江河堤防現狀防洪能力評價方法研討

姜 辛，吳明官

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

1 概 述

1.1 文件要求

黑龍江省人民政府防汛抗旱指揮部辦公室以黑汛辦[2018]20號文下發了《關于開展三江干流及七大城市現狀防洪能力復核工作的通知》，通知中指出：為了深入貫徹落實全國國土綠化、森林防火和防汛抗旱工作電視電話會議精神，切實做好防汛準備工作，確保我省安全度汛，經領導同意，擬對黑龍江、松花江、嫩江和哈爾濱、齊齊哈爾、牡丹江、佳木斯、大慶、伊春、黑河等7座城市開展現狀防洪能力復核工作，并于2018年汛前完成預案編制工作。

1.2 防洪能力評價指標

一般江河的防洪能力由堤防防洪能力、河道泄洪能力和蓄滯洪區的分洪、滯洪、蓄洪能力等組成，本次只研究其中的堤防防洪能力。河道泄洪能力，通過河道整治，可保護堤防安全、擴大河道泄洪能力，具體而言，河道泄洪能力可通過河道疏浚拓寬、清障等工程措施后的宣泄能力來進行評價。

堤防防洪能力是沿江河最基本的工程措施防洪能力，目前常規情況下，可通過以下4個指標來進行評價：①防洪堤壩長度比例(堤壩長度占河流總長度的比例)，反映堤防的普及率；②堤防達標率，反映堤防質量；③堤防保護人口比例(堤防保護人口占當地總人口的比例)，反映堤防對人的保護能力；④堤防保護耕地面積比例(堤防保護耕地面積占當地總耕地面積的比例)，反映堤防對耕地的保護能力。

另外，本次緊密結合黑龍江省每年的江河防汛工作實際情況，特提出了防汛特征水位相應的上等、中等、下等三級評價指標，即統計上等堤、中等堤、下等堤的長度，分別占堤防總長度比例。

1.3 問題的提出

2018年6月，黑龍江省水利水電勘測設計研究院編寫的《松花江干流現狀防洪能力復核報告》等三大江和七大城市2018年度現狀防洪能力復核成果中發現，大家普遍缺乏對防汛部門常用的防汛特征水位的了解和評價。因此，本次緊密結合黑龍江省防汛搶險工作的實際情況，首次提出防汛特征水位法評價江河現狀防洪能力的具體方法。

對江河而言，一般有設計洪水位、保證水位、警戒水位、正常水位、農業用水限制水位、城鎮及工業用水限制水位等特征水位，故設計洪水位、保證水位、警戒水位等統稱為防汛特征水位；正常水位、農業用水限制水位(又稱：灌溉警戒水位和城鄉供水保證水位)、城鎮及工業用水限制水位(又稱：城鄉供水警戒水位)等統稱為抗旱特征水位。

2 設防水位

設防水位是指汛期河道堤防已經開始進入防汛階段的水位，即江河洪水漫灘以后，堤防開始臨水，需要防汛人員巡查防守。此時，堤防管理單位由日常的管理工作進入防汛階段，開始組織人員進行巡堤查險，并對汛前準備工作進行檢查落實。設防水位是由防汛部門根據歷史資料和堤防的實際情況確定的警戒水位和保證水位。

3 警戒水位

警戒水位是防汛部門規定的江河堤防需要處于防守戒備狀態的水位。到達該水位時，防汛部門要加強戒備，密切注意水情、工情、險情發展變化，在防守堤段或區域內增加巡邏查險次數，開始日夜巡邏，由有關領導組織部分防汛隊伍上堤，做好可能出現更高水位的防洪搶險人力、物力的準備工作。

警戒水位是防汛部門根據長期防汛搶險的規律、保護區重要性、河道洪水特性及防洪工程變化等因素，經分析研究并上報核定。當水位繼續上漲達到某一水位，防洪堤可能出現險情，此時防汛護堤人員應加強巡視，嚴加防守,隨時準備投入搶險,這一水位即定為警戒水位。

游蕩型河道，由于河勢擺動，在警戒水位以下也可能發生塌岸等較大險情。大江大河堤防保護區的警戒水位，多取定在洪水普遍漫灘或重要堤段開始漫灘偎堤的水位。此時河段或區域開始進入防汛戒備狀態，有關部門進一步落實防守崗位、搶險備料等工作，跨堤涵閘停止使用。該水位主要是防洪部門根據長期防汛實踐經驗和堤防等工程出險基本規律分析確定的。

