黃河中下游設(shè)計(jì)洪水成果修訂及其影響研究

李保國(guó)，宋偉華，畢黎明，劉紅珍，慕 平

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州450003）

目前黃河中下游設(shè)計(jì)洪水成果為1976年原水電部審定成果，在以往工作中雖經(jīng)過(guò)多次復(fù)核，但結(jié)論仍是維持原成果不變[1]。近年來(lái)受水利工程建設(shè)、人類(lèi)活動(dòng)及極端水文事件頻發(fā)等影響，黃河流域的水文情勢(shì)發(fā)生了很大變化，而原成果中的水文系列僅到1969年，不能很好地反映近期流域水文特征。為分析和掌握黃河中下游水文情勢(shì)變化規(guī)律，適應(yīng)防洪、減淤等工程建設(shè)、調(diào)度運(yùn)行及管理工作要求，開(kāi)展設(shè)計(jì)洪水成果修訂工作并分析其帶來(lái)的影響，就顯得非常必要。

1 修訂主要工作

以黃河中下游為研究對(duì)象，涉及的水文站及區(qū)間包括三門(mén)峽站、花園口站和三花間（三門(mén)峽—花園口區(qū)間），在1998年《黃河流域防洪規(guī)劃》和2008年《黃河流域綜合規(guī)劃》等各站設(shè)計(jì)洪水復(fù)核成果的基礎(chǔ)上，綜合考慮人類(lèi)活動(dòng)影響、下墊面等變化對(duì)資料系列的影響，進(jìn)行洪水系列的還原和統(tǒng)計(jì)，將資料系列延長(zhǎng)至2010年，研究提出以上各站及區(qū)間設(shè)計(jì)洪水修訂成果。

1.1 洪水系列的一致性處理

按照《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》[2]規(guī)定，當(dāng)流域內(nèi)因各類(lèi)因素影響了洪水系列的一致性時(shí)，應(yīng)將系列統(tǒng)一到同一基礎(chǔ)。修訂時(shí)首先對(duì)影響洪水系列一致性的各種因素進(jìn)行了逐項(xiàng)識(shí)別，認(rèn)為干支流大型水庫(kù)調(diào)蓄是影響洪水系列一致性的主要因素；中游主要產(chǎn)洪區(qū)間水利水保措施對(duì)洪水系列一致性有一定影響，主要對(duì)象是河龍區(qū)間（河口鎮(zhèn)—龍門(mén)區(qū)間）6 000 m3/s以下流量級(jí)洪水；伊洛河夾灘地區(qū)、沁河南岸自然滯洪區(qū)堤防決溢和三門(mén)峽水庫(kù)蓄水對(duì)龍潼段（龍門(mén)—潼關(guān)河段）河道淤積等因素對(duì)個(gè)別大洪水年份有影響。寧蒙河段引水，龍三間（龍門(mén)—三門(mén)峽區(qū)間）、三花間水利水保措施對(duì)中游洪水系列一致性影響程度不明顯，不進(jìn)行一致性處理。

對(duì)于水庫(kù)工程調(diào)蓄影響，以工程投入使用時(shí)間為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一致性處理，根據(jù)水量平衡原理，采用還原逐日平均流量或洪水過(guò)程的方法[3]，將洪水系列還原到無(wú)大型水庫(kù)影響時(shí)的狀態(tài)；對(duì)于中游水利水保措施影響，20世紀(jì)70年代是水利水保措施大規(guī)模建設(shè)時(shí)期[4]，經(jīng)分析該時(shí)期以后徑流系數(shù)較以往減小20%～40%，因此以1970年作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)河龍間流量6 000 m3/s以下的洪水進(jìn)行一致性處理，處理的標(biāo)準(zhǔn)為在原流量基礎(chǔ)上還原或還現(xiàn)20%；對(duì)個(gè)別年份的堤防決溢及河道淤積影響進(jìn)行一致性處理，處理的方法為水量平衡法或上下游相關(guān)關(guān)系法。按上述方法對(duì)洪水系列逐年進(jìn)行一致性處理后，對(duì)于1950—2010年系列，三門(mén)峽站洪峰均值較實(shí)測(cè)增大6%、洪量增大16%；花園口站洪峰均值較實(shí)測(cè)增大14%，洪量增大16%～24%[5]，一致性處理前后系列比較見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 三門(mén)峽站洪峰、洪量實(shí)測(cè)、還原系列比較

