劉冠華，張晨晨，萬新宇

(1.河南省水文水資源局，鄭州 450003；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

特征水位是科學(xué)、正確、高效地組織和指揮汛情發(fā)布、防汛抗洪工作的重要依據(jù)。在汛期，江河洪水上漲到水位站警戒水位時(shí)，堤防區(qū)險(xiǎn)情逐漸增多，防汛部門隨之進(jìn)入防洪警備時(shí)期。河南省淮河流域重要水文(位)站已制定有特征水位，但隨著水情工情的變化，有些站的特征水位已不再適用，亟須對(duì)其進(jìn)行復(fù)核。

目前，科學(xué)準(zhǔn)確的確定特征水位尚未有一套統(tǒng)一的制定規(guī)范，但不少學(xué)者已就江河特征水位的擬定方法進(jìn)行過一系列研究。姜濤等[1]以肇源水文站為例，對(duì)其新舊斷面水位對(duì)比分析，論證了斷面位置遷移對(duì)防汛特征水位的影響，但未考慮臨近水位站的影響；朱振華等[2]從歷史洪水資料中篩選出不同頻率年最高水位，考慮到水產(chǎn)養(yǎng)殖，生態(tài)修復(fù)等經(jīng)濟(jì)效益，確定了薔薇河的警戒水位、保證水位，但未對(duì)薔薇河歷年水位過程線進(jìn)行分析；劉和昌等[3]基于Copula函數(shù)建立洪水水位漲率與洪水損失的條件概率分布函數(shù)，提出考慮洪水損失的江河警戒水位擬定方法，但未對(duì)上游圩區(qū)影響情況做出論述；王林波[4]分別用大斷面綜合分析法、洪水頻率計(jì)算法和堤防調(diào)查法對(duì)韓家杖子水文站防汛特征水位進(jìn)行論證，提供了一種全新的思路，但僅適用于同類水位站問題，有一定的局限性；胡余忠等[5]對(duì)中小河流站點(diǎn)進(jìn)行研究，基于預(yù)警河段的歷史洪水信息及沿河居住群高程確定水文站點(diǎn)的特征水位，可供同類站點(diǎn)預(yù)警指標(biāo)體系建設(shè)提供參考。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，梳理了影響警戒水位、保證水位的因素，明確了特征水位的確定原則，綜合采用水力學(xué)法、水位過程線對(duì)比分析、最高水位年頻次分析等方法對(duì)三河尖站特征水位進(jìn)行復(fù)核。

1 三河尖站現(xiàn)狀

三河尖站位于河南信陽固始縣三槐村，淮河、史灌河(泉河先進(jìn)入史灌河)交匯處，三河尖以上淮河長417 km，其位置圖見圖1。2018年2月河南省水利勘測(cè)有限公司對(duì)三河尖夾河套進(jìn)行了地形及河道大斷面測(cè)量，見圖2。

近年來多次出現(xiàn)上游王家壩(距本站40 km)、下游潤河集(距本站30 km)均不超警，但三河尖超警的現(xiàn)象，并且超警歷時(shí)長，次數(shù)多。經(jīng)調(diào)查，在淮河19項(xiàng)治理工程完工后，王家壩、潤河集警戒水位均上調(diào)了1 m，但三河尖特征水位未作改動(dòng)，見表1。

表1 王家壩三河尖現(xiàn)有防洪特征值 m

2 特征水位復(fù)核

2.1 確定原則

2.1.1 警戒水位

警戒水位的確定應(yīng)當(dāng)考慮河段普遍漫灘和重要堤段臨水并達(dá)到一定高度，結(jié)合工程現(xiàn)狀，堤防工程歷史出險(xiǎn)情況等因素綜合研究確定；對(duì)有防洪任務(wù)而無堤防的河段，可根據(jù)河岸險(xiǎn)工情況，以洪水上灘或需要轉(zhuǎn)移群眾、財(cái)產(chǎn)時(shí)的水位確定。

2.1.2 保證水位

堤防的高度、寬度、坡度及堤身、堤基質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的河段，設(shè)計(jì)水位即為保證水位；堤頂高程不足的河段，按現(xiàn)狀堤頂高程扣除超高值后的水位定為保證水位；堤頂寬度不足，先確定現(xiàn)狀堤身達(dá)到設(shè)計(jì)頂寬處的高程，在此基礎(chǔ)上再扣除超高值即為保證水位；保證水位擬定要兼顧上下游的關(guān)系，分河段設(shè)置。

2.2 分析計(jì)算

綜合采用河道洪水演進(jìn)及洪水頻率分析理論進(jìn)行分析，以上游王家壩水文站的警戒水位(流量)、保證水位(流量)為基準(zhǔn)，按照歷史洪水上下游站對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行推算，通過水面線分析、水力學(xué)法、水位過程線對(duì)比、歷年最高水位頻次計(jì)算等方法進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)結(jié)合實(shí)測(cè)地形及兩岸堤防工程、村莊等情況進(jìn)行綜合分析。特征水位復(fù)核分析路線圖見圖3。

2.2.1 上下游水面線分析

選擇2000年以來實(shí)測(cè)11場(chǎng)洪水，利用公式(1)計(jì)算兩站水面平均比降，最后計(jì)算綜合平均比降，見表2，由王家壩特征水位推算三河尖特征水位。

(1)

式中：Y1、Y2分別為上、下游水位，m；L為上、下游的水平距離，m；S為上、下游的水面比降。

王家壩至三河尖河道洪水綜合平均比降為5.9×10-5，王家壩警戒水位27.50 m，保證水位29.30 m，計(jì)算出三河尖相應(yīng)警戒水位25.14 m，保證水位28.20 m。

