渭河中下游與黃河潼關段2021年洪水特征及預報分析

顧 釗,席小康,宋淑紅

(1.西安水文水資源勘測中心,陜西 西安 710199;2.陜西省水文水資源勘測中心,陜西 西安 710068)

0 引言

渭河中下游及黃河潼關段,歷史上洪澇災害頻發[1-2],如“54.8”、“03.8”、“05.10”、“11.9”等場次洪水,給人民生命財產帶來重大損失[3]。受流域復雜產匯流特性、水利工程調度、水文監測空白等因素影響,給水位、流量及峰現時間預報帶來諸多不確定性,增加了洪水預報的難度[4]。為深入了解渭河洪水特征,許多專家學者對渭河流域洪水來源組成、河道沖淤變化、洪水傳播時間、氣象成因等方面進行了大量分析研究工作,并取得了一定研究成果。蔣昕暉、龐雷、白少智、楊高治等分別利用2003、2005、2020、2021年渭河洪水資料分析了降雨特征、洪水歷時、洪水來源、洪水峰型、河道沖刷狀態等特征[5-8];史玉品等,對“2019.9”洪水的特性及持續性強降雨天氣的成因進行了分析[9];秦毅等,利用典型洪水資料分析了渭河下游洪水變化特點及成因[10]。這些研究均側重于渭河暴雨洪水特征特點及其降雨成因分析,而對預報誤差及其影響因素定量分析少見報道。

2021年受強秋淋影響,渭河相繼形成3次編號洪水,在黃河潼關站相繼形成以渭河來水為主的1號洪水,以黃河北干流、渭河、北洛河、汾河同時來水的3號洪水。黃河潼關站出現1979年以來最大洪水,渭河咸陽、臨潼站出現1981年以來最大洪水,華縣站出現歷史最高水位341.91 m。本文利用2021年渭河、黃河編號洪水資料,結合洪水預報成果,采用多種分析方法,分析了2021年渭河、黃河編號洪水特征,研究了預報誤差影響因素,以期為今后洪水預報預警、防汛減災工作提供重要參考。

1 研究區概況

渭河發源于甘肅省渭源縣鳥鼠山,自寶雞市陳倉區鳳閣嶺進入陜西,在潼關注入黃河,全長835 km,橫貫陜西省關中平原,境內河長512 km,面積67 219 km2。流域地貌復雜,有橫貫陜甘的秦嶺北坡及六盤山、隴山山地,關中沖積平原及黃土高原。渭河屬不對稱水系,兩岸支流眾多,南部多于北部,流域屬大陸性季風氣候,年均氣溫為7.8℃～13.5℃,年均降水量為500～800 mm,年均徑流量為20×108m3。渭河流域暴雨多出現在7、8月份,一般南部早于北部,東部早于西部,最早可發生在4、5月份。渭河及黃河小北干流控制站如圖1。

圖1 渭河及黃河小北干流主要控制站

2 數據與方法

2.1 資料來源

水位、流量資料均來源于2021年流域相關站點報汛及整編資料,洪水預報數據來源于編號洪水期間正式發布的洪水預報成果。

2.2 研究方法

(1)對此次洪水過程的水位、流量、洪量資料進行統計計算,分析洪水的主要來源、組成及在河道中的演進狀態。通過與洪峰量級相近的歷史洪水比較,分析此次洪水演進特征及河道沖淤變化。

(2)利用中國洪水預報系統中臨潼站馬斯京根演算乙等預報方案,以咸陽站及區間支流洪水整編資料為模型輸入,模擬臨潼站洪水過程,分析渭河2號洪水臨潼站預報誤差影響因素;采用潼關站馬斯京根演算乙等預報方案,通過黃河3號洪水校準參數,模擬了黃河1號洪水中最不利的組合模式,分析黃河1號洪水潼關站預報誤差影響因素。

