酉水河茅坪鎮水位站預警水位確定分析

武永輝，夏群超，巨阿迷

（漢中水文水資源勘測中心，陜西 漢中 723000）

1 測站概況

酉水河茅坪鎮水位站斷面，是酉水河上游的控制斷面。水位站位于洋縣茅坪鎮茅坪村，茅坪鎮控制斷面以上流域面積544 km2，河長47.5 km，平均比降23.8‰。

茅坪鎮水位站于2012 年6 月建成，主要收集酉水河基本水文信息，擔負著向洋縣城區和下游鄉鎮提供水情信息的任務。測驗項目包括水位、雨量。測驗方式為有人看管無人值守。從5 月1 日至11 月1 日按照24 段24 次拍發水位報文和日、旬、月降雨量報文。

2 茅坪鎮水位站預警水位確定方法

該站采用《漢中水文手冊》，按照無實測資料地區設計洪水推求方法，計算不同頻率的洪峰流量,再根據設計洪峰流量依據河道水位流量關系曲線，查得設計洪水水位，同時綜合考慮河道下游防護對象及河堤防洪標準情況，綜合確定預警水位。本站采用三種方法，分別是：經驗公式法、推理公式法、水文比擬法。

3 測驗河段斷面概況

茅坪鎮水位站斷面測驗河段順直，兩岸均為自然河岸，沙卵石河床，中低水時中泓集中，斷面沖淤變化不大，比較穩定。

基本斷面上下游200 m 無阻水建筑物，測驗河段長400 m，河寬約80 m，觀測水位的基本水尺斷面（亦即水位站斷面）位于測驗河段的中部。

3.1 水位站基本斷面情況

茅坪鎮水位站基本斷面基本情況見圖1。

圖1 酉水河茅坪鎮水位站大斷面圖

3.2 斷面水位流量關系

水位站采用曼寧公式法計算過水斷面水位流量關系，即根據實測的斷面資料計算；水面比降采用實測河段比降7.6‰；河床糙率按測驗河段特征，對照糙率表確定n=0.038。經計算，茅坪鎮水位站水位流量關系見表1。

表1 酉水河茅坪鎮水位站斷面水位流量關系表

4 防護對象及水利工程現狀

4.1 防護對象

茅坪鎮水位站位于洋縣茅坪鎮附近，上距茅坪鎮約800 m。茅坪鎮臨酉水河，在鎮上建設有防洪工程，保護鎮上居民防洪安全，防洪洪水標準10 a 一遇。水位站下游沒有較大集鎮，沿河河谷開闊階地處有居民居住，居住分散。茅坪鎮水位站所在酉水河兩岸均為自然形成的土質岸坎，右岸為x209 公路。

4.2 水利工程

茅坪鎮水位站上游有兩個低壩電站，一個水庫，卡房水庫距水位站約15 km，卡房水庫總庫容2992 萬m3，控制流域面積310 km2，占酉水河全流域面積的32.2%。該水庫于2007 年12月建成。在茅坪鎮水位站下游有宋家堰、酉水街、蕎麥山電站，均為低壩引水式電站。

茅坪鎮水位站以下35 km 處酉水河干流上為酉水街水文站。

5 預警水位（流量）確定

5.1 不同頻率設計洪水推求

（1）經驗公式法

式中：QP為頻率為P 的洪峰流量，m3/s；CP、n 為頻率為P 的經驗參數、指數。

根據經驗公式法計算不同重現期的設計洪水，計算成果見表2。

表2 茅坪鎮水位站不同重現期洪水流量成果統計表

（2）推理公式法

茅坪鎮水位站根據《漢中水文手冊》查得1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 的平均雨量及CV值和皮爾遜Ⅲ型曲線的模比系數KP值，在不同頻率下CS的3.5 倍的KP值，見表3。

表3 推理公式應用參數統計表

茅坪鎮水位站河段以上流域面積為544 km2，故本河段設計洪水采用瞬時單位線法推求。

瞬時單位線基本公式：

式中：u（o,t）為瞬時單位線的縱坐標；Γ（n）為n 的伽馬函數；n為相當于線性水庫的個數或調節次數；k 為水庫型線性蓄泄方程的匯流歷時。

瞬時單位線法匯流計算需要確定的參數為n、k，通常設m1=nk，m2=1/n。

①m1 的確定：

參數m1 為“滯時”，主要與流域特征和雨強（特別是造峰雨的強度）有關，計算公式為：

式中：F 為流域面積，km2；J 為流域內匯流河槽的平均比降，‰；m1i=10為造峰雨強度為10 mm/h 時的“滯時”，反映流域特征對匯流的影響；Lg（F）為F 的以10 為底的對數；b 為非線性關系的冪指數；i 為造峰雨的平均雨強，mm/h。

