遼河干流典型水文站點水情 預(yù)警指標確定方法及等級劃分標準研究

胡曉松

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

水情部門肩負的重要職責是及時、準確、高效地發(fā)布水情預(yù)警信息。水情預(yù)警信息的發(fā)布具有重要的社會和防洪減災(zāi)意義，一是可不同程度的減少洪澇災(zāi)害對社會經(jīng)濟產(chǎn)生的影響[1]，二是可以提高水情部門對社會公眾方面的服務(wù)支撐能力，三是可以對水情業(yè)務(wù)部門社會服務(wù)支撐能力進行有效擴展，可為不同主管部門提供及時、準確的水情決策依據(jù)，總體提升水情業(yè)務(wù)部門的服務(wù)水平，提高水情業(yè)務(wù)人員的水平[2]。發(fā)布水情預(yù)警信息既是水情部門對外服務(wù)能力的體現(xiàn)，也是對水情部門自身技術(shù)力量的考驗[3]。近些年來，國內(nèi)許多學(xué)者對于河道水情預(yù)警指標進行了研究，并取得一定的研究成果[4- 11]。但對于遼寧地區(qū)研究還較少，尤其是在遼河流域還未開展相關(guān)研究工作，為此本文基于國家防總《水情預(yù)警發(fā)布管理辦法(試行)》的相關(guān)規(guī)定[12- 14]，提出適合于遼寧省洪水特點的預(yù)警站點選擇原則及預(yù)警指標確定方法、要素，研究成果對于遼寧省乃至北方地區(qū)河流水情預(yù)警方案確定具有重要的借鑒意義。

1 水情預(yù)警方法

1.1 水情預(yù)警站點選擇原則

(1)代表性

應(yīng)選擇能夠反映主要江河重點防汛保護對象洪水特征的水文站作為預(yù)警站點。

(2)區(qū)域性

由于氣象條件及地理特征等因素的影響，遼寧省東、中、西部地區(qū)水文條件存在差異，水情預(yù)警站點的布設(shè)應(yīng)能充分反映各區(qū)域水旱特性。

(3)資料完整性

同等條件下，應(yīng)選擇觀測時間長、歷史資料完整的水文站作為預(yù)警站點。

1.2 水情預(yù)警指標確定方法及等級劃分標準

1.2.1確定原則

(1)應(yīng)遵照國家防總《水情預(yù)警發(fā)布管理辦法(試行)》規(guī)定及相關(guān)地方性標準、條例。

(2)應(yīng)充分結(jié)合預(yù)警站點實際特征，特別是站點附近防汛相關(guān)工程、建筑等情況。

(3)為保證預(yù)警指標的合理、有效，河流最后一個預(yù)警站點的預(yù)警指標應(yīng)適當考慮下游的防汛、預(yù)警需求；當下游增設(shè)預(yù)警站點時，再做調(diào)整。

(4)預(yù)警發(fā)布時限為每年汛期(6月1日至9月20日)，重點為每年的主汛期。

1.2.2確定方法及等級劃分標準

確定藍、黃、橙、紅四個預(yù)警等級，各預(yù)警等級的劃分標準見表1，其中等級劃分標準中只要滿足其中一個條件即可。

表1 不同等級水情預(yù)警劃分標準

2 實例分析

2.1 遼河流域概況

遼河是遼寧省第一大河，為全國七大江河之一，主要流經(jīng)東北三省以及河北省，在遼寧的盤山縣匯入渤海。流域總集水面積為21.89萬km2，河道總長度達到1390km，流域河系較為發(fā)達，其彎道系數(shù)在1.49～1.55之間，河道總體比降變幅較大，在0.35‰～0.21‰之間。遼河干流兩側(cè)流經(jīng)遼寧省境內(nèi)的流域面積大于5000km2的支流有老哈河、西遼河、東遼河、清河、柳河、繞陽河。

2.2 站點選擇

根據(jù)水情預(yù)警站點選站原則，并結(jié)合遼寧省防汛區(qū)域劃分等具體情況，確定洪水預(yù)警站點，見表2。

表2 遼河水情預(yù)警站點

2.3 遼河預(yù)警站點河道現(xiàn)狀行洪能力分析

各站點堤防的特征水位(流量)見表3。結(jié)合MIKE11河流模型對河道現(xiàn)狀行洪能力進行分析，結(jié)果見表4。

表3 遼河干流控制預(yù)警站特征水位(流量)

表4 各預(yù)警站點河道現(xiàn)狀行洪能力分析結(jié)果

2.4 遼河預(yù)警站點預(yù)警指標及等級確定

2.4.1福德店水文站

福德店水文站位于鐵嶺市昌圖縣長發(fā)鄉(xiāng)王子村，為遼河上游控制站。斷面上游800m左右為東、西遼河匯合處，集水面積為106925km2，距入?？?42km。

