开展利用桃汛洪水冲刷降低潼关高程试验后的2006年—2020年，在保证防凌安全的情况下，万家寨水库维持一定水位，涨水过程入库流量达1 000 m3/s以上时，水库进行补水，优化水库蓄泄过程，出库流量按调度指标控制。期间头道拐洪峰平均为1 514 m3/s，头道拐到河曲洪峰流量增大，平均增大593 m3/s；经天桥水库到吴堡站，洪峰平均增加151 m3/s，小于之前时段；吴堡到潼关仍为衰减过程，到潼关洪峰流量平均2 013 m3/s。1954年—2020年多年平均头道拐到潼关站桃汛洪峰流量增大271 m3/s。

总体看，洪峰流量沿程变化受水库运用直接影响，水库下游到潼关峰值基本为衰减过程。

图2 历年头道拐和潼关站洪峰流量过程

表1 不同时期洪峰沿程变化比较

2.2 最大含沙量沿程调整

桃汛期头道拐到潼关站最大含沙量除个别年份外总体沿程增加，区间府谷和河曲站瞬时最大含沙量受不同因素影响有较大变化(见图3)。

由于内蒙古河段开河期冰水输移，头道拐站流量增大，相应含沙量也增大。根据1954年—2020年资料统计，最大瞬时含沙量多在8 kg/m3～20 kg/m3，平均为11.48 kg/m3，高于洪水期多年平均含沙量8.6 kg/m3。

河曲站为天桥水库进库专用站，也是万家寨水库出库站。1978年有系统观测资料至万家寨水库运用前1998年，最大含沙量多在5 kg/m3～18 kg/m3之间，平均为12.4 kg/m3，较头道拐站同期平均值14.4 kg/m3略有减小。万家寨水库投入运用至2020年，受水库调度运用影响河曲最大含沙量平均为20.5 kg/m3，大于相应入库值8.36 kg/m3；年际变幅增大，变化范围在0～90.8 kg/m3，当库水位高时入库泥沙淤积在库区，出库含沙量低至0，降低水位运用时水库排沙[11]，出库含沙量增加大于入库值，如图3中的2005年—2010年。

图3 头道拐-潼关历年沙峰值

府谷为天桥水库出库站，桃汛期最大含沙量取决于水库排沙运用。水库降低水位运用时，最大瞬时含沙量可达100 kg/m3以上，如1988年达228 kg/m3。但受天桥水库库区淤积泥沙量有限影响，高含沙持续时间短、衰减快，到吴堡站一般在40 kg/m3以下，如图4。一般情况下，当府谷沙峰在20 kg/m3以上时沿程衰减，在20 kg/m3以下时到吴堡有不同程度增加。

图4 府谷-吴堡沙峰衰减关系

吴堡经龙门到潼关最大瞬时含沙量变化，各区间有增大也有减小，当吴堡含沙量较大或流量较小时沙峰沿程衰减，反之则沿程增加，从多年平均值看3站均接近21 kg/m3。

总体看，在头道拐到潼关最大含沙量沿程变化中，天桥水库和万家寨水库运用对沙峰值影响较大。出库含沙量大时沿程迅速衰减，出库含沙量小时沿程增加，但增加值有限。2012年后河曲含沙量多数年份极小甚至为0，尽管得到沿程河道补给，潼关站最大含沙量仍然低于头道拐最大含沙量。

3 洪量和沙量变化

根据资料统计，1954年—2020年头道拐桃汛期最大10日洪量平均为9.21亿m3，经历了增大和减少过程(见图5)。其中1967年以前洪量较小，平均为7.20亿m3；青铜峡和刘家峡水库投运后进行防凌运用，增大封河期流量，槽蓄水增量增多，1968年—1992年10日洪量平均为9.29亿m3，1993年—2012年多在10亿m3以上，最大达15.2亿m3，平均为11.46亿m3；2013年后受内蒙古河段应急分凌、海勃湾水利枢纽蓄水等的影响，降低了凌灾风险，减少了开河期头道拐的水量和流量，2014年—2020年10日洪量平均仅6.39亿m3。传播到潼关站，1998年以前10日洪量均为增加，1954年—1998年平均增加3.36亿m3，达12.26亿m3；1999年—2005年受万家寨水库桃汛期蓄水调度的影响，潼关站洪量小于头道拐；2006年后开展桃汛试验期加强了桃汛期万家寨水库的调度，进行补水和优化桃汛洪水过程，桃汛洪量增加，相应潼关洪量大于头道拐，年均增加1.47亿m3。

在洪水传播过程中，由于区间支流入汇和水库运用的影响，洪量变化特点不同，沿程站最大10日洪量关系见图6。可以看出，头道拐到河曲1998年以前有增有减，平均变化不大；1998年—2005年因万家寨水库调蓄河曲站洪量普遍减少，年平均减少3.38亿m3，直接影响潼关洪量；2006年桃汛试验后，除个别小水年外河曲水量以增加为主。河曲到龙门段受支流入汇和天桥水库的影响，除个别年份外洪量总体为增加，年平均增加1.06亿m3，沿时序没有明确的变化趋势。潼关站洪量与龙门站呈正相关，由于区间渭河等支流入汇，洪量以增加为主，年平均增加0.783亿m3。