造峰雨強度按下式計算：

式中：htp為tp時段內的最大凈雨量，mm；i 為造峰雨的平均強度，mm/h；tp為造峰雨歷時，h。

根據《漢中水文手冊》，造峰雨強度不能大于臨界雨強。臨界雨強按照公式：

計算。如果i≤Ik，則直接用i 計算m1，否則取i=Ik計算m1。

②m2 的確定

m2 為反映瞬時單位線形態的參數，計算公式為：

當計算出的m2 大于1 時，取m2=1。

③參數n、k 的確定

參數n、k 通過m1、m2 計算。

根據計算得出的n 和k 值，用瞬時單位線基本公式可以直接計算出匯流曲線，也可以按照n 和（t/k）查s（t）曲線表，得到累計匯流曲線s（t），用累計匯流曲線s（t）錯時段相減，則可得出時段單位線。

即：u（Δt，t）=s（t）-s（t-Δt）

式中：u（Δt，t）為時段無因次單位線；Δt 為為時段單位線時段長，由于小流域匯流時間短，故計算時段Δt 采用1 h；t 為時間。

將u（Δt，t）轉換為以時段長為Δt、凈雨量為10 mm 的時段且有量綱的單位線，計為q（Δt，t）。計算公式為：

式中：q（Δt，t）為有因次時段單位線的縱高，m3/s。

以各時段的凈雨分別乘以單位線的縱高，并錯時段相加，既得設計洪水過程，n、k 計算參數確定見表4。

表4 不同頻率的瞬時單位線n、k 參數統計表

用瞬時單位線法推求的設計斷面不同頻率設計洪峰流量成果見表5。

表5 不同頻率設計洪峰流量成果表 單位：m3/s

（3）水文比擬法

茅坪鎮水位站與下游酉水街水文站流域自然地理，洪水特性相似，產流區相同，區間流域面積367 km2。

1）參證站基本概況

酉水水文站1958 年8 月設立，隸屬陜西省水文水資源勘測局，為省級重要水文站，位于陜西省洋縣酉水鎮八廟村，該站基本斷面以上集水面積911 km2，水文測驗項目有水位、流量、泥沙、降雨等。

2）水文比擬法推求不同頻率洪峰流量

設計流域內或產匯流條件較為相似的同一水文分區流域內有水文站實測洪水資料的，面積差不超過20%時，可將水文站作為參證站，根據參證站設計洪水計算成果，應用面積比擬法推求設計流域的設計洪水。水文比擬法計算公式：

式中：Q設p為設計控制斷面設計流量，m3/s；Q參p為參證站設計流量，m3/s；F設為設計控制斷面以上流域面積，km2；F參為參證站以上流域面積，km2；n 為指數，取2/3。

根據酉水水文站不同頻率洪峰流量，運用水文比擬法計算茅坪鎮水位站的同頻流量，計算成果見表6。

表6 茅坪鎮水位站水文比擬法不同頻率洪峰流量成果表

5.2 設計流量成果采用

本次采用地區經驗公式法、推理公式法及水文比擬法推求的洪水流量對照統計見表7。

表7 茅坪鎮水位站不同頻率洪峰流量成果對比表

從表7 可以看出，經驗公式法、推理公式法與水文比擬法計算值有一定的差別。經驗公式法與水文比擬法計算值差別不是很大，鑒于經驗公式法及水文比擬法計算設計流量均超出《漢中水文手冊》適應范圍，但是，本計算斷面與酉水街水文站同屬酉水河干流，盡管區間流域面積較大，但是產匯流特征具有較好的相關性，因此水位站控制斷面成果采用水文比擬法計算成果。

5.3 確定預警水位

根據《陜西省新建水文、水位站防汛指標確定編制大綱》第3.2.3 條，按照重現期2 a～5 a 一遇洪峰流量來確定預警水位，依據預警流量確定預警水位。即茅坪鎮水位站2 a 一遇洪水流量為352 m3/s，5 a 一遇洪水流量為669 m3/s，依據防護對象和預警水位編制大綱，水位站預警流量取值400 m3/s，根據該站率定的水位流量關系線上查得該流量的水位為670.27 m，茅坪鎮水位站預警水位確定為670.30 m（預警流量為400 m3/s）。

6 預警水位合理性分析

茅坪鎮水位站河道兩岸均為自然河坎，兩岸高程比較，左岸比右岸低，本次用左岸河坎高程與初步確定的預警水位對比，進行合理性分析。茅坪鎮水位站控制斷面左岸河坎高程674.16 m，與本次初步確定的預警水位670.30 m 的差值為3.86 m，河道右岸是安全的。

與茅坪鎮水位站下游約35 km 處的酉水街水文站警戒流量為500 m3/s 比較，茅坪水位站的預警流量采用400 m3/s 較為適宜。

從2013 年建站以來至2019 年，最大洪峰流量為882 m3/s（2013 年7 月22 日），在此期間超過預警流量的洪水有3 次，頻次達42.9%。

因此，當出現670.30 m 洪水水位后，對下游下黃莊、宋家堰電站、酉水街電站等區域能夠起到警示和防汛預警的作用。本次初步確定的水位站預警水位較為合理。

7 結論

本文通過對中小河流新建茅坪鎮水位站的基本情況進行分析，率定該站的水位流量關系，采用相應的方法，對該站的預警水位進行分析確定。當出現相應水位的洪水過程，可以對下游相關區域能夠起到警示和防汛預警的作用。結果可為水文部門的預警預報工作提供有效的科學依據，也為該地區防汛工作提供了相應的數據支撐。