基于多因子聯(lián)合的遼河干流警戒水位確定方法

王春宇

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

國內(nèi)對洪水預(yù)警的研究一致從未間斷，大部分研究通過確定河道的行洪能力，給出流量或者水位預(yù)警值。早期研究主要是針對局部河段，通過對水文站地形、觀測數(shù)據(jù)等分析可能引起的水面線變化，或者利用天然河道恒定流推算局部河段水面線，從而推演確定局部河段的行洪能力進(jìn)行預(yù)警或者將局部降雨量作為預(yù)警指標(biāo)。近些年應(yīng)防汛需求，相關(guān)研究逐漸增多，但思路和方法較之前未發(fā)生較大變化[1- 8]。大江大河警戒水位多取洪水普遍漫灘或重要堤段開始漫灘偎堤的水位，此時(shí)河段或區(qū)域開始進(jìn)入防汛戒備狀態(tài)，有關(guān)部門進(jìn)一步落實(shí)防守崗位、搶險(xiǎn)備料工作，跨堤涵閘停止使用[9]。因此，警戒水位是指江河堤防普遍臨水，堤防可能發(fā)生險(xiǎn)情，需要?jiǎng)訂T社會力量進(jìn)行防守的起始水位[10]。常規(guī)確定方法是根據(jù)河道演變、灘槽關(guān)系、堤防迎背水高程等實(shí)際情況，選擇河段一定比例的上灘洪水水位作為河段警戒水位[11- 12]。本次研究河段警戒水位采用80%斷面上灘流量對應(yīng)觀測點(diǎn)的水位[13]。此項(xiàng)工作涉及到河道演變、灘槽關(guān)系分析、水面線計(jì)算、各斷面水位流量關(guān)系分析及平攤流量確定等工作，本次擬通過建立警戒水位與灘唇高程、臨水堤腳高程、背水堤腳高程、設(shè)計(jì)堤前水深等四個(gè)要素的線性相關(guān)關(guān)系，可以較為方便快速的得到較為合理的河段警戒水位。

1 遼河干流堤防現(xiàn)狀

遼河自福德店至河口，河道總長538km。遼河干流左右岸現(xiàn)狀堤線長890.619km，其中堤防長655.756km，自然高地長116.745km，支流河口長21.466km，下游無堤段長96.652km。

遼河堤防建設(shè)大致分為兩個(gè)時(shí)期：第一個(gè)時(shí)期為19世紀(jì)80年代，主要對遼河農(nóng)村段堤防進(jìn)行整治，整治范圍為遼河福德店至盤山閘段兩岸農(nóng)村段堤防；另一個(gè)時(shí)期為2000年以后，主要對遼河城市段、石佛寺副壩段以及盤錦以下農(nóng)村段堤防進(jìn)行整治。清河口以下堤防建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，清河口以上建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)30年一遇。堤身斷面全部為頂寬6m，迎水邊坡1∶2.5，背水邊坡1∶3.5或1∶5(砂土筑堤段為1∶5，其余段為1∶3.5)，清河口以上平均堤高4m，清河口以下平均堤高7.5m。

鐵嶺城市段堤防位于遼河左岸，堤長8.26km，防洪標(biāo)準(zhǔn)100年一遇(其中堤頂1.2m插板防浪墻)，迎水全部有混凝土板硬性護(hù)坡，堤頂寬8m(瀝青路面7m)。

盤錦城市段堤防位于遼河下游兩岸，兩岸堤防總計(jì)42.75km，建設(shè)防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，防御洪水流量6800m3/s，堤防頂寬8m，瀝青路面寬6m，迎水邊坡一般為1∶2.5，背水邊坡1∶3.5～1∶5，迎水側(cè)多數(shù)有混凝土面板等硬性防護(hù)，少數(shù)為草皮護(hù)坡，近兩年包括混凝土面板護(hù)坡在內(nèi)的迎背水邊坡上覆土栽植灌木。

