洪痕水尺的構(gòu)造及應(yīng)用前景

鄧 楓

(廣東省水文局梅州水文分局，廣東 梅州 514000)

1 概述

梅州市的中小河流源短流急、洪水暴漲暴落[1]，許多中小河流沿岸人口聚集點(diǎn)防洪標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，有的甚至沒(méi)有設(shè)防[2]，隨著全球氣候變化加劇，極端天氣事件日益增多[3]，近年來(lái)梅州市中小河流暴雨洪水頻發(fā)，沿岸村鎮(zhèn)受災(zāi)嚴(yán)重，因此加強(qiáng)中小河流沿岸人口聚集點(diǎn)的預(yù)警預(yù)報(bào)能力是當(dāng)前迫切的任務(wù)。

目前梅州市已經(jīng)建成32個(gè)中小河流水文(位)站點(diǎn)，新建水文(位)站點(diǎn)的中小河流地區(qū)，預(yù)報(bào)方案雖然已經(jīng)初步建立，但是中小河流沿岸的人口聚集點(diǎn)成百上千，且大部分地點(diǎn)距離中小河流站點(diǎn)較遠(yuǎn)，洪水預(yù)報(bào)無(wú)法拓展到這些人口聚集點(diǎn)，建立人口聚集點(diǎn)預(yù)報(bào)方案需要解決洪水資料搜集問(wèn)題[4]。在沒(méi)有水文(位)站點(diǎn)的中小河流人口聚集點(diǎn)可以通過(guò)調(diào)查洪痕確定一場(chǎng)洪水過(guò)程中的洪峰水位[5]，洪痕是河流某次最大洪水過(guò)后遺留下的最高洪水位的痕跡，是推求洪水位的重要依據(jù)[6]，但在洪痕調(diào)查中發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：

1) 洪痕保存不清晰，洪水過(guò)后，當(dāng)?shù)鼐用駷榱朔课菝烙^會(huì)對(duì)房屋洪痕進(jìn)行清洗，或者由于年代久遠(yuǎn)造成洪痕保存不清晰。

2) 洪痕點(diǎn)位置不固定，不同場(chǎng)次洪水會(huì)在不同位置留下洪痕，洪痕點(diǎn)上下游會(huì)產(chǎn)生水位差，需換算成統(tǒng)一水位，但是無(wú)法準(zhǔn)確獲得上下游洪水比降，只能通過(guò)水力學(xué)公式計(jì)算，會(huì)造成一定的誤差。

3) 同一地點(diǎn)洪痕混亂，不同場(chǎng)次洪水會(huì)在同一位置留下洪痕，有的洪痕由于年代久遠(yuǎn)會(huì)造成無(wú)法對(duì)應(yīng)上洪水發(fā)生場(chǎng)次，無(wú)法形成完整的資料序列。目前我們采用的預(yù)報(bào)方案是上下游水位及區(qū)間降雨相關(guān)，如果在調(diào)查洪痕的時(shí)候發(fā)生混亂，無(wú)法建立起上下游水位及區(qū)間降雨相關(guān)關(guān)系，對(duì)預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建及預(yù)報(bào)精度有很大影響。

4) 水利工程影響洪痕調(diào)查，當(dāng)發(fā)生較大的洪水時(shí)，由于當(dāng)?shù)睾拥谭篮闃?biāo)準(zhǔn)比較高，洪水未漫過(guò)河提，很難在河道內(nèi)找到洪痕，無(wú)法在洪水資料基礎(chǔ)上建立可拓展至超堤防標(biāo)準(zhǔn)洪水的預(yù)警方案，當(dāng)發(fā)生超堤防標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)不能進(jìn)行有效的預(yù)報(bào)預(yù)警。

綜上，有必要探討洪痕資料的搜集問(wèn)題，本文介紹使用洪痕水尺解決洪水洪峰資料搜集問(wèn)題，洪痕水尺[7]是一種可以記錄洪水洪峰水位的水尺，由廣東省水文局梅州水文分局水情人員開(kāi)發(fā)，將洪痕水尺安裝在中小河流沿岸的人口聚集點(diǎn)一固定河岸，可以記錄洪水過(guò)程中該點(diǎn)洪峰水位，目前這種洪痕水尺已經(jīng)在梅州市部分中小河流人口聚集點(diǎn)安裝，梅州市水系及各水文(位)站點(diǎn)分布示意見(jiàn)圖1。

