大荊水位站預(yù)警水位分析探討

張 歡

（商洛水文水資源勘測中心,陜西 商洛 726000）

為了做好重要河段的防汛工作,最大限度減輕生命傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,掌握河道洪水的漲落變化情況很重要。自動(dòng)水文（水位）站建成后,如何發(fā)揮好耳目作用,需要利用水文（水位）站自動(dòng)水位信息開展預(yù)警、預(yù)報(bào)工作,為實(shí)施防、搶、撤工作決策提供科學(xué)依據(jù)。預(yù)警水位、預(yù)警流量是防汛應(yīng)急響應(yīng)啟動(dòng)的重要指標(biāo)之一,防汛指揮部門根據(jù)水文部門發(fā)布的水位及洪水預(yù)警,適時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)。由于自動(dòng)水位站只監(jiān)測水位信息,確定預(yù)警水位,就成了首要任務(wù),需要應(yīng)用技術(shù)方法分析確定。本文對大荊水位站的預(yù)警水位進(jìn)行分析,探討預(yù)警水位的確定方法,為其它水位站確定預(yù)警水位提供技術(shù)參考。

1 分析思路

依據(jù)洪水計(jì)算方法計(jì)算大荊水位站不同量級的洪水,進(jìn)行流量計(jì)算方法分析確定采用值。測量水位站河道大斷面及河段斷面,選用合適的糙率值,用曼寧公式計(jì)算不同水位級的流量,繪制水位～流量關(guān)系圖。按照《防汛預(yù)案》及區(qū)域防汛重要性確定預(yù)警洪水量級。洪水流量預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)確定后,在繪制的水位流量關(guān)系圖上查得預(yù)警流量相應(yīng)的水位,即為預(yù)警水位。對確定的預(yù)警水位進(jìn)行合理性分析。有了預(yù)警水位,在自動(dòng)水位計(jì)采集到預(yù)警水位后,及時(shí)啟動(dòng)預(yù)警機(jī)制,發(fā)布預(yù)警,為防汛指揮部適時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)提供支撐。

2 大荊水位站概況

大荊水位站位于陜西省商州區(qū)大荊鎮(zhèn),是2012 年8 月建設(shè)的水位雨量一體化測站。主要為掌握大荊河洪水情況而設(shè)。大荊河發(fā)源于秦嶺南麓,經(jīng)商州區(qū)大荊鎮(zhèn)、板橋鎮(zhèn)入板橋河。大荊水位站控制河長為16.1 km,控制面積61.2 km2,距河口17.3 km,河流平均比降13.7‰。為有人看管無人值守的自動(dòng)水位站。

3 測驗(yàn)河段情況

大荊水位站測驗(yàn)河段順直,河床平整,床質(zhì)為卵石組成。大水發(fā)生時(shí)為全斷面河水。中低水時(shí)中泓靠右岸,兩岸均有人工護(hù)岸堤防工程。

大荊水位站為汛期站,報(bào)汛項(xiàng)目為雨量和水位,報(bào)送時(shí)間為每年5 月1 日至11 月1 日。時(shí)段雨量為每小時(shí)達(dá)到0.2 mm采集報(bào)送一次；水位信息為變化在1 cm 以上每6 min 采集報(bào)送一次,大荊水位站大斷面圖見圖1。

圖1 大荊水位站大斷面圖

4 預(yù)警水位標(biāo)準(zhǔn)

4.1 堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)

對大荊水位站測驗(yàn)斷面上下游進(jìn)行實(shí)地調(diào)查,防洪對象為測站上下游河道兩邊公路路基、橋梁、耕地和沿河的村鎮(zhèn)居民及工礦企事業(yè)單位等。測站上下游村民住房大多坐落在公路兩側(cè),公路內(nèi)側(cè)臨河的河沿上有少數(shù)居民住房和部分河灘耕地,居民房基均高于普通公路路基。

由現(xiàn)場踏勘,大荊水位站左右岸為堤路結(jié)合的防洪工程,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇。根據(jù)商州區(qū)大荊河段防洪工程初步設(shè)計(jì)的批復(fù),大荊河30 年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量是396 m3/s,上下游兩座橋梁按30 年一遇標(biāo)準(zhǔn)建設(shè), 過洪能力均大于396 m3/s。

表1 上、下游防洪對象的防洪能力統(tǒng)計(jì)表

4.2 預(yù)警水位標(biāo)準(zhǔn)

大荊水位站處在大荊鎮(zhèn)政府附近,是人口密集區(qū)域,同時(shí)也是商州區(qū)重要工業(yè)產(chǎn)業(yè)基地,防汛責(zé)任重大。依據(jù)商洛市防汛指揮部以及商州區(qū)防汛指揮部制定的防汛應(yīng)急預(yù)案,當(dāng)江河出現(xiàn)小洪水時(shí),啟動(dòng)Ⅳ級應(yīng)急響應(yīng)。為了與防汛預(yù)案相一致,按照洪水級劃分標(biāo)準(zhǔn)小于5 年一遇洪水為小洪水確定預(yù)警水位標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)結(jié)合堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn),最終確定大荊水位站預(yù)警水位標(biāo)準(zhǔn)為5 年一遇洪水。

5 大荊站水位流量關(guān)系確定

大荊站流量采用曼寧公式計(jì)算：

式中：Q 為洪峰流量,m3/s；S 為水面比降,‰；n 為糙率；A為河段平均斷面積,m2；R 為河段平均水力半徑,m。

根據(jù)大荊水位站河床及岸壁情況,糙率選用0.035,比降采用實(shí)測值1.26‰,經(jīng)計(jì)算,大荊站水位流量關(guān)系見圖2。

圖2 大荊站水位～流量關(guān)系曲線圖

圖3 大荊水位站預(yù)警水位關(guān)系圖

6 不同量級洪水計(jì)算

6.1 匯水面積相關(guān)法

大荊水位站屬丹江上游區(qū)域,根據(jù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)在《商洛地區(qū)實(shí)用水文手冊》查得的參數(shù)、指數(shù),應(yīng)用以下公式計(jì)算：

