防洪特征水位與現狀防洪能力的雨量預警指標體系研究

李洪利

(遼寧省河庫管理服務中心, 遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

水文監測系統建設項目可大幅提升中小河流的水文監測站點密度，然而在防汛減災中存在2個客觀條件限制了實時水文要素功能的正常發揮，一方面是新建站點由于沒有積累歷史資料而無法實現歷史排位的對比，無法依據數據知曉水位和雨量的嚴重程度；另一方面是在預警對象與站點要素之間由于沒有特征水位其關聯關系不足，沒有建立淹沒影響與水位高低的聯系，從而無法實現雨量的有效預警。若無法有效解決這2項問題，則新建水文站點還不能走向防汛前臺。國家有關部門于2016年開始提出特征水位的相關研究，本文以遼寧省大城子水文站為例，采用山洪災害調查評價的技術路線分析了預警河段歷史洪水信息，通過調查沿河兩岸房屋基礎高程評價了預警對象的防洪能力，根據影響人口與預警站點之間的關聯作用確定了雨量預警指標體系和水文站點的防洪特征水位[1-5]。

大城子水文站作為國家級重點站，在水庫水電站建設運行、防洪抗旱以及水資源開發利用等方面發揮著重要作用，站點位于大凌河流域干流中游屬于上游區域的代表站。水文站至河口距離302km，區間面積和控制面積為3208、5029km2。該站降水量偏少，其多年統計平均值為489.5mm，隨季節的變化降水量波動較大，易出現不同時段的干旱。降雨頻率在夏季6—8月最大，降水量占全年的80%左右，汛期屬于洪澇災害頻繁時期。根據歷史實測資料最大洪峰出現時的最高水位為281.80m、流量達7600m3/s、流速為5.56m/s，因此十分有必要建設防汛非工程措施和開展雨量預警相關研究[6-10]。

1 研究方法

1.1 總體思路

建立預警對象與預警源的關系、掌握預警對象現有防汛能力和歷史洪水影響以及劃定預警范圍為建設中小河流防汛減災預警指標體系的3個基本條件，其中預警指標體系的確定還需要考慮河流的防汛能力。換而言之，就是要以人的安全為核心依據歷史洪水資料，通過評價現狀防御能力從而建立預警指標體系，具體的實施途徑是建立以人為中心、以戶籍為單元、以村落為對象的河流水位要素與人口居住群預警對象之間的關系，根據業務邏輯可將總體思路分為如下階段。

第一階段：按照2條主線、歸一融合的原則建立淹沒影響人口與水文要素評價體系。其中主線1是通過調查分析獲取歷史典型洪水在預警對象關聯河段的水面線，融合沿岸群居房屋注冊人口和基礎高程，對洪水淹沒影響和淹沒水深推算受影響房屋，進而關聯注冊人口。為獲得不同等級洪水淹沒影響還要考慮上下平移水面線和不同量級洪水水面比降的相同假定，在代表斷面上摘取不同等級洪水水面線與淹沒影響人口的水位，從而建立二者之間的關系線；主線2是根據水文資料編整規范建立水位流量關系，在該過程中除了要考慮實測數據外，為彌補實測水位流量關系水位變幅的不足還要采取水文調查措施獲取河床糙率、縱橫斷面、比降等相關要素，從而構建水位流量關系線。“歸一融合”是以取相同斷面數值作為代表斷面水位流量關系中的水位、淹沒影響人口和水位關系為銜接要素，確定成災流量和成災水位并作為預警指標體系分析和洪水影響評判的依據。

圖1 淹沒影響人口與雙投影線法分析圖

第二階段：成災流量風險等級可通過設計洪水的計算確定，其中保證水位、警戒水位依據預警對象所屬地洪水漲率規律、流量和成災水位推求。

第三階段：暴雨時程分配利用所屬地設計洪水計算方法與成災流量確定，并反推試算出各特征時段與成災流量匹配的臨界雨量，即響應成災時的凈雨強度和暴雨歷時問題。假定暴雨洪水具有相同頻率并依據成災流量重現期獲取不同時段內與重現期相匹配的雨量閾值，從而構建預警指標體系。

1.2 技術路線

(1)確定水位人口關系。水位和高程人口關系在水庫、湖泊靜態水體中相同，而山區型預警河段往往具有較大的水面落差屬于非靜態水體，所以在確定水位人口關系時需要將沿河水面線利用一種算法轉化為水坡面，從而確定在橫向、縱向上水坡面高程與屋面高程布局之間的變化關系。本文基于非靜態山區淹沒影響人口與水體水位關系評價方法，提出標定起算點、鎖定河流軌跡以及指定代表斷面，雙對象平面投影房屋、洪痕距離最短的辦法，從而構建預警河段三元同系的房屋基礎高程、河道縱坡面與洪水水面線的邏輯識別體系如圖1所示，具體的流程如下。

