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郑州黄河洪水特点分析
http://www.irtces.org    2004年12月14日10:21     

(郑州市黄河河务局    郑州    450008)

        摘要:郑州黄河洪水预见期短,根据小浪底、黑石关、小董三站水情预测花园口站水情是郑州黄河防洪面临的紧迫技术课题。郑州黄河不同来源区的洪水有着不同的特点;洪水在运行过程中与河床交互作用,水流与河床、滩地与主槽俱发生泥沙交换;生产堤的存在改变了洪水正常的演进规律;洪水的传播时间和水位表现受多种因素的制约;高含沙洪水对防洪工程威胁大,有其突出的特点;洪水表现与其自身特点和河道前期条件密切相关,洪水预测要进行深入、细致的比较分析,黄河水文资料应向流域内外专家学者开放。

        关键词:防汛;河道;洪水;泥沙;预测;郑州黄河

        洪水对人类的危害是巨大的,从古至今,洪水始终是人类生存和发展的主要威胁之一。黄河洪灾在我国为害最烈,在世界也是闻名,在黄河防汛工作中加强对黄河洪水有关问题的研究与探讨有着极其重要的现实作用。

        1  郑州黄河基本情况

        黄河在巩义市杨沟进入郑州辖区,经巩义、荥阳、邙山、金水、中牟五县(市)区,在中牟县狼城岗出郑州辖区,河道长160km,堤防长71.422km。

        郑州黄河为游荡性宽浅河道,位于黄河中游下段和下游上段。京广铁桥以上属中游,系禹王故道,距今有4000年的历史,其南岸为邙山天然屏障,北岸为清风岭黄土高坎;京广铁桥以下属下游,系明清故道,距今有500余年的历史,该河段全靠堤防约束,两岸堤距一般10km左右。

        郑州黄河京广铁桥以下河段是黄河防汛重点确保河段,黄河在该河段决溢一次的直接经济损失将达300~400亿元,可能影响最大面积为28000km2,范围为贾鲁河、沙颖河与惠济河、涡河之间,涉及郑州市、开封市和陇海铁路等。

        2  洪水来源及其类型

        郑州黄河花园口水文站的大洪水和特大洪水主要来自黄河中游的三个来源区,即河口镇至龙门区间、龙门至三门峡区间、三门峡至花园口区间。

        黄河上游地区来水组成花园口洪水的基流。

        2.1  上大型洪水

        以河口镇至龙门区间和龙门至三门峡区间来水为主形成的大洪水称上大型洪水,具有洪峰高、洪量大、含沙量大的特点,对郑州黄河防洪安全威胁严重。

        河口镇至龙门区间流域面积为11万km2,河道穿行于山陕峡谷之间,两岸支流呈羽毛状汇入,大部分属黄土丘陵沟壑区,土质疏松、植被差、水土流失严重,加之这一地区暴雨强度大、历时短,常形成尖瘦的高含沙洪水过程。该区洪水泥沙颗粒大,是黄河下游河道淤积物的主要来源。吴堡、龙门的洪水一般发生在7月中旬至8月中旬,一次洪水历时一般为1天左右,连续洪水可达5~7天。

        龙门至三门峡区间有泾、北洛、渭、汾等大支流加入,流域面积为18.8万km2,大部分属黄土源区及黄土丘陵沟壑区,一部分为石山区,该区大洪水发生时间以8、9月份居多,其洪水过程较河龙间洪水稍矮胖,洪水含沙量也较大。

        2.2  下大型洪水

        以三门峡至花园口区间来水为主形成的大洪水称下大型洪水。

        三门峡至花园口区间有伊洛河、沁河等支流加入,流域面积为41615km2,大部分为土石山区。本区大洪水与特大洪水都发生于7月中旬至8月中旬之间。本区暴雨历时较三门峡以上中游地区要长,强度也大,加上主要产流地区河网密度大,有利于汇流,故形成的洪峰高洪量也大,但含沙量小。本区一次洪水历时约3~5天左右,连续洪水历时可达12天之久。本区洪水上涨历时短、汇流迅速,洪水预见期短,对郑州黄河防洪安全威胁最大。