4 保證水位

保證水位高于警戒水位，但低于堤防設計洪水位(又稱：最高安全水位)。它是防洪工程所能保證安全運行的水位，或者說，它是防汛部門根據江河堤防情況規定上限水位。當時，防汛部門要保證堤防的安全，使工程在渡汛方案及防洪調度上處于安全防御地位。

保證水位的擬定是根據河流曾經出現的最高水位及堤防所能防御的設計洪水位為依據，考察上下游關系，干支流關系、左右岸關系以及保護區的重要性，進行綜合分析、合理擬定，并經上級主管部門批準。

當江河水位超過保證水位，防汛部門將依據《防洪法》動員全社全力量抗洪搶險，加高加固堤防，使河道處于強迫行洪狀態。或者根據對上游水勢和本地防洪工程承受能力的分析，在必要時，防汛部門按照事先制訂的預案，采取向蓄滯洪區有計劃分洪、滯洪、蓄洪，清除河障、限制沿河泵站排澇等非常措施，目的是犧牲局部，確保全局安全，減少更大的洪災損失，爭取防汛工作的主動權。

保證水位：按照防洪堤防設計標準,應保證在此水位時堤防不潰決。保證水位是制定保護對象渡汛方案的重要依據，也是體現防洪標準的具體指標。保證水位主要依據工程條件和保護區國民經濟情況、洪水特性等因素分析擬定，報上級主管部門核定并下達。在多沙河流，防汛保證水位可以隨河道泥沙演變規律和工程情況的變化而改變。

5 松干防汛特征水位

為了便于介紹本方法，下面先介紹1998年8月黑龍江省防汛辦報汛成果與2011年4月由黑龍江省防汛抗旱指揮部辦公室和黑龍江省水文局編制的《黑龍江省江河防汛特征水位修訂報告(送審稿)》特征水位比較成果，詳見后面的比較表即可。

6 防洪堤特征水位

根據要評價的堤防位置，在某河流的防汛特征水位表中，先確定相應的警戒水位和保證水位的范圍。如：通河縣西部澇區防洪堤位于松花江左岸，木蘭縣木蘭鎮至通河縣通河鎮控制斷面之間，警戒水位為108.86-103.80m，保證水位為110.22-104.00m。

然后再依據現狀防洪堤的詳細位置、基本資料等實際情況，選擇合適的計算方法，并推求每堤段的特征水位。

6.1 方法1

當相鄰兩個控制斷面的距離較近時，可以采用方法1，否則誤差較大。

H=H0+△H，△H=J×L，J=(H2-H1)/△L

(1)

式中：H為堤防某位置的防汛特征水位，m；H0為某河流防汛特征水位表中起始控制斷面的特征水位，m；△H為起始控制斷面至堤防某位置的水位差，m；L為起始控制斷面至堤防某位置的長度，m；J為特征水位的水面比降；H2、H1為某河流防汛特征水位表中上、下控制斷面的特征水位，m，△L為某河流防汛特征水位表中上、下控制斷面間的長度，m。

6.2 方法2

當要評價的防洪堤位于某河段水面線計算斷面附近或相鄰兩個計算斷面之間時，可以采用已知計算斷面的水位流量關系曲線，插補該防洪堤的特征水位即可。具體的方法是在某河流的防汛特征水位表中，先確定兩個控制斷面后，根據已知的特征水位和水位流量關系曲線，查得特征水位相應的流量，并取其兩個控制斷面流量的平均值作為本防洪堤特征水位相應的流量，再由該流量查得相鄰兩個計算斷面的水位后，采用方法1求得堤防某位置的防汛特征水位。

6.3 方法3

當相鄰兩個控制斷面的距離較遠時，可以采用常用的天然河道水面線計算方法，即方法3。具體的計算方法為先根據警戒水位、保證水位等防汛特征水位，在起始斷面的水位流量關系曲線上，查得相應的流量后，再依據該流量和計算斷面資料，采用穩定非均勻流公式，通過試算法推求相應流量的水面線，可推求現狀防洪堤的防汛特征水位。

天然河道水面線計算中，常用簡化公式法和迭代試算法。

1)簡化公式法

ΔZ=Q2×L/K2

(2)

