小凌河錦州市城區(qū)段防汛特征水位確定

楊雪峰

（遼寧江海水利工程有限公司）

0 引言

防汛特征水位是識別洪水量級的重要指標，代表著水利工程能承受的洪水特征值，是防汛預(yù)警預(yù)報、指揮調(diào)度決策的重要參考依據(jù)[1]。作為應(yīng)用最為廣泛的特征參數(shù)，對預(yù)示水利工程設(shè)施危害程度以及防汛力量的布置具有重要的參考價值，是防汛指揮工作的重要指標。防汛特征水位一般分為三級:一級為設(shè)防水位，二級為警戒水位，三級為保證水位(又稱最高水位或危險水位)[2]。特征水位級別越高，對應(yīng)防汛狀態(tài)越緊急，一級為防汛準備級別，二級為防汛警戒級別，三級為防汛緊急狀態(tài)。一般河流通常只制定警戒水位和保證水位，用以指導河流汛期洪水預(yù)警及防汛決策[3-4]。

小凌河是遼寧省大型河流之一，流經(jīng)遼寧省西部中心城市錦州市城區(qū)，且途經(jīng)2條鐵路線路。其防洪安全保障工作關(guān)系著城區(qū)的民生安全和經(jīng)濟發(fā)展。此次研究以小凌河錦州市城區(qū)段為研究對象，分析該河段警戒水位和保證水位，為錦州市城區(qū)的防汛指揮調(diào)度工作提供參考依據(jù)，以期為錦州市城區(qū)段避險預(yù)留更長時間。

1 研究區(qū)概況

1.1 防洪工程現(xiàn)狀

小凌河錦州市城區(qū)段為錦凌水庫壩下至百股河口段，長度17km，為丘陵與平原過渡地帶，河段順直，河床比降較小，兩岸已形成防洪體系。小凌河錦州市城區(qū)段上游建有錦凌水庫，河道兩岸均建有土堤，左岸防洪標準為100年一遇，右岸防洪標準為50年一遇。

1.2 暴雨洪水特性

小凌河錦州城區(qū)段洪水主要由錦凌水庫放流及區(qū)間主要支流女兒河匯流形成。小凌河錦州市城區(qū)段建有錦州水文站，女兒河中游建有烏金塘水庫和烏金塘水文站。

一次洪水過程一般為3天，最長可以達到5天，一次降水即形成一次洪峰，所以流量過程線多為單峰型，但如遇連續(xù)兩次或兩次以上降水，也可以形成雙峰[5]。小凌河洪水相對集中，大洪水較一般洪水的洪量更集中。

2 研究方法

防汛特征水位是在河道現(xiàn)狀行洪能力分析的基礎(chǔ)上通過推求水位流量關(guān)系確定的。行洪能力的分析主要包括兩點，其一為計算現(xiàn)狀防洪工程最大泄流能力，并根據(jù)計算結(jié)果分析泄量對應(yīng)防洪標準；其二為選取河段內(nèi)代表性較強的控制斷面，計算不同量級洪水條件下的水位，繪制控制斷面的水位流量關(guān)系曲線。

在本次分析中，依據(jù)小凌河錦州市城區(qū)段實測地形資料和防洪保護對象，綜合確定特征水位控制斷面。通過經(jīng)驗頻率分析法分析計算各控制斷面設(shè)計洪水，再采用能量方程法推求出各控制斷面水位流量關(guān)系，分析其現(xiàn)狀防洪能力。最終根據(jù)各控制斷面實際過流能力及水位流量關(guān)系，結(jié)合斷面形態(tài)確定該河段的防汛特征水位。

3 小凌河錦州市城區(qū)段防汛特征水位確定

3.1 控制斷面確定

根據(jù)流域防洪工程情況和洪水特性，選取錦州水文站、女兒河口2個控制斷面作為代表斷面。錦州水文站、女兒河口控制斷面位置見圖1所示。

圖1 控制斷面位置示意圖

3.2 現(xiàn)狀行洪能力分析

現(xiàn)狀行洪能力分析包括設(shè)計洪峰流量計算和控制斷面水位流量關(guān)系計算兩部分。

3.2.1 設(shè)計洪峰流量計算小凌河錦州市城區(qū)段建有錦州水文站，記錄有1954年至2018年實測流量資料，結(jié)合歷史洪水調(diào)查考證資料，采用經(jīng)驗頻率分析法計算錦州水文站設(shè)計洪水。女兒河口設(shè)計洪峰流量計算采用錦州水文站的面積比推求。

