2018 年黃河上游洪水及寧蒙河道響應(yīng)特征研究

鄭艷爽，張曉華，豐 青，尚紅霞

（1.黃河水利委員會(huì) 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.黃河水利委員會(huì) 黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展研究中心，河南 鄭州 450003）

2018 年汛期（7—10 月），黃河上游暴雨頻繁，出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降雨過(guò)程，強(qiáng)降雨落區(qū)重疊度高、降雨量較大，主要集中在龍羊峽—?jiǎng)⒓覎{區(qū)間、劉家峽—蘭州區(qū)間、蘭州—托克托之間［1］。 受強(qiáng)降雨影響，黃河上游來(lái)水偏多，共出現(xiàn)3 場(chǎng)編號(hào)洪水，這3 場(chǎng)編號(hào)洪水演進(jìn)到寧蒙河道形成2 場(chǎng)洪水過(guò)程。 黃河上游干流河道蘭州站洪峰流量達(dá)3 610 m3／s，流量大于2 000 m3／s 的洪水持續(xù)時(shí)間為85 d，洪水洪量大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，河道工程出險(xiǎn)較多。 筆者利用洪水泥沙觀測(cè)資料，對(duì)2018 年黃河上游洪水及寧蒙河道對(duì)洪水的響應(yīng)特征進(jìn)行分析，以期深化對(duì)寧蒙河道洪水的認(rèn)識(shí)，為黃河上游河道的防洪防凌安全提供技術(shù)支撐，為黃河上游水沙調(diào)控體系建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 研究區(qū)域概況

黃河上游是指河源至內(nèi)蒙古托克托縣的河口鎮(zhèn)（頭道拐）河段，河道長(zhǎng)3 472 km，水面落差3 496 m，流域面積38.6 萬(wàn)km2［2］。 其中：下河沿以上為黃河上游的上段，其間黃河穿行于高山峽谷之間，河道蜿蜒曲折，川峽相間，著名的龍羊峽、劉家峽和黑山峽都在這一河段，該河段干流唐乃亥以上集水區(qū)稱為河源區(qū)，是黃河上游的主要產(chǎn)流區(qū)；下河沿—頭道拐河段為黃河上游的下段，穿越寧夏回族自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)［3］。 黃河寧蒙河道起自寧夏中衛(wèi)市香山鄉(xiāng)，終至內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗馬柵鄉(xiāng)，穿越衛(wèi)寧盆地、銀川平原和河套平原，峽谷與平原相間出現(xiàn)。 其中：石嘴山至烏達(dá)公路橋、蒲灘拐至馬柵鄉(xiāng)為峽谷型河道，兩岸地形陡峻，河道比降大，水流湍急；其余河段河面寬闊、比降平緩。

寧蒙河道來(lái)水來(lái)沙情況十分復(fù)雜，水量主要來(lái)自蘭州以上河段，而泥沙主要來(lái)自蘭州至頭道拐區(qū)間，具有水沙異源的特點(diǎn)。 在天然情況下，寧蒙河道基本上呈微淤狀態(tài)［4－5］，自黃河上游龍羊峽、劉家峽水庫(kù)先后運(yùn)用以來(lái)，進(jìn)入寧蒙河道的水沙過(guò)程顯著改變，尤其是洪水水沙過(guò)程，對(duì)寧蒙河道沖積型河段河床演變帶來(lái)了巨大而深遠(yuǎn)的影響，如：河道淤積逐漸加重、河槽萎縮、河道排洪輸沙及排凌能力降低，由此使防洪防凌形勢(shì)日趨嚴(yán)峻［6－7］。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

本次研究采用的有關(guān)水文站的水沙資料來(lái)源于《中華人民共和國(guó)水文年鑒》中的“黃河流域水文資料”。

河道沖淤量計(jì)算有輸沙量法和斷面法兩種方法［8－9］，其中：輸沙量法是指利用相關(guān)河段的輸沙率或沙量資料，采用沙量平衡原理計(jì)算河道沖淤量；斷面法是利用實(shí)測(cè)大斷面資料計(jì)算河道沖淤量。 由于缺少寧蒙河道淤積觀測(cè)資料，并且輸沙量法能夠提供時(shí)間分辨率更高的沖淤量數(shù)據(jù)，可以更好地反映出短時(shí)期內(nèi)河道沖淤調(diào)整特點(diǎn)，因此本研究采用輸沙量法對(duì)寧蒙河道沖淤量進(jìn)行計(jì)算。

