安康月河漢陰水位站洪水預(yù)警信號(hào)相應(yīng)水位流量分析

由宇軍，邰高曦，賀成民

(陜西省水文水資源勘測(cè)局，陜西 西安 710068)

0 引言

安康漢陰縣城地處安康市中部，位于月河上游，縣城分布于月河兩岸，為陜西省暴雨洪水多發(fā)區(qū)域之一。月河上游洪水暴漲暴落，匯流時(shí)間較短，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)威脅極大，2010年設(shè)立了漢陰水位站，為洪水防御部門(mén)防御局地性暴雨引起的中小河流洪水災(zāi)害，提供了及時(shí)可靠的依據(jù)。依據(jù)《陜西省水情預(yù)警發(fā)布管理辦法(試行)》《安康市洪水預(yù)警信號(hào)發(fā)布實(shí)施辦法(試行)》，洪水預(yù)警信號(hào)分為“藍(lán)色、黃色、橙色、紅色”四個(gè)等級(jí)。由于漢陰水位站建站時(shí)間短，目前尚沒(méi)有預(yù)警信號(hào)相應(yīng)的水位和流量，無(wú)法有效地對(duì)洪水進(jìn)行預(yù)警，發(fā)布預(yù)警信號(hào)，為防汛搶險(xiǎn)爭(zhēng)取有效反應(yīng)時(shí)間。因此，推求漢陰水位站的預(yù)警信號(hào)相應(yīng)水位、流量等預(yù)警指標(biāo)，對(duì)洪水準(zhǔn)確預(yù)警，發(fā)布相應(yīng)預(yù)警信號(hào)，啟動(dòng)相應(yīng)防汛預(yù)案，開(kāi)展洪水防御工作，保障群眾生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

1 概況

1.1 流域概況

漢陰水位站所在河流為漢江水系月河流域(上游)。月河為漢江的一級(jí)支流，發(fā)源于鳳凰山鐵瓦殿，自西向東流經(jīng)漢陰縣和漢濱區(qū)，在漢濱區(qū)城區(qū)西南2 km處觀新村自漢江左岸匯入漢江。月河全長(zhǎng)117 km，河道平均比降2.79‰，流域面積2830 km2。月河在漢陰縣境內(nèi)的集水面積為970.6 km2，主河道長(zhǎng)49.0 km，平均比降6.26‰。漢陰縣城觀音河匯入后集水面積為277 km2，主河道長(zhǎng)21.8 km，平均比降16.4‰。

月河流域呈羽狀，左右岸呈不對(duì)稱(chēng)分布，右岸岸河溝稀疏、源近流短，左岸河溝發(fā)育，河網(wǎng)密集，河道源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。在漢陰縣境內(nèi)匯入月河的主要支流有馬家河、沐浴河、梨園河、觀音河、關(guān)寺河、仙雞河、余家河、洞河、沙壩河、花石河和蒲蘭溝等，較大支流有觀音河和洞河；在漢濱區(qū)境內(nèi)匯入月河的主要支流有白魚(yú)河、恒河、溢河、花園溝和付家河等。月河流域內(nèi)多年平均降水量868 mm，多年平均徑流量3.06億m3。

1.2 水文站網(wǎng)概況

月河流域共設(shè)有基本水文站2處，中小河流水文(位)監(jiān)測(cè)站5處，雨量站26處。其中干流下游1959年12月設(shè)有國(guó)家基本水文站長(zhǎng)槍鋪水文站，控制流域面積2814 km2；支流恒河1957年5月設(shè)有楊家營(yíng)水文站，控制流域面積931 km2，1975年1月基本水尺斷面上移50 m更名楊家營(yíng)(二)站，流域面積929 km2；1999年因恒惠渠大壩加高，該站又下遷至恒口鎮(zhèn)改名恒口水文站，控制流域面積為973 km2。

1.3 水位站概況

漢陰水位站2010年設(shè)立，位于陜西省漢陰縣城關(guān)鎮(zhèn)，由于漢陰站原斷面受下游橡膠壩蓄水和塌壩影響，同級(jí)水位下流量誤差較大，水位代表性差，2020年9月上遷900 m至現(xiàn)斷面，高程采用黃海基面。漢陰水位站控制流域面積277 km2，河長(zhǎng)16.7 km。該站主要收集月河上游水文信息，向漢陰縣城區(qū)水旱災(zāi)害防御部門(mén)提供水情信息的服務(wù)。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目包括：水位、雨量，測(cè)驗(yàn)方式為有人看管無(wú)人值守。