(1)設(shè)計洪水分析

設(shè)計洪水成果是其預(yù)警指標確定的關(guān)鍵所在，結(jié)合多項設(shè)計成果對福德店水文站洪水頻率進行綜合分析，結(jié)果見表5。

表5 福德店站洪水頻率分析結(jié)果

注：n表示樣本個數(shù)；Cv表示為變異系數(shù)；Cs表示為偏態(tài)系數(shù)；P表示為頻率。

對福德店水文站設(shè)計洪水進行了多次分析，資料采用修建東遼河二龍山水庫和西遼河紅山水庫后的未做水庫還原的實測系列。在編制《遼河干流福德店～清河口河段防洪工程初步設(shè)計報告》時，洪水資料為1962—1986年；在1999年編制《遼干福德店～石佛寺防洪工程可研報告》時，洪水資料為1962—1996年；在進行遼河流域防洪體系評價時，資料延長到2002年；在2013年編制《遼河流域(遼寧省)重要控制站特征水位研究報告》時，資料系列延長至2009年。其中福德店站1962—1971年的洪峰系列由通江口相關(guān)插補。綜合分析認為，《遼河干流福德店～清河口河段防洪工程初步設(shè)計報告》采用的1962—1986年成果合理，經(jīng)比較，采用1962—1986年系列成果。

(2)預(yù)警指標確定

結(jié)合前面介紹的各等級預(yù)警指標的確定方法，綜合確定福德店水文站預(yù)警指標，結(jié)果見表6。

國家防總《水情預(yù)警發(fā)布管理辦法(試行)》推薦采用接近警戒流量的流量作為洪水藍色預(yù)警指標。由《遼寧省2014年防御洪水方案》可知，福德店水文站警戒流量為140m3/s。考慮到站點警戒流量較低，故直接采用警戒流量140m3/s作為福德店水文站洪水藍色預(yù)警指標。根據(jù)遼寧省鐵嶺水文局觀測資料，當福德店水文站流量在500m3/s左右時，左岸水面到達堤腳。據(jù)此，初步擬定福德店水文站洪水黃色預(yù)警指標為500m3/s。根據(jù)預(yù)警指標確定方法，取重現(xiàn)期達到或超過20年一遇的洪峰流量作為洪水橙色預(yù)警指標。根據(jù)福德店水文站設(shè)計洪水成果，初步擬定福德店水文站洪水橙色預(yù)警指標為1500m3/s，該流量下，下游通江口站流量低于保證流量。按照水情預(yù)警指標確定原則可選歷史最大流量或50年一遇洪峰流量作為洪水紅色預(yù)警指標?？紤]到遼河石佛寺水庫以上河段堤防標準較低(30年一遇)，初步擬定以福德店水文站保證流量2050m3/s為洪水紅色預(yù)警指標。

表6 福德店水文站洪水預(yù)警指標方案

2.4.2鐵嶺水文站

鐵嶺水文站于1933年11月設(shè)立，位于鐵嶺縣鎮(zhèn)西堡鎮(zhèn)李家屯村，集水面積為120764km2。

(1)設(shè)計洪水分析

為保證預(yù)警指標的合理性，結(jié)合多項設(shè)計成果對鐵嶺水文站洪水頻率進行綜合分析，并對其組合設(shè)計洪水進行綜合分析，結(jié)果見表7—8。

在編制《遼河流域防洪規(guī)劃》時，設(shè)計洪水均采用《石佛寺水庫可行性研究報告》的成果。經(jīng)分析，為了保持設(shè)計洪水成果的一致性，鐵嶺站設(shè)計洪水仍采用《石佛寺水庫可行性研究報告》的成果。此外，考慮鐵嶺水文站以上洪水為兩部分，即支流水庫和各水庫至鐵嶺站區(qū)間，選用1953年作為典型年進行同頻率分析。

(2)預(yù)警指標確定

結(jié)合前面介紹的各等級預(yù)警指標的確定方法，綜合確定鐵嶺水文站預(yù)警指標，結(jié)果見表9。

考慮為石佛寺水庫調(diào)度提供預(yù)警，初步擬定鐵嶺水文站洪水藍色預(yù)警指標為1000m3/s，該流量小于鐵嶺水文站警戒流量。選取警戒流量為黃色預(yù)警指標。由《遼寧省2014年防御洪水方案》可知，鐵嶺站警戒流量為2790m3/s，為此確定遼河鐵嶺水文站黃色預(yù)警指標為2790m3/s。選取重現(xiàn)期達到或超過20年一遇的洪峰流量作為洪水橙色預(yù)警指標。依據(jù)鐵嶺水文站設(shè)計洪水成果，因此確定洪水橙色預(yù)警指標為4000m3/s，其對應(yīng)水位為60.9～61.2m。當鐵嶺水位不超過60.93m(20年一遇)時，保證遼河干流堤防安全，可見以4000m3/s作為洪水橙色預(yù)警指標是合理的。選取歷史最大流量或50年一遇洪峰流量作為紅色預(yù)警指標，但考慮到遼河石佛寺水庫以上遼河干流堤防標準較低，綜合確定鐵嶺水文站保證流量6780m3/s為洪水紅色預(yù)警指標。

