中小河流白石溝水位站預警水位分析

趙 軍

（陜西省漢中水文水資源勘測局，陜西 漢中 723000）

0 引言

隨著陜西省中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)建設項目的實施，相繼建成了一批防汛專用水文站、水位站。預警水位的確定可以為中小河流防洪減災科學決策提供依據，能夠為預警斷面下游沿河人民群眾生命財產安全轉移贏得寶貴的時間，能夠最大程度減少山洪、泥石流等自然災害造成的人民生命及財產損失。

1 流域概況

1.1 自然環(huán)境

八渡河是嘉陵江上游左岸的一級支流，流域位于陜西省漢中市略陽縣城北部，西鄰嘉陵江干流，東與漢江支流沮水河相鄰。流域地形北高南低，地質地貌較復雜。八渡河發(fā)源于甘肅省徽縣八盤山，河水自北向南流淌。上游稱為大川河，向南流經九股村，先后接納中川河、在路家山以下始稱八渡河，以下又納金池院河，在白石溝至吳家營段，流向轉折為東西向，吳家營以下又轉折為南北向，距離河口處納東渡河，于略陽縣城附近注入嘉陵江。

八渡河上游地質多為石灰?guī)r，河谷相當狹窄，縱坡比降很大，河谷深切呈“V”字型。下游地質多為千枚巖，河勢平緩，白石溝以下河谷稍微開闊，沿河有狹窄的河灘地。八渡河河槽穩(wěn)定，全流域面積466.9 km2，河長47 km，平均比降24.7‰。流域內山高溝深，植被多以闊葉林和針葉林混雜，森林植被覆蓋情況良好，森林覆蓋率達68.7%。八渡河流域水源保護站自1996 年建站以來，以保障城區(qū)居民飲水安全為目標，有效維護了水生態(tài)平衡，增強了水源涵養(yǎng)能力。

1.2 水文與氣象

八渡河流域內四季分明，冬無嚴寒，夏無酷暑，屬北亞熱帶北緣山地濕潤季風氣候，受季風影響比較明顯，雨量較為充沛，空氣濕潤。流域內無氣象資料，根據略陽縣氣象資料分析統(tǒng)計，多年平均氣溫為13.2℃，歷年極端最低氣溫-11.2℃，極端最高氣溫37.7℃。無霜期236 天。全年日照小時數1552 小時。全年盛行偏東風，頻率為18%；其次是偏西風，為16%。10 min 平均最大風速20.7 m/s，最大瞬間風速40 m/s。

降雨量受大氣環(huán)流、緯度及地形影響，降雨強度大，降雨時空分布不均。降雨量年際變化量大，年內分配不均，多年平均年降水量860 mm，7 月～9 月降雨量占全年總量的50%以上，多集中在6 月～10 月，占全年降水量的75%以上，而其他季節(jié)雨量偏少。八渡河屬山溪性河流，洪水由暴雨形成，其洪水特性與暴雨特性密切相關。暴雨過后易出現洪水過程，暴雨型洪水匯流時間短，消退快，洪水陡漲陡落變幅大，洪水歷時一般為1 天～2 天，洪水過程多成尖瘦的單峰型。流域洪水主要發(fā)生于5 月～10 月，其中7 月、8 月最為頻繁。八渡河多年平均流量4.59 m3/s。

1.3 防護對象及水利工程現狀

防護對象：白石溝水位站下游大約3.5 km 處是略陽縣城，略陽縣城四面環(huán)山處在嘉陵江、八渡河、東渡河三河交匯處，現狀城區(qū)面積2.7 km2，人口4.85 萬人。八渡河略陽縣城區(qū)段堤防工程不連續(xù)，堤防現狀防洪能力重現期為20 a。兩岸人口密集，有略陽電廠和醫(yī)院、學校等。水利工程：白石溝水位站上、下游無較大蓄水水利工程?？h城區(qū)段有多級階梯狀翻板閘式景觀工程。

2 測站概況

2.1 水位站基本概況

八渡河白石溝水位站是八渡河下游控制站，位于略陽縣城關鎮(zhèn)何家墳村，流域面積455.9 km2，河長42.4 km，平均比降24.2‰。白石溝水位站設于2012 年6 月，主要是收集八渡河基本水文信息，5 月～10 月按照24 段制報汛，并擔負著為下游略陽縣城防汛服務的任務。測驗項目為水位、雨量，測驗方式為有人看管，無人值守。水位、雨量信息采用移動GPRS 通信模塊自動傳輸，太陽能供電系統(tǒng)。

