黃河中下游設計洪水成果修訂及其影響研究

李保國，宋偉華，畢黎明，劉紅珍，慕 平

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南鄭州450003）

目前黃河中下游設計洪水成果為1976年原水電部審定成果，在以往工作中雖經過多次復核，但結論仍是維持原成果不變[1]。近年來受水利工程建設、人類活動及極端水文事件頻發等影響，黃河流域的水文情勢發生了很大變化，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變化規律，適應防洪、減淤等工程建設、調度運行及管理工作要求，開展設計洪水成果修訂工作并分析其帶來的影響，就顯得非常必要。

1 修訂主要工作

以黃河中下游為研究對象，涉及的水文站及區間包括三門峽站、花園口站和三花間（三門峽—花園口區間），在1998年《黃河流域防洪規劃》和2008年《黃河流域綜合規劃》等各站設計洪水復核成果的基礎上，綜合考慮人類活動影響、下墊面等變化對資料系列的影響，進行洪水系列的還原和統計，將資料系列延長至2010年，研究提出以上各站及區間設計洪水修訂成果。

1.1 洪水系列的一致性處理

按照《水利水電工程設計洪水計算規范》[2]規定，當流域內因各類因素影響了洪水系列的一致性時，應將系列統一到同一基礎。修訂時首先對影響洪水系列一致性的各種因素進行了逐項識別，認為干支流大型水庫調蓄是影響洪水系列一致性的主要因素；中游主要產洪區間水利水保措施對洪水系列一致性有一定影響，主要對象是河龍區間（河口鎮—龍門區間）6 000 m3/s以下流量級洪水；伊洛河夾灘地區、沁河南岸自然滯洪區堤防決溢和三門峽水庫蓄水對龍潼段（龍門—潼關河段）河道淤積等因素對個別大洪水年份有影響。寧蒙河段引水，龍三間（龍門—三門峽區間）、三花間水利水保措施對中游洪水系列一致性影響程度不明顯，不進行一致性處理。

對于水庫工程調蓄影響，以工程投入使用時間為節點進行一致性處理，根據水量平衡原理，采用還原逐日平均流量或洪水過程的方法[3]，將洪水系列還原到無大型水庫影響時的狀態；對于中游水利水保措施影響，20世紀70年代是水利水保措施大規模建設時期[4]，經分析該時期以后徑流系數較以往減小20%～40%，因此以1970年作為時間節點，對河龍間流量6 000 m3/s以下的洪水進行一致性處理，處理的標準為在原流量基礎上還原或還現20%；對個別年份的堤防決溢及河道淤積影響進行一致性處理，處理的方法為水量平衡法或上下游相關關系法。按上述方法對洪水系列逐年進行一致性處理后，對于1950—2010年系列，三門峽站洪峰均值較實測增大6%、洪量增大16%；花園口站洪峰均值較實測增大14%，洪量增大16%～24%[5]，一致性處理前后系列比較見圖1、圖2。

圖1 三門峽站洪峰、洪量實測、還原系列比較

1.2 洪水系列的代表性分析

洪水系列的插補延長以及調查歷史洪水、考證歷史文獻是提高系列代表性的重要手段。本次修訂通過對洪水系列進行插補延長，中游站和區間系列長度至少達到74 a；各站及區間洪水系列都加入了稀遇的歷史調查洪水參與頻率分析計算，對統計參數和設計值的相對穩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程；最后還利用清代青銅峽及陜縣的志樁資料對系列代表性進行了分析。總體來看，修訂采用的各站及區間洪水系列均具有較好的代表性。

圖2 花園口站洪峰、洪量實測、還原系列比較

1.3 歷史洪水復核

修訂采用的歷史洪水，三門峽站為1843年洪水，三花間為1761年洪水，花園口站為1843年+1761年洪水，兩場歷史洪水以往均進行過多次復核，本次修訂按資料系列截止到2010年，并參考歷史洪水調查資料及綜合分析，對歷史洪水重現期進行了進一步復核確認。1761年洪水在小浪底水庫初步設計階段考證為1553年以來的最大洪水，其重現期截至2010年為458 a；1843年洪水在三門峽—小浪底河段的重現期為1 000 a，在花園口斷面的重現期是否為1 000 a尚無法定論，因此修訂中重現期按458～1 000 a考慮。