1.2 洪水系列的代表性分析

洪水系列的插補(bǔ)延長(zhǎng)以及調(diào)查歷史洪水、考證歷史文獻(xiàn)是提高系列代表性的重要手段。本次修訂通過(guò)對(duì)洪水系列進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)，中游站和區(qū)間系列長(zhǎng)度至少達(dá)到74 a；各站及區(qū)間洪水系列都加入了稀遇的歷史調(diào)查洪水參與頻率分析計(jì)算，對(duì)統(tǒng)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)值的相對(duì)穩(wěn)定能起到很好的控制作用；修訂采用的洪水系列均包含了大洪水期、小洪水期及接近于正常洪水的周期過(guò)程；最后還利用清代青銅峽及陜縣的志樁資料對(duì)系列代表性進(jìn)行了分析?？傮w來(lái)看，修訂采用的各站及區(qū)間洪水系列均具有較好的代表性。

圖2 花園口站洪峰、洪量實(shí)測(cè)、還原系列比較

1.3 歷史洪水復(fù)核

修訂采用的歷史洪水，三門(mén)峽站為1843年洪水，三花間為1761年洪水，花園口站為1843年+1761年洪水，兩場(chǎng)歷史洪水以往均進(jìn)行過(guò)多次復(fù)核，本次修訂按資料系列截止到2010年，并參考?xì)v史洪水調(diào)查資料及綜合分析，對(duì)歷史洪水重現(xiàn)期進(jìn)行了進(jìn)一步復(fù)核確認(rèn)。1761年洪水在小浪底水庫(kù)初步設(shè)計(jì)階段考證為1553年以來(lái)的最大洪水，其重現(xiàn)期截至2010年為458 a；1843年洪水在三門(mén)峽—小浪底河段的重現(xiàn)期為1 000 a，在花園口斷面的重現(xiàn)期是否為1 000 a尚無(wú)法定論，因此修訂中重現(xiàn)期按458～1 000 a考慮。

1.4 頻率計(jì)算及成果合理性分析

對(duì)于各站及區(qū)間頻率分析成果，從統(tǒng)計(jì)參數(shù)的時(shí)空變化、相應(yīng)時(shí)段洪量檢查、與以往成果比較等方面進(jìn)行了合理性分析。總體來(lái)看，根據(jù)2000年以來(lái)流域降水徑流情況，延長(zhǎng)洪水系列基本為偏枯資料，成果值減小，變化趨勢(shì)基本合理；經(jīng)上下游站點(diǎn)成果對(duì)比，相互協(xié)調(diào)，各站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的變化情況符合本地區(qū)自然地理和雨洪特性；與以往歷次成果相比穩(wěn)定性較好，成果合理。

2 成果的推薦與使用

2.1 修訂成果與原成果比較

（1）三門(mén)峽站。本次計(jì)算的三門(mén)峽站設(shè)計(jì)成果與1976年審定成果的比較見(jiàn)表1，由表1可見(jiàn)，修訂成果與原成果相比，均值及各頻率設(shè)計(jì)值均有所減小。從減小的百分比看，洪峰流量減小14.9%～16.0%，洪量減小7.6%～10.1%。洪峰流量減小的原因，一方面是1843年洪水重現(xiàn)期由原來(lái)的215 a延長(zhǎng)至1 000 a，另一方面是延長(zhǎng)的洪水多為中小洪水，因而使均值減??；洪量減小的原因主要是洪水系列延長(zhǎng)后均值減小。總之，成果具有一定的穩(wěn)定性。

