楊雪峰

（遼寧江海水利工程有限公司）

0 引言

防汛特征水位是識別洪水量級的重要指標(biāo)，代表著水利工程能承受的洪水特征值，是防汛預(yù)警預(yù)報(bào)、指揮調(diào)度決策的重要參考依據(jù)[1]。作為應(yīng)用最為廣泛的特征參數(shù)，對預(yù)示水利工程設(shè)施危害程度以及防汛力量的布置具有重要的參考價(jià)值，是防汛指揮工作的重要指標(biāo)。防汛特征水位一般分為三級:一級為設(shè)防水位，二級為警戒水位，三級為保證水位(又稱最高水位或危險(xiǎn)水位)[2]。特征水位級別越高，對應(yīng)防汛狀態(tài)越緊急，一級為防汛準(zhǔn)備級別，二級為防汛警戒級別，三級為防汛緊急狀態(tài)。一般河流通常只制定警戒水位和保證水位，用以指導(dǎo)河流汛期洪水預(yù)警及防汛決策[3-4]。

小凌河是遼寧省大型河流之一，流經(jīng)遼寧省西部中心城市錦州市城區(qū)，且途經(jīng)2條鐵路線路。其防洪安全保障工作關(guān)系著城區(qū)的民生安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。此次研究以小凌河錦州市城區(qū)段為研究對象，分析該河段警戒水位和保證水位，為錦州市城區(qū)的防汛指揮調(diào)度工作提供參考依據(jù)，以期為錦州市城區(qū)段避險(xiǎn)預(yù)留更長時(shí)間。

1 研究區(qū)概況

1.1 防洪工程現(xiàn)狀

小凌河錦州市城區(qū)段為錦凌水庫壩下至百股河口段，長度17km，為丘陵與平原過渡地帶，河段順直，河床比降較小，兩岸已形成防洪體系。小凌河錦州市城區(qū)段上游建有錦凌水庫，河道兩岸均建有土堤，左岸防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，右岸防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

1.2 暴雨洪水特性

小凌河錦州城區(qū)段洪水主要由錦凌水庫放流及區(qū)間主要支流女兒河匯流形成。小凌河錦州市城區(qū)段建有錦州水文站，女兒河中游建有烏金塘水庫和烏金塘水文站。

一次洪水過程一般為3天，最長可以達(dá)到5天，一次降水即形成一次洪峰，所以流量過程線多為單峰型，但如遇連續(xù)兩次或兩次以上降水，也可以形成雙峰[5]。小凌河洪水相對集中，大洪水較一般洪水的洪量更集中。

2 研究方法

防汛特征水位是在河道現(xiàn)狀行洪能力分析的基礎(chǔ)上通過推求水位流量關(guān)系確定的。行洪能力的分析主要包括兩點(diǎn)，其一為計(jì)算現(xiàn)狀防洪工程最大泄流能力，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析泄量對應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)；其二為選取河段內(nèi)代表性較強(qiáng)的控制斷面，計(jì)算不同量級洪水條件下的水位，繪制控制斷面的水位流量關(guān)系曲線。

在本次分析中，依據(jù)小凌河錦州市城區(qū)段實(shí)測地形資料和防洪保護(hù)對象，綜合確定特征水位控制斷面。通過經(jīng)驗(yàn)頻率分析法分析計(jì)算各控制斷面設(shè)計(jì)洪水，再采用能量方程法推求出各控制斷面水位流量關(guān)系，分析其現(xiàn)狀防洪能力。最終根據(jù)各控制斷面實(shí)際過流能力及水位流量關(guān)系，結(jié)合斷面形態(tài)確定該河段的防汛特征水位。

3 小凌河錦州市城區(qū)段防汛特征水位確定

3.1 控制斷面確定

根據(jù)流域防洪工程情況和洪水特性，選取錦州水文站、女兒河口2個(gè)控制斷面作為代表斷面。錦州水文站、女兒河口控制斷面位置見圖1所示。

圖1 控制斷面位置示意圖

3.2 現(xiàn)狀行洪能力分析

現(xiàn)狀行洪能力分析包括設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算和控制斷面水位流量關(guān)系計(jì)算兩部分。