圖1 梅州市水系及各水文(位)站點(diǎn)分布示意

2 洪痕水尺使用原理

2.1 洪痕水尺的構(gòu)造

洪痕水尺的小管為透明PVC材質(zhì)，每個(gè)小管長(zhǎng)為 10 cm，直徑為4 cm，每個(gè)小管由1段直管和1段彎管組成，彎管的上部突出，下部與直管平齊，形成斜切面(作用：保證雨水不會(huì)進(jìn)入管中，而河水上漲時(shí)能進(jìn)入管中)。10個(gè)小管長(zhǎng)度為1 m，1個(gè)水尺測(cè)量 1 m，將10個(gè)小管固定在一段1.2 m長(zhǎng)的鐵尺上，鐵尺與角鐵通過(guò)螺栓連接，鐵尺上端有1個(gè)固定栓，下端有1個(gè)可插拔的活動(dòng)栓，旋開(kāi)鐵尺下端可插拔活動(dòng)栓的螺絲，鐵尺可在平面上繞固定栓360°轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到倒出每個(gè)PVC小管中的水。角鐵為耐腐蝕的鍍鋅不銹鋼制作而成，厚3 cm，寬6 cm，角鐵可插入土中，起到固定洪痕水尺的作用，角鐵下部設(shè)有螺絲孔洞，可通過(guò)螺栓連接與另一段角鐵固定，增加角鐵下部入土部分長(zhǎng)度，在實(shí)際安裝過(guò)程中，可根據(jù)安裝地點(diǎn)的土質(zhì)松軟度，相應(yīng)接長(zhǎng)角鐵下部入土深度，以達(dá)到固定洪痕水尺的作用。洪痕水尺結(jié)構(gòu)構(gòu)造見(jiàn)圖2。

圖2 洪痕水尺結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意

2.2 洪痕水尺的工作原理及使用方法

洪痕水尺是直立式水尺，需垂直于水平面安裝，依照河岸不同高程(高程每隔1 m)設(shè)立1只水尺(根據(jù)需要記錄的高程范圍設(shè)定)，使用全站儀進(jìn)行校準(zhǔn)，調(diào)整洪痕水尺的平面位置，確保所有洪痕水尺在同一個(gè)斷面上，以第1只洪痕水尺的零點(diǎn)高程作為假定高程。當(dāng)洪水上漲時(shí)，水位達(dá)到的地方，小管內(nèi)部會(huì)裝滿水(上部彎管可保證雨水不會(huì)或少量進(jìn)入，避免雨水進(jìn)入小管造成讀數(shù)誤差)，洪水消退后水也會(huì)留存在小管內(nèi)。洪水過(guò)后需人工觀測(cè)記錄，觀察裝滿水的小管，水尺零點(diǎn)高程加上最高的小管所對(duì)應(yīng)的刻度即為該河道斷面的洪峰水位(精度為0.1 m)。若要提高洪痕水尺的記錄精度，可將洪痕水尺進(jìn)行錯(cuò)位安裝，同1 m安裝2支洪痕水尺，即將1支水尺跟另1支水尺安裝高度相差0.05 m，可將水尺的記錄精度提高1倍，提升至0.05 m，同理，這種錯(cuò)位安裝可增加同1 m的安裝數(shù)量(n)來(lái)提高記錄精度，精度為0.1m/n，n為同1 m高度中錯(cuò)位安裝的水尺數(shù)量。記錄后將鐵尺下端與角鐵固定的螺絲旋開(kāi)，旋轉(zhuǎn)至一定角度讓小管中的水全部流出(清零)，下次洪水繼續(xù)使用。目前洪痕水尺已經(jīng)在梅州市的樟溪河、差干河、程江、東石河、河頭河、松源河、龍虎圩水、黃陂河、羅崗河、銀江、梅潭河和豐良河等12條中小河流的26處人口聚集點(diǎn)安裝，部分中小河流人口聚集點(diǎn)洪痕水尺現(xiàn)場(chǎng)安裝示意見(jiàn)圖3。