3 結果與分析

3.1 洪水特征分析

3.1.1 洪水來源與組成

渭河1號洪水臨潼站洪峰3 810 m3/s,洪水在臨潼至華縣河段形成漫灘,華縣站出現洪峰2 780 m3/s,洪水主要來自咸陽、涇河桃園至臨潼區間,占總洪量的38.2%。渭河2號洪水咸陽站出現洪峰5 600 m3/s,加之區間洪水匯入,洪水在向下游演進過程中全面漫灘,洪峰演進速度明顯減緩,洪峰衰減程度較大,臨潼站出現洪峰5 860 m3/s,華縣站出現洪峰4 860 m3/s,渭河洪水與黃河小北干流洪水組合后潼關站出現洪峰7 480 m3/s,形成黃河1號洪水。渭河2號洪水主要來自魏家堡以上及魏家堡至咸陽區間,分別占總洪量的29.7%、31.1%,黃河1號洪水主要來自渭河華縣,占總洪量的60.8%。渭河3號洪水咸陽先后出現三次洪峰4 020 m3/s、3 740 m3/s、3 420 m3/s,洪水向下游演進過程中受涇河洪水影響,臨潼站出現單峰4 810 m3/s,洪水向華縣演進過程中依舊全面漫灘,但由于渭河2號洪水過程已填補大部分的灘地損失,臨潼至華縣洪峰損失量減少,華縣站出現洪峰4 540 m3/s,受渭河、北洛河、黃河小北干流及區間流域來水影響,潼關站出現洪峰8 360 m3/s,形成黃河3號洪水。渭河3號洪水主要來自魏家堡以上及涇河桃園以上區間,分別占總洪量的47.9%、23.9%,黃河3號洪水主要來自渭河華縣及干流龍門站以上,分別占總洪量的46.8%、27.8%。渭河1、2、3號洪水及黃河1、3號洪水各控制站洪水及洪水組成統計見圖2、表1。

表1 渭河1、2、3號洪水及黃河1、3號洪水各區間洪量統計

圖2 渭河1、2、3號洪水及黃河1、3號洪水各控制站洪水過程

3.1.2 河段過流能力分析

水位～流量關系曲線(圖3)及過能力(表2)可得,渭河臨潼、華縣站3次洪水過程均為逆時針繩套曲線,并且3次洪水過程河道沖淤不明顯。臨潼站較2019年汛后、2020年汛后有所沖刷,過流能力增大。華縣站較2019年汛后、2020年汛后有所淤積,過流能力減小。臨潼站在2號洪水過程中出現小幅度的漲淤落沖現象,洪水消退(流量小于2 000 m3/s)后的3次洪水過程同流量級相應水位變化不大。華縣站在3號洪水過程中斷面略有沖刷,洪水消退(流量小于1 500 m3/s)后的1、2號洪水過程同流量級相應水位基本一致,3號洪水過程同流量級相應水位略小于前兩次,但是幅度不大。由于洪水期華縣站漫灘嚴重,在退水過程中,灘區過水時的水位～流量關系曲線斜率較小,僅主槽過水時水位～流量關系曲線斜率較大,落水曲線先緩后陡,與潼關站先陡后緩的落水曲線相異。

表2 臨潼、華縣、潼關站過流能力統計表

圖3 編號洪水過程水位流量關系曲線

黃河1、3號洪水過程均表現為漲沖落淤的逆時針繩套曲線,河道沖淤不明顯,中高水期漲、落水的水位～流量關系分化明顯,洪水退下(流量小于2 000 m3/s)后的同流量級相應水位變化不大。潼關站相較于2019年汛后、2020年汛后有所沖刷,過流能力增大。