輸沙量法根據(jù)河段內(nèi)進(jìn)出沙量計(jì)算河段沖淤量，即采用實(shí)測(cè)輸沙率資料，計(jì)算某河段一定計(jì)算時(shí)段內(nèi)進(jìn)入、輸出河段的沙量差。 進(jìn)入寧蒙河道的泥沙包括河段進(jìn)口輸沙量、區(qū)間支流來(lái)沙量、區(qū)間灌區(qū)退沙量以及區(qū)間入黃風(fēng)積沙量，從河道輸出的沙量包括河段出口輸沙量、區(qū)間灌區(qū)引沙量，因此河道沖淤量計(jì)算公式如下：

式中：ΔWS為河段沖淤量，億t；WS進(jìn)為河段進(jìn)口輸沙量，億t；WS支流為區(qū)間支流來(lái)沙量，億t；WS風(fēng)沙為區(qū)間入黃風(fēng)積沙量，億t；WS退沙為區(qū)間灌區(qū)退沙量，億t；WS引為區(qū)間灌區(qū)引沙量，億t；WS出為河段出口輸沙量，億t。

3 黃河上游洪水來(lái)源

2018 年汛期，黃河上游蘭州以上、蘭托區(qū)間（蘭州—托克托區(qū)間）降雨量分別為375、263 mm，較多年平均值分別偏多38%、55%，上游降水量顯著偏多［10］，在這種降雨條件下，黃河上游在2018 年汛期共出現(xiàn)3場(chǎng)編號(hào)洪水。

受黃河源區(qū)持續(xù)降雨影響（6 月12 日—7 月11日），黃河源區(qū)干支流持續(xù)漲水，唐乃亥水文站在7 月8 日11 時(shí)流量為2 510 m3／s，形成黃河2018 年第1 號(hào)洪水，該場(chǎng)洪水唐乃亥站最大洪峰流量達(dá)到3 400 m3／s（7 月13 日11 時(shí)）（見圖1）。 經(jīng)過(guò)上游水庫(kù)攔蓄和河道引水，該場(chǎng)洪水演進(jìn)到寧蒙河道時(shí)洪峰流量為2 000 m3／s左右。

圖1 2018 年黃河上游第1、2 號(hào)洪水典型站流量過(guò)程

受7 月22—23 日劉家峽—蘭州區(qū)間強(qiáng)降雨影響，區(qū)間來(lái)水量猛增，黃河蘭州站在7 月23 日8 時(shí)18 分洪峰流量為3 610 m3／s，形成黃河2018 年第2 號(hào)洪水。 該場(chǎng)洪水向下游演進(jìn)，下河沿站出現(xiàn)2 960 m3／s洪峰流量（7 月24 日13 時(shí)42 分），青銅峽站出現(xiàn)2 260 m3／s洪峰流量（7 月25 日9 時(shí)30 分），石嘴山站出現(xiàn)2 500 m3／s 洪峰流量（7 月27 日23 時(shí)2 分），石嘴山以下各站因海勃灣水庫(kù)調(diào)控而流量相對(duì)較為平穩(wěn)。

