中運河運河站防汛特征水位復(fù)核分析

劉田田，楊明非，孫 瑞，房 磊，俞琳琳

江蘇省水文水資源勘測局 徐州分局，江蘇徐州 221000

1 概述

警戒水位、保證水位等防汛特征水位是各級政府防汛決策指揮的重要依據(jù)。運河站是中運河重要水情控制站，其現(xiàn)有防汛特征水位是徐州市防汛抗旱指揮部1974年大洪水后，根據(jù)當時的水情、工情及防洪能力等確定的。由于目前工情水情的改變，該水位已多年未超警，失去了原有的警戒作用。

2 基本情況

2.1 流域自然地理特征

中運河運河站預(yù)報區(qū)間為微山湖、會寶嶺水庫、江風(fēng)口閘以下、運河站以上區(qū)域，集水面積6 102 km2，其中包括微山湖湖西地區(qū)326 km2，藺家壩閘至解臺閘區(qū)間262 km2，解臺閘至劉山閘區(qū)間870 km2，韓莊閘至臺兒莊閘區(qū)間1 345 km2，林子站以上流域面積2 085 km2。本流域內(nèi)有江蘇省的邳州市和山東省的蘭陵縣，故俗稱邳蒼地區(qū)[1]。

韓莊閘至運河站河長72.4 km，其中，韓莊閘至魯蘇邊界河段稱韓莊運河，河長42.5 km；魯蘇邊界至駱馬湖為中運河，魯蘇邊界至運河站河長29.9 km。左岸有嶧城大沙河、陶溝河、邳蒼分洪道等較大支流匯入，右岸有伊家河于臺兒莊鎮(zhèn)西南匯入。藺家壩閘至中運河河口稱京杭運河，是不牢河取直而成，河長73 km，其中藺家壩閘至解臺閘河長26 km，解臺閘至劉山閘河長41 km。林子站至運河站26.3 km，臺兒莊閘至運河站37.4 km。

運河站以上流域北部為山區(qū)，坡度大，來水水流湍急。邳州市北部地勢低洼，運西地區(qū)為平原，來水水勢較為平緩。韓莊運河河寬400～750 m，蘇魯省界至運河鎮(zhèn)河寬1 300～71 800 m。

2.2 測站基本情況

運河站位于徐州市邳州市運河鎮(zhèn)前索家村，距邳州市主城區(qū)較近，設(shè)立于1950年。掌握中運河進入駱馬湖水量、沙量，以及調(diào)水水量和水質(zhì)情況，為水文預(yù)報、分析計算，以及防汛、防旱、規(guī)劃治理、水資源管理收集資料。

2.3 水文資料

運河站為國家基本水位站，水位等各項水文資料的測驗和整編滿足各時期的相關(guān)測驗規(guī)范和水文資料整編規(guī)范的要求，歷年來，基本資料均通過主管部門的審查。因此，資料成果可靠、質(zhì)量較高，可用于防汛特征水位復(fù)核調(diào)整計算。

運河水文站每年汛前對所有水尺進行校測，汛期使用過的水尺汛后再校測一次；基本水準點每年檢查一次，發(fā)現(xiàn)異常情況時及時校測，逢0、5年份必須校測一次。因此，資料系列具有一致性，可用于防汛特征水位復(fù)核分析計算。

運河水文站觀測時間較長，已包含完整的豐平枯周期，故可認為運河水文站1974—2020年以來的水位系列具有較好的代表性，可用于分析防汛特征水位。

3 防汛特征水位復(fù)核分析

3.1 警戒水位

3.1.1 原警戒水位存在問題 警戒水位是指江河漫灘行洪，堤防可能發(fā)生險情，需要開始加強防守的水位。運河站現(xiàn)有防汛特征水位是徐州市防汛抗旱指揮部在1974年根據(jù)當時的水情、工情確定的，中運河運河站保證水位26.5 m，相應(yīng)行洪流量不超過6 500 m3/s，警戒水位25.5 m。