3.2.1 設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算小凌河錦州市城區(qū)段建有錦州水文站，記錄有1954年至2018年實(shí)測流量資料，結(jié)合歷史洪水調(diào)查考證資料，采用經(jīng)驗(yàn)頻率分析法計(jì)算錦州水文站設(shè)計(jì)洪水。女兒河口設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算采用錦州水文站的面積比推求。

因院區(qū)的面積所限，該院不允許設(shè)計(jì)大型的花園，但設(shè)計(jì)者也竭盡所能為患者創(chuàng)造一個(gè)溫馨舒適的就醫(yī)環(huán)境。例如，設(shè)計(jì)者在院區(qū)的空余地方以及病房的陽臺里都設(shè)置花槽，讓這些花槽點(diǎn)綴在院區(qū)周圍，打破醫(yī)院沉悶單調(diào)的室內(nèi)氛圍，增添了幾分寫意與活力，同時(shí)亦可勾起患者與醫(yī)護(hù)人員賞花玩花的點(diǎn)點(diǎn)情趣。

計(jì)算公式如下：

式中：m為xm在n項(xiàng)水文資料中按遞減順序排列的序號；n為水文資料年限；Pm為第m項(xiàng)xm的頻率。

本次頻率分析所采用的洪峰值按照年最大值選樣，即：從錦州站實(shí)測洪水資料中逐年選取一個(gè)最大流量；

通過統(tǒng)一樣本法，將實(shí)測洪峰系列與歷史洪水系列共同組成一個(gè)不連續(xù)的系列，作為代表總體的一個(gè)樣本，不連續(xù)系列各項(xiàng)可在歷史調(diào)查期內(nèi)統(tǒng)一排位[6]，對該樣本系列進(jìn)行排頻計(jì)算，獲得錦州站設(shè)計(jì)洪峰流量的值。其中理論頻率曲線選用PⅢ曲線，Cs（偏態(tài)系數(shù)）和Cv（變差系數(shù)）倍比取2.5。

考慮到錦凌水庫建成后，處于錦凌水庫、烏金塘水庫洪水調(diào)節(jié)共同作用下，所以按照設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成，組合各控制地點(diǎn)的洪峰流量，選各方案中的最大組合流量作為采用值，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 錦凌水庫建成后不同控制地點(diǎn)各頻率組合洪峰流量成果表

根據(jù)表1可知，錦州水文站斷面100年和50年一遇洪峰流量均為6 000m3/s；女兒河口斷面100年一遇洪峰流量為10 121m3/s，50年一遇洪峰流量為9 347m3/s。

3.2.2 推求各斷面水位流量關(guān)系

在防汛工作中通過控制斷面水位流量關(guān)系曲線圖將實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為流量數(shù)據(jù)，可作為防汛指揮調(diào)度的重要參考依據(jù)。

根據(jù)各控制斷面設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果，采用實(shí)測各斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算不同防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪峰流量對應(yīng)的水位。采用天然河道恒定非均勻流[7]計(jì)算公式推求，即采用能量方程通過修改斷面參數(shù)推求各斷面現(xiàn)狀情況下的水位[8]，并通過各斷面水位流量關(guān)系曲線查得各斷面實(shí)際行洪能力。

能量方程的基本形式為：

式中：Z1，Z2為上下游斷面的河底高程（m）；Y1，Y2為上下游斷面的水深（m）；V1，V2為上下游斷面的水流平均流速（m/s）；he為能量水頭損失（m）；α1，α2為修正系數(shù)；L為上下游斷面之間的河道長度（m）；Sf為上下游斷面的摩擦比降；C為河道的擴(kuò)散或收縮損失系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）。

（2）水位流量關(guān)系曲線的繪制

根據(jù)各控制斷面的多次實(shí)測流量和同時(shí)水位的資料來校準(zhǔn)計(jì)算各斷面水位，以水位為縱坐標(biāo)，流量為橫坐標(biāo)，繪制各控制斷面水位流量關(guān)系曲線圖。

錦州水文站水位流量關(guān)系見圖2，女兒河口水位流量關(guān)系見圖3。

圖2 錦州水文站觀測點(diǎn)水位流量關(guān)系圖

圖3 女兒河口下觀測點(diǎn)水位流量關(guān)系圖

根據(jù)錦州水文站水位流量關(guān)系曲線可知，當(dāng)錦州水文站洪峰流量達(dá)到6 000m3/s時(shí)，對應(yīng)水位為23.83m。根據(jù)女兒河口斷面水位流量關(guān)系可知，當(dāng)女兒河口洪峰流量達(dá)到9 347m3/s時(shí)，對應(yīng)水位為20.26m，當(dāng)洪水流量達(dá)到10 121m3/s時(shí)，對應(yīng)水位為21.21m。