盤錦以下農(nóng)村段堤防大堤頂高程基本與繞陽河口位置繞陽河大堤等高，防御洪水能力約為3000m3/s，大致相當(dāng)于10～20年一遇標(biāo)準(zhǔn)，目前堤防頂寬8m，其中瀝青路面6m，堤防迎背水均為草皮護(hù)坡。石佛寺副壩與主壩工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，堤防頂寬6m，4.5m寬砂石路面，臨背水邊坡1∶3，主壩段臨水側(cè)為模袋混凝土護(hù)坡，副壩兩側(cè)均為草皮護(hù)坡。石佛寺水庫建設(shè)完成后，通過對洪水的滯納調(diào)蓄，一定程度上使得水庫下游堤防標(biāo)準(zhǔn)提高。水庫建成后，50年一遇洪水和100年一遇洪水泄流流量與壩址原20年一遇洪水基本一致、200年一遇洪水泄流流量與壩址原50年一遇洪水基本一致。

2 警戒水位的確定方法

(1)警戒水位分河段確定，不分岸別，警戒水位河段分段應(yīng)以主槽過流能力相差不大為控制原則，如無較大支流匯入河段不應(yīng)分得過短，以免給運(yùn)用和管理造成不便。

(2)警戒水位的確定方法為根據(jù)控制站的多年橫斷面套繪成果，綜合分析斷面穩(wěn)定性及河灘地與背水側(cè)地面高程關(guān)系，確定控制站灘地普遍上水或洪水偎堤的水位作為控制站的警戒水位。本次研究河段警戒水位采用80%斷面上灘流量對應(yīng)觀測點(diǎn)的水位，由于遼河灘地較寬，且存在一定橫比降，因此采用此種方法確定的河段警戒水位下洪水應(yīng)大部分未臨堤，對于防汛搶險(xiǎn)來說是偏于安全的。

(3)遼河下游灘地多建有套堤，由于當(dāng)?shù)厝罕娒磕甓紩μ椎瘫∪醵渭右跃S護(hù)，現(xiàn)狀套堤多較堅(jiān)固，有套堤河段漫灘洪水很難威脅到設(shè)計(jì)堤防安全，因此采用此種方法確定河段警戒水位下洪水應(yīng)大部分未臨堤，對于防汛搶險(xiǎn)來說是偏于安全的。

3 遼河干流警戒水位確定分析

3.1 套堤段行洪能力分析

本次研究擬通過利用一維數(shù)學(xué)模型對二維模型計(jì)算成果進(jìn)行試算模擬，找到套堤在一維數(shù)學(xué)模型中簡化處理的主要參數(shù)取值范圍和影響要素，建立遼河鐵嶺河段的一維模型。本段設(shè)計(jì)流量為5250m3/s，二維模型采用流量5250m3/s，起點(diǎn)水位采用遼河大堤初設(shè)對應(yīng)水位23.71m，主槽糙率0.025，灘地糙率0.075。首先用水力學(xué)二維模型計(jì)算無套堤情況下各斷面水位，然后利用一維水力學(xué)模型在邊界條件不變的情況下通過調(diào)整糙率、套堤開口寬度的方式復(fù)核二維成果，復(fù)核后一維水位與二維水位差值在±0.02m以內(nèi)，復(fù)核后一維主槽糙率0.023～0.030，灘地糙率0.07～0.085。最后利用復(fù)核完成的一維模型及二維模型分別計(jì)算有套堤情況下各斷面水位，并對比計(jì)算成果。復(fù)核及計(jì)算成果詳見表1。

表1 水面線復(fù)核及計(jì)算成果對比情況表

從表1可以看出，在有套堤情況下，一維水力學(xué)模型按本次套堤處理方式計(jì)算出的水面線成果比水力學(xué)二維模型成果高0.01～0.2m，在合理范圍內(nèi)，從防洪方面考慮是偏安全的，故本次一維水力學(xué)模型對套堤的處理方式是正確合理的。最終確定套堤簡化處理方式為：套堤過流寬度為400m，即把套堤內(nèi)地面高程(大堤迎水400m范圍內(nèi)除外)抬高至套堤頂高程，并設(shè)定此范圍內(nèi)糙率為0.01，若大堤迎水側(cè)至套堤距離為200～400m，則過流寬度設(shè)為200m，若大堤迎水側(cè)至套堤距離小于200m，則過流寬度為0。以最外側(cè)的套堤代替多層套堤及多個(gè)相連接的套堤。