受河源區(qū)持續(xù)降雨影響，加之龍羊峽—?jiǎng)⒓覎{區(qū)間、劉家峽—蘭州區(qū)間加水較多，蘭州站在9 月20 日2 時(shí)18 分出現(xiàn)3 200 m3／s 洪峰流量，形成黃河2018年第3 號(hào)洪水。 到9 月26 日21 時(shí)24 分蘭州站洪峰流量達(dá)到3 580 m3／s（見圖2），至10 月上旬蘭州站流量一直在3 000 m3／s 以上，至10 月中旬仍維持在2 000 m3／s以上。 洪水向下游演進(jìn)，經(jīng)過(guò)水庫(kù)調(diào)控和引水之后，寧蒙河道出現(xiàn)了2018 年汛期最大洪水過(guò)程，寧蒙河道進(jìn)口控制站下河沿站洪峰流量為3 600 m3／s，石嘴山站最大洪峰流量為3 500 m3／s，寧蒙河道出口控制站頭道拐站最大洪峰流量為2 880 m3／s。 由于3 場(chǎng)編號(hào)洪水的發(fā)生，因此2018 年形成較大的年徑流量，唐乃亥、蘭州、下河沿站2018 年徑流量分別為291.5 億、441.8 億、429.7 億m3，列1956 年以來(lái)各站的第6 位、第3 位和第3 位。

圖2 2018 年黃河上游第3 號(hào)洪水典型站流量過(guò)程

4 黃河上游洪水特點(diǎn)

4.1 歷時(shí)長(zhǎng)、洪量大

2018 年黃河上游洪水經(jīng)水庫(kù)調(diào)控和引水后，演進(jìn)到寧蒙河道形成兩場(chǎng)洪峰相連的洪水過(guò)程（見圖3），分別為6 月25 日—8 月2 日和8 月3 日—10 月21 日的洪水過(guò)程，歷時(shí)分別為39、80 d，兩場(chǎng)洪水基本涵蓋了整個(gè)汛期，洪水期總歷時(shí)達(dá)到119 d（見表1），整個(gè)洪水期寧蒙河道各站洪量為194.5 億～238.2 億m3，平均流量為1 892 ～2 316 m3／s，洪峰流量為2 880 ～3 600 m3／s。 對(duì)比兩場(chǎng)洪水的水沙特征參數(shù)可見，第1 場(chǎng)洪水洪量范圍為39.5 億～60.5 億m3，平均流量在1 173 ～1 795 m3／s之間，各站洪峰流量在1 970～2 960 m3／s 之間，并且基本出現(xiàn)在7 月25 日左右。 第2 場(chǎng)洪水洪量相對(duì)較大，各站洪量范圍為155.0 億～182.4 億m3，為第1 場(chǎng)洪水的2.9～4.0 倍，平均流量在2 243～2 639 m3／s 之間，為第1 場(chǎng)洪水的1.4～1.9 倍，各站洪峰流量在2 880～3 600 m3／s之間，并且基本出現(xiàn)在10 月初（見表1）。

圖3 2018 年寧蒙河道各水文站洪水流量過(guò)程

表1 2018 年及2012 年寧蒙河道洪水水沙特征參數(shù)

2012 年也發(fā)生了一場(chǎng)大洪水過(guò)程，進(jìn)口下河沿站歷時(shí)79 d，洪量為148.9 億m3［11］。 對(duì)比2018 年洪水與2012 年洪水發(fā)現(xiàn)，2018 年寧蒙河道進(jìn)口下河沿站洪水歷時(shí)多40 d，洪量多89.3 億m3；從水流過(guò)程來(lái)看，下河沿站2018 年流量大于3 000 m3／s、大于2 000 m3／s的持續(xù)時(shí)間分別為19、75 d，比2012 年的這兩個(gè)流量級(jí)持續(xù)時(shí)間分別長(zhǎng)8、30 d，頭道拐站2018 年2 000 m3／s以上流量持續(xù)61 d，比2012 年該流量級(jí)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)19 d，可見2018 年洪水具有歷時(shí)長(zhǎng)、洪量大的特點(diǎn)。

