寶雞市司川河上王水位站預(yù)警水位探析

董文石，石牡麗，周 勇

(陜西省寶雞水文水資源勘測(cè)局，陜西 寶雞 721006)

1 概況

1.1 流域概況

司川河是金陵河右岸一級(jí)支流。河流發(fā)源于陳倉(cāng)區(qū)縣功鎮(zhèn)楊家川牛頭山南。干流長(zhǎng)29.3 km，流域面積125.3 km2，河道平均比降21.8‰。司川河自西北流向東南，沿途納入瓦場(chǎng)溝、趙家河等支流，于縣功鎮(zhèn)上河村附近與北川河匯合，其下稱為金陵河。司川河流域內(nèi)溝壑縱橫，支離破碎，多呈梁峁?fàn)?，起伏不平，水土流失較為嚴(yán)重。

1.2 水位站基本情況

司川河上王水位站于2012年建成，位于寶雞市陳倉(cāng)區(qū)縣功鎮(zhèn)強(qiáng)家莊九組，為金陵河右岸一級(jí)支流司川河干流控制站，控制集水面積105 km2，河道平均比降22.7‰。上王水位站基本斷面距河口15.0 km。水位觀測(cè)設(shè)施靠右岸布置，設(shè)有水位塔、基本水尺、上下比降水尺(間距是100 m)等。

上王水位站測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目為水位和雨量，配備有雷達(dá)水位計(jì)、翻斗雨量計(jì)等。每年的6月1日至11月1日按照24段24次拍發(fā)水位報(bào)文和日、旬、月降雨量報(bào)文，擔(dān)負(fù)著上王村、碧峰寺村及縣功鎮(zhèn)河西村的防汛任務(wù)。

2 測(cè)驗(yàn)河段斷面概況

2.1 測(cè)驗(yàn)斷面情況

測(cè)驗(yàn)河段處于司川河下游，河段順直，距基本水尺斷面上游約100 m處有跨河橋梁一座，河道左岸為自然岸坎，右岸建有混凝土漿砌石護(hù)岸工程，河道寬約45.0 m。河床由砂卵石組成，水位流量關(guān)系基本穩(wěn)定，該站測(cè)驗(yàn)河段平面圖影像資料見(jiàn)圖1。

圖1 上王水位站測(cè)驗(yàn)河段平面圖及影像資料

2.2 水位站基礎(chǔ)資料

（1）實(shí)測(cè)大斷面斷面圖及成果見(jiàn)圖2、表1。

圖2 司川河上王水位站基本斷面圖

表1 上王水位站實(shí)測(cè)基本斷面成果表

（2）斷面水位流量關(guān)系

上王水位站測(cè)驗(yàn)河段順直，順直河長(zhǎng)約400 m，受上游橋梁控制，主流變動(dòng)小，水流平穩(wěn)。采用明渠均勻流計(jì)算公式，根據(jù)實(shí)測(cè)的橫斷面資料，根據(jù)式（1）計(jì)算上王水位站斷面的水位流量關(guān)系。

式中：Q為過(guò)水?dāng)嗝媪髁?，m3/s；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；n為河床糙率；R為過(guò)水?dāng)嗝嫠Π霃?，m；I為水面比降，‰。

過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA根據(jù)實(shí)測(cè)斷面資料計(jì)算；實(shí)測(cè)水面比降為19.8‰，根據(jù)洪水調(diào)查知比降為16.0‰，結(jié)合本斷面實(shí)際情況選用比降為17.9‰；根據(jù)天然河流糙率表，第三類洪水期灘地漫流河流糙率范圍0.025～0.035，因上王站測(cè)驗(yàn)河段有部分矮草，因此本次選用糙率0.027。計(jì)算上王水位站水位流量關(guān)系曲成果見(jiàn)表2，水位流量關(guān)系線見(jiàn)圖3。

表2 上王水位站斷面水位流量關(guān)系表

圖3 司川河上王水位站水位流量關(guān)系曲線圖

3 預(yù)警水位計(jì)算與分析

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式法推求不同頻率設(shè)計(jì)洪水

上王水位站斷面以上流域面積為105 km2，屬于小流域，且為無(wú)完整實(shí)測(cè)水文資料地區(qū)，所以設(shè)計(jì)洪水可以依據(jù)《寶雞市水文實(shí)用手冊(cè)》推薦的經(jīng)驗(yàn)公式推求，見(jiàn)式（2）：

式中：Qp為涉及頻率P的洪峰流量，m3/s；F為設(shè)計(jì)流域面積，km2；J為主河道平均比降，‰；H6P為設(shè)計(jì)頻率為6小時(shí)的暴雨量，mm。

首先在地形圖上量算出流域面積和主河道平均比降；從年最大6小時(shí)暴雨均值H和變差系數(shù)CV6等值線圖中，查出流域重心的H6和CV6；根據(jù)CS=3.5CV和某一設(shè)計(jì)頻率，由皮爾遜Ⅲ型曲線表查得Kp；用H6P=Kp×H6代入分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式求得Qp。