表1 黃河三門(mén)峽站天然設(shè)計(jì)洪水成果比較

（2）花園口站、三花間。1976年審定的花園口站、三花間設(shè)計(jì)洪水，認(rèn)為大水年伊洛河夾灘和沁南地區(qū)堤防決溢屬于自然因素，未對(duì)其影響進(jìn)行還原。本次修訂根據(jù)最新設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范中“洪水系列受分洪、滯洪、堤防潰決、水庫(kù)或湖泊潰壩等影響時(shí)，應(yīng)予以還原”的要求，對(duì)堤防決溢后的滯洪影響進(jìn)行了還原。根據(jù)以往習(xí)慣，稱(chēng)未還原自然滯洪作用的設(shè)計(jì)洪水為“無(wú)庫(kù)天然設(shè)計(jì)洪水”，還原了自然滯洪作用的設(shè)計(jì)洪水為“無(wú)庫(kù)不決堤設(shè)計(jì)洪水”（類(lèi)似于規(guī)范條文說(shuō)明中的“歸槽洪水”）。

修訂成果與1976年審定成果對(duì)伊洛河夾灘和沁南滯洪區(qū)自然決溢影響的處理方式不同，二者不能直接比較，因此對(duì)修訂的花園口站、三花間無(wú)庫(kù)不決堤洪水進(jìn)行伊洛河夾灘和沁南滯洪區(qū)自然決溢影響模擬計(jì)算，得到滯洪后的無(wú)庫(kù)天然洪水（與原成果條件相同），花園口站兩個(gè)成果的比較見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，修訂成果洪峰設(shè)計(jì)值減小9.0%～9.3%，洪量設(shè)計(jì)值減小5.8%～8.0%，減小的原因與三門(mén)峽站相同。

表2 黃河花園口站無(wú)庫(kù)天然設(shè)計(jì)洪水成果比較

2.2 成果推薦

黃河中下游設(shè)計(jì)洪水成果自1976年審定以來(lái)，經(jīng)過(guò)了多次復(fù)核計(jì)算，每次復(fù)核均是在對(duì)以往工作經(jīng)驗(yàn)提煉總結(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，成果經(jīng)歷了一個(gè)系列由短到長(zhǎng)、資料由粗到精（舍棄了通過(guò)插補(bǔ)得到的系列）、計(jì)算方法逐步完善的過(guò)程。成果的主要變化如下：

（1）歷史洪水重現(xiàn)期的變化。對(duì)于1843年歷史洪水的重現(xiàn)期，在1976年審定成果中按1765年清政府在萬(wàn)錦灘設(shè)水尺志樁以來(lái)最大洪水計(jì)，重現(xiàn)期定為215 a。在小浪底水庫(kù)初步設(shè)計(jì)階段，通過(guò)水文考古等途徑考證其洪峰流量至少是1 000 a以來(lái)的最大值[6]，在1980年以后的歷次復(fù)核計(jì)算中，1843年洪水在三門(mén)峽—小浪底河段的重現(xiàn)期均采用1 000 a。

（2）對(duì)伊洛河夾灘及沁南地區(qū)堤防決溢的處理方法不同。1976年審定成果對(duì)夾灘堤防決溢未進(jìn)行還原，本次修訂在1999年完成的《黃河小花間頻率洪水分析報(bào)告》（小花間指小浪底—花園口區(qū)間）成果基礎(chǔ)上，提出了無(wú)庫(kù)不決堤設(shè)計(jì)洪水，對(duì)伊洛河夾灘及沁南地區(qū)堤防決溢進(jìn)行還原，計(jì)算成果物理概念清晰，保證了資料系列的一致性，符合最新規(guī)范要求。