        2.3  上下较大型洪水

        龙门至三门峡区间和三门峡至花园口区间共同来水组成的洪水称上下较大型洪水。这类洪水的特点是洪峰较低、历时较长、含沙量较小等,对郑州黄河防洪也有相当的威胁。

        3  洪水过程中河道滩槽关系

        郑州黄河河道平面外形呈宽窄相间的藕节状,收缩段与开阔段交替出现,滩地面积占河道面积的80%左右,滞洪淤沙作用显著。

        洪水漫滩后,滩地过水面积虽大,但糙率大,流速低,所以主槽过流能力一般占全断面的80%以上,对河道泄洪起主要作用。

        水流漫滩后,滩槽水流、泥沙俱发生横向交换,主槽因流速大而被刷深,滩区因流速低而被淤高,河道形势向着有利于防洪的方向发展。每发生一次大的漫滩洪水,尽管防洪比较紧张,但主槽刷深,滩地淤高,槽冲滩淤形成相对的高滩深槽,行洪能力加大,河势归顺,有利于河道的稳定,对防洪有利,群众中有“大水出好河”之说。“96·8”洪水造成了防洪的紧张局面,但也较好地塑造了主槽。

        人们从实践中认识到“淤滩刷槽,槽稳滩存,滩存堤固”的辩证关系,以及“有槽则泄洪排沙能力大,洪水位低,主流变化小,守堤不如守滩,守滩必须定槽”等经验,以防洪为主的河道整治就是力求这种关系的稳定。

        4  生产堤对洪水演进的影响

        “96·8”洪水到来之前,滩区群众凭着十几年来的经验,不了解此次洪水的表现情况,盲目自发地加固、防守生产堤,然而最终未能保住即将到来的丰收。

        正是由于人为地防守生产堤,造成各滩区进水的时间不仅受水位的影响,还受防守效果的影响,进而改变了洪水正常的演进规律,也影响了洪水预报和测报的精度,给防汛工作增加了难度。

        生产堤的存在减少了中常洪水漫滩机遇,加重了河槽淤积,造成河床横比降加大,加剧了“二级悬河”的局面,生产堤一旦失守,洪水将直冲大堤,严重威胁堤防安全。

        从全局和长远考虑,黄河滩区应迅速废除生产堤,修建避水台,实行“一水一麦”,一季留足群众全年口粮的政策。废除生产堤宜实行行政首长负责制,责任到人,务必达到完全彻底。

        5  洪水传播时间

        郑州黄河的宽浅河道系复式河槽,洪水漫滩后,糙率加大,平滩流量以下的洪水在河槽内运行,流量越大,传播时间越短;漫滩洪水受滩区滞水滞沙及滩槽水沙交换等的影响,传播时间会变长;一般情况下,漫滩洪水的流量越大,传播时间也越短。

        洪水含沙量的大小对传播时间有较大的影响,一般是含沙量越大,传播时间越长。

        洪水传播时间除与自身洪峰流量、含沙量等有关外,主要还受河道比降、断面形态、糙率等前期河道条件的影响。

        “96·8”洪水前,由于长期平水及枯水作用,郑州黄河河道严重淤积,形成枯水小槽。1996年7月18日,小浪底水文站发生了流量2820m3/s、含沙量413kg/m3的高含沙洪水;7月31日“96·8”洪水起涨过程中,花园口水文站又发生了流量1530m3/s、含沙量298kg/m3的小水多沙洪水,这都使得郑州黄河河道主河槽进一步淤积,其中花园口以上主河槽平均升高0.91米。枯水小槽的河道状况遇到“96·8”洪水不能畅泄,必然壅水形成高水位,从而造成大范围漫滩,滩区分流比大为增加。由于滩区生产堤及道路纵横交错、片林棋布、杂物丛生,阻水严重,进而造成滩区水流流速缓慢,最终造成洪水传播时间变长。

        一般情况下,花园口水文站洪水主要由小浪底站来水组成,取近年黑石关站、小董站流量小且过程平稳情况下的几次洪水过程来比较洪水流量峰从小浪底站到花园口站的传播时间,如表1。

表1   黄河洪水自小浪底站至花园口站传播时间表

*含沙量数据为参考值。

        小浪底、黑石关、小董、花园口水文站位置关系如图1。

图1   小浪底、黑石关、小董、花园口水文站位置关系图

        由表1和图1可以看出,不同的洪水从小浪底站到花园口站137km河道的传播时间有很大的差别,慢的较快的传播用时多达11小时之久。

        6  水位表现

        6.1  水力要素

        郑州黄河河道水位变化受多种因素的制约。除了洪水自身的含沙量、流量等要素之外,河床的冲刷、淤积是水位降低、升高的一个主要的直接因素,河床物质组成的变化、比降的调整都可能引起水位的大幅度变动。

        深泓点高程在各水力要素中变化最快、幅度最大,它在一定程度上反映了河床的冲刷下切和淤积升高。深泓点的变化和同流量水位的变化过程不是同步的,河床冲刷调整是一个多因素的调整过程,在深泓点迅速下降后,其它水力因子还在持续的调整过程中。