式中：ΔZ為上、下斷面的水位差，m；L為河段長，m；Q為計算河段的流量，m3/s；K為河段平均流量模數。

2)迭代試算法

Z(k+1)=aZ(k)+(1-a)ZZ(k)，a(0，1)

(3)

式中：Z為假定水位，m，ZZ為計算水位，m；a為迭代系數；k為迭代次數。

總之，河段內的沿程流速及上下斷面變化較大時，已不滿足簡化公式的基本假定，所以常出現“死循環”的現象。遇到這種情況時，一般采用如下幾種處理方法。

1)在計算河段內加密適當的橫斷面，使得加密后的河段內，近似滿足簡化公式的基本假定。

2)改變迭代系數a，改善收斂進程。

3)放寬允許誤差范圍。

4)上下游各流量級水位協調法。

在此基礎上，考慮流速水頭和局部水頭損失，并且采用黃金分割(優選)法，可以解決“死循環”的難題。

6.4 方法4

當河流上無實測大橫斷面測量資料(如：國境界河黑龍江等)時，無法采用方法2和方法3推求現狀防洪堤的特征水位。因此，針對這種情況，特提出如下的計算方法。該方法的前提條件是河流沿岸必須具備實測洪痕測量成果，否則無法采用方法4。具體的計算公式為：

H=H0+△H，△H=K×L，K=(△H2-△H1)/△L

(4)

式中：H為堤防某位置的防汛特征水位，m；H0為現狀防洪堤位置的實測洪痕高程，m；△H為特征水位和實測洪痕高程的水位差，m；L為起始控制斷面至堤防某位置的長度，m；K為特征水位與實測洪痕高程差的斜率，△H2、△H1為上、下控制斷面特征水位與實測洪痕高程的差，m；△L為某河流防汛特征水位表中上、下控制斷面間的長度，m。

6.5 優缺點分析

1)方法1：主要優點是簡單易用，工作效率高，節省時間；主要缺點是兩個控制斷面的距離較遠時，計算精度較差。

2)方法2：主要優點是已有不同設計頻率的天然河道水面線成果，即各計算斷面均有水位流量關系曲線時，采用方法1推求防汛特征水位的計算精度較高，而且計算方法較簡單；主要缺點是水位流量關系曲線外延部分的計算精度無法保證。

3)方法3：主要優點是計算成果精度高，理論基礎牢固，方法可靠；主要缺點是工作效率低，計算工作量大。

4)方法4：主要優點是無河流大橫斷面測量資料時，采用方法2和方法3無法解決的問題，采用方法4就可以解決；主要缺點是無實測洪痕測量資料時，無法完成推求防汛特征水位的任務。

上述的計算方法各有其優缺點，因此，不能簡單地用某一個實例來判斷，哪一個方法好，而是在實際的工作中應取長補短，優勢互補為好。

7 現狀防洪堤重現期估算

當現狀防洪堤的特征水位Hx，在已有不同防洪標準成果的范圍內，即H1< Hx

Tx=(T2-T1)(Hx-H1)/(H2-H1)+T1

(5)

Tx=T1(Hx/H1)m，m=ln(T2/T1)/ln(H2/H1)

(6)

式中：H1、H2分別表示相鄰兩個防洪標準對應的特征水位，m；T1、T2為分別表示相鄰兩個防洪標準對應的重現期，a；m為重現期T與特征水位H關系曲線的指數；Hx、Tx分別表示現狀堤防的堤頂高程、現狀水面線、警戒水位、保證水位等特征水位及相應的重現期。

公式1的主要優點是現狀堤防的堤頂高程、現狀水面線、警戒水位、保證水位等特征水位H與重現期T接近于線性關系時，計算精度較高，主要缺點是H與T屬于非線性關系時，計算精度不如公式2成果。

公式2的主要優點是特征水位H與T屬于非線性關系時，計算精度較高，而且Hx超出H1和H2范圍(HH2)時，采用公式2估算Tx，計算精度稍差，但仍保證一定的允許精度。主要缺點是H與T屬于直線關系時，計算精度不如公式1成果。

公式1和公式2各有其優缺點，因此，不能簡單地用某一個實例來判斷，哪一個公式優，而是在實際的工作中應取長補短，優勢互補為佳，并作為互相檢驗成果的有效方法。

8 現狀防洪能力評價

在江河現狀防洪能力復核成果的基礎上，先進行防洪能力評價工作，然后針對現狀防洪工程存在的問題，再根據當年的防汛特點和具體要求(詳見黑汛辦[2018]20號文)，提出應對不同洪水情況下的防洪搶險預案。