（3）資料系列延長(zhǎng)，精度提高。1976年審定成果中花園口洪峰資料系列共39 a（截至1969年），實(shí)測(cè)資料僅13 a，其余通過(guò)插補(bǔ)計(jì)算得出。在小浪底水庫(kù)初步設(shè)計(jì)階段，在延長(zhǎng)資料系列的基礎(chǔ)上，舍去了1933年以前精度較差的插補(bǔ)資料，以后歷次復(fù)核計(jì)算均在此基礎(chǔ)上進(jìn)行資料延長(zhǎng)。截至本次修訂，延長(zhǎng)后的資料系列長(zhǎng)度至少達(dá)到74 a。

此外，從成果協(xié)調(diào)性來(lái)看，修訂的無(wú)庫(kù)不決堤洪水經(jīng)伊洛河夾灘、沁南地區(qū)模擬滯洪后得到的無(wú)庫(kù)天然洪水與1976年成果相比，洪峰設(shè)計(jì)值減小9.0%～9.3%，洪量設(shè)計(jì)值減小5.8%～8.0%，差別不大，成果較穩(wěn)定。

因此，從成果的變化過(guò)程及變化影響綜合分析，推薦采用本次修訂的三門(mén)峽、花園口、三花間設(shè)計(jì)洪水成果。

2.3 成果使用

三門(mén)峽站設(shè)計(jì)洪水成果的使用條件與以往相同。花園口站、三花間無(wú)庫(kù)不決堤設(shè)計(jì)洪水的使用不同于以往的無(wú)庫(kù)天然設(shè)計(jì)洪水，在計(jì)算黃河下游花園口等站中游水庫(kù)工程作用后的洪水時(shí)，首先根據(jù)計(jì)算的無(wú)庫(kù)不決堤設(shè)計(jì)洪水成果放大設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線，再根據(jù)三門(mén)峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村水庫(kù)運(yùn)用方式以及伊洛河夾灘、沁南地區(qū)堤防實(shí)際情況，同時(shí)考慮中游水庫(kù)群作用和伊洛河夾灘、沁南地區(qū)堤防是否決溢的情況，通過(guò)模擬計(jì)算得到水庫(kù)群和伊洛河夾灘、沁南地區(qū)堤防影響后的設(shè)計(jì)洪水成果，用于黃河下游及支流伊洛河、沁河防洪分析等工作。

3 成果修訂對(duì)下游治理的影響

設(shè)計(jì)洪水成果變化后，防洪工程體系的運(yùn)用方式也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，因牽涉問(wèn)題較多，故本文暫按各工程目前采用的運(yùn)用方式，對(duì)各量級(jí)洪水進(jìn)行三門(mén)峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村等水庫(kù)的聯(lián)合防洪調(diào)節(jié)計(jì)算，分析設(shè)計(jì)洪水成果變化對(duì)黃河下游治理的影響。

3.1 對(duì)下游防洪的影響

根據(jù)調(diào)算結(jié)果定量分析，采用修訂的設(shè)計(jì)洪水成果后，各量級(jí)洪水三門(mén)峽、小浪底、故縣、陸渾、河口村水庫(kù)的最高蓄洪水位均不同程度降低。黃河下游花園口站、孫口站洪峰和超萬(wàn)洪量均有所減小，見(jiàn)表3。20 a一遇～100 a一遇洪水，花園口站洪峰流量減小約7%；1 000 a一遇洪水花園口站洪峰流量及超萬(wàn)洪量減小6%～8%。從定性來(lái)看，設(shè)計(jì)洪峰流量減小，若下游堤防設(shè)防流量不變，則防洪標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)提高；設(shè)計(jì)洪量減小，若水庫(kù)原設(shè)計(jì)的防洪庫(kù)容不變，則防洪標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)提高，下游蓄滯洪區(qū)分洪的概率將會(huì)減小。總體來(lái)看，采用修訂的設(shè)計(jì)洪水成果對(duì)黃河下游防洪是有利的。