图5 头道拐和潼关站10日洪量历年变化

在洪水传播过程中，由于粗泥沙落淤以及区间干支流河床泥沙补给，沙量沿程发生变化。根据桃汛期相应最大10日洪量的沙量统计分析，头道拐站多年平均(1954年—2020年)为0.051亿t，2014年后较之前减少69%；潼关站平均为0.154亿t，2000年后呈减少趋势，特别是2014年水量减少后沙量更少，年均仅0.022亿t，较之前减少86%；与头道拐相比，2009年后潼关沙量变化很小，平均含沙量也与头道拐相近。从沿程变化看(见图6)，头道拐到河曲，除个别年份受万家寨水库调度排沙影响外洪水期沙量多为减少；河曲到龙门沙量变化大，除了河床补给，主要受天桥水库排沙运用的影响沙量增幅大，其中有两年减少主要是万家寨水库排沙集中而发生沿程衰减；龙门到潼关经过132 km的游荡性河段沙量普遍增加，同时两站沙量趋势关系较好，具有多来多排的变化特点，以幂函数表示相关系数R达0.96。

从洪水期平均含沙量看，天桥水库运用以来府谷站平均为8.21 kg/m3，到龙门增加1.84 kg/m3，龙门到潼关增加1.98 kg/m3，潼关站含沙量为12.03 kg/m3。2009年后没有明显变化。

从这些资料可知，虽然万家寨水库或者天桥水库出库瞬时含沙量较大，但传播至潼关的含沙量并不大，如1988年府谷站最大瞬时含沙量达226 kg/m3，传播至潼关站最大含沙量只有36.7 kg/m3。同时桃汛期库区冲刷量有限，府谷以下输沙量和含沙量均沿程增加，因此水库排沙对小北干流和潼关河段冲刷影响甚微。

图6 头道拐到潼关站洪量和沙量变化

4 潼关高程变化

桃汛洪水演进到潼关断面，对潼关高程具有一定冲刷作用。三门峡水库1974年蓄清排浑运用以来至万家寨水库运用前，桃汛洪水期当三门峡坝前水位低于320 m时潼关高程一般表现为冲刷，流量越大、坝前水位越低，潼关高程冲刷下降值越大[4]，当坝前水位低于316 m后洪峰流量大于1 500 m3/s即发生冲刷。1986年—1998年潼关站桃汛洪峰平均值2 670 m3/s，期间坝前最低水位平均值317.6 m，潼关高程平均下降0.18 m；1999年—2005年，桃汛洪峰平均值1 680 m3/s，坝前最低水位平均值315.4 m，潼关高程平均下降0.03 m，可见，洪峰流量减小直接影响潼关高程的冲刷下降。2006年开始万家寨水库根据“桃汛试验”方案进行补水调度，其中2006年—2012年潼关洪峰平均值为2 537 m3/s，坝前最低水位平均值312.7 m，潼关高程平均下降0.11 m；之后，受开河期头道拐洪量减小和万家寨水库补水能力降低的影响[12-16]，潼关洪峰在1 800 m3/s以下，洪量减小，潼关高程有冲有淤，平均基本平衡。

可见，优化桃汛洪水期万家寨水库的调度，增大桃汛洪峰对潼关高程的冲刷作用，对控制潼关高程抬升具有重要作用。

5 结 论

(1) 头道拐桃汛洪峰多年平均为2 084 m3/s，经过北干流河道到潼关多为增加，天然情况下增值较大，天桥和万家寨水库运用后增值减小或为负值，2006年桃汛试验后洪峰增值增加。区间府谷以上受水库运用的影响，瞬时洪峰增值很大，沿程至潼关均为衰减过程。最大含沙量的变化受水库排沙运用的影响更大，当出库站含沙量超过40 kg/m3快速衰减，小于20 kg/m3时沿程增加的几率较高。

(2) 洪量和沙量总体呈沿程增加趋势，最大含沙量减小但平均含沙量增加，其中潼关与龙门站沙量具有很好的关系，经过小北干流河段具有多来多排的特点。

(3) 天桥水库排沙运用可能造成比较高的瞬时含沙量，但从府谷到吴堡含沙量衰减很快，水库下游洪水期沙量总体为沿程增加。万家寨水库运用初期，头道拐到潼关洪峰衰减、洪量减少，不利于潼关高程的冲刷。

(4) 桃汛洪水对控制潼关高程抬升具有重要作用。建议桃汛期万家寨水库的调度继续保持一定的出库流量指标，到潼关站能维持在2 000 m3/s以上，发挥桃汛洪水对河道的有利作用；同时洪水期水库可以进行适当排沙，不会对龙门以下河段冲淤产生明显影响。