淮河三河尖水位站特征水位分析研究

劉冠華，張晨晨，萬新宇

(1.河南省水文水資源局，鄭州 450003；2.河海大學水文水資源學院，南京 210098)

0 引 言

特征水位是科學、正確、高效地組織和指揮汛情發(fā)布、防汛抗洪工作的重要依據(jù)。在汛期，江河洪水上漲到水位站警戒水位時，堤防區(qū)險情逐漸增多，防汛部門隨之進入防洪警備時期。河南省淮河流域重要水文(位)站已制定有特征水位，但隨著水情工情的變化，有些站的特征水位已不再適用，亟須對其進行復(fù)核。

目前，科學準確的確定特征水位尚未有一套統(tǒng)一的制定規(guī)范，但不少學者已就江河特征水位的擬定方法進行過一系列研究。姜濤等[1]以肇源水文站為例，對其新舊斷面水位對比分析，論證了斷面位置遷移對防汛特征水位的影響，但未考慮臨近水位站的影響；朱振華等[2]從歷史洪水資料中篩選出不同頻率年最高水位，考慮到水產(chǎn)養(yǎng)殖，生態(tài)修復(fù)等經(jīng)濟效益，確定了薔薇河的警戒水位、保證水位，但未對薔薇河歷年水位過程線進行分析；劉和昌等[3]基于Copula函數(shù)建立洪水水位漲率與洪水損失的條件概率分布函數(shù)，提出考慮洪水損失的江河警戒水位擬定方法，但未對上游圩區(qū)影響情況做出論述；王林波[4]分別用大斷面綜合分析法、洪水頻率計算法和堤防調(diào)查法對韓家杖子水文站防汛特征水位進行論證，提供了一種全新的思路，但僅適用于同類水位站問題，有一定的局限性；胡余忠等[5]對中小河流站點進行研究，基于預(yù)警河段的歷史洪水信息及沿河居住群高程確定水文站點的特征水位，可供同類站點預(yù)警指標體系建設(shè)提供參考。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，梳理了影響警戒水位、保證水位的因素，明確了特征水位的確定原則，綜合采用水力學法、水位過程線對比分析、最高水位年頻次分析等方法對三河尖站特征水位進行復(fù)核。

1 三河尖站現(xiàn)狀

三河尖站位于河南信陽固始縣三槐村，淮河、史灌河(泉河先進入史灌河)交匯處，三河尖以上淮河長417 km，其位置圖見圖1。2018年2月河南省水利勘測有限公司對三河尖夾河套進行了地形及河道大斷面測量，見圖2。

近年來多次出現(xiàn)上游王家壩(距本站40 km)、下游潤河集(距本站30 km)均不超警，但三河尖超警的現(xiàn)象，并且超警歷時長，次數(shù)多。經(jīng)調(diào)查，在淮河19項治理工程完工后，王家壩、潤河集警戒水位均上調(diào)了1 m，但三河尖特征水位未作改動，見表1。

表1 王家壩三河尖現(xiàn)有防洪特征值 m

2 特征水位復(fù)核

2.1 確定原則

2.1.1 警戒水位

警戒水位的確定應(yīng)當考慮河段普遍漫灘和重要堤段臨水并達到一定高度，結(jié)合工程現(xiàn)狀，堤防工程歷史出險情況等因素綜合研究確定；對有防洪任務(wù)而無堤防的河段，可根據(jù)河岸險工情況，以洪水上灘或需要轉(zhuǎn)移群眾、財產(chǎn)時的水位確定。

2.1.2 保證水位

堤防的高度、寬度、坡度及堤身、堤基質(zhì)量已經(jīng)達到規(guī)劃設(shè)計標準的河段，設(shè)計水位即為保證水位；堤頂高程不足的河段，按現(xiàn)狀堤頂高程扣除超高值后的水位定為保證水位；堤頂寬度不足，先確定現(xiàn)狀堤身達到設(shè)計頂寬處的高程，在此基礎(chǔ)上再扣除超高值即為保證水位；保證水位擬定要兼顧上下游的關(guān)系，分河段設(shè)置。

2.2 分析計算

綜合采用河道洪水演進及洪水頻率分析理論進行分析，以上游王家壩水文站的警戒水位(流量)、保證水位(流量)為基準，按照歷史洪水上下游站對應(yīng)關(guān)系進行推算，通過水面線分析、水力學法、水位過程線對比、歷年最高水位頻次計算等方法進行計算，同時結(jié)合實測地形及兩岸堤防工程、村莊等情況進行綜合分析。特征水位復(fù)核分析路線圖見圖3。

2.2.1 上下游水面線分析

選擇2000年以來實測11場洪水，利用公式(1)計算兩站水面平均比降，最后計算綜合平均比降，見表2，由王家壩特征水位推算三河尖特征水位。

(1)

式中：Y1、Y2分別為上、下游水位，m；L為上、下游的水平距離，m；S為上、下游的水面比降。

王家壩至三河尖河道洪水綜合平均比降為5.9×10-5，王家壩警戒水位27.50 m，保證水位29.30 m，計算出三河尖相應(yīng)警戒水位25.14 m，保證水位28.20 m。