圖3 部分中小河流人口聚集點(diǎn)洪痕水尺現(xiàn)場(chǎng)安裝示意

2.3 洪痕水尺安裝注意事項(xiàng)

1) 為了保證洪水資料搜集的準(zhǔn)確性，恰當(dāng)?shù)剡x取洪痕水尺安裝地點(diǎn)是十分重要的。首先選擇在人口聚集點(diǎn)的河流河段，其次要選擇河槽比較平整、河床穩(wěn)定、抗蝕能力比較強(qiáng)、斷面的變化比較小以及受人類(lèi)活動(dòng)影響較小的河流河段[8]，避免洪水過(guò)后洪痕水尺基底改變而造成高程變動(dòng)。

2) 在安裝洪痕水尺時(shí)應(yīng)避免迎流，將角鐵外側(cè)朝向上游，從而起到保護(hù)洪痕水尺的作用，避免在洪水過(guò)程中受到水流及漂浮物的沖擊。

3) 安裝洪痕水尺高度要比河流的日常高水位要高，根據(jù)防洪經(jīng)驗(yàn)及河流特性，恰當(dāng)?shù)剡x取一定洪水水位范圍的進(jìn)行安裝，一般最低記錄點(diǎn)與小洪水或常遇洪水水位接近，低于成災(zāi)水位；最高記錄點(diǎn)一般高于近年調(diào)查洪痕的最高水位，或根據(jù)需要，高于成災(zāi)水位一定高度。

4) 與當(dāng)?shù)氐暮影督ㄔO(shè)相匹配，外觀應(yīng)簡(jiǎn)潔美觀。

2.4 洪痕水尺的缺點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)

1) 發(fā)生洪水后需要盡快安排人員前往洪痕水尺安裝地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄，如果間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)洪痕水尺小管內(nèi)的水可能會(huì)蒸發(fā)而造成洪峰水位記錄不準(zhǔn)確。

2) 洪痕水尺需要人工進(jìn)行觀測(cè)記錄，當(dāng)流域內(nèi)多點(diǎn)發(fā)生洪水時(shí)，工作量較大。

3) 需選擇基底穩(wěn)定的地點(diǎn)安裝，如安裝地點(diǎn)土質(zhì)松軟可通過(guò)增加角鐵入土深度和澆注混凝土來(lái)固定洪痕水尺，但在遭遇大洪水時(shí)，洪水中的固體漂浮物可對(duì)洪痕水尺造成一定程度的破壞。

3 應(yīng)用前景

3.1 洪痕水尺的優(yōu)點(diǎn)

1) 可靠性高，安裝洪痕水尺可以解決當(dāng)前洪痕調(diào)查中所面臨的各種問(wèn)題，進(jìn)一步提高洪水水文資料的三性(可靠性，一致性，代表性)[9]；同時(shí)洪水資料搜集比較完整，一些未漫過(guò)河提的洪水也能搜集到洪峰水位，對(duì)于預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建和提高預(yù)報(bào)精度有很大的幫助。

2) 使用洪痕水尺可以有效節(jié)省洪水發(fā)生過(guò)程中的人力物力，當(dāng)流域內(nèi)多處地點(diǎn)發(fā)生洪水時(shí)，人員比較緊張，無(wú)法兼顧到每一個(gè)洪水發(fā)生點(diǎn)，而使用洪痕水尺可以解決洪水過(guò)程中人力緊張的問(wèn)題，可在洪水結(jié)束后再往觀測(cè)。

3) 洪痕水尺構(gòu)造簡(jiǎn)單實(shí)用，操作簡(jiǎn)便，洪水過(guò)后清零可反復(fù)使用。

4) 性?xún)r(jià)比高，適合大面積推廣。在1個(gè)人口聚集點(diǎn)安裝洪痕水尺約需兩三千元，中小河流沿岸人口聚集點(diǎn)成百上千，使用洪痕水尺可大大減少投入費(fèi)用。

3.2 構(gòu)建預(yù)報(bào)方案

1) 一場(chǎng)洪水過(guò)后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行觀測(cè)記錄，通過(guò)洪痕水尺記錄下該洪水場(chǎng)次河流斷面的最高水位。通過(guò)搜集資料、統(tǒng)計(jì)分析，建立這些人口聚集點(diǎn)洪峰水位與中小河流水文(位)站點(diǎn)水位及區(qū)間雨量相關(guān)關(guān)系，可進(jìn)行上下游洪水相關(guān)圖預(yù)報(bào)方案制作[10]。