1.4 頻率計算及成果合理性分析

對于各站及區間頻率分析成果，從統計參數的時空變化、相應時段洪量檢查、與以往成果比較等方面進行了合理性分析。總體來看，根據2000年以來流域降水徑流情況，延長洪水系列基本為偏枯資料，成果值減小，變化趨勢基本合理；經上下游站點成果對比，相互協調，各站點統計參數的變化情況符合本地區自然地理和雨洪特性；與以往歷次成果相比穩定性較好，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）三門峽站。本次計算的三門峽站設計成果與1976年審定成果的比較見表1，由表1可見，修訂成果與原成果相比，均值及各頻率設計值均有所減小。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年洪水重現期由原來的215 a延長至1 000 a，另一方面是延長的洪水多為中小洪水，因而使均值減小；洪量減小的原因主要是洪水系列延長后均值減小。總之，成果具有一定的穩定性。

表1 黃河三門峽站天然設計洪水成果比較

（2）花園口站、三花間。1976年審定的花園口站、三花間設計洪水，認為大水年伊洛河夾灘和沁南地區堤防決溢屬于自然因素，未對其影響進行還原。本次修訂根據最新設計洪水計算規范中“洪水系列受分洪、滯洪、堤防潰決、水庫或湖泊潰壩等影響時，應予以還原”的要求，對堤防決溢后的滯洪影響進行了還原。根據以往習慣，稱未還原自然滯洪作用的設計洪水為“無庫天然設計洪水”，還原了自然滯洪作用的設計洪水為“無庫不決堤設計洪水”（類似于規范條文說明中的“歸槽洪水”）。

修訂成果與1976年審定成果對伊洛河夾灘和沁南滯洪區自然決溢影響的處理方式不同，二者不能直接比較，因此對修訂的花園口站、三花間無庫不決堤洪水進行伊洛河夾灘和沁南滯洪區自然決溢影響模擬計算，得到滯洪后的無庫天然洪水（與原成果條件相同），花園口站兩個成果的比較見表2。由表2可見，修訂成果洪峰設計值減小9.0%～9.3%，洪量設計值減小5.8%～8.0%，減小的原因與三門峽站相同。

表2 黃河花園口站無庫天然設計洪水成果比較

2.2 成果推薦

黃河中下游設計洪水成果自1976年審定以來，經過了多次復核計算，每次復核均是在對以往工作經驗提煉總結的基礎上進行的，成果經歷了一個系列由短到長、資料由粗到精（舍棄了通過插補得到的系列）、計算方法逐步完善的過程。成果的主要變化如下：

（1）歷史洪水重現期的變化。對于1843年歷史洪水的重現期，在1976年審定成果中按1765年清政府在萬錦灘設水尺志樁以來最大洪水計，重現期定為215 a。在小浪底水庫初步設計階段，通過水文考古等途徑考證其洪峰流量至少是1 000 a以來的最大值[6]，在1980年以后的歷次復核計算中，1843年洪水在三門峽—小浪底河段的重現期均采用1 000 a。

（2）對伊洛河夾灘及沁南地區堤防決溢的處理方法不同。1976年審定成果對夾灘堤防決溢未進行還原，本次修訂在1999年完成的《黃河小花間頻率洪水分析報告》（小花間指小浪底—花園口區間）成果基礎上，提出了無庫不決堤設計洪水，對伊洛河夾灘及沁南地區堤防決溢進行還原，計算成果物理概念清晰，保證了資料系列的一致性，符合最新規范要求。

（3）資料系列延長，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），實測資料僅13 a，其余通過插補計算得出。在小浪底水庫初步設計階段，在延長資料系列的基礎上，舍去了1933年以前精度較差的插補資料，以后歷次復核計算均在此基礎上進行資料延長。截至本次修訂，延長后的資料系列長度至少達到74 a。

此外，從成果協調性來看，修訂的無庫不決堤洪水經伊洛河夾灘、沁南地區模擬滯洪后得到的無庫天然洪水與1976年成果相比，洪峰設計值減小9.0%～9.3%，洪量設計值減小5.8%～8.0%，差別不大，成果較穩定。