根據(jù)上王站所在流域面積及比降得流域重心處H6P為40.7 mm，變差系數(shù)CV為0.53，由CV查得不同頻率的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)K值和推求的不同頻率的設(shè)計(jì)洪水流量見(jiàn)表3。

表3 經(jīng)驗(yàn)公式法不同頻率的設(shè)計(jì)洪水流量

3.2 推理公式法推求不同頻率設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)《寶雞市水文實(shí)用手冊(cè)》對(duì)暴雨分區(qū)劃分的規(guī)定，上王水位站斷面位于秦嶺北麓、西部山區(qū)暴雨區(qū)，用地區(qū)綜合推理公式推求流域各設(shè)計(jì)頻率洪水，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 上王水位站推理公式法不同頻率洪峰流量成果表

3.3 瞬時(shí)單位線法推求不同頻率的設(shè)計(jì)洪水

（1）瞬時(shí)單位線基本公式

瞬時(shí)單位線基本公式見(jiàn)式（3），瞬時(shí)單位線法匯流計(jì)算需要確定的參數(shù)為n和K，通常設(shè)m1=nk，m2=1/n。n、K參數(shù)統(tǒng)計(jì)及不同頻率1小時(shí)時(shí)段單位線計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

式中：u(o,t)為瞬時(shí)單位線的縱坐標(biāo)；Γ(n)為n的伽馬函數(shù)；n為相當(dāng)于線性水庫(kù)的個(gè)數(shù)或調(diào)節(jié)次數(shù)；k為水庫(kù)型線性蓄泄方程的匯流歷時(shí)。

表5 n、K參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表6 不同頻率1小時(shí)時(shí)段單位線結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

（2）洪水過(guò)程計(jì)算

根據(jù)計(jì)算得出的n和K值，用瞬時(shí)單位線基本公式可以直接計(jì)算出匯流曲線，也可以按照n和（t/k）查s(t)曲線表，得到累計(jì)匯流曲線s(t)，用累計(jì)匯流曲線s(t)錯(cuò)時(shí)段相減，則可得出時(shí)段單位線。

用瞬時(shí)單位線法推求的設(shè)計(jì)斷面不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量成果見(jiàn)表7。

表7 上王水位站瞬時(shí)單位線法不同頻率洪峰流量成果表

3.4 設(shè)計(jì)流量成果分析

三種方法成果對(duì)照統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表8。

表8 上王位站不同頻率洪峰流量成果對(duì)比表

由表8可以看出，三種方法法計(jì)算值有一定的差別，經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果在推理公式和瞬時(shí)單位線計(jì)算結(jié)果之間，但是推理公式法適用的流域面積為150 km2～500 km2，對(duì)于在150 km2以內(nèi)的流域面積計(jì)算成果僅供參考；瞬時(shí)單位線法適用流域面積大于500 km2的情況，對(duì)于小于500 km2的成果僅供參考?；诖耍?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值更符合實(shí)際情況，因此選用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算成果作為上王水位站控制斷面處不同頻率設(shè)計(jì)洪水成果。

結(jié)合上下游實(shí)際情況和測(cè)驗(yàn)斷面情況，本次取5年一遇設(shè)計(jì)洪水流量111 m3/s，在水位流量關(guān)系線上查得相應(yīng)水位值為805.70 m。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)省水文局《陜西省新建水文、水位站防汛指標(biāo)確定編制大綱》第3.2.3條，按照防洪工程有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)的要求，河道預(yù)警水位要低于防洪堤頂高程，該河段2013年修建右岸河堤，河堤防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，根據(jù)實(shí)測(cè)斷面資料顯示河道左岸最高點(diǎn)為806.76 m高于初步確定預(yù)警水位1.06 m，能夠滿足堤防工程有關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）根據(jù)《陜西省水情預(yù)警信號(hào)發(fā)布管理辦法》附件洪水藍(lán)色預(yù)警信號(hào)要求：①流量（水位）接近警戒流量（水位）；②洪水要素重現(xiàn)期接近2年～5年。因此我們按照重現(xiàn)期5年一遇洪峰流量來(lái)確定警戒水位符合洪水藍(lán)色預(yù)警要求。

（3）上王站斷面的水力因素根據(jù)設(shè)計(jì)流量反算推求采用曼寧公式進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)場(chǎng)查勘可知，該河段順直，河床比降變化均勻，沿程寬度變化較小，符合恒定均勻流的假定，因而采用曼寧公式進(jìn)行分析計(jì)算是合理的。

（4）在結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際地理環(huán)境及歷史洪水等因素，經(jīng)綜合分析，最終采用水位805.70 m作為該站預(yù)警水位值,其相應(yīng)流量111 m3/s,為5年一遇洪水流量。