酉水河茅坪鎮(zhèn)水位站預(yù)警水位確定分析

武永輝，夏群超，巨阿迷

（漢中水文水資源勘測中心，陜西 漢中 723000）

1 測站概況

酉水河茅坪鎮(zhèn)水位站斷面，是酉水河上游的控制斷面。水位站位于洋縣茅坪鎮(zhèn)茅坪村，茅坪鎮(zhèn)控制斷面以上流域面積544 km2，河長47.5 km，平均比降23.8‰。

茅坪鎮(zhèn)水位站于2012 年6 月建成，主要收集酉水河基本水文信息，擔(dān)負(fù)著向洋縣城區(qū)和下游鄉(xiāng)鎮(zhèn)提供水情信息的任務(wù)。測驗(yàn)項(xiàng)目包括水位、雨量。測驗(yàn)方式為有人看管無人值守。從5 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。

2 茅坪鎮(zhèn)水位站預(yù)警水位確定方法

該站采用《漢中水文手冊》，按照無實(shí)測資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水推求方法，計(jì)算不同頻率的洪峰流量,再根據(jù)設(shè)計(jì)洪峰流量依據(jù)河道水位流量關(guān)系曲線，查得設(shè)計(jì)洪水水位，同時(shí)綜合考慮河道下游防護(hù)對象及河堤防洪標(biāo)準(zhǔn)情況，綜合確定預(yù)警水位。本站采用三種方法，分別是：經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法、水文比擬法。

3 測驗(yàn)河段斷面概況

茅坪鎮(zhèn)水位站斷面測驗(yàn)河段順直，兩岸均為自然河岸，沙卵石河床，中低水時(shí)中泓集中，斷面沖淤變化不大，比較穩(wěn)定。

基本斷面上下游200 m 無阻水建筑物，測驗(yàn)河段長400 m，河寬約80 m，觀測水位的基本水尺斷面（亦即水位站斷面）位于測驗(yàn)河段的中部。

3.1 水位站基本斷面情況

茅坪鎮(zhèn)水位站基本斷面基本情況見圖1。

圖1 酉水河茅坪鎮(zhèn)水位站大斷面圖

3.2 斷面水位流量關(guān)系

水位站采用曼寧公式法計(jì)算過水?dāng)嗝嫠涣髁筷P(guān)系，即根據(jù)實(shí)測的斷面資料計(jì)算；水面比降采用實(shí)測河段比降7.6‰；河床糙率按測驗(yàn)河段特征，對照糙率表確定n=0.038。經(jīng)計(jì)算，茅坪鎮(zhèn)水位站水位流量關(guān)系見表1。

表1 酉水河茅坪鎮(zhèn)水位站斷面水位流量關(guān)系表

4 防護(hù)對象及水利工程現(xiàn)狀

4.1 防護(hù)對象

茅坪鎮(zhèn)水位站位于洋縣茅坪鎮(zhèn)附近，上距茅坪鎮(zhèn)約800 m。茅坪鎮(zhèn)臨酉水河，在鎮(zhèn)上建設(shè)有防洪工程，保護(hù)鎮(zhèn)上居民防洪安全，防洪洪水標(biāo)準(zhǔn)10 a 一遇。水位站下游沒有較大集鎮(zhèn)，沿河河谷開闊階地處有居民居住，居住分散。茅坪鎮(zhèn)水位站所在酉水河兩岸均為自然形成的土質(zhì)岸坎，右岸為x209 公路。

4.2 水利工程

茅坪鎮(zhèn)水位站上游有兩個(gè)低壩電站，一個(gè)水庫，卡房水庫距水位站約15 km，卡房水庫總庫容2992 萬m3，控制流域面積310 km2，占酉水河全流域面積的32.2%。該水庫于2007 年12月建成。在茅坪鎮(zhèn)水位站下游有宋家堰、酉水街、蕎麥山電站，均為低壩引水式電站。

茅坪鎮(zhèn)水位站以下35 km 處酉水河干流上為酉水街水文站。

5 預(yù)警水位（流量）確定

5.1 不同頻率設(shè)計(jì)洪水推求

（1）經(jīng)驗(yàn)公式法

式中：QP為頻率為P 的洪峰流量，m3/s；CP、n 為頻率為P 的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、指數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)洪水，計(jì)算成果見表2。