4.2 出現(xiàn)近期最大的洪峰流量

點(diǎn)繪寧蒙河道各站逐年的洪峰流量過(guò)程，如圖4所示。 整體來(lái)看洪峰流量呈減小的趨勢(shì)，但是20 世紀(jì)90 年代以后，2012 年和2018 年出現(xiàn)了兩場(chǎng)大洪水，對(duì)比來(lái)看，2018 年各站洪峰流量明顯大于2012 年洪峰流量。 下河沿站2018 年洪峰流量為3 600 m3／s，比2012 年洪峰流量3 470 m3／s 偏大130 m3／s，為1990年以來(lái)最大流量；青銅峽站2018 年洪峰流量為3 220 m3／s，比2012 年洪峰流量3 050 m3／s 偏大170 m3／s，為1990 年以來(lái)最大流量；石嘴山、巴彥高勒、三湖河口站2018 年洪峰流量分別為3 500、3 390、3 090 m3／s，均為1986 年以來(lái)最大流量，與2012 年各站洪峰流量3 390、2 710、2 840 m3／s 相比分別偏大110、680、250 m3／s；頭道拐站2018 年洪峰流量為2 880 m3／s，為2013 年以來(lái)最大流量。

圖4 寧蒙河道典型站逐年洪峰流量過(guò)程

4.3 洪水期含沙量偏高

受寧夏局部地區(qū)降雨及上游祖厲河來(lái)沙、清水河來(lái)沙和青銅峽水庫(kù)調(diào)節(jié)影響，2018 年洪水期下河沿、青銅峽站均出現(xiàn)較大沙峰過(guò)程。 下河沿站來(lái)沙量為1.365 億t，平均含沙量為5.7 kg／m3，與2012 年洪水期下河沿站平均含沙量3.6 kg／m3相比偏大2.1 kg／m3。青銅峽站來(lái)沙量為1.415 億t，平均含沙量達(dá)到6.7 kg／m3，與2012 年相比，含沙量偏大3 kg／m3。 隨著沙峰推進(jìn)，受黃河干流水利工程以及內(nèi)蒙古河段漫灘影響，含沙量由上游至下游逐步遞減，頭道拐站沙量為0.741億t，平均含沙量為3.6 kg／m3，比2012 年洪水期頭道拐站含沙量大0.8 kg／m3。

對(duì)比寧蒙河道2018 年兩場(chǎng)洪水的沙量特征值發(fā)現(xiàn)，第1 場(chǎng)洪水各站平均含沙量為1.6 ～8.7 kg／m3，高于第2 場(chǎng)洪水各站平均含沙量，但由于第2 場(chǎng)洪水大流量持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因此沙量明顯大于第1 場(chǎng)洪水，各站沙量在0.228 億～0.998 億t 之間，是第1 場(chǎng)洪水的1.9～5.0 倍。

4.4 洪水水位表現(xiàn)相對(duì)較低

內(nèi)蒙古河段2018 年洪水水位表現(xiàn)較低（見表2），巴彥高勒和三湖河口最高水位分別為1 052.18、1 020.34 m，較2012 年 最 高 洪 水 位 分 別 低0. 03、0.24 m，與2012 年以前汛期歷史最高水位相比，巴彥高勒水位偏高0.11 m，三湖河口水位偏低0.04 m。

表2 最高洪水位比較

4.5 出現(xiàn)大范圍漫灘

根據(jù)實(shí)地查勘可知，2018 年洪水在內(nèi)蒙古河段三湖河口以上河段漫灘較少，而三湖河口—頭道拐河段221 km 內(nèi)大部分河段都發(fā)生了漫灘，經(jīng)初步估算，左岸大堤偎水長(zhǎng)度約占河段長(zhǎng)的50%，右岸漫灘約6 km。 其中三湖河口—包頭之間大部分漫至堤跟，部分河段大堤偎水，部分險(xiǎn)工洪水抄后路，部分大堤背河側(cè)出現(xiàn)滲水情況。 包頭—頭道拐河段，左岸大堤約有64 km偎水嚴(yán)重，右岸有部分區(qū)域上水。

5 寧蒙河道對(duì)洪水的響應(yīng)特征

5.1 洪水期全河段泥沙淤積

寧蒙河道2018 年洪水期共淤積0.651 億t（見表3）。 時(shí)間分布上，第1 場(chǎng)洪水淤積0.261 億t，約占40%；第2 場(chǎng)洪水淤積0.390 億t，約占60%。 河段分布上，寧夏河段（下河沿—石嘴山區(qū)間）淤積量為0.292億t，約占45%，且主要集中在青銅峽—石嘴山河段；內(nèi)蒙古河段淤積量為0.359 億t，約占55%，主要集中在石嘴山—巴彥高勒、包頭—頭道拐河段。

