洪水資料短缺條件下澄江九堡水位站預警水位分析確定

徐珊珊 羅 鹍 劉明榮

(贛江上游水文水資源監測中心,江西 贛州 341000)

中小河流洪水具有匯流時間短、預報難度大的特點,是我國南方濕潤地區特別是其山丘區重要災害之一[1]。確定中小河流站點預警水位,可以更加精準有效地對所在河段洪水進行預警,助力河流洪水風險防控“四預”機制快速完整建立,增強中小河流防災減災能力和風險管理能力,減少人員傷亡和財產損失。

預警水位是洪水期須開始防守警戒的特征洪水位,是洪水風險預警的重要水位[2]。根據河段暴雨洪水特性及其洪澇災害特點分析,選擇合適的河段位置,確定特定斷面合理的洪水預警水位,其對防洪減災有重要的指導作用。

近幾年,贛江上游水文水資源監測中心通過山洪災害預警系統和中小河流水文監測系統建設,在贛州市87條河流上設立了水文(位)站342處,是守護江河安瀾的堅定哨兵。但由于其建站時間較短,資料年限不足,以及洪澇成災原因復雜,洪水資料短缺條件下的江河預警水位合理確定成為洪水風險預警必須研究的重要課題[3]。本文以澄江九堡水位站為例,介紹一種洪水資料短缺條件下江河預警水位確定方法。

1 基本情況

九堡水位站為中小河流代表站,于2012年6月設立,地處澄江瑞金市九堡鎮羊角村河段左岸,集水面積143km2,主河道長度24.1km,河道順直且高低水位時無岔流、串溝、回水、死水等情況,河底由巖石、卵石和中粗砂組成,斷面基本穩定。觀測項目有水位、雨量,觀測設備為自動水位雨量儀。

1.1 流域情況

貢水支流澄江發源于瑞金市大柏地鄉樟坑,干流流經瑞金市九堡、云石山,會昌縣西江,于都縣黃麟等鄉鎮,在于都縣黃麟鄉匯入貢水,流域面積1010km2,主河長88.0km;流域地形以丘陵為主,山低谷淺,地勢開闊,植被較差,水土流失嚴重;河床泥沙淤積較嚴重,河道灘多彎急。該河流為山區性河流,洪水陡漲陡落,匯流時間短。九堡水位站地處澄江上游,流域主要為低山區,群山連綿,樹木茂盛,溪流密布,大柏地鄉有大柏地戰斗遺址,主流從源區自北向南流,在三河村進入九堡鎮,右岸密溪村為省級歷史文化名村,河道灘多彎急,水流急,沿岸耕地連片,居住人口較多,常受洪澇危害。

九堡水位站流域內建有8座小型水庫,環溪水庫對九堡站的洪水位有一定影響,該水庫集水面積37.7km2,總庫容793萬m3,調節庫容460萬m3。

1.2 河段情況

九堡鎮呈盆地狀,四面環山,河道較陡。九堡站高水位時河道斷面寬約30m,河床由巖石、卵石和泥沙組成,斷面基本穩定,上游100m處有公路橋(橋長41.5m,橋高5.4m,橋面寬7.3m),下游50m處有九堡橋(橋長52.4m,橋高5.2m,橋面寬7.0m),高水位時阻水較明顯,兩岸農田和居民房屋密布且高程較低,涉水、阻水建筑較多,堤防防洪標準低且不完善,洪澇災害頻發,災情較重,是澄江洪澇災害預警的重點區域。

受斷面洪水影響的主要行政村主要有九堡圩、松燕村。九堡圩為九堡鎮政府所在地,共有戶籍人口2456人,756戶,13個居民小組。松燕村管轄7個自然村、12個村民小組,常住人口1340人。