1.4 測(cè)驗(yàn)河段概況

漢陰水位站測(cè)驗(yàn)河段順直，上下游有彎道控制，兩岸均為人工堤防，河床由砂卵石組成，河床較穩(wěn)定，控制條件良好。中斷面上游約38 m有漫水橋一座，約128 m有一座攔河滾水壩，500 m為漢陰縣大橋，大橋上游480 m處有觀音河從左岸匯入；下游約150 m有月河西大橋一座、為車(chē)輛行人通行拱橋，位置見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 漢陰水位站位置示意圖

圖2 漢陰水位站測(cè)驗(yàn)河段影像圖

1.5 上下游水利工程及其它工程

(1)上游水庫(kù)工程

漢陰水位站上游支流觀音河建有觀音河水庫(kù)，位于漢陰縣觀音河鎮(zhèn)八廟村，集水面積80 km2，總庫(kù)容1552萬(wàn)m3，已淤352萬(wàn)m3，壩前淤積高程444.4 m，汛限水位462.5 m(相應(yīng)庫(kù)容950萬(wàn)m3)泄洪放水設(shè)施有放水涵洞設(shè)計(jì)泄量2.3 m3/s、排沙泄洪洞設(shè)計(jì)泄量20 m3/s，溢洪道進(jìn)口高程463.33 m，設(shè)計(jì)泄量295 m3/s。水庫(kù)始建于1958年9月，于1962年4月竣工，是一座以灌溉為主，兼防洪、供水、發(fā)電、養(yǎng)魚(yú)等綜合功能的中型水利樞紐工程，于2002年進(jìn)行了除險(xiǎn)加固。溢洪道為側(cè)槽開(kāi)敞式溢洪道，設(shè)于右岸，堰頂高程463.33 m，經(jīng)除險(xiǎn)加固處理后，1000 a一遇校核洪水最大泄洪流量517 m3/s。放水涵洞設(shè)計(jì)流量2.3 m3/s，最大放水流量2.5 m3/s。水庫(kù)原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按50 a一遇296 m3/s，校核洪水按500 a一遇517 m3/s。

(2)堤防工程

測(cè)驗(yàn)河段左右岸均為新修人工河堤，漢陰縣城關(guān)鎮(zhèn)月河河道河堤設(shè)計(jì)防洪能力為30 a一遇。經(jīng)踏勘調(diào)查，月河漢陰下游沿途各集鎮(zhèn)澗池、蒲溪、雙乳、恒口、五里、建民等防洪河堤防洪能力為20 a一遇以上洪水。

圖3 漢陰水位站河段堤防工程影像圖

2 設(shè)計(jì)洪水洪峰流量分析計(jì)算

2.1 洪峰面積相關(guān)法

漢陰水位站斷面以上控制面積為277 km2，屬于小流域范圍，且無(wú)實(shí)測(cè)水文資料，根據(jù)《安康地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》，月河屬于汶池區(qū)，采用汶池區(qū)洪峰面積計(jì)算公式計(jì)算。

計(jì)算公式如下：

QN=KNFn

式中：QN為重現(xiàn)期為N的設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；KN、n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和指數(shù)；F為設(shè)計(jì)流域面積，km2。

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 漢陰水位站洪峰面積相關(guān)法設(shè)計(jì)洪水洪峰流量計(jì)算成果表

2.2 綜合參數(shù)法

綜合參數(shù)法，是以流域內(nèi)設(shè)計(jì)暴雨量和流域特征等參數(shù)為基礎(chǔ)而建立的多因素經(jīng)驗(yàn)公式。其適應(yīng)范圍為面積在10 km2～1000 km2之間?；竟綖椋?/p>

Qp=KpηFnJαHpβ

式中：Qp為設(shè)計(jì)頻率為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，‰；Hp為設(shè)計(jì)頻率為P的6 h點(diǎn)暴雨量，mm；Kp為設(shè)計(jì)頻率為P的6 h暴雨模比系數(shù)(CV=0.53)；η、n、α、β為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。

根據(jù)《安康地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》，綜合參數(shù)法設(shè)計(jì)斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 綜合參數(shù)法參數(shù)法設(shè)計(jì)洪水洪峰流量計(jì)算成果表

2.3 根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水(推理公式法)

根據(jù)《安康地區(qū)水文實(shí)用手冊(cè)》暴雨分區(qū)劃分及設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)規(guī)定，查有關(guān)圖表分別進(jìn)行設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量、設(shè)計(jì)面雨量、凈雨時(shí)程分配、產(chǎn)流、匯流計(jì)算，漢陰水位站推理公式法計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 推理公式法各設(shè)計(jì)頻率洪峰流量計(jì)算成果表