2.2.2 水力學分析

根據(jù)實測三河尖大斷面資料，采用曼寧公式(2)計算三河尖相應(yīng)的水位-流量關(guān)系。

表2 王家壩三河尖水面比降Tab.2 Water surface drop of Wangjiaba and Sanhejian

(2)

式中：v為水流流速，m/s；n為糙率；R為水力半徑，m；S為水面比降。

根據(jù)三河尖多年資料分析，主河道糙率采用0.03，水面比降采用表2計算值5.9×10-5，計算結(jié)果見表3。由于王家壩與三河尖相距40 km，區(qū)間無大的支流匯入，王家壩流量到三河尖略有削減，但相差不大，利用王家壩特征流量反查三河尖特征水位。

王家壩警戒流量3 200 m3/s，保證流量7 400 m3/s，由表3反查三河尖相應(yīng)警戒水位25.50 m、保證水位27.50 m。

表3 三河尖水位流量計算成果表Tab.3 Calculation results of Sanhejian water level discharge

2.2.3 水位過程線對比分析

點繪王家壩、三河尖水位過程線，見圖4，統(tǒng)計三河尖超過不同水位歷時與王家壩超警、超保歷時，統(tǒng)計結(jié)果見表4，按照洪水演進規(guī)律，王家壩、三河尖超警歷時應(yīng)相差不大。

從圖4和表4中可以看出：三河尖超25.50 m的歷時與王家壩超警歷時接近，超過24.00 m的歷時則大很多；三河尖超27.90 m的歷時與王家壩超保歷時接近，超過26.50 m的歷時則大很多。根據(jù)超警(保)歷時分析確定三河尖相應(yīng)警戒水位25.50 m、保證水位27.90 m。

2.2.4 最高水位年頻次分析

分別統(tǒng)計王家壩、三河尖歷年最高水位，確定其序位或重現(xiàn)期，通過頻率計算方法估計最高水位的頻率，按照上下游相關(guān)性分析，王家壩、三河尖超警、超保頻率應(yīng)基本一致。

表4 王家壩、三河尖超警超保時間對比表 h

統(tǒng)計三河尖站1950年至2017年(1960-1963年缺)共64 a最高水位；統(tǒng)計王家壩站1952年至2017年共66 a最高水位，用公式(3)分別計算各水位頻率。

(3)

式中：n為序數(shù)；N為最大重現(xiàn)期；P為重現(xiàn)頻率。

三河尖超過25.50 m共有39 a，出現(xiàn)頻率61%，與王家壩超警頻率59%基本一致，三河尖超警(24.00 m)共有50 a，出現(xiàn)頻率78%，遠高于王家壩。

三河尖超過27.90 m的共有13 a，出現(xiàn)頻率20%，接近于王家壩超保頻率12%，三河尖超保(26.50 m)共30 a，出現(xiàn)頻率47%，遠高于王家壩。

按照頻率一致性分析三河尖相應(yīng)警戒水位25.50 m，保證水位27.9 m。

2.2.5 綜合評定

三河尖特征水位分析成果見表5，綜合考慮堤防超高、特征水位設(shè)置原則及上下游防汛抗洪搶險的聯(lián)動性等因素，三河尖水位站警戒水位可調(diào)整為25.50 m，保證水位可調(diào)整為27.50 m。

表5 三河尖特征水位綜合分析成果表 m

3 影響分析

3.1 淹沒情況分析

采用三河尖夾河套地形測量數(shù)據(jù)，計算各級水位下淹沒面積。三河尖水位24.00 m時，進夾河套道路將被淹沒，無法通行；水位到25.50 m時，夾河套除少部分莊臺及高地外，普遍被淹，淹沒面積10.5 km2；水位到27.50 m時，淹沒面積變化不大。

3.2 上游圩區(qū)影響分析

三河尖特征水位提高有可能影響到上游的蚌山圩區(qū)和湯王圩區(qū)(2005年建成)，蚌山圩區(qū)位于史灌河泉河匯合口區(qū)間，湯王圩區(qū)在史灌河左岸。河南水利勘測設(shè)計研究有限公司在“臨淮崗洪水控制工程河南省淹沒影響區(qū)處理工程”中計算過三河尖與上游圩區(qū)設(shè)計水位，見表6。

表6 三河尖與上游圩區(qū)設(shè)計水位表 m

在三河尖保證水位調(diào)整至27.50 m時，上游兩個圩區(qū)堤防仍有足夠的安全超高。

4 結(jié) 論

本文從水文學、水力學、統(tǒng)計學多方面對三河尖特征水位進行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)三河尖斷面右岸堤腳高程24.00 m，原警戒水位24.00 m符合警戒水位的確定原則。

(2)三河尖原特征水位偏低，可適當調(diào)整。綜合考慮淮河左岸、史灌河右岸堤防超高、洪水頻率、淹沒面積及上下游防汛抗洪搶險的聯(lián)動性等因素，三河尖警戒水位可以調(diào)整至25.50 m，保證水位可以調(diào)整至27.50 m。

(3)特征水位的調(diào)整對三河尖夾河套影響不大，對上游圩區(qū)堤防影響不大。

綜上所述，建議三河尖站警戒水位從24.00～25.50 m之間選定，保證水位可以調(diào)整為27.50 m。

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