3.1.3 洪水演進規律

1)咸陽至臨潼段

渭河1、2、3洪水咸陽至臨潼段傳播時間分別為7.9 h、10 h、12～18 h(剔除涇河洪水影響)(表3),渭河2號洪水在向臨潼站演進過程中出現了較明顯的衰減,3號洪水咸陽站洪峰流量4 020 m3/s,涇河桃園站相應流量1 150 m3/s,涇渭河洪水在向臨潼站演進過程中同樣出現了衰減,受渭河2號漫灘洪水影響,咸陽至臨潼段部分灘地損失已滿足,洪峰削減率減小,符合涇渭河同時來水的洪水演進規律。進一步對比了2018年“18.7”洪水,咸陽站洪峰流量4 210 m3/s,臨潼站峰現時刻涇河桃園站相應流量1 190 m3/s,咸陽洪峰傳播至臨潼(洪峰流量4 500 m3/s)出現了明顯衰減,由于該次洪水屬于2018年首次漫灘洪水,洪峰衰減較大。

表3 渭河1、2、3洪水下游各站洪峰傳播時間

2)臨潼至華縣段

渭河1號洪水過程中臨潼站洪峰流量3 810 m3/s,大于2020年汛后渭河下游河段平灘流量(2 700 m3/s),在臨潼至華縣河段形成部分漫灘,臨潼至華縣傳播時間達22.4 h(表3),華縣站洪峰流量削減至2 780 m3/s,削減率為27.0%,符合首場漫灘洪水演進規律。渭河2號和3號洪水臨潼站洪峰流量分別為5 860 m3/s、4 810 m3/s,大幅超過了1號洪水后的渭河下游河段平灘流量,導致了渭河下游洪水全線臨堤,受臨潼至華縣部分河段灘區內玉米、灌木等高桿作物和道路田埂影響,漫灘部分的洪水演進速度遠遠小于主槽洪水,使得洪峰演進速度明顯減緩,兩次洪水過程臨潼至華縣河段洪峰水位傳播時間為25～27 h,與近年來漫灘洪水演進規律基本一致。渭河2號洪水華縣站洪峰流量較臨潼站減小1 000 m3/s,削減率為17.1%;受2號漫灘洪水影響,臨潼至華縣段部分灘地損失已滿足,洪峰削減率減小,3號洪水華縣站洪峰流量較臨潼站小270 m3/s左右,削減率僅為5.6%。

3)華縣至吊橋段

渭河1號洪水華縣以下河段洪水基本不再漫灘,華縣至吊橋河段傳播時間為10.3 h(表3),傳播時間較短。渭河2號和3號洪水華縣以下河段全面漫灘,兩次過程中華縣至吊橋洪峰傳播時間在19～22 h;在3號洪水過程中吊橋站分別于10月7號12時、10月9號6時出現了兩次洪峰水位,較華縣站峰現時間分別提前20.5 h、延后21.5 h,分析認為在渭河3號洪水過程中黃河潼關洪水對渭河形成了頂托,潼關站于10月7日7時36分出現洪峰8 360 m3/s,8 000 m3/s以上量級從7日2時至12時持續了10 h,潼關站峰現時刻的華縣站同時流量為4 200 m3/s,吊橋站同時流量在2 300～2 800 m3/s,渭河洪水量級遠小于黃河,潼關洪水對渭河形成了頂托,因此吊橋站首次洪峰水位出現時間較華縣站提前了20.5 h,當潼關洪水緩慢回落時,吊橋站在華縣峰現時間21.5 h后再次出現洪峰水位,同時在渭河3號洪水過程中華縣站峰前出現一次長達15 h的平水段,該現象進一步表明了渭河洪水在華縣以下河段演進過程中除了漫灘影響外,同是還存在黃河潼關洪水頂托影響。

通過本次洪水過程演進分析并結合歷史洪水推演認為,當以咸陽來水為主,涇河未出現明顯漲水時,咸陽至臨潼河段洪水傳播時間為10～15 h,當涇渭河同時來水時,需要根據涇河漲水過程具體判斷。當渭河咸陽站洪水量級大于4 000 m3/s時,咸陽至臨潼河段由部分漫灘向全面漫灘發展,峰型變胖,峰頂坦化,洪峰衰減程度較高。臨潼至華縣河段,平灘流量級洪水傳播時間為12～16 h,1 000 m3/s量級洪水和部分漫灘洪水為20～22 h,全面漫灘洪水則為27 h左右。對于連續漫灘洪水,后續洪峰削減率較前次洪水有所減小。當渭河洪水量級小于黃河時,潼關洪水對渭河逐步形成了頂托,可能形成下游站洪峰早于上游站出現的現象。

