从黄河下游“92.8”洪水看游荡性河段高含沙水流的河床演变特性
摘要：黄河下游花园口92.8洪水属于含沙量中等偏高的高含沙水流，洪峰也只是常遇流量级(6260 m3/s)的洪峰，但洪水位异常高(94.33m)，仅比1958年22300 m3/s洪峰流量时的水位低0.09 m。本文通过现场查勘和对这场洪水水沙特性的分析，指出花园口站产生特高水位的直接原因是河床前期淤积，尤其是主槽淤积，以及该场洪水支、干流来水来沙的不利组合，而其根本原因却是来自于黄河上中游来水来沙的变化。自80年代后期，黄河下游的径流量和输沙量急剧减少，并且随着流域建设的日益，下游径流来量日益减少是必然趋势，这将给黄河下游河道带来一系列新的变化，对防洪安全提出一些新的问题，需要加强原型观测和深入分析研究。
关键词：黄河 高含沙洪水 流量 水位 水沙变化
1 洪水组成
1992年8月7日-13日，黄河中游陕西省境内水土严重流失地区连续发生三场大至暴雨，雨区时程分布为从陕北逐渐向陕南延伸。
第一场大雨，暴雨中心在内蒙古自治区伊克昭盟，东胜9小时降雨108mm,黄河一级支流皇甫川、孤山川和窟野河流域普降大雨，皇甫川8日7时实测最大流量5500m3/s，最大含沙量1080kg/m3，清水川8日8时54分洪峰流量1250m3/s，孤山川高石崖站8日9时06分实测洪峰流量3000m3/s，窟野河温家川站8日12时06分实测最大流量为10500m3/s，最大含沙量为1150kg/m3，由于黄河干流流量较小，洪峰传播至龙门水文站9日9时36分最大流量降至7450m3/s，最大含沙量为215kg/m3(9日20时)，洪峰传播到潼关水文站10日7时42分，最大流量削减到3620m3/s；花园口流量站相应出现第一个洪峰(11日22时30分)，洪峰流量2870m3/s，沙峰含沙量为91kg/m3(11日17时30分)，参见表1。
表1 92.8第一场大雨洪峰、沙峰的相应出现时间
TBZThe first flood peak discharge and corresponding sediment concentration in August 1992
河 名 | 站 名 | 洪峰发生时间 | 洪峰流量(m3/s) | 沙峰发生时间 | 沙峰含沙量(kg/m3) |
皇甫川 | 皇 甫 | 1992.8.8 7：00 | 5500 |
| 1080 |
清水川 | 清 水 | 1992.8.8 8：54 | 1250 |
|
|
孤山川 | 高石崖 | 1992.8.8 9：06 | 3000 |
| 430 |
窟野河 | 温家川 | 1992.8.8 12：06 | 10500 |
| 1150 |
黄河干流 | 龙 门 | 1992.8.9 9：36 | 7450 | 1992.8.9 20：00 | 215 |
黄河干流 | 潼 关 | 1992.8.10 7：42 | 3620 | 1992.8.11 8：00 | 171 |
黄河干流 | 花园口 | 1992.8.11 22：30 | 2870 | 1992.8.11 17：30 | 91 |
第二场洪水发生在清涧河、无定河、延河和北洛河流域。北洛河刘家河水文站10日12时48分出现洪峰流量6100m3/s，头站11日11时36分洪峰流量3080m3/s，最大含沙量706kg/m3；加上黄河干流来水传播到下游，于13日6时在花园口出现第二个小洪峰，洪峰流量为3400m3/s，含沙量峰值为133kg/m3(13日14时)。 第三场洪水发生在泾河和渭河。泾河景村站于13日0时30分发生最大洪峰流量2430m3/s，13日12时传至桃源站，洪峰流量为2500m3/s，几乎在同时，13日10日渭河咸阳站出现2350m3/s的洪峰，泾渭河洪峰汇合后，在14日2时华县水文站出现3950m3/s洪峰，在向下传播过程中，与北干流龙门14日5时出现的洪峰2010m3/s组合后， |
|