表3 寧蒙河道洪水期沖淤量時(shí)空分布 億t

兩場(chǎng)洪水的淤積河段分布差別很大，第1 場(chǎng)洪水74%淤積在寧夏河段，淤積量為0.192 億t，內(nèi)蒙古河段淤積量為0.069，僅占26%；而第2 場(chǎng)洪水寧夏河段淤積量為0.100 億t，僅占26%，內(nèi)蒙古河段淤積量為0.290 億t，占74%。

寧蒙河道兩場(chǎng)洪水的沖淤分布情況如圖5 所示。第1 場(chǎng)洪水，巴彥高勒以上各河段淤積，淤積量為0.061 億～0.213 億t；巴彥高勒以下各河段沖刷，沖刷量為0.028 億～0.062 億t，巴彥高勒上下河段沖淤調(diào)整量最大。 第2 場(chǎng)洪水，巴彥高勒上下河段仍保持大沖大淤，石嘴山—巴彥高勒、青銅峽—石嘴山河段分別淤積0.588 億、0.193 億t；巴彥高勒以下河段沖刷較多，巴彥高勒—三湖河口、三湖河口—包頭河段分別沖刷0.393 億、0.103 億t，包頭以下河段發(fā)生淤積，淤積量為0.197 億t。

5.2 淤灘刷槽效果明顯

已有研究成果表明，用同流量水位差反映主河槽的沖淤變化，定性無(wú)誤，可信度較高［12－13］，并且認(rèn)為在缺少實(shí)測(cè)淤積大斷面資料的河段，無(wú)法用斷面法計(jì)算主槽沖淤量，用同流量水位法計(jì)算河段主河槽沖淤厚度，定性上是合理的［14］。 該方法在三湖河口—頭道拐河段2012 年洪水期主槽沖淤量計(jì)算中也得到驗(yàn)證，即利用三湖河口—頭道拐河段洪水期同流量水位變化確定的主槽沖淤量與斷面法計(jì)算結(jié)果基本吻合［15］，成果基本可靠。 本次研究缺少2018 年寧蒙河道淤積斷面測(cè)驗(yàn)資料，為此收集了黃河水利委員會(huì)水文系統(tǒng)觀測(cè)資料和內(nèi)蒙古水利廳設(shè)置的雷達(dá)水位計(jì)水位觀測(cè)資料，根據(jù)洪水期同流量水位變化確定主槽沖淤量，全斷面沖淤量采用沙量法計(jì)算結(jié)果，灘地沖淤量即為全斷面沖淤量減去主槽沖淤量。

利用巴彥高勒—三湖河口河段的遙測(cè)水尺（二八社、皮房圪旦和四科河頭）洪水期水位變化計(jì)算主槽的沖淤量，其中巴彥高勒—三湖河口河段2 000 m3／s同流量水位平均降低0.35 m，按照600 m 主槽寬度計(jì)算，沖刷量為0.648 億t，灘地沖淤量用輸沙率法全斷面沖淤量減去同流量水位推算的主槽沖淤量得到，因此巴彥高勒—三湖河口河段灘地淤積量為0.193 億t。三湖河口—包頭河段遙測(cè)水尺（三岔口、畫匠營(yíng)子和鐙口）2 000 m3／s 同流量水位平均降低0.34 m，按照500 m 主槽寬度計(jì)算，主槽沖刷量為0.359 億t，灘地淤積量為0.202 億t。 包頭—頭道拐河段遙測(cè)水尺（大成西）1 000 m3／s 同流量水位平均降低0.23 m，按照450 m 主槽寬度計(jì)算，主槽沖刷量為0.214 億t，灘地淤積量為0.383 億t。