3.2 預報誤差分析

3.2.1 預報概況

渭河1、3號洪水以及黃河3號洪水洪峰量級研判準確。在渭河2號洪水以及黃河1號洪水中,臨潼、華縣站洪峰預報結果偏大,潼關站預報結果偏小,華縣站、潼關站洪峰出現時間預報偏早。渭河2號洪水臨潼站、華縣站2次預報時間最大誤差為4 h、16 h,洪峰流量預報誤差均為1 140 m3/s,黃河1號洪水潼關站峰現時間預報誤差、洪峰流量預報誤差分別為16 h、1 380 m3/s。因此針對渭河2號洪水以及黃河1號洪水中臨潼、華縣、潼關站預報進一步復盤分析。

3.2.2 黃河1號洪水潼關站預報誤差分析

潼關站洪水主要受渭河華縣站來水及干流龍門站來水影響,本次華縣站洪峰傳播至潼關站用時29 h,其中傳播至吊橋水位站用時26 h,符合一般漫灘洪水傳播規律,根據潼關站實際洪峰現時間,分析認為龍門站相應流量在1 000～1 200 m3/s,北洛河南榮華站相應流量在220～250 m3/s,汾河河津站相應流量在180～200 m3/s,在不考慮洪峰衰減情況下,根據各站相應流量不同組合形式,潼關站洪峰量級應在6 260～6 510 m3/s。利用中國洪水預報系統中潼關站馬斯京根演算方案,通過黃河3號洪水校準參數,模擬了1號洪水中最不利的組合,見圖4,即各站最大流量遭遇,模擬結果顯示潼關站9月29日22時出現洪峰6 533 m3/s。通過兩種方式復現的潼關洪水計算結果與實測比較,實測洪峰量級遠大于計算結果。為此從整編值與報汛值差異、洪水組成兩個方面查找原因。

圖4 黃河1、3號洪水潼關站過程模擬

1)報汛值與整編值差異

在洪水預報過程中,主要依據各控制斷面實時報汛數據制作洪水預報,為分析報汛值與整編值的差異對潼關站洪水預報的影響,繪制了各站報汛值與整編值洪水過程線,見圖5。

圖5 黃河1號洪水各控制站整編與報汛過程

從整體看,黃河龍門、潼關、支流渭河華縣站報汛值與整編值洪水過程擬合度較高,同一時間流量量級差異不顯著,支流北洛河南榮華站報汛值與整編值在峰頂略有差異,但對黃河潼關洪峰量級影響不大,因此報汛值與整編值的差異不是導致黃河1號洪水潼關站洪峰預報偏小的因素。

2)洪水組成分析

黃河1號洪水潼關站洪量34.85億 m3,未控區域來水4.29億 m3,占潼關站總量的12.3%;黃河3號洪水潼關站洪量55.60億 m3,未控區域來水4.03億 m3,占潼關站總量的7.3%;表明1號洪水過程中區間來水較多,1號洪水過程中未控區間及汾河、北洛河來水總量6.72億 m3,接近干流龍門站來水量,但對潼關站的洪峰貢獻較小。根據斷面控制面積計算,華縣&龍門～潼關未控流域面積在12 000 km2,對照潼關站峰現前48 h內降雨落區及強度,該區域在27日14時至28日8時出現一次大范圍暴雨過程,面平均降雨量在50 mm以上,同時在9月17-19日以及9月22-26日期間,未控區域持續降雨,土壤接近飽和,流域產流能力增強,同時也有部分降雨直接進入河道參與匯流,在雙重因素作用下增大了潼關站洪峰量級。