在15日0时潼关站出现流量4020m3/s的洪峰，该洪峰经三门峡水库滞洪调节后，传至下游小浪底、花园口水文站先后出现第3、第4次洪峰(参见图1)，其中16日18时出现的第4次洪峰，最大流量达6260m3/s。
| 2 洪水特性 2.1 洪峰流量小，水位高 花园口站16日18时洪峰流量6260m3/s为该站的常遇洪峰，但其相应的洪水位高达94.33m，比1982年流量为15300m3/s的洪水位还超高0.34m，仅比1958年实测最高洪水位94.42m(洪峰流量为22300m3/s)低0.09m(见图3)。 2.2 花园口洪峰流量比上游站显著偏大 小浪底水文站位于花园口水文站上游约150km，两站间有伊河、洛河和沁河等较大支流汇入。 |
15日20时小浪底实测洪峰流量为4560m3/s，其间伊洛、沁河可控制水文站黑石关站及武陟站实测加水共为150m3/s，即使三者洪峰流量全部遭遇其总流量为4710m3/s，比花园口实测洪峰偏小24.8%。小花区间在加水不多的情况下，下游站洪峰流量6260m3/s超出上站洪峰流量37.3%。
| 2.3 峰前水位上涨率高，峰后水位骤降 “92.8”洪水，根据小浪底流量站的实测洪水过程线来看，除第4次洪峰涨率较大外，在这之前的三次洪峰，无论其峰前陡度还是峰值均不为高，但该洪峰传播到逯村、大玉兰等处，出现水位猛涨猛落现象，花园口流量站也出现类似情况。 2.4 沙峰与洪峰不相应 一般说来，水流挟带的含沙量应与流量成正变关系，即沙峰与洪峰应同时出现。但从“92.8”流量含沙量过程线看，沙峰和洪峰有明显的错峰现象，且沙峰超前，洪峰滞后(参见图1、图2)。 |
3 “92.8”洪水特性分析
3.1 关于洪峰小、水位高的原因分析
3.1.1 河床前期淤积的影响
黄河下游是多沙河流冲积河床典型河道，善淤善徒。花园口水文站所在河段(沁河口至东坝头)，在1855年由于铜瓦厢决口发生溯源冲刷，形成高滩深槽。截至1985年，该河段河槽已逐渐回淤，回淤厚度达3～5m。但花园口附近新淤滩面仍较老滩低1m左右，孟津至沁河口河段从1935年至1985年，河床有冲有淤，基本上处于冲淤平衡状态。其中1980年至1985年铁榭～花园口，花园口～夹河滩河段不仅不淤，还略有微冲。自1985年以来，由于黄河上中游出现一段相对枯水年系列，加上大型水库的径流调节，灌溉引水和水利、减水减沙的作用，汛期来水来沙减少，洪峰次数少，洪量小，含沙量高，尤其是中常洪水很少，平水期历时明显加长。根据1986年～1989年的统计资料共有35个来水过程，其中大于6000m3/s的洪峰仅有4次，最大一次洪峰流量为7600m3/s(1988年)；2000～6000m3/s的中常洪水也仅16次，另外有15次洪水均小于2000m3/s，由于洪峰流量小，除1988年洪水漫滩外，其它洪水基本上不漫滩，或只淹部分低滩，故滩地淤积不大，但由于小水带大沙，而且都在主槽中流动，故主槽有累积性淤积。主槽为洪水下泄的主要通道，主槽过水断面的缩小必将严重影响泄洪能力，一旦出现较大流量，被迫抬高相应的洪水位。
3.1.2 “92.8”洪水期间主槽大量淤积
由“92.8”洪水流量、含沙量过程线(图1、图2)可看出，花园口河段“92.8”洪水过程由前后4个洪峰组成，其中前三个洪峰流量在2800～3800m3/s，流量不大，但相应的含沙量小浪底站实测值要比花园口实测值高约200kg/m3，13日～15日小浪底实测含沙量在400kg/m3左右，小水带大沙，必然在主槽中形成大量淤积。据输沙率法粗估，小浪底－花园口河段自1992年8月11日～1992年8月15日时进出沙量为净增2.5亿t，这使前期主槽淤积有进一步，当第4个洪峰到来时，造成花园口出现小流量高水位现象。
