黃河下游排洪河槽寬度分析

張林忠 夏修杰 萬強(qiáng)

摘 要：黃河下游的河道整治以防洪為主要目的，修建的河道整治工程除能控導(dǎo)中常洪水和一般流量下的河勢(shì)、有利于防洪工程安全外，還必須保證在大洪水及超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)過流通暢，具有足夠的過洪能力。排洪河槽寬度是按規(guī)劃治導(dǎo)線布置整治工程時(shí)的一個(gè)控制指標(biāo)。在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，通過分析水文斷面及河段內(nèi)的排洪河槽寬度，并結(jié)合黃河下游實(shí)測(cè)過洪能力，綜合分析確定黃河下游排洪河槽寬度。研究認(rèn)為，主槽宣泄80%的洪水所需要的排洪河槽寬度分別為鐵謝至伊洛河口、高村至國(guó)那里河段不小于1 600 m，伊洛河口至高村河段不小于2 000 m。

關(guān)鍵詞：過洪能力;防洪標(biāo)準(zhǔn);排洪河槽寬度;黃河下游

中圖分類號(hào)：TV85;TV882.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.005

Abstract：The river training in the lower reaches of the Yellow River takes flood control as its main purpose， therefore， in addition to being able to control the river potential under frequent flood and general flow and the safety of flood control projects， the river training projects must also ensure smooth flow during major floods and ultra-standard floods， and have sufficient capacity for over-flood. The width of flood discharge channel is a control index in the layout and regulation project of the planned treatment wire. On the basis of summing up the existing research results， the river channel width of flood discharge in the lower reaches of the Yellow River was determined by analyzing the hydrological section and the width of flood discharge channel in the river section combining with the measured flood capacity in the lower reaches of the Yellow River. The study concludes that the minimum width required for the main channel to discharge 80% of the flood is that the width of channel from Tiexie to the river mouth of Yiluo and Gaocun to Guonali section is not less than 1 600 m and the channel width from the river mouth of Yiluo to Gaocun section is not less than 2 000 m.

Key words： ability to flood; the flood control standard; width of flood channel; the lower reaches of the Yellow River

1 排洪河槽寬度確定原則

1.1 已有研究成果

黃河下游的河道整治應(yīng)以防洪為主要目的，因此修建的河道整治工程除能控導(dǎo)中常洪水和一般流量下的河勢(shì)、有利于防洪工程安全外，還必須保證在大洪水及超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)過流通暢，具有足夠的過洪能力。在河道整治初期多從控制河勢(shì)考慮，20世紀(jì)70年代初期已注意到排洪河槽寬度問題，20世紀(jì)90年代對(duì)排洪河槽寬度進(jìn)行了較為全面的研究。

排洪河槽寬度定義如下：按照規(guī)劃進(jìn)行河道整治后，一處河道整治工程的末端至上彎整治工程末端與下彎整治工程首端連線的距離，稱為該處河道整治工程的排洪河槽寬度B，如圖1所示。

胡一三[1]用實(shí)測(cè)流量大于10 000 m3/s情況下的平均單寬流量來確定排洪河槽寬度?，F(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)，花園口站為22 000 m3/s，夾河灘站為21 500 m3/s，高村站為20 000 m3/s，這3個(gè)站的平均單寬流量分別為花園口站9.21 m2/s、夾河灘站9.40 m2/s、高村站11.57 m2/s（見表1）。由此計(jì)算3個(gè)水文站斷面的最小排洪河槽寬度分別為花園口2 390 m、夾河灘2 290 m、高村1 730 m。另外，考慮到超標(biāo)準(zhǔn)洪水、河道游蕩特性和水文斷面的代表性差，計(jì)算的排洪河槽寬度可能偏小，認(rèn)為黃河下游寬河段的排洪河槽寬度應(yīng)不小于2 500 m。

式中：B為排洪河槽寬度;K為河相系數(shù);Q為流量;J為水面比降;n為主槽糙率。

根據(jù)多年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，花園口斷面K選19，J取0.000 2，n取0.01，高村斷面K選12，J取0.000 14，n取0.01，花園口站Q為22 000 m3/s，高村站Q為20 000 m3/s。將上述數(shù)據(jù)代入式（1），計(jì)算出這兩個(gè)水文站斷面的最小排洪河槽寬度：花園口2 810 m、高村1 940 m。

1.2 排洪河槽寬度確定原則

黃河下游河道是排洪的通道，主槽則是排洪的主要通道，實(shí)測(cè)大洪水及特大洪水主槽最大排洪能力為60%～80%。另外，黃河下游主槽的排洪能力與主槽平灘流量有關(guān)，主槽平灘流量大則主槽的排洪能力大，主槽平灘流量小則主槽的排洪能力小。因此，黃河下游排洪河槽寬度的確定應(yīng)遵循以下原則。