表2 茅坪鎮(zhèn)水位站不同重現(xiàn)期洪水流量成果統(tǒng)計(jì)表

（2）推理公式法

茅坪鎮(zhèn)水位站根據(jù)《漢中水文手冊》查得1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 的平均雨量及CV值和皮爾遜Ⅲ型曲線的模比系數(shù)KP值，在不同頻率下CS的3.5 倍的KP值，見表3。

表3 推理公式應(yīng)用參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

茅坪鎮(zhèn)水位站河段以上流域面積為544 km2，故本河段設(shè)計(jì)洪水采用瞬時(shí)單位線法推求。

瞬時(shí)單位線基本公式：

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)于線性水庫的個(gè)數(shù)或調(diào)節(jié)次數(shù)；k 為水庫型線性蓄泄方程的匯流歷時(shí)。

瞬時(shí)單位線法匯流計(jì)算需要確定的參數(shù)為n、k，通常設(shè)m1=nk，m2=1/n。

①m1 的確定：

參數(shù)m1 為“滯時(shí)”，主要與流域特征和雨強(qiáng)（特別是造峰雨的強(qiáng)度）有關(guān)，計(jì)算公式為：

式中：F 為流域面積，km2；J 為流域內(nèi)匯流河槽的平均比降，‰；m1i=10為造峰雨強(qiáng)度為10 mm/h 時(shí)的“滯時(shí)”，反映流域特征對匯流的影響；Lg（F）為F 的以10 為底的對數(shù)；b 為非線性關(guān)系的冪指數(shù)；i 為造峰雨的平均雨強(qiáng)，mm/h。

造峰雨強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中：htp為tp時(shí)段內(nèi)的最大凈雨量，mm；i 為造峰雨的平均強(qiáng)度，mm/h；tp為造峰雨歷時(shí)，h。

根據(jù)《漢中水文手冊》，造峰雨強(qiáng)度不能大于臨界雨強(qiáng)。臨界雨強(qiáng)按照公式：

計(jì)算。如果i≤Ik，則直接用i 計(jì)算m1，否則取i=Ik計(jì)算m1。

②m2 的確定

m2 為反映瞬時(shí)單位線形態(tài)的參數(shù)，計(jì)算公式為：

當(dāng)計(jì)算出的m2 大于1 時(shí)，取m2=1。

③參數(shù)n、k 的確定

參數(shù)n、k 通過m1、m2 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。

即：u（Δt，t）=s（t）-s（t-Δt）

式中：u（Δt，t）為時(shí)段無因次單位線；Δt 為為時(shí)段單位線時(shí)段長，由于小流域匯流時(shí)間短，故計(jì)算時(shí)段Δt 采用1 h；t 為時(shí)間。

將u（Δt，t）轉(zhuǎn)換為以時(shí)段長為Δt、凈雨量為10 mm 的時(shí)段且有量綱的單位線，計(jì)為q（Δt，t）。計(jì)算公式為：

式中：q（Δt，t）為有因次時(shí)段單位線的縱高，m3/s。

以各時(shí)段的凈雨分別乘以單位線的縱高，并錯(cuò)時(shí)段相加，既得設(shè)計(jì)洪水過程，n、k 計(jì)算參數(shù)確定見表4。

表4 不同頻率的瞬時(shí)單位線n、k 參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

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)洪峰流量成果見表5。

表5 不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量成果表 單位：m3/s

（3）水文比擬法

茅坪鎮(zhèn)水位站與下游酉水街水文站流域自然地理，洪水特性相似，產(chǎn)流區(qū)相同，區(qū)間流域面積367 km2。

1）參證站基本概況

酉水水文站1958 年8 月設(shè)立，隸屬陜西省水文水資源勘測局，為省級重要水文站，位于陜西省洋縣酉水鎮(zhèn)八廟村，該站基本斷面以上集水面積911 km2，水文測驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降雨等。