巴彥高勒—頭道拐河段全斷面沖刷了0.443 億t（見表4），主槽發(fā)生了強(qiáng)烈沖刷，總共沖刷1.221 億t，相應(yīng)灘地淤積0.778 億t，發(fā)生明顯淤灘刷槽現(xiàn)象，有利于主槽的恢復(fù)。 分河段來(lái)看，巴彥高勒—三湖河口、三湖河口—包頭、包頭—頭道拐河段主槽都是沖刷的，并且沖刷具有沿程遞減特點(diǎn)，尤其是包頭—頭道拐河段在全斷面淤積0.169 億t 的條件下，主槽沖刷了0.214億t，灘地淤積了0.383 億t。 其他兩個(gè)河段全斷面分別沖刷0.455 億、0.157 億t，主要集中在主槽沖刷，分別沖刷0.648 億、0.359 億t，灘地分別淤積0.193億、0.202 億t。 2018 年洪水的灘槽沖淤分布體現(xiàn)了大漫灘洪水淤灘刷槽塑造主槽效果，也反映出大洪水改善河道條件的積極作用（見圖6）。

5.3 漫灘洪水沖刷效率高

由于資料的匱乏，因此寧蒙河道漫灘洪水灘槽沖淤分布難以劃分。 根據(jù)已有的內(nèi)蒙古河段漫灘洪水統(tǒng)計(jì)成果［16］，結(jié)合2018 年洪水進(jìn)行分析（見表5），內(nèi)蒙古河段漫灘洪水除1959 年外，其他場(chǎng)次漫灘洪水都是淤灘刷槽的。 1959 年漫灘洪水來(lái)沙量大、水沙搭配不好，因此發(fā)生了灘槽同淤現(xiàn)象。 統(tǒng)計(jì)的10 場(chǎng)漫灘洪水合計(jì)主槽沖刷9.203 億t、灘地淤積10.750 億t，對(duì)內(nèi)蒙古河段的維持起到了很大作用。 除1959 年外，內(nèi)蒙古河段漫灘洪水主槽沖刷效率為1.25 ～17.46 kg／m3，平均沖刷效率為7.06 kg／m3，明顯高于非漫灘洪水的沖刷效率。

5.4 河道過(guò)洪能力得到有效恢復(fù)

2018 年洪水過(guò)后，內(nèi)蒙古河段各水文站2 000 m3／s同流量水位均表現(xiàn)為下降，下降幅度沿程遞減，下降較多的巴彥高勒、三湖河口站分別下降0.71、0.47 m（見圖7 和圖8）。 洪水?dāng)U大了內(nèi)蒙古河段的過(guò)流斷面面積，河道過(guò)流能力有所提高，初步估算巴彥高勒平灘流量增加約500 m3／s，三湖河口增加約320 m3／s。

圖7 巴彥高勒站洪水前后水位—流量關(guān)系對(duì)比

圖8 三湖河口站洪水前后水位—流量關(guān)系對(duì)比

6 結(jié)論

（1）2018 年寧蒙河道出現(xiàn)兩次洪水過(guò)程，洪水期洪量大，下河沿站水量238.2 億m3，沙量1.365 億t，平均含沙量為5.7 kg／m3；洪水歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)119 d，大流量級(jí)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，下河沿站大于2 000 m3／s 的持續(xù)時(shí)間達(dá)75 d。

（2）寧蒙河道各站出現(xiàn)近期最大的洪峰流量，寧夏下河沿、青銅峽站出現(xiàn)1990 年以來(lái)最大流量，內(nèi)蒙古石嘴山、巴彥高勒、三湖河口水文站出現(xiàn)1986 年最大流量，頭道拐站出現(xiàn)2013 年以來(lái)最大流量。

（3）2018 年洪水對(duì)內(nèi)蒙古河段作用比較顯著，巴彥高勒—頭道拐河段發(fā)生明顯“淤灘刷槽”現(xiàn)象，漫灘洪水對(duì)主槽的沖刷塑造作用遠(yuǎn)大于非漫灘洪水。

（4）2018 年洪水過(guò)后，內(nèi)蒙古河段巴彥高勒、三湖河口水文站2 000 m3／s 同流量水位分別下降0.71、0.47 m，河道過(guò)流能力顯著增強(qiáng)。