綜上,黃河1號洪水潼關站洪峰預報結果偏小主要原因是華縣&龍門～潼關未控流域在前期土壤接近飽和、產流能力較高的情況下,受暴雨影響,未控流域來水對潼關洪水貢獻較常規偏大,導致了潼關站實測洪峰偏大偏晚。

3.2.3 渭河2號洪水臨潼站預報誤差分析

臨潼站洪水主要受渭河干流咸陽站來水及區間主要支流涇河、灃河、灞河影響,根據近年來臨潼站洪峰流量大于2 500 m3/s洪水場次分析,當咸陽站出現洪峰后,相應時間內區間支流涇河、灃河、灞河未出現洪水過程或洪水均已回落時,咸陽～臨潼傳播時間為6～8 h,支流灃河秦渡鎮～臨潼傳播時間9～11 h,灞河馬渡王～臨潼傳播時間5～9 h,涇河桃園～臨潼傳播時間2～3 h。本次洪水咸陽站于9月27日5時54分出現洪峰5 600 m3/s,根據臨潼站峰現時間以及上述洪水傳播時間,涇河桃園站相應流量為529～556 m3/s,灃河秦渡鎮站相應流量為265～358 m3/s,灞河馬渡王站相應流量為169～185 m3/s,根據各站相應流量不同組合形式,依據該段洪水普遍傳播規律,臨潼站洪峰量級應在6 560～6 700 m3/s,時間在27日12-14時之間,但實際臨潼站于27日18時洪峰流量5 860 m3/s,表現出洪峰量級明顯偏小,時間偏晚的特殊現象。為此從整編值與報汛值差異、洪水演進過程分析原因。

1)報汛值與整編值差異

為分析干支流控制斷面報汛值與整編值的差異對臨潼站洪水預報的影響,繪制了渭河2號洪水過程中干流咸陽站、臨潼站、支流涇河桃園站、灃河秦渡鎮站、灞河馬渡王站報汛值與整編值洪水過程線,見圖6。從整體看,干流臨潼站,支流涇河桃園站、灞河馬渡王站報汛值與整編值洪水過程擬合度較高,同一時間流量量級差異不顯著,而干流咸陽站、支流灃河秦渡鎮站報汛值與整編值洪水過程擬合度較低,在一些特定時段流量差異較為顯著,如咸陽站洪峰流量報汛值6 050 m3/s,整編值5 600 m3/s,灃河秦渡鎮站整編值26日11日30分洪峰流量600 m3/s,報汛值26日14時20分洪峰流量670 m3/s,27日整編值洪水量級在144～383 m3/s之間,報汛值在240～470 m3/s之間,報汛值偏大。由于咸陽站報汛值洪峰量級偏大450 m3/s,加上與相應時段灃河秦渡鎮站27日報汛流量偏大近100 m3/s,是導致渭河2號洪水臨潼站洪峰預報誤差偏大的因素之一。

圖6 渭河2號洪水各控制站整編與報汛過程

2)洪水演進過程特征分析

臨潼站馬斯京根演算乙級預報方案是根據歷年臨潼站洪水過程,選用渭河干流咸陽站、支流秦渡鎮、灞河馬渡王站、涇河張家山相應洪水過程資料,構建的綜合擬合結果最優的預報方案,該方案反映了咸陽～臨潼區間洪水演進一般規律,通常情況下能夠準確模擬臨潼站洪水過程。為分析渭河2號洪水臨潼站洪水演進特征,以咸陽站及區間支流洪水整編資料為模型輸入,模擬臨潼站洪水過程,見圖7。