2.4 水文比擬法

本次水文比擬法以流域內(nèi)或產(chǎn)匯流條件較為相似的同為月河流域的楊家營(yíng)(恒口)水文站作為參證站，依據(jù)楊家營(yíng)(恒口)水文站實(shí)測(cè)洪峰流量頻率計(jì)算成果，采用面積比擬法推求漢陰水位站不同頻率的洪峰流量。計(jì)算公式為：

式中：Q設(shè)、Q參分別為設(shè)計(jì)斷面和楊家營(yíng)(恒口)水文站洪峰流量；F設(shè)、F參分別為設(shè)計(jì)河段和參證站控制流域面積，其中漢陰水位站以上F設(shè)=277 km2，參證站楊家營(yíng)(恒口)水文站F參=931 km2；n為指數(shù)，n=0.667。

水文比擬法推求漢陰水位站不同頻率設(shè)計(jì)洪水洪峰流量見(jiàn)表4。

表4 漢陰水位站不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)洪水洪峰流量表

2.5 設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析及確定

由上述四種方法計(jì)算漢陰水位站設(shè)計(jì)洪水成果及其它本河段已有成果列舉匯總見(jiàn)表5。

表5 漢陰水位站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果匯總表

從表6中可以看出，洪峰面積相關(guān)法與水文比擬法接近，而綜合參數(shù)法偏小，推理公式法偏大。經(jīng)與附近水利工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比，其采用方法均為水文比擬法成果，因此本次采用成果為水文比擬法成果。

3 水位流量關(guān)系曲線率定

漢陰水位站無(wú)實(shí)測(cè)流量資料，測(cè)驗(yàn)河段順直，上下游控制條件較好，兩岸均為人工堤防，河床由砂卵石組成，河床較穩(wěn)定，測(cè)驗(yàn)斷面水位流量關(guān)系采用曼寧公式法推求，面積A根據(jù)實(shí)測(cè)斷面資料算得，水面比降為實(shí)測(cè)值3‰，糙率按測(cè)驗(yàn)河段邊界條件取0.030。漢陰水位站水位～流量關(guān)系曲線見(jiàn)見(jiàn)圖4、表6。

圖4 漢陰水位站水位流量關(guān)系曲線圖

表6 漢陰水位站水位流量關(guān)系曲線計(jì)算成果表

4 預(yù)警信號(hào)相應(yīng)水位流量分析確定

漢陰水位站為中小河流自動(dòng)測(cè)報(bào)水位站，根據(jù)洪水量級(jí)及其發(fā)展態(tài)勢(shì)，以及可能造成的危害程度，采用與預(yù)警級(jí)別相應(yīng)的水位(流量)或洪水重現(xiàn)期綜合分析，并參照警戒水位(流量)、保證水位(流量)等防汛指標(biāo)或歷史最高水位(流量)特征值指標(biāo)確定。

(1)藍(lán)色預(yù)警：依據(jù)洪水藍(lán)色預(yù)警信號(hào)確定標(biāo)準(zhǔn)，水位(流量)接近警戒水位(流量)或洪水要素重現(xiàn)期接近5年(洪峰流量445 m3/s)，結(jié)合漢陰縣城段堤防工程防洪標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)綜合分析確定漢陰水位站洪水藍(lán)色預(yù)警信號(hào)相應(yīng)流量為400 m3/s，查水位流量關(guān)系曲線得相應(yīng)水位為326.40 m。

(2)黃色預(yù)警：依據(jù)洪水黃色預(yù)警信號(hào)確定標(biāo)準(zhǔn)。水位(流量)達(dá)到或超過(guò)警戒水位(流量)或洪水要素重現(xiàn)期達(dá)到或超過(guò)5年(洪峰流量445 m3/s)，結(jié)合漢陰縣城段堤防工程防洪標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)綜合分析確定漢陰水位站洪水黃色預(yù)警信號(hào)相應(yīng)流量確定為600 m3/s，查水位流量關(guān)系曲線得相應(yīng)水位為327.00 m。

(3)橙色預(yù)警：依據(jù)洪水橙色預(yù)警信號(hào)確定標(biāo)準(zhǔn)。水位(流量)達(dá)到或超過(guò)保證水位(流量)或洪水要素重現(xiàn)期達(dá)到或超過(guò)20年(洪峰流量692 m3/s)，結(jié)合漢陰縣城段堤防標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)綜合分析確定漢陰水位站橙色信號(hào)相應(yīng)流量為700 m3/s，查水位流量關(guān)系曲線得相應(yīng)水位327.30 m。