白石溝水位站斷面以上流域，布設有九股樹、田家壩、金池院、斑竹園、中川壩5 處雨量站與其一起組成測報基本站網，其流域水系見圖1。

2.2 測驗河段斷面概況

八渡河白石溝水位站測驗河段基本順直，左岸為公路護坡，右岸為人工砌護護坡。礫石、卵石等沙質河床，沖淤變化不大，河床相對穩(wěn)定，中低水時中泓偏左岸。

基本斷面上游100 m 有四跨公路橋，下游500 m 內無阻水建筑物，測驗河段長400 m，河寬約45 m，河道斷面比降2.80‰，觀測水位的基本水尺斷面（亦即水位站斷面）位于測驗河段的中部。白石溝水位站基本斷面見圖2。

圖1 八渡河水系圖

圖2 白石溝水位站基本斷面

2.3 測驗基本水準點

2012 年8 月在白石溝水位站斷面右岸設立基本水準點，標志牌下為基1，吳營大橋左岸橋頭為基2，水位計邊道沿上為基3；在水位計上游約20 m 道沿上設立校測水準點校1。

2015 年11 月13 日依據國家大地高程控制網基準水準點（85 高程）引測，水準點BM長161-12 黃海基面高程644.584 m，設立單位：略陽縣水利局；引據點級別：GPS 點。引測4 個基本水準點基1、基2、基3、校1，見表1。

表1 白石溝水位站水準點考證表

2.4 水位站基本斷面情況

八渡河白石溝水位站基本斷面情況，于2020 年3 月10 日實測斷面資料見表2，斷面基本現狀見圖3。

表2 八渡河白石溝水位站斷面資料表

圖3 八渡河白石溝水位站大斷面圖

2.5 斷面水位流量關系

①實測水位流量，2018 年～2019 年白石溝水位站實測流量6 次，實測成果見表3。

表3 2018 年～2019 年白石溝水位站實測流量成果表

②水位站斷面水位流量關系，采用曼寧公式法計算。即根據實測的斷面資料，計算水位流量關系：

式中：Q 為過水斷面流量，m3/s；A 為過水斷面面積，m2；n 為河床糙率；R 為過水斷面水力半徑，m；I 為水面比降。

過水斷面面積A 根據實測斷面資料（表2）計算；水面比降用實測河段比降2.8‰，糙率按測驗河段特征，對照糙率表確定糙率為0.034 計算白石溝水位站水位流量關系。

根據上述兩種方法綜合確定白石溝水位站水位流量關系見表4，水位流量關系曲線見圖4。

表4 白石溝水位站水位流量關系表

圖4 八渡河白石溝水位站水位流量關系曲線圖

3 預警水位確定

3.1 不同頻率設計洪水推求

3.1.1 經驗公式法

白石溝水位站所在的八渡河屬無資料小流域，八渡河屬嘉陵江一級支流，屬嘉陵江區(qū)，設計洪水采用《漢中地區(qū)實用水文手冊》（以下簡稱《水文手冊》）推薦的漢中地區(qū)經驗公式法估算。

計算公式如下：

式中：Qp為頻率為P 的洪峰流量，m3/s；F 為流域面積，km2；n 為流域面積指數，洪峰流量經驗公式分區(qū)中的嘉陵江區(qū)，n=0.705；Cp為隨頻率P 而變的經驗參數，不同頻率的CP值見表5。

表5 不同頻率的C P 值統(tǒng)計表

根據經驗公式法計算不同重現期設計洪水計算成果見表6。

表6 白石溝水位站不同重現期洪水流量成果統(tǒng)計表

3.1.2 推理公式法

白石溝水位站所在的八渡河是嘉陵江一級支流，屬嘉陵江區(qū)，根據《漢中地區(qū)實用水文手冊》暴雨相似區(qū)劃分，所用推理公式推求白石溝水位站控制斷面以上流域各設計頻率洪水，應參照《水文手冊》嘉陵江區(qū)相應的參數進行推算。

根據《漢中地區(qū)實用水文手冊》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KP值，在不同頻率下的CS的3.5 倍值，見表7。