圖7 臨潼站理論與實際洪水過程線

從模擬結果來看,臨潼站模擬過程洪量16.28億 m3,與實測過程洪量誤差-1.6%,模擬過程與實測過程洪量基本匹配。當漲水段臨潼站洪水量級小于4 000 m3/s時,實測與模擬過程變化趨勢一致,擬合度非常高,表明該量級下洪水上下游演進符合咸陽～臨潼區間洪水正常演進規律。當漲水段臨潼站洪水量級大于4 000 m3/s時,實測過程變緩,洪峰出現時間延遲,實測與模擬差值隨著洪水量級增大而增大,表明在該量級漲水段咸陽～臨潼區間洪水演進規律發生明顯改變。落水段,與模擬過程相比,實測過程洪水回落速度較慢,實測與模擬差值隨著洪水量級減小而增大,當量級小于2 000 m3/s時,二者趨于一致。

分析認為,本次洪水過程主要以咸陽來水為主,漲水段咸陽站洪水量級小于4 000 m3/s時,咸陽至臨潼區間洪水在主河槽內演進,洪水演進過程未發生明顯形變;當咸陽站洪水量級大于4 000 m3/s時,洪水向下游演進過程中由局部向全面漫灘發展,峰型出現坦化,削峰率增大。落水段,隨著洪水量級的逐漸降低,漫灘洪水回流河槽,導致實測過程洪水回落速度變緩。

3.2.4 渭河2號洪水華縣站預報誤差分析

根據洪水組成分析,華縣站洪水來自臨潼以上,臨潼～華縣區間基本未產生洪水,本次洪水臨潼站洪峰流量5 860 m3/s,遠超了渭河1號洪水后的渭河下游河段平灘流量,洪水在臨潼至華縣河段全線漫灘臨堤,出槽洪水傳播速度慢于主槽洪水,使得臨潼至華縣洪峰傳播延長至25 h,同時洪水漫灘后,過水斷面增大,斷面糙率相應變大,河段滯洪作用明顯,加上灘地內玉米、灌木等高桿作物和道路田埂影響,使得峰頂坦化,洪峰削減率提高,在落水段漫灘洪水回流至主槽,又進一步形成矮胖峰型。在渭河2號洪水過程中華縣站洪峰削減率達17.1%。分析認為渭河下游全面漫灘是導致華縣站洪峰預報以及峰現時間預報出現誤差的主要原因。

4 結語

受2021年強秋淋降雨影響,渭河相繼形成3次編號洪水,黃河形成2次編號洪水,受洪水量級、漫灘程度、黃河小北干流頂托、連續洪水等多種因素影響,洪水演進特征各不相同,本文通過對渭河、黃河2021典型洪水來源與組成、河段過流能力、洪水演進規律及預報誤差分析研究,得出以下主要結論:

(1)2021年渭河秋淋洪水過程中渭河下游河道及黃河潼關斷面沖淤變化不明顯,與2019、2020年相比較,臨潼、潼關斷面略有沖刷,華縣斷面有輕微淤積。

(2)渭河1號洪水為2021年首場部分漫灘洪水,臨潼至華縣河段洪水傳播時間長、洪峰削減率達到27.0%。渭河2、3號洪水渭河下游存在不同程度漫灘,華縣洪峰均出現衰減與滯后,由于2號洪水臨潼以下全面漫灘臨堤,3號洪水華縣站洪峰削減率明顯減小,由17.1%降低為5.6%。渭河3號洪水中潼關洪水對渭河華縣以下河段洪水形成頂托,華縣站峰頂持續時間長達15 h,并且華縣站下游吊橋水位站最高水位出現時間早于華縣站峰現時間。

(3)渭河2號洪水咸陽至臨潼段洪水演進異常衰減、滯時及報汛值較整編值偏大是導致臨潼站洪峰預報偏大、出現時間偏早的原因。黃河1號洪水中華縣&龍門～潼關未控流域來水對潼關洪水貢獻異常偏大是導致潼關站洪峰預報偏小、出現時間偏早的原因。

渭河下游洪水演進復雜,分析渭河黃河2021年典型洪水演進特征,深入挖掘預報誤差影響因素,可為準確判斷渭河下游不同形式漫灘洪水洪峰流量削減率和傳播時間提供參考,為渭河下游與黃河潼關段及時預警、準確預報提供參考依據。