造成花园口第4个洪峰到来之前小洪峰大沙峰的现象，除了与来水来沙不利组合有关外，还与三门峡水库库区前期淤积有直接关系。自1986年以来，特别是进入90年代后，黄河中游汛期来水偏枯，洪峰流量小，即使三门峡采用蓄清排浑的控制运用，降低汛期水位排沙，但年内未能达到冲淤平衡，1986年～1989年潼关以下库区累计淤积0.35亿m3，特别在1990及1991两年内，又增加淤积量1.6亿m3。为了减轻三门峡库区的淤积，1992年汛期，三门峡大坝所有泄洪设施全部敞开泄洪排沙。在“92.8”洪水过程中，坝前水位降到298.1m。库区发生冲刷，特别是潼关以下库区冲刷量很大。据粗略估计，潼三区间自8月12日18时起至8月17日18时冲刷总量为1.8亿t。由于三门峡库区冲下来的泥沙粒径偏粗，又因为洪峰低洪量小，库区冲刷的泥沙大量淤积在黄河下游高村以上河段，这又进一步促进水位的抬高。
3.1.3 不利的来水来沙组成
“92.8”洪水过程由三场大到暴雨所组成，其中第一场、第二场暴雨洪水传播到下游虽然流量不大，但因雨区都分布在水土流失特别严重的地区，含沙量很高，加上三门峡库区大量冲刷，使出库洪水的含沙量进一步升高，在小浪底站出现了自13日9时至15日18时长时间的含沙量高达400kg/m3的连续沙峰，黄河中下游洪水中的泥沙，含沙量越高，所含极细的泥沙颗粒越多，粘性越大，所需的能坡也将比低含沙量或清水所需的能坡为大，也就是说，同流量的洪水位要比一般洪水的水位高。高含沙洪水在两岸有约束的狭窄河道中会引起冲刷，而在小浪底之下的宽浅河道中高含沙洪水大量上滩，由于过水断面大为增加，流速大为减小。上滩的高含沙洪水，由于流速减小，紊动减弱，将大致在10小时至20小时内以群体沉降方式迅速落淤，同时撇出上部相对清水层。造成下游河道滩、槽的大量淤积，在没有经过较小清水洪峰调整河道主槽淤积的情况下，紧接着来一个第4次洪峰，造成花园口水位猛涨的现象。
3.2 关于洪峰流量增大的原因分析
对“92.8”洪水期间潼关、三门峡、小浪底及花园口四站的输沙率变化过程进行粗略的(表2)可以看到，这四站连续6小时输沙率的峰值与各站所测的含沙量的峰值是同时发生的。它们由上游往下依次出现在各站出现洪峰的时间之前(小浪底两者几乎是同时出现的)这四站沙峰与洪峰发生的时间及峰值见下表。
表2 潼关、三门峡、小浪底、花园口四站“92.8”洪水峰值及发生时间
Flood peak discharge and sediment concentration of “92.8” flood
|
| 14日 | 15日 | 16日 | ||||||
日 期 | ||||||||||
|
| 6:00 | 12:00 | 18:00 | 6:00 | 12:00 | 18:00 | 6:00 | 12:00 | 18:00 |
| 发生沙峰时的6小时 |
| 3500 | 4050 |
|
| 4520 | 3830 |
|
|
| 平均流量 |
| 潼关 | 三门峡 |
|
| 小浪底 | 花园口 |
|
|
沙 | ||||||||||
| 平均含沙量(kg/m3) |
| 325 | 463 |
|
| 495 | 498 |
|
|
峰 | ||||||||||
| 输沙量(亿t) |
| 0.2457 | 0.4051 |
|
| 0.4833 | 0.4120 |
|
|
| ||||||||||
| 发生沙峰时的6小时洪量(亿m3) |
| 0.756 | 0.875 |
|
| 0.976 | 0.827 |
|
|
| 产生洪峰时的6小时平均流量(m3/s) |
|
|
| 3750 | 4580 | 4520 |
|
| 5750 |
洪 | ||||||||||
| 平均含沙量(kg/m3) |
|
|
| 125 | 323 | 495 |
|
| 216 |
| ||||||||||
| 输沙量(亿t) |
|
|
| 0.1075 | 0.3194 | 0.4833 |
|
| 0.2683 |
峰 | ||||||||||
| 产生洪峰时的6小时洪量(亿m3) |
|
|
| 0.860 | 0.989 | 0.976 |
|
| 1.242 |