表7 推理公式應用參數統(tǒng)計表

經推算白石溝水位站控制斷面不同頻率的洪峰流量試算曲線見圖5，不同頻率的洪峰流量成果見表8。

圖5 白石溝水位站不同頻率洪峰流量圖

表8 白石溝水位站不同頻率洪峰流量成果表

3.1.3 水文比擬法

白石溝水位站八渡河屬嘉陵江一級支流，與略陽水文站同屬嘉陵江流域，自然地理特性相似，產流區(qū)同屬嘉陵江，略陽水文站控制面積19206 km2，與水位站控制面積相差為18750.1 km2，與參證站流域面積差值為97,6%遠大于20%，超出比擬法使用范圍，故不采用比擬法計算同頻洪水流量。

4 設計流量成果采用

地區(qū)經驗公式法、推理公式法推求的洪水流量對照統(tǒng)計見表9。

表9 白石溝水位站不同頻率洪峰流量成果對比表

在八渡河上收集到《陜西省中小河流治理項目略陽縣八渡河縣城城區(qū)段防洪工程初步設計報告》（陜西省水利電力勘測設計研究院等，2014 年），該報告對八渡河設計洪水進行了計算，成果通過評審。根據該報告設計洪水計算成果采用工程類比法計算到水位站斷面，見表10。

表10 白石溝水位站不同頻率洪峰流量成果合理性分析表

從表8 可以看出，該計算成果與表9 中計算成果比較接近，因此分析認為計算成果合理，為了與防洪工程一致，本次采用以防洪工程設計計算成果為準。

5 確定預警水位

根據省局《陜西省新建水文、水位站防汛指標確定編制大綱》第3.2.3 條，我們按照重現期2 a～5 a 一遇洪峰流量來確定預警水位。即白石溝水位站5 a 一遇洪水流量為529 m3/s，2 a 一遇洪水流量為223 m3/s。經綜合分析確定預警流量取值400 m3/s，在該站率定的水位流量關系線上查得該流量的水位為660.50 m，即白石溝水位站預警水位初步確定為660.50 m。

白石溝水位站所在的八渡河河道左岸為略陽大道公路護坡，右岸修建有漿砌石護坡，本次用右岸河堤與初步確定的白石溝水位站預警水位對比，進行合理性分析。其對比分析結果見表11。

表11 河堤高程與預警水位對比分析表

由表11 可知，白石溝水位站控制斷面右岸護坡高程與本次初步確定的預警水位差值為2.89 m，河道右岸是安全的。水位站的主要防護對象是下游略陽縣城，根據調查略陽城區(qū)八渡河段的防洪能力重現期為5 a～10 a（堤防高度不連續(xù)），防洪能力流量為600 m3/s，與預警流量取值400 m3/s 比較，水位站下游至略陽城區(qū)之間再無較大支流匯入，因此較為合理。從2013 年建站以來至2019 年，最大洪峰流量為800 m3/s（2018 年7 月14 日），相應洪水位為662.13 m，與預警水位相差1.63 m。因略陽城區(qū)堤防工程不連續(xù)，致使略陽縣城區(qū)部分低洼地方進水出現災情。建站以來超過預警流量的洪水2 次，頻次為33.3%。因此，預警水位對下游大約3.5 km 處的略陽縣城關鎮(zhèn)等區(qū)域能夠起到警示和防汛預警的作用。本次初步確定的水位站預警水位較為合理。

6 結論和建議

預警水位的確定是進一步提高中小河流洪水監(jiān)測預警能力，充分發(fā)揮經濟社會快速發(fā)展對防汛減災工作需要的有效手段。本次預警水位主要依據《水文手冊》無資料地區(qū)設計洪水計算的經驗公式、推理公式和水文比擬法推算，通過采用各種方法對中小河流白石溝水位站預警水位的計算，并結合建站以來的實測水文資料，最終確定其預警水位。經綜合分析確定白石溝水位站預警水位為660.50 m。該預警水位基

本符合該站斷面實際情況。對于無資料地區(qū)的中小河流水位站點，要結合該河段已經建成的水利工程設施防洪標準以及該河段斷面條件，加強其水文資料的收集，特別是要加強較大洪水過程水文要素積累，為率定水位流量關系，確定合理的預警水位積累寶貴的水文資料，預警水位的確定能夠進一步提升中小河流站點洪水監(jiān)測預警的能力，充分發(fā)揮其在防汛減災中的作用。