3.2.3 行洪能力分析

根據(jù)實(shí)測地形資料，推算現(xiàn)狀各控制斷面最大過流能力，分析各控制斷面現(xiàn)狀行洪能力。各控制斷面現(xiàn)狀最大過流能力見表2。

表2 控制斷面行洪能力基本情況表

根據(jù)各斷面現(xiàn)狀行洪能力計(jì)算成果可知，錦州水文站斷面均可達(dá)到100年一遇和50年一遇標(biāo)準(zhǔn)兩種頻率的設(shè)計(jì)流量6 000m3/s，兩岸均滿足設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)；女兒河口斷面左岸現(xiàn)狀行洪能力為9 640m3/s，略低于100年一遇設(shè)計(jì)流量10 121m3/s，右岸現(xiàn)狀行洪能力為9 347m3/s，滿足50年一遇設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)。

由此可知，錦凌水庫壩下至女兒河口段現(xiàn)狀兩岸堤防均可滿足設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)。女兒河口至百股河口段左岸雖建有堤防，但堤防堤頂高程減去安全超高后的保證水位低于設(shè)計(jì)水位，不滿足設(shè)計(jì)100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)的要求，為防汛薄弱河段，汛期需重點(diǎn)防護(hù)；右岸現(xiàn)狀為自然高地，滿足設(shè)計(jì)50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 防汛特征水位的確定

3.3.1 警戒水位確定原則

小凌河錦凌水庫下游至百股河口段為錦州市城區(qū)段，兩岸堤防均已達(dá)標(biāo)。該段河道警戒水位綜合考慮堤腳高程、灘面高程、階地高程和設(shè)計(jì)水位等因素，采用堤腳高程加0.5m或取一級階地高程作為警戒水位。

3.3.2 保證水位確定原則

小凌河錦州市城區(qū)段為有堤段，保證水位應(yīng)為堤防能夠安全下泄的最小洪峰流量所對應(yīng)的水尺斷面水位，即本河段所有堤防在水尺斷面超過此水位前均可保證其防洪安全。

3.3.3 特征水位確定

根據(jù)特征水位確定原則，并利用各斷面水位流量關(guān)系得到各控制斷面的特征水位。

（1）錦州水文站斷面特征水位

根據(jù)現(xiàn)狀行洪能力分析結(jié)果，錦州水文站斷面所代表的錦凌水庫壩下至女兒河口段兩岸現(xiàn)已滿足設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)。因此，左岸保證流量為6 000m3/s，相應(yīng)保證水位為24.05m；右岸保證流量為6 000m3/s，相應(yīng)保證水位為23.83m。該段警戒水位20.04m，警戒流量2 540m3/s。

（2）女兒河口斷面特征水位

根據(jù)現(xiàn)狀行洪能力分析成果，女兒河口斷面所代表的女兒河口至百股河口段現(xiàn)狀左岸行洪能力略低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，右岸滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，左岸保證流量為9 640m3/s，相應(yīng)保證水位21.00m；右岸保證流量為9 347m3/s，相應(yīng)保證水位20.26m。該段警戒水位13.96m，警戒流量3 240m3/s。

4 結(jié)語

洪澇災(zāi)害一直是城市防洪的重中之重，因此特征水位的制定尤為重要。本文針對小凌河錦州市城區(qū)段主要特點(diǎn)，在分析其現(xiàn)狀行洪能力的基礎(chǔ)上，提出各控制斷面的特征水位，為錦州市防汛指揮調(diào)度、抗洪搶險(xiǎn)工作提供了重要的技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

在今后的防洪工作中，還需進(jìn)一步驗(yàn)證本次制定特征水位的準(zhǔn)確性，并加強(qiáng)對薄弱河段堤防的監(jiān)測，結(jié)合該河段雨水情、工情、險(xiǎn)情等方面的觀測信息，及時(shí)調(diào)整特征水位，使其更加符合實(shí)際防汛工作需要。