步驟一：將預警對象關聯河段的上游起始點標記為原點，根據河流縱斷面測量坐標和高程繪制軌跡線。然后依據河流軌跡線和坐標將調查洪痕進行投影，確定相對原點的洪痕投影起始點并匹配洪痕點水位，從而構建沿程變化的水位坐標系。

步驟二：依據河流軌跡和坐標將房屋進行投影，確定房屋投影點在河流軌跡線上的起點距并匹配基礎高程，為實現房屋淹沒影響與水面線的關聯將其融合于水位沿程變化坐標戲中，根據房屋注冊人口屬性確定在此水面線下淹沒影響人口。

步驟三：假定可獲取不同的淹沒人口和不同的量級洪水，對代表斷面上的水位分別按照不同量級洪水水面線確定，由此建立淹沒影響人口與水位之間的關聯。

圖1中，成災水位即為代表斷面上成災水面線的水位，其中成災水面線為第一戶開始受災時的水面線，相應的流量為成災流量。

(2)臨界雨量閾值的分析。確定降雨閾值的方法主要有時間統計、同頻率和范圍3大類型，本文注重分析了同頻率法和反推法的基本原理。

同頻率法僅適用于小流域，其基本思路是根據所屬地設計洪水辦法和階段調查確定成災流量及其重現期，然后基于洪水暴雨同頻率的基本假定和所屬地設計暴雨統計成果，對同頻率不同時段的降水量進行分析。值得一提的是，流域匯流理論是該方法確定雨量成果的根本依據，同頻率特征時段雨量成果在流域匯流時間小于時段長時才有效，而在時段長時偏小。利用該方法推求的閾值可直接用于預警，在計算過程中因未考慮產流作用其計算環節較為簡便。

反推法是基于流域產匯流與成災流量的逆運算推算雨量閾值的方法，在產匯流參數已知的情況下還要考慮前期土壤濕潤情況、降水量時程分配和降水量大小3項待定要素，通過對這3項待定要素的排列組合可構成無窮個具有相同峰值的解，所以等同于無解。針對此類問題可通過產流解決確定其前期影響，即在形成凈雨的條件下分析時程分配和凈雨量問題，然后對給定的特征時段長按照分配雨型確定，并計算匯流和雨量值，如果成災流量大于洪水過程峰值應提高對雨量值的設定，反之應降低雨量值；當滿足成災流量與計算峰值相等的情況下，特征時段長閾值即為設定的雨量值。本文采用暴雨衰減指數公式或設計暴雨時程分配成果作為降水時程分配的依據，即Ht，p=24n-1H24，pt1-n。在該過程中不同時段雨量閾值不能直接試算24h時段雨量來確定，而是通過分別設定試算各種時段確定。綜上分析，通過限定降水過程分配和計算前置產流，即可推求凈雨閾值。

2 調查與評價

2.1 測區布局

為了更加客觀、準確的體現城市防洪能力與水文要素之間的關聯作用，根據以上技術路線遼寧省水文局開展了大凌河山洪影響的調查活動，通過勘測沿河房屋基礎高程和采集2016、2015、2008年的沿河洪痕，形成了包括大營子鄉、大城子街道和中心城區的縱向15km的調查測區。測區內共有歷史洪痕點41處、實測典型斷面35處，尤其是近幾年洪水過后第一時間標注的洪痕具有較高的準確性與可靠性。

2.2 水位流量關系

以人工方式進行測驗和觀測為大城子水文站2013年前各測驗項目的主要方式，為保證監測結果的有效性于2013年在河段左岸安裝建設了雷達水位計，河道基本斷面與其所在位置重合。為滿足大城子防洪預警特征水位分析要求于2014年開展流量測驗，其中過河方式以橋梁為主，河道水流的測定工具電波流速儀和ADCP。根據調查資料獲取2008年最高水位56.20m，通過雷達水位計測得2015、2016年最高洪水位分別為55.01、52.88m，2016年最大流量實測值為2650m3/s。水位流量關系無法根據實測流量水位變幅確定，因此本文考慮融合水文調查成果和實測流量的方法。在斷面穩定且斷面已知的情況下依據曼寧公式使用條件，確定比降和糙率是影響高洪流量的主要因素[11-14]。歷史洪水資料顯示，不同量級洪水下大凌河大城子河段的沿河水面線基本平行，水面比降總體保持在0.8‰區間，對大城子站高水位時的糙率利用實測流量反推其值處于0.036～0.042區間，并以此作為洪峰流量和洪水調查的主要依據見表1，大城子站水位流量關系分析如圖2所示。