表3 黃河花園口站、孫口站洪峰及超萬(wàn)洪量比較

3.2 對(duì)下游灘區(qū)治理及安全建設(shè)規(guī)劃的影響

《黃河下游灘區(qū)綜合治理規(guī)劃》在寬河固堤背景下提出了逐步破除生產(chǎn)堤、低標(biāo)準(zhǔn)堤防、分區(qū)運(yùn)用等3種方案，經(jīng)過(guò)研究推薦采用逐步破除生產(chǎn)堤方案。采用修訂成果對(duì)洪水進(jìn)行調(diào)算后，20 a一遇及其以下洪水量級(jí)減小，對(duì)規(guī)劃提出的各方案基本無(wú)影響，不影響規(guī)劃結(jié)論。

當(dāng)前黃河下游灘區(qū)安全建設(shè)規(guī)劃主要采用20 a一遇洪水，采用修訂成果對(duì)洪水進(jìn)行調(diào)算后，孫口以上河段各斷面設(shè)計(jì)流量值較原成果減小290～1 600 m3/s，相應(yīng)水位降低0.02～0.15 m，灘區(qū)不同淹沒(méi)水深分布人口略有變化。定性來(lái)看，采用修訂設(shè)計(jì)洪水成果后，洪水量級(jí)減小，相應(yīng)水位降低，對(duì)灘區(qū)安全建設(shè)規(guī)劃將產(chǎn)生積極影響，由于牽涉因素較多，因此具體影響還需進(jìn)一步分析。

3.3 對(duì)現(xiàn)有調(diào)度方案的影響

目前黃河下游防洪調(diào)度主要依據(jù)2015年國(guó)家防總批復(fù)的《黃河洪水調(diào)度方案》[7]，以及每年黃河防總批復(fù)的年度“黃河中下游洪水調(diào)度方案”，這些方案中的設(shè)計(jì)洪水成果均為1976年審定成果。若采用修訂成果，則原方案中的工程防洪庫(kù)容、控制水位和蓄滯洪區(qū)分洪等指標(biāo)不一定能與工程及防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，因此需開(kāi)展基于新設(shè)計(jì)洪水成果的黃河下游防洪工程體系運(yùn)用研究，提出與修訂成果相協(xié)調(diào)的防洪運(yùn)用指標(biāo)和方式，并對(duì)上述各方案進(jìn)行相應(yīng)修訂。

4 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)洪水成果修訂中影響中下游各站及區(qū)間洪水系列一致性的主要因素為龍羊峽、劉家峽、三門(mén)峽、小浪底、陸渾、故縣等大型水庫(kù)調(diào)蓄以及個(gè)別年份伊洛河夾灘、沁河南岸自然滯洪區(qū)堤防決溢的影響，中游水利水保措施對(duì)河龍區(qū)間6 000 m3/s流量以下洪水有一定影響。經(jīng)洪水資料一致性處理后，對(duì)于1950—2010年系列，三門(mén)峽站洪峰均值較實(shí)測(cè)增大6%、洪量增加16%；花園口站洪峰均值較實(shí)測(cè)增大14%，洪量增大16%～24%。

（2）修訂成果與原成果相比，計(jì)算條件的差別主要為歷史洪水重現(xiàn)期的變化，對(duì)伊洛河夾灘及沁南地區(qū)決溢的處理方法不同以及資料系列延長(zhǎng)、精度提高。修訂的三門(mén)峽站設(shè)計(jì)值較原成果減小14.9%～16.0%，花園口站、三花間設(shè)計(jì)值較原成果減小10%以?xún)?nèi)。

（3）采用修訂的設(shè)計(jì)洪水成果，不同量級(jí)洪水各防洪水庫(kù)的蓄洪水位有所降低，花園口、孫口等站的洪峰流量和超萬(wàn)洪量均有所減小，蓄滯洪區(qū)分洪概率將減小，灘區(qū)治理及安全建設(shè)規(guī)劃有關(guān)設(shè)計(jì)洪水水位有所降低，相關(guān)的防洪調(diào)度方式需進(jìn)一步研究，防洪調(diào)度方案也需要進(jìn)行修訂。