2.2.2 水力學(xué)分析

根據(jù)實(shí)測(cè)三河尖大斷面資料，采用曼寧公式(2)計(jì)算三河尖相應(yīng)的水位-流量關(guān)系。

表2 王家壩三河尖水面比降Tab.2 Water surface drop of Wangjiaba and Sanhejian

(2)

式中：v為水流流速，m/s；n為糙率；R為水力半徑，m；S為水面比降。

根據(jù)三河尖多年資料分析，主河道糙率采用0.03，水面比降采用表2計(jì)算值5.9×10-5，計(jì)算結(jié)果見表3。由于王家壩與三河尖相距40 km，區(qū)間無大的支流匯入，王家壩流量到三河尖略有削減，但相差不大，利用王家壩特征流量反查三河尖特征水位。

王家壩警戒流量3 200 m3/s，保證流量7 400 m3/s，由表3反查三河尖相應(yīng)警戒水位25.50 m、保證水位27.50 m。

表3 三河尖水位流量計(jì)算成果表Tab.3 Calculation results of Sanhejian water level discharge

2.2.3 水位過程線對(duì)比分析

點(diǎn)繪王家壩、三河尖水位過程線，見圖4，統(tǒng)計(jì)三河尖超過不同水位歷時(shí)與王家壩超警、超保歷時(shí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，按照洪水演進(jìn)規(guī)律，王家壩、三河尖超警歷時(shí)應(yīng)相差不大。

從圖4和表4中可以看出：三河尖超25.50 m的歷時(shí)與王家壩超警歷時(shí)接近，超過24.00 m的歷時(shí)則大很多；三河尖超27.90 m的歷時(shí)與王家壩超保歷時(shí)接近，超過26.50 m的歷時(shí)則大很多。根據(jù)超警(保)歷時(shí)分析確定三河尖相應(yīng)警戒水位25.50 m、保證水位27.90 m。

2.2.4 最高水位年頻次分析

分別統(tǒng)計(jì)王家壩、三河尖歷年最高水位，確定其序位或重現(xiàn)期，通過頻率計(jì)算方法估計(jì)最高水位的頻率，按照上下游相關(guān)性分析，王家壩、三河尖超警、超保頻率應(yīng)基本一致。

表4 王家壩、三河尖超警超保時(shí)間對(duì)比表 h

統(tǒng)計(jì)三河尖站1950年至2017年(1960-1963年缺)共64 a最高水位；統(tǒng)計(jì)王家壩站1952年至2017年共66 a最高水位，用公式(3)分別計(jì)算各水位頻率。

(3)

式中：n為序數(shù)；N為最大重現(xiàn)期；P為重現(xiàn)頻率。

三河尖超過25.50 m共有39 a，出現(xiàn)頻率61%，與王家壩超警頻率59%基本一致，三河尖超警(24.00 m)共有50 a，出現(xiàn)頻率78%，遠(yuǎn)高于王家壩。

三河尖超過27.90 m的共有13 a，出現(xiàn)頻率20%，接近于王家壩超保頻率12%，三河尖超保(26.50 m)共30 a，出現(xiàn)頻率47%，遠(yuǎn)高于王家壩。

按照頻率一致性分析三河尖相應(yīng)警戒水位25.50 m，保證水位27.9 m。

2.2.5 綜合評(píng)定

三河尖特征水位分析成果見表5，綜合考慮堤防超高、特征水位設(shè)置原則及上下游防汛抗洪搶險(xiǎn)的聯(lián)動(dòng)性等因素，三河尖水位站警戒水位可調(diào)整為25.50 m，保證水位可調(diào)整為27.50 m。

表5 三河尖特征水位綜合分析成果表 m

3 影響分析

3.1 淹沒情況分析

采用三河尖夾河套地形測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算各級(jí)水位下淹沒面積。三河尖水位24.00 m時(shí)，進(jìn)夾河套道路將被淹沒，無法通行；水位到25.50 m時(shí)，夾河套除少部分莊臺(tái)及高地外，普遍被淹，淹沒面積10.5 km2；水位到27.50 m時(shí)，淹沒面積變化不大。

3.2 上游圩區(qū)影響分析

三河尖特征水位提高有可能影響到上游的蚌山圩區(qū)和湯王圩區(qū)(2005年建成)，蚌山圩區(qū)位于史灌河泉河匯合口區(qū)間，湯王圩區(qū)在史灌河左岸。河南水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司在“臨淮崗洪水控制工程河南省淹沒影響區(qū)處理工程”中計(jì)算過三河尖與上游圩區(qū)設(shè)計(jì)水位，見表6。

表6 三河尖與上游圩區(qū)設(shè)計(jì)水位表 m

在三河尖保證水位調(diào)整至27.50 m時(shí)，上游兩個(gè)圩區(qū)堤防仍有足夠的安全超高。

4 結(jié) 論

本文從水文學(xué)、水力學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)多方面對(duì)三河尖特征水位進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)三河尖斷面右岸堤腳高程24.00 m，原警戒水位24.00 m符合警戒水位的確定原則。

(2)三河尖原特征水位偏低，可適當(dāng)調(diào)整。綜合考慮淮河左岸、史灌河右岸堤防超高、洪水頻率、淹沒面積及上下游防汛抗洪搶險(xiǎn)的聯(lián)動(dòng)性等因素，三河尖警戒水位可以調(diào)整至25.50 m，保證水位可以調(diào)整至27.50 m。

(3)特征水位的調(diào)整對(duì)三河尖夾河套影響不大，對(duì)上游圩區(qū)堤防影響不大。

綜上所述，建議三河尖站警戒水位從24.00～25.50 m之間選定，保證水位可以調(diào)整為27.50 m。

□