表7 鐵嶺水文站洪水頻率分析結(jié)果

注：N表示為樣本總數(shù)；其它同上。

表8 鐵嶺水文站組合洪水分析結(jié)果

表9 鐵嶺水文站洪水預(yù)警指標方案

2.4.3馬虎山水文站

(1)設(shè)計洪水分析

依據(jù)石佛寺水庫出庫洪水推求馬虎山水文站設(shè)計流量，結(jié)果見表10。

表10 馬虎山水文站設(shè)計洪水成果

(2)預(yù)警指標確定

結(jié)合前面介紹的各等級預(yù)警指標的確定方法，綜合確定馬虎山水文站預(yù)警指標，結(jié)果見表11。

據(jù)馬虎山水文站近年觀測資料可知，測站附近遼河左岸漫灘流量約為1000m3/s，據(jù)此確定馬虎山水文站洪水藍色預(yù)警指標為1000m3/s，低于警戒流量1610m3/s。采用警戒流量為洪水黃色預(yù)警指標閾值，即洪水黃色預(yù)警指標為1610m3/s。以20年一遇洪峰流量作為洪水橙色預(yù)警指標。依據(jù)馬虎山站設(shè)計洪水成果，同時考慮下游河段防汛需求，確定馬虎山水文站洪水橙色預(yù)警指標為4000m3/s?？扇v史最大流量或50年一遇洪峰流量作為洪水紅色預(yù)警指標，但考慮到馬虎山堤防標準較高，故以保證流量作為紅色預(yù)警指標，確定馬虎山水文站洪水紅色預(yù)警指標為5500m3/s。

表11 馬虎山水文站洪水預(yù)警指標方案

表12 盤山水文站洪水預(yù)警指標方案

表13 各站點預(yù)警指標歷史出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

2.4.4盤山水文站

受大閘調(diào)節(jié)、海水頂托影響，盤山站附近河段水文、水力特征十分復(fù)雜。相較流量，水位是盤山站附近河段防洪工作的主要影響因素。因此以水位作為盤山站水情預(yù)警的指標，結(jié)果見表12。

以接近警戒水位的水位為盤山水文站洪水藍色預(yù)警指標，確定盤山水文站藍色預(yù)警指標為3～4m。選取警戒水位為盤山水文站洪水黃色預(yù)警指標，確定盤山水文站黃色預(yù)警指標為5.5m。選取保證水位為盤山水文站洪水橙色預(yù)警指標，但考慮到遼河盤山段堤防標準較高，綜合各方面因素，確定盤山水文站洪水橙色預(yù)警指標為6.0～7.0m。選取歷史最高水位或重現(xiàn)期50年一遇水位為洪水紅色預(yù)警指標，但考慮到遼河盤山段堤防標準較高，故以堤防保證流量作為洪水紅色預(yù)警標準，確定盤山水文站紅色預(yù)警指標為8.49m。

3 各站點預(yù)警指標合理性分析

為保證水情預(yù)警指標閾值的科學(xué)、合理，依據(jù)1975—2018年各站點水文站實測洪水過程，對不同等級的水情預(yù)警指標閾值進行合理性分析。各站點預(yù)警指標歷史出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表13。

從表13可看出，各站點發(fā)生藍色和黃色預(yù)警次數(shù)較多，通過對各站點歷史數(shù)據(jù)進行分析，說明水情預(yù)警指標合理性較好，且從其上下游來看，除盤山水文站受潮水頂托，水力條件較為復(fù)雜外，其他各站點的水情預(yù)警指標均具有較好的上下游一致性。由于遼河流域總體防洪標準較高，且干流上受石佛寺等幾座大型水庫的調(diào)蓄作用影響，其發(fā)生紅色預(yù)警的次數(shù)相對較少，這也是較為合理的。通過對各站點進行歷史考證分析，采用本文提出的預(yù)警指標進行的橙色預(yù)警也較為合理。

4 結(jié)論

(1)水情預(yù)警指標確定關(guān)鍵在于如何選取不同頻率下的洪水特征值，在實際分析中建議采用工程設(shè)計審核過的設(shè)計特征值作為主要依據(jù)。

(2)感潮河道站點受潮水頂托影響，不同于其他類型河道，水力特征復(fù)雜，其水情預(yù)警指標建議以水位變幅為主，不能以流量作為預(yù)警指標。

(3)受河道沖淤變化影響，只能以水位變幅作為預(yù)警指標，很難以單一水位值作為其不同等級的預(yù)警指標，在以后的研究中還應(yīng)重點解決該問題。