1.3 暴雨洪水特性

九堡站流域屬亞熱帶濕潤季風氣候區,3—6月間常有鋒面雨,降雨強度大,持續時間較長;7—9月常有臺風雨,降雨強度大,降水歷時較短。流域多年平均:氣溫18.9℃、年降水量1560mm、年水面蒸發量1100mm。年最大降水量2302mm(1975年),年最小降水量1123mm(2011年)。3—6月多年平均降水量 917mm(占全年約58.8%),7—9月多年平均降水量351mm(占全年22.5%)。10月至次年2月往往晴多雨少,進入枯水季節。

據調查,2019年7月14日受低渦切變影響,澄江九堡河段出現近20年來的最大洪水,流域最大24h、6h、3h、1h降水量分別為205mm、176mm、140mm、60mm;洪水歷時約12h,九堡水位站最高水位為206.99m。暴雨強度大,洪水陡漲陡落,匯流時間短,具有山區河流的洪水特點。

2 預警水位相應洪峰流量分析

2.1 由暴雨資料推求設計洪水

《江西省暴雨洪水查算手冊》(2010年)系統研究了江西省境內各水文分區的暴雨洪水特點和產匯流規律性,制作了各區的暴雨洪水計算圖表和參數,根據流域地理位置,按其要求查算設計暴雨和設計洪水有較好的適用性。

根據《江西省暴雨洪水查算手冊》(2010年)暴雨分區劃分及設計暴雨歷時規定,查有關圖表分別對設計點暴雨量﹑設計面雨量、凈雨時程分配,產流﹑匯流進行計算,九堡水位站瞬時單位線法計算成果見表1。

表1 瞬時單位線法各設計頻率洪峰流量計算成果

2.2 由參證站水文比擬法推求洪峰流量

水文比擬法是通過選擇參證流域,利用具有較長水文觀測資料系列的參證流域和待研究流域的水文條件、主要影響因素具有的相似性,分析待研究流域水文規律和設計水文參數的一種實用的水文分析計算方法[4]。澄江九堡河段以上流域與湘水筠門嶺水文站、濂水羊信江水文站流域水文條件和主要影響因素相似性較高,同屬水文Ⅰ區,且流域面積均較小,為貢水支流、相距較近,同有屬丘陵低山區、流域下墊面條件等相似產流條件,并有長系列水文資料,由湘水筠門嶺水文站、濂水羊信江水文站推求九堡站設計洪水流量具有較好的適用性。

筠門嶺水文站為國家基本水文站,于1983年12月設立,處于湘水上游,控制流域面積460km2。流域多年平均:氣溫19.3℃、年降水量1560mm、年水面蒸發量1150mm;流域以低山丘陵為主,邊界明顯,河流為山區性河流,洪水陡漲陡落,匯流時間短。與九堡站直線距離約80km。

羊信江站為國家基本水文站,于1958年1月設立,處于濂水中游,控制流域面積面積569km2。流域多年平均:氣溫18.7℃、年降水量1610mm、年水面蒸發量1090mm。流域以低山丘陵為主,邊界明顯,河流為山區性河流,洪水陡漲陡落,匯流時間短。與九堡站直線距離約90km。

依據兩水文站實測洪峰流量頻率計算成果,采用面積比擬法推求九堡水位站不同頻率的洪峰流量。計算公式為

Q設=Q參(F設/F參)n

水文比擬法推求的九堡水位站不同頻率設計洪水洪峰流量見表2。

表2 水文比擬法各設計頻率洪峰流量計算成果

2.3 預警水位相應洪峰流量確定

由上述兩種方法計算九堡水位站設計洪水成果,見表3。

表3 九堡水位站設計洪水計算成果

由表3可知,瞬時單位線法結果偏大,水文比擬法兩站設計洪水相近;經與附近水利工程設計洪水計算成果進行對比,其采用方法均為水文比擬法,因此采用水文比擬法設計洪水成果。羊信江水文站所在流域的氣候特征與九堡水位站所在流域較為相似,且羊信江水文站建站時間較長,測到了較多的大洪水過程,因此采用成果為羊信江站水文比擬法成果。