8.1 設計與現狀水面線比較

比較設計與現狀水面線目的主要是在設計洪峰流量的情況下，要確定現狀水位的重現期或頻率，當現狀已達到設計的前提條件(如：河道內清障等完工后)時，現狀的水面線就是設計水面線成果，即現狀與設計的重現期相同。

8.2 現狀與警戒水位比較

比較現狀水位與警戒水位的目的主要是在設計洪峰流量的情況下，要確定現狀水位與警戒水位差值是否有足夠的安全裕度等。

8.3 現狀與保證水位比較

比較現狀水位與保證水位的目的主要是在設計洪峰流量的情況下，要確定現狀水位與保證水位差值是否有安全裕度等。

我國幅員遼闊，不同地區礦產資源的成分不同，水泥的生產工藝不盡相同，生產的水泥品種也不同；同一強度等級的水泥，熟料的礦物組成也可能存在較大差異。這些差異導致在實際應用中經常會出現混凝土外加劑與水泥不相容的問題。在混凝土配比相同的情況下，相同摻量、相同品種的混凝土外加劑常常會由于水泥品種不同，其應用效果的差異較大。同種混凝土外加劑在某種水泥中的應用效果較好，而在其他種類水泥中的應用效果可能會較差，甚至出現相反的效果，導致質量事故。

8.4 現狀堤頂高程與防汛特征水位比較

主要確定現狀堤頂高程與警戒水位、保證水位的高程差，并分析是否符合該堤段的超高值等，而且根據警戒水位、保證水位等防汛特征水位，判定現狀防洪堤的安全程度等。

8.5 穿堤建筑物

防洪堤上的穿堤建筑物主要有排水閘、灌溉站、排水泵站、城鎮供水工程等，每一座穿堤建筑物可能成為該堤段的險工弱段，因此，重點要排查穿堤建筑物，是否正常運行等。

8.6 常規防洪能力評價

目前，常規的堤防現狀防洪能力評價指標有防洪堤壩長度比例、堤防達標率、堤防保護人口比例和保護耕地面積比例，按這4個常規評價指標，進行評價江河現狀防洪能力。

8.7 綜合評價

根據上述的分析結論，綜合判定江河防洪堤的現狀防洪能力。另外，本次建議增加防汛特征水位相應的統計上等堤、中等堤、下等堤長度，分別占堤防總長度比例需要重點補充。

9 分析與討論

目前，在江河現狀防洪能力評價工作中常用的評價指標有：①防洪堤壩長度比例——簡稱：堤防普及率；②堤防達標率；③堤防保護人口比例——簡稱：人口保護率；④堤防保護耕地面積比例——簡稱：耕地保護率等。文章在此基礎上，首次提出了防汛特征水位評價指標，故進行如下的分析與討論。

9.1 堤防普及率

新中國成立后，迄今為止近70a來，大江大河的治理成果顯著，在這種情況下，不同河流的堤防普及率高低，難于確定江河現狀防洪能力的高低或好與差。如：黑龍江省境內的黑龍江、松花江、嫩江(簡稱：三大江)，單純的堤防普及率而言，嫩江最高、松花江次之、黑龍江最低，而三大江現狀防洪能力來看，嫩江不一定最高，黑龍江不一定最低。這個實例說明，常用的堤防普及率，對于防汛工作者而言，實用性較差，只作為統計成果。

9.2 堤防達標率

實際上，常規評價指標的堤防達標率與上等堤比重的關系非常密切，即堤防達標率越高，上等堤所占比重越大；反之，堤防達標率越低，中等堤和下等堤所占比重越大，上等堤所占比重越小。達標堤與上等堤的具體關系——達標堤一定是上等堤，而上等堤不一定是達標堤，兩個堤為不可互逆的關系(達標堤→上等堤)，原因是上等堤雖然高程上達標，但堤防質量上不一定達標。因此，堤防達標率是非常重要的評價指標，而防汛特征水位(上等堤、中等堤、下等堤)三級評價指標為堤防達標率最好的驗證及補充，不僅可以作為重要的統計成果，更重要的是在實際的防汛工作中將起到提前防洪搶險的重要依據。