3.2 遼河干流套堤對各段河道水位影響

在遼河干流套堤行洪分析的基礎(chǔ)上，對遼河干流典型河段的套堤水位影響進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表2。

表2 遼河套堤對各段河道水位影響統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)計(jì)算，石佛寺回水末端至福德店段現(xiàn)狀地形較全清障工況設(shè)計(jì)水位高0～0.26m，福德店至石佛寺水庫末端現(xiàn)狀套堤較少，現(xiàn)存的套堤主要分布在福德店、蘭家街-老山頭、通江口大橋上下游(周家網(wǎng)-西孤家子村)、新調(diào)線橋上下游。只影響局部段行洪能力，對整體行洪能力影響有限。石佛寺水庫壩下至盤山段現(xiàn)狀地形較全清障工況設(shè)計(jì)水位高0～0.83m，本段沿河均有套堤分布，現(xiàn)存大量套堤是導(dǎo)致本段堤防整體不能達(dá)到建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的主要原因。盤錦市區(qū)段(大洼區(qū)、雙臺子區(qū)、興隆臺區(qū)、盤錦監(jiān)獄)現(xiàn)狀地形較全清障工況設(shè)計(jì)水位高0.12m。

3.3 遼河干流警戒水位確定公式

根據(jù)遼河各斷面警戒水位與四要素的關(guān)系統(tǒng)計(jì)成果，擬定初步關(guān)系公式。本文通過對遼河近400個(gè)堤防斷面灘槽關(guān)系、灘地與臨水堤腳關(guān)系、灘地與背水保護(hù)地關(guān)系、臨水堤腳與設(shè)計(jì)水位關(guān)系的整理，建立了警戒水位與灘唇高程、臨水堤腳高程、背水堤腳高程、設(shè)計(jì)堤前水深之間的簡易線性公式，公式如下所示。

Hj=0.396htc+0.97(hl+hb)+0.0495hdq

(1)

式中，Hj—警戒水位,m;htc—灘唇(河道邊灘瀕臨水流的邊緣地帶)高程，m;hl—臨水堤腳高程，m;hb—背水堤腳高程，m;hdq—設(shè)計(jì)堤前水深(保證水位-臨水堤腳)，m。在簡易估算公式的基礎(chǔ)上，利用圖表進(jìn)一步修正，如圖1所示，為分析估算公式計(jì)算的精度，對公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際確定的遼河警戒水位結(jié)果進(jìn)行耦合對比，見表3。

表3 警戒水位計(jì)算值與確定值耦合對比表

(續(xù)表)

圖1 警戒水位估算公式修正圖

從表3中可以看出除六間房站警戒水位估計(jì)值偏差較大外，其他控制斷面利用公式計(jì)算出的警戒水位較80%河段上灘洪水確定的警戒水位差值都在0.5m以內(nèi)，吻合較好。本公式可以提供了一種快速可靠估算河道警戒水位的方法，方便快捷地為防汛工作服務(wù)。

4 結(jié)論

(1)采用河道警戒水位簡易公式對遼河干流典型站點(diǎn)估算的警戒水位和已確定的警戒水位差值均在0.5m以內(nèi)，具有較好的吻合度，可實(shí)現(xiàn)對河道警戒水位的快速、可靠估算。

(2)采用多因子聯(lián)合方法進(jìn)行警戒水位確定時(shí)，建議河段分段應(yīng)以主槽過流能力相差不大為控制原則，如無較大支流匯入河段不應(yīng)分的過短，以免給運(yùn)用和管理造成不便。

(3)本文建立的簡易方程還未進(jìn)行檢驗(yàn)，存在不足，在后續(xù)的研究中還應(yīng)結(jié)合更多工程實(shí)例對該公式進(jìn)行檢驗(yàn)。