（1）排洪河槽寬度是主槽通過堤防設(shè)防流量的60%～80%時(shí)對(duì)應(yīng)的主槽寬度。

（2）排洪河槽寬度是主槽平灘流量較大（6 000～8 000 m3/s）時(shí)對(duì)應(yīng)的主槽寬度。

（3）排洪河槽寬度是主槽宣泄設(shè)防流量的60%～80%時(shí)對(duì)應(yīng)的最小排洪河槽寬度。

2 水文斷面排洪河槽寬度分析

2.1 近期洪水預(yù)演模型試驗(yàn)排洪河槽寬度分析

黃河水利科學(xué)研究院分別于2016年、2017年汛前，在小浪底至陶城鋪河道模型上開展了黃河下游洪水預(yù)演模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)洪水演進(jìn)至花園口站的最大洪峰流量分別為22 600 m3/s和15 487 m3/s。2016年洪水預(yù)演試驗(yàn)?zāi)Ｐ统跏嫉匦尾捎?015年汛后地形，同時(shí)根據(jù)最新的衛(wèi)星地圖模擬了河道整治工程、橋梁、生產(chǎn)堤、渠堤、村莊、村臺(tái)、片林等。2017年洪水預(yù)演試驗(yàn)?zāi)Ｐ统跏嫉匦尾捎?016年汛后地形，同時(shí)模擬了大堤范圍內(nèi)的細(xì)部地形。

根據(jù)模型試驗(yàn)中花園口、夾河灘和高村3個(gè)水文站的過流情況，分析統(tǒng)計(jì)了河寬分別在1 000、1 300、1 600、2 000 m范圍內(nèi)的洪水過流比（見表2）。從表2中可以看出，兩次洪水預(yù)演模型試驗(yàn)同樣宣泄設(shè)計(jì)流量的80%以上洪水，花園口斷面主槽寬度需要1 600 m以上，夾河灘斷面主槽寬度需要1 300 m以上，高村斷面主槽寬度需要1 000 m以上。

2.2 主槽平均流速法計(jì)算的排洪河槽寬度

用實(shí)測(cè)流量大于10 000 m3/s情況下的主槽平均流速來確定排洪河槽寬度。水位采用2018年過洪能力分析確定的設(shè)防水位，地形采用2017年汛后地形。根據(jù)2018年過洪能力分析的成果，4個(gè)重要水文站的設(shè)防流量及水位見表3。

根據(jù)黃河水利科學(xué)研究院“黃河下游近年河道沖淤變化及1997年排洪能力分析研究”的成果[3]，黃河下游各測(cè)站主槽平均流速與主槽流量的相關(guān)關(guān)系較好，如圖2～圖5所示，可以得到設(shè)防流量下對(duì)應(yīng)的四站測(cè)流斷面主槽平均流速，見表4。

結(jié)合2017年汛后四站地形斷面測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)及2018年的設(shè)防流量水位預(yù)估情況，得到不同排洪河槽寬度的過洪流量以及該過洪流量占設(shè)防流量的百分比，見表5?？梢钥闯?，同樣宣泄設(shè)防流量的80%以上洪水，花園口、高村斷面主槽寬度需要1 600 m以上，夾河灘、孫口斷面主槽寬度需要1 300 m以上。

2.3 大洪水期間實(shí)測(cè)的主河槽寬度

表6～表7為實(shí)測(cè)花園口和高村斷面漫灘洪水水力因子統(tǒng)計(jì)，可以看出，同樣宣泄80%以上的洪水，花園口斷面主槽的最大寬度為1 470 m，高村斷面主槽最大寬度為1 166 m。