        同流量水位变化是河道边界条件变化的反应,河道的冲淤变化、河床植被变化均能引起水位变化。

        6.2  水位峰与流量峰不同步

        郑州黄河系多沙河流,河床为松散的泥沙沉积、极不稳定,这样的河流特点导致了洪水的水位峰和流量峰一般不同步,多出现水位峰提前于流量峰的情况,如表2,这是洪水对河床的冲刷的表现,在出现高含沙洪水、河床发生淤积时,水位峰则往往出现在流量峰之后。

表2   花园口水文站两次洪水水位峰出现时间提前于流量峰情况表

*水位采用大沽标高;含沙量数据为参考值,水位峰时的含沙量与流量峰时相接近。

        6.3  小流量高水位现象突出

        由于流域的治理开发,人类活动使黄河流域的环境与工程条件发生了巨大变化,进而造成了黄河水沙条件的重大改变,1986年以来的长期平水及枯水作用使得黄河下游河道严重淤积,郑州黄河游荡型河段宽浅河道中的断面以嫩滩淤积为主,主河槽缩窄,变得愈来愈不明显。河槽过水面积大幅度减小,排洪能力急剧降低,平滩流量大大减小,形成“枯水小槽”的河道状况。

        枯水小槽的河道状况遇洪水使得水位显著升高,造成小流量高水位现象突出,取近年来流量级并不大的五次洪水和流量为15300m3/s的“82·8”洪水相比较,如表3。

表3     花园口水文站洪水流量水位含沙量比较表

*水位采用大沽标高,含沙量数据为参考值。

        7  洪水沿程含沙量变化

        水流沿程含沙量的变化是自身挟沙能力和河床抗冲能力相互作用的结果,反映着河床的淤积和冲刷。

        黄河自河南孟津白鹤出山谷后进入平原成为堆积性河流,河道骤然开阔,比降变缓,河势开始游荡,水流开始变得“宽缓而不迫”,挟沙能力变小。

        汛期小浪底水文站出现较大含沙量洪水时,在孟津白鹤至郑州京广铁桥河段由于水流挟沙能力变小,多发生淤积,洪水含沙量是沿程减少的,到达花园口水文站时含沙量往往有大幅度的消减,近年数次较大含沙量洪水的情况如表4。

表4    黄河洪水自小浪底站至花园口站含沙量变化比较表

        黄河孟津白鹤至郑州京广铁桥河段的河床表层为松散的泥沙沉积,在非汛期及汛期一般水流条件下,由于含沙量较小,不能满足水流的挟沙要求,该河段多发生冲刷,水流含沙量是沿程增加的。

        高含沙洪水动量大、冲刷力强,常发生强烈的冲刷和淤积,其沿程含沙量的变化是复杂的,在孟津白鹤至郑州京广铁桥河段也会有含沙量沿程增加的情况出现。

        8  高含沙洪水及其对防洪工程的影响

        黄河是举世闻名的多泥沙河流,黄河干支流经常出现高含沙量洪水,这种水流具有不同于一般挟沙水流的特性,有时出现浆河、阵流、揭河底冲刷及异常高水位等异常表现,对郑州黄河防洪威胁较大。

        郑州黄河在1988年、1992年、1994年发生三次高含沙量洪水,频率还是比较高的,深化对高含沙量洪水冲淤规律的认识十分需要。

        高含沙量洪水的水沙特性与河床演变特性,概括起来可认为:①高含沙量洪水主要来自粗泥沙来源区,泥沙颗粒大,洪峰流量一般不太大,而含沙量很高;②易造成洪峰变形,出现洪峰流量在局部河段沿程增大的现象;③河床变形迅速,水位陡涨陡落,水位~流量关系极为复杂,常有异常高水位;④对防洪工程威胁大。

        8.1  洪峰变形

        对于一般河流来说,在没有或很少区间水加入的情况下,由于河道槽蓄作用的影响,洪峰流量总是沿程递减的,而且通常是洪水过程线愈瘦,递减也愈大。

        郑州黄河在高含沙洪水时,常有洪峰沿程增大的现象,具有一定的规律性,这与高含沙洪水的流变特性密切相关,也即与泥沙特性及含沙量有关,主要是由于后续洪水赶上洪峰和滩区先蓄水后泄水所造成的。