式中：QP為設(shè)計(jì)頻率P 的洪峰流量,m3/s；F 為設(shè)計(jì)流域面積,F=588 km2；為設(shè)計(jì)頻率P 的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；

n 為設(shè)計(jì)頻率P 的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 匯水面積相關(guān)法計(jì)算成果表

6.2 綜合參數(shù)法

根據(jù)《商洛地區(qū)實(shí)用水文手冊》查算相關(guān)參數(shù),應(yīng)用以下公式計(jì)算：

式中：QP為設(shè)計(jì)頻率P 的洪峰流量,m3/s；F 為設(shè)計(jì)流域面積,km2,F=588 km2；J 為河道比降；HP為設(shè)計(jì)頻率P 的6 h暴雨量,mm；KP為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；n、α、β為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 綜合參數(shù)法洪水計(jì)算成果表

6.3 由暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)下游板橋河板橋水文站1973 年～2021 年共49 年實(shí)測雨量資料,選用12 小時(shí)的設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配雨型。采用《商洛水文手冊》提供的由暴雨推求設(shè)計(jì)洪水的方法,計(jì)算得出不同量級洪水成果見表4。

表4 由暴雨推求設(shè)計(jì)洪水成果表

6.4 比擬法

依據(jù)下游板橋水文站實(shí)測歷年洪水,采用面積比擬法推求大荊水位站不同量級洪水：

式中：Q設(shè)為設(shè)計(jì)站流量,m3/s；Q參為參證站流量,m3/s；F設(shè)為設(shè)計(jì)站流域面積,km2；F參為參證站流域面積,km2。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 比擬法計(jì)算洪水成果表

表6 推算成果數(shù)據(jù)比選表

6.5 洪水流量成果分析

對以上四種方法的計(jì)算成果進(jìn)行對比分析,匯水面積法精度較差,為規(guī)劃設(shè)計(jì)估算洪水之用。綜合參數(shù)法考慮了流域自然地理因素又在一定程度上反映氣象成因的因素。暴雨推求洪水方法主要是借用板橋站實(shí)測降水資料進(jìn)行計(jì)算,板橋站1973 年設(shè)立至2021 年積累了49 年實(shí)測資料,資料可靠。計(jì)算數(shù)值基本可靠,比擬法采用面積比,集水面積相差8 倍多,特別是板橋水文站設(shè)立在大荊河與板橋河交匯處下游200 m,板橋水文站發(fā)生的洪水與大荊河發(fā)生洪水在暴雨季不完全對應(yīng)。但是考慮防汛工作的重要性,提高群眾的防汛意識(shí),克服麻痹思想,確保群眾生命安全。推薦采用比擬法成果。

7 預(yù)警水位確定

預(yù)警水位是防汛應(yīng)急響應(yīng)啟動(dòng)的重要指標(biāo)之一,防汛指揮部門根據(jù)水文部門發(fā)布的水位預(yù)警,適時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)。確定預(yù)警流量,根據(jù)大荊段防汛的重要性以及商州區(qū)編制的《防汛應(yīng)急預(yù)案》,當(dāng)河道出現(xiàn)小于5 年一遇洪水時(shí)啟動(dòng)Ⅳ級應(yīng)急響應(yīng)的要求,確定預(yù)警流量為50 m3/s。

通過已知的預(yù)警流量,查水位流量關(guān)系曲線得出相應(yīng)水位為889.22 m,即預(yù)警水位確定為889.20 m。

8 預(yù)警水位合理性分析

（1）大荊水位站預(yù)警水位889.20 m,預(yù)警流量50 m3/s,為5 年一遇洪水,屬于小洪水。比大荊鎮(zhèn)段堤防的防洪能力30 年一遇洪水小,堤防是安全的；與本站上下游最低防洪能力比較也是偏安全的。

（2）從預(yù)警水位套繪斷面圖上看,洪水基本位于左右岸堤跟,屬于警戒流量標(biāo)準(zhǔn),符合斷面實(shí)際。

（3）本站確定的預(yù)警水位值主要為防汛服務(wù),提高防汛搶險(xiǎn)撤離責(zé)任落實(shí)的時(shí)效性,提前發(fā)布水位預(yù)警,是各級政府及村組有充分的時(shí)間作好相關(guān)工作。

（4）經(jīng)計(jì)算和合理性分析,大荊水位站預(yù)警水位確定為889.20 m 較為合理,故采用889.20 m 為預(yù)警水位,預(yù)警流量50 m3/s。

9 結(jié)語

預(yù)警水位的確定需要搜集較多的水文資料進(jìn)行分析與論證。在分析預(yù)警水位前,需要了解區(qū)域防汛的重要性,了解水利部門編制的防汛應(yīng)急預(yù)案對應(yīng)急響應(yīng)啟動(dòng)的條件。分析不同量級洪水,在沒有實(shí)測水文資料的情況下,依據(jù)《水文手冊》和洪水計(jì)算方法進(jìn)行不同量級洪水的計(jì)算,分析確定預(yù)警流量。在確定預(yù)警流量后進(jìn)行預(yù)警水位的推求。預(yù)警水位確定后要進(jìn)行合理性分析,判定預(yù)警水位值是否合理。通過對大荊水位站預(yù)警水位的分析,可為其它中小河流水位站預(yù)警水位的確定提供方法和技術(shù)借鑒。