从表2中可看出在沙峰的传播过程中，潼关 三门峡之间河道产生持续冲刷，三门峡 小浪底之间自1992年8月14日12时由淤积转为冲刷，从表2中所列沙峰连续6小时的输沙量由潼关0.246亿t经三门峡达0.405亿t至小浪底进一步递增至0.483亿t。在沙峰传至花园口之前，因小水带大沙(流量小于3800m3/s)，又因三门峡库区冲起的多年淤沙相对较粗，而在小浪底以下的宽浅河道，尤其是主槽淤积严重，小花之间河段漫滩流量由过去的5000～6000m3/s减小为2500～3000m3/s。图4显示了小花河段中的三个断面即裴峪、官庄峪和花园口在“92.8”洪水汛前汛后的滩、槽都有明显的抬高，河床不断淤积抬高，水位上涨，致使8月15日前后，大玉兰附近新蟒河破堤，蟒河口、沁河口发生倒灌。“92.8”洪水滩区淹没范围在河南境内基本上和“82.8”洪水差不多，二滩全部上水，原阳高滩部分串沟自1855年来第一次上水。因此当沙峰于8月16日0时～6时传至花园口时，尽管花园口实测含沙量498kg/m3较上站小浪底495kg/m3略有增值，但花园口站连续6小时的输沙量及流量均较小浪底站的峰值有明显的减少。
由于漫滩水、倒灌水形成的横向流，使得小浪底花园口之间洪峰传播速度较之从潼关、三门峡到小浪底的速度大为减慢。8月16日6时大沙峰经过小花河段之后，花园口上下漫滩的高含沙浑水开始出现群体沉降。界面之上的表层相对清水，粘滞性小，其在河道中流动所需的比降比原先伪一相体所需的比降小。因此表层相对清水开始下泄，主槽逐渐被冲开刷深，从而使花园口站实测的流量开始增大，随着倒灌水、漫滩水迅速回注大槽，集中下泄，使花园口站在16日18时出现一个尖瘦的洪峰，最大峰值为6260m3/s，由表2可以看到，16日18时～24时6小时洪量较上站小浪底增大0.266亿m3，约为27.2%，而同期6小时的输沙量花园口站较上站小浪底减少0.215亿t，约为44.5%。由图5可看出花园口洪峰流量增大的这部分水体来自于16日6：00之前小花区间因水位抬高、漫滩、倒灌所蓄滞的洪水，截止16日6：00小花区间增加来水1.45亿m3。 |
|
与此同时小花区间河道增加来沙2.32亿t，再加上小花区间伊洛沁河等支流汇入的河水，估计在16日6：00之前，小花区间实际增加洪水约3亿m3，由图6也可看出自16日6：00至17日18：00小花区间河段多排放了2.85亿m3洪水的同时还多排放了0.7亿t泥沙。
图5 92.8潼关、三门峡、小浪底、花园口 | 图6 92.8潼关、三门峡、小浪底、花园口 |
4 从“92.8”洪水得到的启示
以上对“92.8”洪水的一些特点及其成因作了初步分析。这些特点也曾在上某些洪水中出现过。例如“73.8”洪水有类似的特点，但“92.8”洪水所反映的情况更为严重。高含沙小洪峰高水位的直接原因是河道前期和洪水过程中主槽大量淤积以及小水带大沙的结果，而其根本的原因却来自于黄河上中游来水来沙的变化。
80年代后期和90年代前期，黄河下游的径流量和输沙量发生了巨大的变化。年输沙量的减少虽减轻了下游河道的总淤积量，但由于年径流量的减少，反映在汛期洪水次数少，洪峰流量低，平水期历时增长，洪水漫滩机遇减少。虽然滩地淤积量减少，因而总淤积量也减少，但主槽淤积量增加，使滩槽高差减小，河道更为散乱、游荡，遇上高含沙洪水，会出现异常高水位，有可能造成险工脱溜，横河、斜河直冲大堤，威胁大堤的安全。
造成黄河上中游水沙变化的原因，固然有气候变化的随机因素，还与上中游水利工程(包括工农业用水)和措施的大面积开展密切相关。随着黄河流域国民日益发展，下游径流来量日益减少是一个必然趋势。在这种情况下，黄河下游将发生一系列新的变化，对安全提出一些新问题，今后应加强原型观测，积累资料，认真深入研究。
参 考 文 献
[1] 马秀峰等。黄河花园口92.8洪水异常现象成因调查。人民黄河，1992，(11).
[2] 赵业安，潘贤娣。八十年代黄河水沙特性与河道冲淤演变分析。黄委会水科院报告汇编，1991，(11).