3 河段內(nèi)排洪河槽寬度分析

黃河下游河道斷面多呈復(fù)式斷面形態(tài)，其不同部位的排洪能力存在很大差異。洪水期主槽是排洪的主要通道，一般高村以上主槽排洪能力占80%以上，高村至孫口段占60%以上。因此，平灘流量是反映河道主槽排洪能力的重要指標(biāo)。20世紀(jì)50年代初到60年代初期（1963年以前），黃河下游來水較豐，花園口1950—1963年年平均徑流量為464億m3，且年際間變化不大，花園口、高村、艾山、利津4個(gè)站的平灘流量變化也不大，基本上在7 000～8 000 m3/s之間變化[4];60年代中期（1964—1968年）， 黃河下游來水偏豐，花園口1964—1968年年平均徑流量達(dá)598億m3，4個(gè)站的平灘流量增大到8 000～9 000 m3/s;1969年以后，下游來水量比前期明顯減少，花園口1969—1974年年平均徑流量為326億m3，4個(gè)站的平灘流量快速減小，到1974年左右，平灘流量減小到4 000～5 000 m3/s;1975—1976年，下游來水再次偏豐，花園口1975—1976年年平均徑流量為540億m3，4個(gè)站平灘流量恢復(fù)到6 000～7 000 m3/s;1976年以后，下游來水量有所減少，花園口1976—1980年年平均徑流量為464億m3，4個(gè)站平灘流量也有所減小，到1980年減小到4 000～5 000 m3/s;1980年以后，連續(xù)出現(xiàn)幾個(gè)豐水年，花園口1981—1985年年平均徑流量為507億m3，平灘流量又有所恢復(fù)，到1985年平灘流量恢復(fù)到6 000～7 000 m3/s;1986年以后，下游遭遇近20 a的枯水序列，花園口1986—2000年年平均徑流量?jī)H為269億m3，平灘流量持續(xù)減小，到2000年前后已減小到2 200～2 800 m3/s（見圖6）。2002年以來，小浪底水庫(kù)連續(xù)14 a開展調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)，下游河道平灘流量又有一定回升，2017 年底恢復(fù)到4 200～7 200 m3/s（見表8）。

由以上分析可知，20世紀(jì)50年代初到60年代初期、20世紀(jì)70年代中期、1981—1985年以及2015—2017年期間，黃河下游（高村以上河段）河道的平灘流量較大，平均在6 000 m3/s以上，該時(shí)期主槽的排洪能力也較大，一般占60%～80%（見表9）。因此，統(tǒng)計(jì)該時(shí)期黃河下游河段的主槽平均寬度，可以反映河段的排洪河槽寬度，即主槽宣泄60%～80%的洪水所需要的最小排洪河槽寬度。表10統(tǒng)計(jì)了該時(shí)期幾個(gè)典型年黃河下游各河段平灘水位下的主槽寬度，可以看出，主槽宣泄60%～80%的洪水所需要的最小排洪河槽寬度分別為花園口以上1 700 m、花園口至夾河灘1 600 m、夾河灘至高村1 500 m、高村至孫口900 m。

4 排洪河槽寬度綜合分析

黃河下游河道是洪水的通道，而主槽是洪水的主要通道，洪水期主槽的最大過流量一般可達(dá)全斷面的60%～80%。胡一三、王普慶、江恩惠等計(jì)算排洪河槽寬度時(shí)，是按排洪河槽寬度范圍內(nèi)通過全部設(shè)防流量考慮，若按通過80%考慮，則胡一三計(jì)算的3個(gè)水文站斷面的最小排洪河槽寬度分別為花園口1 910 m、夾河灘1 830 m、高村1 380 m;王普慶、江恩惠計(jì)算的兩個(gè)水文站斷面的最小排洪河槽寬度分別為花園口2 490 m、高村1 720 m。另外，胡一三、王普慶、江恩惠等計(jì)算排洪河槽寬度時(shí)，確定參數(shù)所選用的序列較長(zhǎng)，不能反映設(shè)防流量等特大洪水特性，若按表6、表7中所統(tǒng)計(jì)的特大洪水（不含“96·8洪水”）有關(guān)參數(shù)來計(jì)算，花園口、高村主槽平均單寬流量分別為11.3、13.8 m2/s，花園口、高村主槽平均河相系數(shù)分別為10.4和6.5，則胡一三計(jì)算的兩個(gè)水文站斷面的最小排洪河槽寬度為花園口1 560 m、高村1 160 m，王普慶、江恩惠計(jì)算的兩個(gè)水文站斷面的最小排洪河槽寬度為花園口1 440 m、高村980 m。

綜合以上分析認(rèn)為，主槽宣泄80%的洪水所需要的最小排洪河槽寬度分別為花園口以上1 700 m、花園口至高村1 600 m、高村至孫口1 300 m。另外，考慮到超標(biāo)準(zhǔn)洪水、河道游蕩特性，計(jì)算的排洪河槽寬度可能偏小，認(rèn)為鐵謝至伊洛河口、高村至國(guó)那里河段的排洪河槽寬度應(yīng)不小于1 600 m，伊洛河口至高村河段的排洪河槽寬度應(yīng)不小于2 000 m。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡一三.河道整治中的排洪河槽寬度[J].人民黃河，1998，20（3）：12，21.

[2] 王普慶，黃鴻海，江恩惠.游蕩性河道排洪寬度的選定[C]//周連第，邵維文，戴世強(qiáng).第十二屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集.北京：海洋出版社，1998：430-435.

[3] 曲少軍，申冠卿，韓巧蘭，等.黃河下游近年河道沖淤變化及1997年排洪能力分析研究[R].鄭州：黃河水利科學(xué)研究院，1997：43-46.

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【責(zé)任編輯 許立新】