(4)紅色預(yù)警：依據(jù)洪水紅色預(yù)警信號(hào)確定標(biāo)準(zhǔn)。水位(流量)達(dá)到或超過(guò)歷史最高水位(最大流量)或洪水要素重現(xiàn)期達(dá)到或超過(guò)50年，結(jié)合漢陰縣城段堤防標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)綜合分析確定漢陰水位站紅色信號(hào)相應(yīng)流量為850 m3/s，查水位流量關(guān)系曲線得相應(yīng)水位327.70 m。

5 成果合理性分析

(1)與漢陰現(xiàn)場(chǎng)防洪工程比較分析

本次以公路護(hù)堤堤頂高程與初步擬定的漢陰水位站預(yù)警水位比對(duì)，進(jìn)行合理性分析，其比對(duì)分析結(jié)果見(jiàn)表7、圖5。

表7 河堤高程與預(yù)警水位對(duì)比分析

圖5 漢陰水位站中斷面大斷面圖

由表8可知，漢陰水位站測(cè)驗(yàn)斷面右岸公路河堤堤頂高程較預(yù)警水位高。堤頂即公路路面高程(327.87 m)設(shè)計(jì)洪水頻率為30 a一遇，本次分析所擬紅色預(yù)警信號(hào)流量為850 m3/s，相應(yīng)水位為327.70 m，低于公路面0.17 m，由此分析預(yù)警指標(biāo)確定是基本合理的。

(2)與有關(guān)規(guī)定的符合性分析

漢陰水位站洪水藍(lán)色預(yù)警信號(hào)相應(yīng)流量確定為400 m3/s，略小于該水位站5 a一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量(445 m3/s)及警戒流量(500 m3/s)；黃色預(yù)警信號(hào)相應(yīng)流量確定為600 m3/s，大于該水位站5 a一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量(445 m3/s)及警戒流量(500 m3/s)，小于該水位站20 a一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量(692 m3/s)；橙色預(yù)警信號(hào)相應(yīng)流量確定為700 m3/s，略大于該水位站20 a一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量(692 m3/s)；紅色預(yù)警信號(hào)相應(yīng)流量確定為850 m3/s，相當(dāng)于該水位站50 a一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量(848 m3/s)。以上四個(gè)預(yù)警指標(biāo)確定成果符合規(guī)范相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求及當(dāng)?shù)胤姥葱枰?，確定的預(yù)警信號(hào)相應(yīng)流量比較合理。

(3)與鄰近水文站及漢陰縣有關(guān)指標(biāo)的符合性分析

漢陰縣2020年縣城防洪預(yù)案確定的警戒流量為500 m3/s，鄰近流域恒河上設(shè)有恒口水文站，恒口水文站警戒流量為500 m3/s。以上四個(gè)預(yù)警指標(biāo)確定的預(yù)警信號(hào)相應(yīng)流量、水位與上述警戒流量比較基本合理。

(4)與實(shí)際發(fā)生洪水比較分析

從2010年建站以來(lái)至2019年，漢陰水位站出現(xiàn)最大洪峰流量為763 m3/s(2014年9月24日)，從發(fā)生的頻率來(lái)看以上四個(gè)預(yù)警信號(hào)相應(yīng)流量、水位比較合理。

6 結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

綜上所述，最終確定漢陰水位站洪水藍(lán)色預(yù)警信號(hào)相應(yīng)流量確定為400 m3/s，水位為326.40 m；黃色預(yù)警信號(hào)相應(yīng)流量確定為600 m3/s，水位為327.00 m；橙色預(yù)警信號(hào)相應(yīng)流量確定為700 m3/s，水位為327.30 m；紅色預(yù)警信號(hào)相應(yīng)流量確定為850 m3/s，水位為327.70 m。

6.2 建議

(1)漢陰水位站建設(shè)目的為防汛專(zhuān)用水位站，本次預(yù)警信號(hào)相應(yīng)水位(流量)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果主要依據(jù)《水文手冊(cè)》無(wú)實(shí)測(cè)洪水資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式、推理公式、水文比擬法推算確定，需要在后期的工作中進(jìn)一步驗(yàn)證所確定預(yù)警相應(yīng)水位(流量)數(shù)值的準(zhǔn)確性。

(2)漢陰水位站為山區(qū)中小河流，上下游附近河道斷面會(huì)受到洪水及人類(lèi)活動(dòng)等因素的影響將有所變化，由于河道斷面的變化會(huì)引起水位流量關(guān)系的變動(dòng)。因此，在使用預(yù)警水位過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)水位站上下游河道演變情況，及時(shí)修定預(yù)警水位值，為洪水防御部門(mén)提供合理的預(yù)警信號(hào)指標(biāo)。