因此，從成果的變化過程及變化影響綜合分析，推薦采用本次修訂的三門峽、花園口、三花間設計洪水成果。

2.3 成果使用

三門峽站設計洪水成果的使用條件與以往相同。花園口站、三花間無庫不決堤設計洪水的使用不同于以往的無庫天然設計洪水，在計算黃河下游花園口等站中游水庫工程作用后的洪水時，首先根據計算的無庫不決堤設計洪水成果放大設計洪水過程線，再根據三門峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村水庫運用方式以及伊洛河夾灘、沁南地區堤防實際情況，同時考慮中游水庫群作用和伊洛河夾灘、沁南地區堤防是否決溢的情況，通過模擬計算得到水庫群和伊洛河夾灘、沁南地區堤防影響后的設計洪水成果，用于黃河下游及支流伊洛河、沁河防洪分析等工作。

3 成果修訂對下游治理的影響

設計洪水成果變化后，防洪工程體系的運用方式也應進行相應調整，因牽涉問題較多，故本文暫按各工程目前采用的運用方式，對各量級洪水進行三門峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村等水庫的聯合防洪調節計算，分析設計洪水成果變化對黃河下游治理的影響。

3.1 對下游防洪的影響

根據調算結果定量分析，采用修訂的設計洪水成果后，各量級洪水三門峽、小浪底、故縣、陸渾、河口村水庫的最高蓄洪水位均不同程度降低。黃河下游花園口站、孫口站洪峰和超萬洪量均有所減小，見表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洪量減小6%～8%。從定性來看，設計洪峰流量減小，若下游堤防設防流量不變，則防洪標準將會提高；設計洪量減小，若水庫原設計的防洪庫容不變，則防洪標準也會提高，下游蓄滯洪區分洪的概率將會減小。總體來看，采用修訂的設計洪水成果對黃河下游防洪是有利的。

表3 黃河花園口站、孫口站洪峰及超萬洪量比較

3.2 對下游灘區治理及安全建設規劃的影響

《黃河下游灘區綜合治理規劃》在寬河固堤背景下提出了逐步破除生產堤、低標準堤防、分區運用等3種方案，經過研究推薦采用逐步破除生產堤方案。采用修訂成果對洪水進行調算后，20 a一遇及其以下洪水量級減小，對規劃提出的各方案基本無影響，不影響規劃結論。

當前黃河下游灘區安全建設規劃主要采用20 a一遇洪水，采用修訂成果對洪水進行調算后，孫口以上河段各斷面設計流量值較原成果減小290～1 600 m3/s，相應水位降低0.02～0.15 m，灘區不同淹沒水深分布人口略有變化。定性來看，采用修訂設計洪水成果后，洪水量級減小，相應水位降低，對灘區安全建設規劃將產生積極影響，由于牽涉因素較多，因此具體影響還需進一步分析。

3.3 對現有調度方案的影響

目前黃河下游防洪調度主要依據2015年國家防總批復的《黃河洪水調度方案》[7]，以及每年黃河防總批復的年度“黃河中下游洪水調度方案”，這些方案中的設計洪水成果均為1976年審定成果。若采用修訂成果，則原方案中的工程防洪庫容、控制水位和蓄滯洪區分洪等指標不一定能與工程及防護對象的防洪標準相協調，因此需開展基于新設計洪水成果的黃河下游防洪工程體系運用研究，提出與修訂成果相協調的防洪運用指標和方式，并對上述各方案進行相應修訂。

4 結 論

（1）設計洪水成果修訂中影響中下游各站及區間洪水系列一致性的主要因素為龍羊峽、劉家峽、三門峽、小浪底、陸渾、故縣等大型水庫調蓄以及個別年份伊洛河夾灘、沁河南岸自然滯洪區堤防決溢的影響，中游水利水保措施對河龍區間6 000 m3/s流量以下洪水有一定影響。經洪水資料一致性處理后，對于1950—2010年系列，三門峽站洪峰均值較實測增大6%、洪量增加16%；花園口站洪峰均值較實測增大14%，洪量增大16%～24%。

（2）修訂成果與原成果相比，計算條件的差別主要為歷史洪水重現期的變化，對伊洛河夾灘及沁南地區決溢的處理方法不同以及資料系列延長、精度提高。修訂的三門峽站設計值較原成果減小14.9%～16.0%，花園口站、三花間設計值較原成果減小10%以內。

（3）采用修訂的設計洪水成果，不同量級洪水各防洪水庫的蓄洪水位有所降低，花園口、孫口等站的洪峰流量和超萬洪量均有所減小，蓄滯洪區分洪概率將減小，灘區治理及安全建設規劃有關設計洪水水位有所降低，相關的防洪調度方式需進一步研究，防洪調度方案也需要進行修訂。