表1 洪峰流量和洪水調查成果

2.3 成災水位和成災流量確定

大城子調查測區分大營子鄉測區、大城子街道測區和中心城測區3個部分，由于不同測區兩岸人口高程分布、水面坡度和流域面積不同，對集總測區的成災水位按照短板效應原則和分區方法確定。

圖2 大城子站水位流量關系解析圖

圖3 各測區調查點水位-流量與水位-人口曲線成果圖

(1)確定分部測區承載水位。以兩岸居民房屋基礎高程融合20150720洪水沿線洪水位分布，利用投影法對各分部測區淹沒情況進行分析。對各調查測區的兩岸居民淹沒影響沿河道方向洪水進行分析，其中大營子和大城子測區的成災流量依次為1560、1470m3/s，成災水位分別為61.20、45.70m。中心城區具有一定的防洪抵御能力，雖然兩岸房屋基礎高程在保護區內低于水位但并不一定成災；而在防洪保護區域范圍以外的成災水位以上部分的居住地還是易澇成災，所以應選擇地段的人口布局作為中心城區成災流量和水位，分別為1780m3/s、53.6m，各測區的水位-流量與水位-人口曲線關系如圖3所示。

(2)確定綜合成災水位。對各分部測區預警斷面與代表斷面的水位落差利用相應的成災水位進行計算分析，在不同預警斷面下確定各分部成災水位。通過以上分析，各分部測區預警斷面和代表斷面之間的計算距離為ΔL代表-水文，其中水面比降在中心城區為8‰，然后對相應的預警斷面下成災水位Z災，水文根據各測區成災水位進行計算，結果見表2。各集中居住群的承載流量根據水位流量關系和各測區成災水位推求為1550～1850m3/s范圍，綜合成災水位、流量按照短板效應原則確定為53.6m、1700m3/s。

表2 大城子站村落成災水位分析結果

2.4 影響分析

采用周邊既有方法和屬地洪水確定設計洪水，參考站選擇為下游義縣水文站并作為面積比擬法計算依據，根據當地水文手冊確定經驗公式，為提高計算結果的可靠性綜合結果選擇為多方法均值，見表3。對比表3計算成果和成災流量1700m3/s，確定該河段現狀防御能力未達到5a一遇標準。

表3 不同重現期大城子站設計洪水成果 單位：m3/s

3 預警指標

3.1 雨量預警閾值

基于成災流量1700m3/s，對不同時段雨量預警利用遼寧省洪水設計辦法和新安江模型進行試算反推。在假定洪水暴雨同頻率的基礎上，對特征時段雨量預警依據各測區成災流量重現期進行確定，見表4。值得注意的是，前置產流計算為運用反推法成果的重要條件，并且滿足流域匯流時間要低于其預警時段，本文中為6h。

3.2 特征水位

在大城子水文站下游5760m處防汛減災部門設立水位人工觀測水質，其中警戒水位為48.00m，對應于水文站點的流量為980m3/s，相應的水位為52.50m。從斷面上分析警戒水位偏低且未達到灘地，由于大凌河屬于典型的山區型河流具有暴漲暴落特征，根據20150720洪水最大漲幅1.36m/s推算，僅需要80min即可達到成災水位。由于大凌河和遼河有交匯連接點，因此綜合考慮遼河流域水位高程和水面高程差，參考遼河水位線調整，最終確定大城子水文站的保證水位、警戒水位分別為56.2、55.0m。

表4 雨量預警閾值計算結果

4 結論

本文以大凌河大城子水文站為例，依據山洪災害分析方法與調查評價技術路線開展沿河居住群高程布置和洪水研究，通過建立預警對象人口布局和預警源的關聯評價了水文站的洪水防御能力。然后基于成災流量確定了特征時段臨界雨量預警閾值和水文站點特征水位，從而有效解決了中小河流水文站無預警關聯和無歷史參考的問題，完成了水文要素影響效應和水文數值之間的有效轉變，可為其他相似流域水文站點預警指標體系的建設提供一定的技術路線。

本研究綜合考慮了大城子水文站典型河段的實際防洪能力，提出河段現狀防御能力未達到5a一遇標準。由于大凌河和遼河有交匯連接點，因此綜合考慮遼河流域水位高程和水面高程差，參考遼河水位線調整，最終確定水文站的保證水位、警戒水位分別為56.2、55.0m。流域致災臨界雨量閾值為6h面平均雨量120mm或1h流域平均凈雨強度75mm/h，本文研究成果可作為大城子水文站防汛減災工作部署的參考依據。