        1973年、1977年、1992年郑州黄河均发生了高含沙洪水过程,扣除区间加水因素后,花园口站洪峰流量为小浪底站的1.24~1.34倍,如表5。

表5    高含沙洪水自小浪底站至花园口站洪峰流量增大情况比较表

        8.2  水位流量关系复杂、异常高水位

        郑州黄河高含沙量洪水的水位流量关系极为复杂。高含沙量洪水往往淤滩刷槽,形成窄深过水断面,使得过水断面面积大幅度减小,进而造成水位涨率大,水位表现高。

        郑州黄河在一次高含沙量洪水过程中,由于河道断面冲淤变化大,水位流量关系不是单一的曲线关系或简单的绳套关系,而是点群分布很散乱。将花园口水文站1977年7~8月三次洪水实测的水位流量关系按时序联线,如图2。

图2   花园口站1977年7~8月三次洪水实测水位流量关系图

        异常高水位是高含沙量洪水的重要水文特征,一方面它给水文测验和预报带来一些新问题;另一方面局部河段的异常高水位有时会超过工程设防标准,造成漫溢或抄工程后路,从而给防汛抢险工作带来很大困难。

        水位在短时间内的大幅度变化是高含沙洪水强烈造床作用的表现。水位的陡涨陡落也是工程自身稳定的很不利因素,水位骤降时浸润线的急剧变化是导致工程出险的重要原因之一。

        8.3  对防洪工程威胁大

        高含沙量洪水期间,河床易出现揭河底冲刷现象,造成局部河床大幅度冲深,对防洪工程产生巨大危害。高含沙量洪水强烈的冲刷和堆积作用,常常使宽浅河段的河势在很短的时间内发生较大变化。一方面是强烈冲刷,切割洲滩、拉出主槽,另一方面又强烈堆积、淤滩、堵汊,生成新的沙洲。河势的突然变化、主流的调整极易导致斜河、横河,对防洪工程造成极大威胁。

        高含沙量洪水引起的工程出险,具有突发性、不易预测性和剧烈性等特点,往往使工程防守困难,易造成工程失守垮坝。

        9  洪水预测

        郑州花园口水文站是黄河下游洪水的主要控制站,当接到花园口站水情时,洪水已向该站下游推进数公里,郑州黄河防洪不能根据花园口水情来决策。

        郑州黄河洪水预见期短,根据小浪底、黑石关、小董三站水情预测花园口站水情成为郑州黄河防洪所面临的紧迫技术课题。

        洪水表现情况取决于洪水的自身特点和前期河道条件,洪水预测必须从这两方面来考虑。

        洪水预测的内容包括洪水传播时间预测、洪峰流量预测、水位表现预测和洪水含沙量预测等,其中传播时间预测和水位表现预测与防洪决策直接相关,是洪水预测的重点。

        水位的高低是关系洪水危害程度的最主要的直接因素,水文预报只发布流量是不能满足防汛需要的,水文部门和各级防办应充分利用黄河防洪防凌决策支持系统开发成果,加强对河道情况、洪水演进规律和预报方法的研究,并考虑河道淤积、漫滩流量、滩区滞蓄水量等不确定因素的影响,加强黄河下游花园口及其以下主要控制站的流量过程和水位预报,为黄河防洪决策提供可靠依据。

        洪水预测是一项复杂的工作,传播时间、洪峰流量、水位表现和含沙量等要素互为关联。对每一次洪水都需要具体分析该次洪水的来源、流量、含沙量、泥沙颗粒大小组成等自身特点,充分考虑前期河道条件的影响,并结合历史洪水的传播时间、流量过程和水位表现等情况进行深入细致地比较、分析、研究,审慎地作出传播时间、流量过程和水位过程预测。专注于生产运行的黄河防汛专业技术人员,通过经验的积累和不懈的探索,基于对河道情况的了解和洪水特点的认识,是可以对黄河洪水作出比较正确地预测的。

        泥沙学科是实践性非常强的学科,很多理论、公式都在实践中被修正或淘汰,黄河是举世无双的多沙河流,泥沙问题的复杂性和治理的难度是显然的,没有黄河的水文实测资料,就没有黄河的科研。黄河是全民族、全人类的黄河,其洪害为世人所关注,黄河水文资料应该向流域内外的专家学者开放,以便于更多的理论工作者根据详尽的观测资料对黄河问题的机理进行深入细致的研究和探讨,使我们对黄河的认识更深入、更全面,进而促进人民治黄事业的进步和发展。  

        作者简介:史宗伟,男,1968年3月生,河南渑池人,郑州市黄河河务局防汛办公室工程师。
        通讯地址:郑州市政七街23号
        邮    编:450008 
        联系电话:0371-6402385(办),13663831386(手机)
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