無資料地區(qū)通航水位分析方法探究

謝志鋒

(廣東省水文局茂名水文分局，廣東 茂名 525000)

0 前 言

無資料地區(qū)的通航水位無法直接通過水文測站的水位資料來直接獲取。以包茂高速茂名段沙浪江(袂花江)特大橋及引橋的最高通航水位保證率(P=50%)、最低通航水位(保證率P=75%)分析計算為例，探究無資料地區(qū)的最高通航水位及最低通航水位的計算分析。

最高通航水位采用先計算出特大橋及引橋河段的年最大洪峰流量系列，由年最大洪峰流量系列進(jìn)行頻率計算，得出河段2a一遇的洪峰流量，由洪峰流量查算特大橋及引橋河段的水位流量關(guān)系，得到同頻率的洪水位，即為所求；最低通航水位采用先找出新河水文站的每年75%的保證率水位，由此保證率水位系列進(jìn)行頻率計算，得出新河水文站的通航最低水位，采用枯水瞬時水面線觀測法確定特大橋及引橋河段的通航最低水位。

1 河流概況

袂花江又名沙瑯江，原屬鑒江一級支流，后因下游吳川市興建了博茂減洪工程，將袂花江改道出口，經(jīng)2014年全國第一次水利普查，認(rèn)定袂花江為獨立入海河流，不再屬于鑒江流域。袂花江發(fā)源于陽春市八甲鎮(zhèn)國營河尾山林場，向西南流經(jīng)電白區(qū)羅坑鎮(zhèn)、沙瑯鎮(zhèn)、霞洞鎮(zhèn)、茂南區(qū)袂花鎮(zhèn)、鰲頭鎮(zhèn)等地，在吳川市梅菉街道與小東江匯合，并于海濱街道博茂社區(qū)流入南海。全流域集雨面積2466km2，總落差999m，干流全長110km，平均坡降1.19‰，多年平均年降水量1785mm。其中茂名市境內(nèi)集雨面積2256 km2，河長86km。

其主要支流有那霍水、大社河、華垌河、黃嶺河、觀珠河、郁頭鵝河、河林河、小東江等。袂花江上游為山區(qū)，最高峰鵝凰嶂海撥1337m，是我省暴雨高區(qū)之一，中游為狹長的沃土階地，下游為沖積平原。

1960年以后，上游建有羅坑水庫(大型，總庫容11473萬m3，控制面積77km2)，黃沙水庫(中型，總庫容5670萬m3，控制面積50km2)，下游吳川市興建了博茂減洪工程，將袂花江改道出口，并興建梅菉節(jié)制閘，防止鑒江洪水倒流和利用洪峰錯位排洪。

2 資料選取

沙浪江(袂花江)特大橋及引橋河段位于袂花江的干流上，在新河水文站下游，距離新河水文站分別約為13.6km、15.3km。經(jīng)考察，沙浪江(袂花江)特大橋及引橋河段缺乏歷史水位資料，沒有任何可直接利用的實測水位資料，無法直接用水位資料進(jìn)行頻率計算。

新河水文站位于袂花干流上，是袂花江的控制站，集雨面積為649km2，有完整的水文觀測資料(包括水位、流量等)，且系列較長，共有54年，資料均已經(jīng)過水文整編，符合可靠性、一致性和代表性的要求，考慮到河床的變化，選取最近的20年資料使用。

3 通航水位計算

3.1 最高通航水位計算

3.1.1 洪峰流量頻率計算

因沙浪江(袂花江)特大橋及引橋河段沒有實測水文資料，但特大橋及引橋河段斷面位于袂花江干流上，可用位于袂花江干流上的新河水文站為參證站，由新河水文站的年最大洪峰流量用面積比擬法計算出特大橋及引橋斷面的年最大洪峰流量。由資料得到特大橋及引橋斷面的集水面積分別約為844km2、858km2。

面積比擬法(水文比擬法)計算公式：

(1)

式中：Q計為設(shè)計流域的洪峰流量；Q參為參證站的洪峰流量；F計為設(shè)計流域集雨面積；F參為參證站集雨面積；n為經(jīng)驗參數(shù)，經(jīng)驗值取0.67。

新河水文站為參證站，集雨面積為649km2，由新河水文站年最大洪峰流量直接推求特大橋及引橋河段年最大洪峰流量。

根據(jù)特大橋及引橋河段斷面年最大洪峰流量資料，采用皮爾遜III型(P一III)曲線進(jìn)行洪峰流量頻率計算。

經(jīng)驗頻率計算公式為：連序系列，對于n年水文觀測資料系列，應(yīng)作為獨立隨機(jī)抽取的n項連序水文要素系列(如年最高洪水位、年最低枯水位、最大流量、最小流量等)，并按高低順序排位的序號m，確定該水文特征值的經(jīng)驗頻率Pm，可采用數(shù)學(xué)期望公式計算：

(2)