2）水文比擬法推求不同頻率洪峰流量

設(shè)計(jì)流域內(nèi)或產(chǎn)匯流條件較為相似的同一水文分區(qū)流域內(nèi)有水文站實(shí)測洪水資料的，面積差不超過20%時(shí)，可將水文站作為參證站，根據(jù)參證站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果，應(yīng)用面積比擬法推求設(shè)計(jì)流域的設(shè)計(jì)洪水。水文比擬法計(jì)算公式：

式中：Q設(shè)p為設(shè)計(jì)控制斷面設(shè)計(jì)流量，m3/s；Q參p為參證站設(shè)計(jì)流量，m3/s；F設(shè)為設(shè)計(jì)控制斷面以上流域面積，km2；F參為參證站以上流域面積，km2；n 為指數(shù)，取2/3。

根據(jù)酉水水文站不同頻率洪峰流量，運(yùn)用水文比擬法計(jì)算茅坪鎮(zhèn)水位站的同頻流量，計(jì)算成果見表6。

表6 茅坪鎮(zhèn)水位站水文比擬法不同頻率洪峰流量成果表

5.2 設(shè)計(jì)流量成果采用

本次采用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法及水文比擬法推求的洪水流量對照統(tǒng)計(jì)見表7。

表7 茅坪鎮(zhèn)水位站不同頻率洪峰流量成果對比表

從表7 可以看出，經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法與水文比擬法計(jì)算值有一定的差別。經(jīng)驗(yàn)公式法與水文比擬法計(jì)算值差別不是很大，鑒于經(jīng)驗(yàn)公式法及水文比擬法計(jì)算設(shè)計(jì)流量均超出《漢中水文手冊》適應(yīng)范圍，但是，本計(jì)算斷面與酉水街水文站同屬酉水河干流，盡管區(qū)間流域面積較大，但是產(chǎn)匯流特征具有較好的相關(guān)性，因此水位站控制斷面成果采用水文比擬法計(jì)算成果。

5.3 確定預(yù)警水位

根據(jù)《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，按照重現(xiàn)期2 a～5 a 一遇洪峰流量來確定預(yù)警水位，依據(jù)預(yù)警流量確定預(yù)警水位。即茅坪鎮(zhèn)水位站2 a 一遇洪水流量為352 m3/s，5 a 一遇洪水流量為669 m3/s，依據(jù)防護(hù)對象和預(yù)警水位編制大綱，水位站預(yù)警流量取值400 m3/s，根據(jù)該站率定的水位流量關(guān)系線上查得該流量的水位為670.27 m，茅坪鎮(zhèn)水位站預(yù)警水位確定為670.30 m（預(yù)警流量為400 m3/s）。

6 預(yù)警水位合理性分析

茅坪鎮(zhèn)水位站河道兩岸均為自然河坎，兩岸高程比較，左岸比右岸低，本次用左岸河坎高程與初步確定的預(yù)警水位對比，進(jìn)行合理性分析。茅坪鎮(zhèn)水位站控制斷面左岸河坎高程674.16 m，與本次初步確定的預(yù)警水位670.30 m 的差值為3.86 m，河道右岸是安全的。

與茅坪鎮(zhèn)水位站下游約35 km 處的酉水街水文站警戒流量為500 m3/s 比較，茅坪水位站的預(yù)警流量采用400 m3/s 較為適宜。

從2013 年建站以來至2019 年，最大洪峰流量為882 m3/s（2013 年7 月22 日），在此期間超過預(yù)警流量的洪水有3 次，頻次達(dá)42.9%。

因此，當(dāng)出現(xiàn)670.30 m 洪水水位后，對下游下黃莊、宋家堰電站、酉水街電站等區(qū)域能夠起到警示和防汛預(yù)警的作用。本次初步確定的水位站預(yù)警水位較為合理。

7 結(jié)論

本文通過對中小河流新建茅坪鎮(zhèn)水位站的基本情況進(jìn)行分析，率定該站的水位流量關(guān)系，采用相應(yīng)的方法，對該站的預(yù)警水位進(jìn)行分析確定。當(dāng)出現(xiàn)相應(yīng)水位的洪水過程，可以對下游相關(guān)區(qū)域能夠起到警示和防汛預(yù)警的作用。結(jié)果可為水文部門的預(yù)警預(yù)報(bào)工作提供有效的科學(xué)依據(jù)，也為該地區(qū)防汛工作提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。