因院區(qū)的面積所限，該院不允許設(shè)計大型的花園，但設(shè)計者也竭盡所能為患者創(chuàng)造一個溫馨舒適的就醫(yī)環(huán)境。例如，設(shè)計者在院區(qū)的空余地方以及病房的陽臺里都設(shè)置花槽，讓這些花槽點綴在院區(qū)周圍，打破醫(yī)院沉悶單調(diào)的室內(nèi)氛圍，增添了幾分寫意與活力，同時亦可勾起患者與醫(yī)護人員賞花玩花的點點情趣。

計算公式如下：

式中：m為xm在n項水文資料中按遞減順序排列的序號；n為水文資料年限；Pm為第m項xm的頻率。

本次頻率分析所采用的洪峰值按照年最大值選樣，即：從錦州站實測洪水資料中逐年選取一個最大流量；

通過統(tǒng)一樣本法，將實測洪峰系列與歷史洪水系列共同組成一個不連續(xù)的系列，作為代表總體的一個樣本，不連續(xù)系列各項可在歷史調(diào)查期內(nèi)統(tǒng)一排位[6]，對該樣本系列進行排頻計算，獲得錦州站設(shè)計洪峰流量的值。其中理論頻率曲線選用PⅢ曲線，Cs（偏態(tài)系數(shù)）和Cv（變差系數(shù)）倍比取2.5。

考慮到錦凌水庫建成后，處于錦凌水庫、烏金塘水庫洪水調(diào)節(jié)共同作用下，所以按照設(shè)計洪水地區(qū)組成，組合各控制地點的洪峰流量，選各方案中的最大組合流量作為采用值，計算結(jié)果見表1。

表1 錦凌水庫建成后不同控制地點各頻率組合洪峰流量成果表

根據(jù)表1可知，錦州水文站斷面100年和50年一遇洪峰流量均為6 000m3/s；女兒河口斷面100年一遇洪峰流量為10 121m3/s，50年一遇洪峰流量為9 347m3/s。

3.2.2 推求各斷面水位流量關(guān)系

在防汛工作中通過控制斷面水位流量關(guān)系曲線圖將實時水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為流量數(shù)據(jù)，可作為防汛指揮調(diào)度的重要參考依據(jù)。

根據(jù)各控制斷面設(shè)計洪峰流量計算成果，采用實測各斷面數(shù)據(jù)，計算不同防洪標準設(shè)計洪峰流量對應(yīng)的水位。采用天然河道恒定非均勻流[7]計算公式推求，即采用能量方程通過修改斷面參數(shù)推求各斷面現(xiàn)狀情況下的水位[8]，并通過各斷面水位流量關(guān)系曲線查得各斷面實際行洪能力。

能量方程的基本形式為：

式中：Z1，Z2為上下游斷面的河底高程（m）；Y1，Y2為上下游斷面的水深（m）；V1，V2為上下游斷面的水流平均流速（m/s）；he為能量水頭損失（m）；α1，α2為修正系數(shù)；L為上下游斷面之間的河道長度（m）；Sf為上下游斷面的摩擦比降；C為河道的擴散或收縮損失系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）。

（2）水位流量關(guān)系曲線的繪制

根據(jù)各控制斷面的多次實測流量和同時水位的資料來校準計算各斷面水位，以水位為縱坐標，流量為橫坐標，繪制各控制斷面水位流量關(guān)系曲線圖。

錦州水文站水位流量關(guān)系見圖2，女兒河口水位流量關(guān)系見圖3。

圖2 錦州水文站觀測點水位流量關(guān)系圖

圖3 女兒河口下觀測點水位流量關(guān)系圖

根據(jù)錦州水文站水位流量關(guān)系曲線可知，當錦州水文站洪峰流量達到6 000m3/s時，對應(yīng)水位為23.83m。根據(jù)女兒河口斷面水位流量關(guān)系可知，當女兒河口洪峰流量達到9 347m3/s時，對應(yīng)水位為20.26m，當洪水流量達到10 121m3/s時，對應(yīng)水位為21.21m。