式中：m為計算系列由大到小的排列序號；n為計算系列的總項數(shù)(年數(shù))后[1]。

采用電腦程序計算，特大橋及引橋斷面頻率曲線圖分別見圖1、圖2。

成果分別見表1、表2。

圖1 特大橋斷面洪峰流量頻率曲線

圖2 引橋斷面洪峰流量頻率曲線

表1 特大橋斷面年最大洪峰流量頻率P計算成果表

表2 引橋斷面年最大洪峰流量頻率P計算成果表

3.1.2 水位流量關(guān)系的確定

在一選定的河段上，流量可用曼寧公式表示：

(3)

式中：Se為水面比降；n為河床糙率；A為斷面面積；R為水力半徑，m，通常用平均水深代替；K為河段輸水率。

在特大橋及引橋斷面的河段上，選取一段比較順直的河段，進(jìn)行了水準(zhǔn)及大斷面的測量。

1)控制斷面河段基本情況：

特大橋上游稍彎曲，斷面直至下游1000m河段順直，斷面左岸有野草樹木，高洪時有漫灘；右岸較陡峭，也有野草樹木。河底為沙質(zhì)河床。

引橋斷面上游500m處弧形彎曲，斷面河段較順直，右岸有野草樹木，左岸為竹林樹木，河底為沙質(zhì)河床，有少許的亂石和突起沙丘，下游約400m處有一座橋[2]。

2)斷面測量情況和比降的確定：

對特大橋及引橋控制斷面進(jìn)行了大斷面測量。特大橋測量時斷面水位為7.01m，水面比降為S=0.03/1240=0.000024。引橋測量時斷面水位為6.97m，水面比降為S=0.04/1770=0.000023。

由于該河段以前沒有水文資料的測驗工作，沒有現(xiàn)成的不同水位級的河床比降數(shù)值，考慮到特大橋及引橋斷面均位于新河水文站的下游，袂花(二)水位站的上游，兩站相距34500m，兩站均有不同水位級的水位資料，可以得出此河段的不同水位級的平均比降，同時參考新河水位站的比降資料，洪水調(diào)查資料綜合考慮得出特大橋及引橋斷面的水面比降。

3)糙率的確定：

由于是無資料地區(qū)，無現(xiàn)成的河床糙率數(shù)值，只能根據(jù)相關(guān)的資料確定河床糙率。特大橋控制斷面位置屬丘嶺地帶，河底為沙質(zhì)河床，無亂石，兩岸長有樹木，參考新河水文站的糙率以及《水文測驗手冊》(第一冊 野外工作)附錄I-五，經(jīng)綜合分析，確定該斷面的糙率n為0.044。引橋控制斷面屬丘嶺地帶，兩岸長有樹木，河床情況比特大橋河段復(fù)雜，參考新河水文站洪峰時的糙率以及《水文測驗手冊》(第一冊 野外工作)附錄I-五，經(jīng)綜合分析，確定該斷面的糙率n為0.059[3]。

根據(jù)上述資料，用曼寧公式計算得出特大橋及引橋斷面的水位流量關(guān)系。

表3 特大橋斷面水位流量關(guān)系成果表

表4 引橋斷面水位流量關(guān)系成果表

3.1.3 保證率為P=50%的洪水位

由特大橋斷面年最大洪峰流量頻率P計算成果表(表1)可得出P=50%的洪峰流量為760 m3/s，再用特大橋斷面水位流量關(guān)系成果進(jìn)行插值計算，得到特大橋河段斷面P=50%的最高通航水位為12.76 m。

由引橋斷面年最大洪峰流量頻率P計算成果表(表2)可得出P=50%的洪峰流量為765 m3/s，再用引橋斷面水位流量關(guān)系成果進(jìn)行插值計算，得到引橋河段斷面P=50%的最高通航水位為12.12m。

3.2 最低通航水位計算

通過收集新河水文站1993—2012年共20a的逐日平均水位資料，得出每一年保證率為75%的日平均水位，為便于計算和減少誤差，將原水位系列中各項水位數(shù)值都減去一個常數(shù)H0=18.00(H0取低于該系列中最枯水位的整數(shù)值)，最后求得的結(jié)果再加上H0=18.00。

圖2 保證率為75%日平均水位頻率曲線

求得新河水文站2a一遇的水位為H0+1.68=18.00+1.68=19.68m

特大橋及引橋斷面75%保證率的水位采用枯水瞬時水面線觀測法求解。我們采用新河水位站、特大橋、引橋三個斷面的同一時刻的水位得出一條水面線，然后對應(yīng)求出水面線的比降。

由新河水文站75%保證率的水位求出特大橋斷面75%保證率的水位為：19.68-(19.62-7.01)=7.07m。

由新河水文站75%保證率的水位求出引橋斷面75%保證率的水位為：19.68-(19.62-6.97)=7.03m。

4 結(jié) 語

1)無資料地區(qū)的通航水位計算，如計算河段附近有長系列的水文測站，則應(yīng)充分利用水文測站的歷史洪水及水位資料，可最大程度保證分析計算成果的可靠性；

2)通過面積比擬法計算出需求斷面的年最大洪峰流量系列，采用頻率曲線頻率計算結(jié)合實測斷面數(shù)據(jù)通過曼寧公式得出所需斷面的最高通航水位的方法具有實操性且分析成果質(zhì)量有保證；

3)如無資料地區(qū)附近無水文測站，則需通過水利計算等方法綜合分析，以期最大限度保證成果資料。