3 水位站水位流量關系曲線率定

九堡水位站無實測流量資料,測驗河段順直,上下游控制條件較好,河床由巖石、卵石和泥沙組成,斷面基本穩定。測驗斷面水位流量關系采用曼寧公式法推求,斷面面積A根據實測斷面資料算得,洪痕比降為實測值1.8‰,糙率按《山洪災害分析評價方法指南》中天然河道糙率表取0.045。九堡水位站水位流量關系曲線見圖1,計算成果見表4。2019年實測一次,流量為23.7m3/s,測時水位202.31m,基本與推流成果一致。

圖1 九堡水位站水位流量關系曲線

表4 九堡水位站水位流量關系曲線計算成果

4 預警水位分析確定

九堡水位站測驗斷面位于九堡鎮的圩鎮(圩鎮即集市),河道兩岸為民房,周圍有醫院、小學、菜市場等重點保護對象,人口較為密集。根據“2019·07·14”洪水調查成果畫出“2019·07·14”洪水水面線成災水位分布圖,見圖2,當九堡站測驗斷面水位達到204.00m時,圩鎮沿河房屋和低洼地帶開始過水,若水位繼續上漲,則斷面所在圩鎮菜市場和衛生院及下游黃渡村等房屋將要進水、被水淹。因此,可以確定204.00m為九堡站河段成災水位,當預報九堡站水位將要達到或超過204.00m時,提醒九堡站上下游的謝村、珠斗壩村、黃渡村、回龍村等沿河村莊提前防范洪水[6]。

圖2 “2019·07·14”洪水水面線成災水位分布

從2019年實測較大洪水過程分析,最大漲率出現7月14日5時(201.86m)至10時(206.99m),歷時5h,漲幅5.13m,平均最大1h洪水漲落率為1.00m左右,從主鋒雨結束到洪峰出現約2～3h,按照九堡鎮的圩鎮204.00m成災水位,提前0.5h以上進行預警響應,綜合分析確定九堡站預警水位為203.50m[7]。

5 預警水位成果合理性分析

根據該站已有實測資料,從2015年建站至2023年的8年時間,九堡水位站達到或超過203.50m的洪水有6次,最高水位為206.99m(2019年7月14日),從發生頻率來看,確定九堡水位站預警水位為203.50m較為合理。

九堡水位站水位203.50m,查水位流量關系曲線得到相應流量為113m3/s,約等于該水位站2年一遇設計流量(118m3/s),與區域由較長水位、流量系列分析確定的警戒水位出現頻率基本一致,這表明確定該水位為九堡站預警水位成果是合理的。

6 預警范圍確定

預警水位是為中小河流洪水預警服務的,應根據中小河流水文(位)站地理位置、上下游水利工程分布情況、村鎮分布情況、重要保護對象分布情況等綜合確定預警水位的預警范圍。預警范圍內一般無干支流交匯點,預警范圍內的河段水位受水利工程影響較小,漲幅應與關聯站點水位漲幅有較好的相關關系[8]。結合九堡水位站上、下游地理位置和水利工程分布情況,確定九堡站預警范圍為上游至5.3km處的清溪村,下游至12.3km處的云石山村。

7 結 語

中小河流洪水具有匯流時間短、洪水預警難度大的特點,洪災是我國南方濕潤地區特別是其山丘區重要災害之一。確定中小河流站點預警水位,可以更加精準有效地對所在河段洪水進行預警,增強中小河流防災減災能力和風險管理能力,減少人員傷亡和財產損失。在洪水資料短缺的條件下,通過區域洪水特性分析和預警河段洪水調查確定的江河預警水位,既符合區域洪水變化規律,又兼顧了測站河道特性,精度較高,對區域洪水風險預警有重要的指導作用,有廣泛的應用前景。但因河道斷面受到洪水及人類活動等因素的影響,可能會有所變化,其水位流量關系也會隨之變動。因此,在預警水位使用過程中,應根據測站上、下游河道演變情況,及時修正預警水位值,為防洪減災提供更合理有效的洪水風險預警信號指標。