9.3 人口保護率

防洪堤保護區內的人口保護率計算，關鍵是如何確定當地的總人口，這個總人口對于人口保護率影響較大，應該引起足夠的重視。一般情況下，總人口指每段堤防所屬的行政村屯、鄉鎮等范圍內的部分人口，往往出現統計范圍過大或偏小等不確定情況，這時候更應該特別注意。

9.4 耕地保護率

防洪堤保護區內的耕地保護率計算，關鍵是如何確定當地的總耕地面積，這個總耕地面積對于耕地保護率影響較大，也應該引起足夠的重視。一般情況下，總耕地面積指每段堤防所屬的行政村屯、鄉鎮等范圍內的部分耕地面積，往往出現統計范圍過大或偏小等不確定情況，這時候更應該特別注意。

9.5 防汛特征水位評價指標

在實際的防汛工作中，往往需要事先知道所有防洪堤段的特征水位及防洪能力評價數據，而現有成果來看，滿足不了這種需求，因此，根據某河流的防汛特征水位表等已有成果，為了在防洪搶險的實際工作中爭取主動權，需要補充所有防洪堤段的特征水位。推求現有防洪堤防汛特征水位的主要目的就是根據每段防洪堤的特征水位，準確判別現狀防洪堤中的一般、重點、全力防洪搶險的對象，并列出詳細的統計表。

具體的判別方法：現狀堤防頂高程減去超高后水位Hx，若Hx高于保證水位，則該防洪堤可列為一般防洪搶險對象；若Hx高于警戒水位，Hx又低于保證水位，則該防洪堤可列為重點防洪搶險對象；若Hx低于警戒水位，則該防洪堤可列為全力(指可調動的人力、財力、物力)防洪搶險對象。

通過上述的評價過程，把整個現有防洪堤，可以歸類為一般、重點、全力防洪搶險的3種情況，即把河流的現狀防洪能力劃分為上(一般防洪)、中(重點防洪)、下(全力防洪)三級，其中：三大江和七大城市的防洪堤現狀大多數屬于一般情況，即現狀防洪能力為上等，故當遭遇常遇洪水(約20a一遇)時，就可以大大地縮小防汛工作范圍，減輕防洪壓力，節省盲目全線投入防洪搶險的三力(人財物)，這樣就可以集中力量對重點(中等堤)和全力(下等堤)防洪搶險的防洪堤，采取工程措施，盡量把洪災損失降到最低程度。

總之，在江河現狀防洪能力的評價結論中，應該分別統計上等堤、中等堤、下等堤長度，各占總長度的比例等有關指標，并列出詳細的統計表，以此作為編制防洪搶險預案的基礎。

10 結 語

經過多年防汛實踐中體會到，實際的江河防汛工作進入每年(6—9月)汛期后，當遭遇較大洪水時，防汛人員分堤段專人負責，這時候位于局部堤段的防汛人員，并不清楚省防汛辦報汛中提供的某控制斷面洪水位高于警戒水位，或高于保證水位多少等重要特征水位，對本防洪堤的實際意義和作用。這是由于迄今為止歷年編制的所有《江河現狀防洪能力評價報告》中，無法查到大多數堤防的警戒水位、保證水位等防汛特征水位的緣故。

為了在全省江河防汛工作中爭取主動權，于2011年4月，黑龍江省防汛抗旱指揮部辦公室和黑龍江省水文局編制了《黑龍江省江河防汛特征水位修訂報告(送審稿)》，該修訂報告中只提供了少數控制斷面的警戒水位和保證水位，而大多數堤防的防汛特征水位仍然無法查到。

因此，從全省江河防汛工作的實際情況出發，在該修訂報告成果的基礎上，首先急需提供全省大江大河和重點城市所有防洪堤的防汛特征水位，主要目的是當遭遇較大洪水時，以便提前開展防洪搶險工作；當遭遇特大洪水等稀遇洪水時，從全局角度統籌安排，即集中力量防洪搶險重點堤防，放棄非重點堤防等，給江河防汛搶險工作提供可靠依據。然后陸續逐年分期分批補充全省其它重要河流和縣城防洪堤的防汛特征水位及現狀防洪能力評價成果。松花江干流防汛特征水位成果比較表，見表6。

為了修改、補充和完善由黑龍江省水利水電勘測設計研究院編寫的《松花江干流現狀防洪能力復核報告》等三大江和七大城市2018年度現狀防洪能力復核成果，并推廣應用本評價方法。

表1 松花江干流防汛特征水位成果比較表

續表1 松花江干流防汛特征水位成果比較表