3.2.3 行洪能力分析

根據(jù)實測地形資料，推算現(xiàn)狀各控制斷面最大過流能力，分析各控制斷面現(xiàn)狀行洪能力。各控制斷面現(xiàn)狀最大過流能力見表2。

表2 控制斷面行洪能力基本情況表

根據(jù)各斷面現(xiàn)狀行洪能力計算成果可知，錦州水文站斷面均可達到100年一遇和50年一遇標準兩種頻率的設(shè)計流量6 000m3/s，兩岸均滿足設(shè)計防洪標準；女兒河口斷面左岸現(xiàn)狀行洪能力為9 640m3/s，略低于100年一遇設(shè)計流量10 121m3/s，右岸現(xiàn)狀行洪能力為9 347m3/s，滿足50年一遇設(shè)計防洪標準。

由此可知，錦凌水庫壩下至女兒河口段現(xiàn)狀兩岸堤防均可滿足設(shè)計防洪標準。女兒河口至百股河口段左岸雖建有堤防，但堤防堤頂高程減去安全超高后的保證水位低于設(shè)計水位，不滿足設(shè)計100年一遇防洪標準的要求，為防汛薄弱河段，汛期需重點防護；右岸現(xiàn)狀為自然高地，滿足設(shè)計50年一遇防洪標準。

3.3 防汛特征水位的確定

3.3.1 警戒水位確定原則

小凌河錦凌水庫下游至百股河口段為錦州市城區(qū)段，兩岸堤防均已達標。該段河道警戒水位綜合考慮堤腳高程、灘面高程、階地高程和設(shè)計水位等因素，采用堤腳高程加0.5m或取一級階地高程作為警戒水位。

3.3.2 保證水位確定原則

小凌河錦州市城區(qū)段為有堤段，保證水位應(yīng)為堤防能夠安全下泄的最小洪峰流量所對應(yīng)的水尺斷面水位，即本河段所有堤防在水尺斷面超過此水位前均可保證其防洪安全。

3.3.3 特征水位確定

根據(jù)特征水位確定原則，并利用各斷面水位流量關(guān)系得到各控制斷面的特征水位。

（1）錦州水文站斷面特征水位

根據(jù)現(xiàn)狀行洪能力分析結(jié)果，錦州水文站斷面所代表的錦凌水庫壩下至女兒河口段兩岸現(xiàn)已滿足設(shè)計防洪標準。因此，左岸保證流量為6 000m3/s，相應(yīng)保證水位為24.05m；右岸保證流量為6 000m3/s，相應(yīng)保證水位為23.83m。該段警戒水位20.04m，警戒流量2 540m3/s。

（2）女兒河口斷面特征水位

根據(jù)現(xiàn)狀行洪能力分析成果，女兒河口斷面所代表的女兒河口至百股河口段現(xiàn)狀左岸行洪能力略低于設(shè)計標準，右岸滿足設(shè)計標準。因此，左岸保證流量為9 640m3/s，相應(yīng)保證水位21.00m；右岸保證流量為9 347m3/s，相應(yīng)保證水位20.26m。該段警戒水位13.96m，警戒流量3 240m3/s。

4 結(jié)語

洪澇災(zāi)害一直是城市防洪的重中之重，因此特征水位的制定尤為重要。本文針對小凌河錦州市城區(qū)段主要特點，在分析其現(xiàn)狀行洪能力的基礎(chǔ)上，提出各控制斷面的特征水位，為錦州市防汛指揮調(diào)度、抗洪搶險工作提供了重要的技術(shù)支撐和科學依據(jù)。

在今后的防洪工作中，還需進一步驗證本次制定特征水位的準確性，并加強對薄弱河段堤防的監(jiān)測，結(jié)合該河段雨水情、工情、險情等方面的觀測信息，及時調(diào)整特征水位，使其更加符合實際防汛工作需要。