2) 水文預(yù)報(bào)模型和系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人口聚集點(diǎn)的流量預(yù)報(bào)，將洪痕水尺作為配套工具搜集洪峰水位，當(dāng)有實(shí)測(cè)洪峰流量時(shí)，可通過(guò)實(shí)測(cè)洪峰流量建立起洪峰水位流量關(guān)系；無(wú)實(shí)測(cè)洪峰流量時(shí)，可采用水文預(yù)報(bào)模型流量預(yù)報(bào)結(jié)果與洪痕水尺搜集到的洪峰水位建立水位流量關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)模型流量預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)化為水位預(yù)報(bào)成果，直觀的為防洪服務(wù)對(duì)象作出洪水預(yù)警。

3.3 洪水比降觀測(cè)

可根據(jù)需要設(shè)定不同的洪痕水尺記錄精度，在上下游需要觀測(cè)比降時(shí)作為工具臨時(shí)安裝測(cè)量，并可作為測(cè)量工具，拆裝到其他觀測(cè)點(diǎn)，記錄洪峰水面比降。

水面比降S是指沿水流方向單位水平距離內(nèi)鉛直方向的落差[11]，比降反映了江河水力特征，水面比降計(jì)算公式為：

(1)

式中:

Z上——上游洪痕水尺斷面洪峰水位；

Z下——下游洪痕水尺斷面洪峰水位；

L——上下游洪痕水尺斷面之間的水平距離，從而算出洪峰水面比降。

3.4 水面線計(jì)算

天然河道水面線的計(jì)算，就是根據(jù)河道地形、斷面資料、糙率、比降等資料，推求該河段某個(gè)斷面處在某一流量下的水位，據(jù)此可連接一條對(duì)應(yīng)于該流量的水面線。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果不合理等情況，需要對(duì)水面線計(jì)算進(jìn)行合理性分析，可將洪痕水尺搜集到的洪水水文資料進(jìn)行水面線計(jì)算合理性驗(yàn)證，通過(guò)設(shè)計(jì)洪峰流量查找洪痕水尺斷面相應(yīng)水位，再與設(shè)計(jì)水面線結(jié)果相對(duì)比，其誤差的大小可以檢驗(yàn)水面線的合理性，若誤差大，可根據(jù)水位擬合情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，例如對(duì)河道糙率的率定，可枚舉多組糙率進(jìn)行試算，采用實(shí)測(cè)水面線試糙法可確定不同水位下的河道糙率，再行計(jì)算，直至洪痕水尺斷面計(jì)算水位與實(shí)際水位相符[12]，從而使水面線計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 洪痕水尺能滿足洪水過(guò)程中記錄洪峰水位的需要，解決了洪水過(guò)程中人力緊張的問(wèn)題，可靠性高，操作簡(jiǎn)便，性?xún)r(jià)比高。

2) 洪痕水尺可作為工具進(jìn)行洪峰水面比降觀測(cè)，洪峰水面比降是表示水流的重要水力要素，對(duì)流量計(jì)算、糙率計(jì)算、水位流量關(guān)系延長(zhǎng)均有重要的作用[11]。

3) 通過(guò)安裝洪痕水尺搜集洪水資料可以驗(yàn)證水面線計(jì)算的合理性并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，使得水面線計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際。

4) 通過(guò)安裝洪痕水尺搜集洪水資料，可揭示河流洪水事件的發(fā)生規(guī)律[13]，并根據(jù)防護(hù)對(duì)象特點(diǎn)和需求，編制預(yù)報(bào)方案，將目前河流單點(diǎn)單站預(yù)報(bào)提升為多點(diǎn)預(yù)報(bào)，河流分段估報(bào)。隨著洪水水文資料的不斷搜集完善，中小河流人口聚集點(diǎn)的預(yù)警預(yù)報(bào)能力和精度會(huì)得到進(jìn)一步提高。待方案成熟后可以推廣到其他中小河流，若效果良好，可以更大范圍推廣使用，也可用于大江大河洪水記錄。