由于1974年大洪水的洪峰水位、洪峰流量迄今為止仍為新中國成立以來的歷史最高。近年來，隨著水情、工情的變化，區(qū)域防洪能力已有較大提高，該水位明顯偏高。運河站近年來水位偏低，汛期經(jīng)常低水位行洪，近十幾年水位沒有一次超警，該水位已失去應(yīng)有的警戒作用。

3.1.2 距平法對年最高水位的分析 距平法樣本為年極值取樣，一組數(shù)據(jù)某一要素與多年平均值的差即該要素Hi的距平值。

對運河水文站1974—2020年資料系列進行距平分析，年最高水位距平、累計距平分析見圖1。根據(jù)最高水位距平分析圖可知，運河水文站歷年最高水位在0軸附近上下波動，波動符合正常規(guī)律。從累積距平圖看，1974—1989、2008—2020年的年最高水位處于回落階段，2002—2008年的年最高水位處于抬升階段。

圖1 運河站年最高水位距平、累計距平分析圖

運河站水位、流量1989年以前總體偏低，波動幅度較??；1989以年后為控制駱馬湖水資源，人工干預(yù)增多，1989—2002年的水位變幅增大，流量變化幅度相應(yīng)增加；2002年中運河沿線配套建筑及影響工程完工，致使2002—2020年運河水文站流量明顯變高，變幅也隨之增加；2008年河道擴挖，堤防加固，同時處理了多個穿堤涵洞，運河沿線防洪保護區(qū)的防洪標準由20年一遇提高到50年一遇，2008—2020年的水位較前一時段低。

考慮到運河站近年來工程現(xiàn)狀，分別采用1974—2020、1974—2002和2003—2020年3個資料系列進行分析。

3.1.3 超不同等級水位的天數(shù)分析 以0.10 m為統(tǒng)計水位段，統(tǒng)計日平均水位超不同等級的天數(shù)，運河站1974—2020年不同系列不同水位級出現(xiàn)天數(shù)分布見圖2。

圖2 超不同等級水位出現(xiàn)天數(shù)分布圖

分析運河水文站逐日平均水位可 知，1974—2020年的日平均水位多年平均值為22.56 m，歷史最高水位26.42 m（1974年8月15日），年水位超25.50 m（現(xiàn)警戒水位）的情況僅在3年中發(fā)生過，分別為1974、1993、2005年。

從日平均水位超不同等級天數(shù)的統(tǒng)計分析可知，在1974—2020年，超過25.50 m的天數(shù)僅為0.11 d/年；在1974—2002年中，超過25.50 m的天數(shù)為0.17 d/年；在2003—2020年，超 過25.50 m的天數(shù)為0。

根據(jù)運河站1974—2020年的日平均水位資料系列，以0.10 m為統(tǒng)計水位段進行日平均水位超不同等級的概率分析，統(tǒng)計累積概率見圖3。

圖3 運河站不同系列累計概率分布圖

分析日平均水位超不同等級的累積概率，在1974—2020年，運河站日平均水位超過26.00 m的累積概率為0.65%，超過25.5 m的累積概率為1.08%。

分階段統(tǒng)計看，在1974—2002年，超過25.50 m的累積概率為2.16%；在2003—2020年，超過25.50 m的累積概率為0。

3.1.4 年最高水位頻率分析 年最高水位頻率分析采用P-Ⅲ型頻率曲線法，通過計算年頻率對應(yīng)的年最高水位，在頻率曲線上查到相應(yīng)的水位值[2]。

對1974—2020年的逐年最高水位由大到小進行排頻，由頻率計算程序進行適線分析，頻率曲線見圖4，分析結(jié)果見表1。

表1 運河站年最高水位頻率分析成果表

圖4 頻率曲線圖

根據(jù)頻率分析成果，2年一遇、5年一遇、10年一遇水位為分別23.8 m，24.5 m，25.0 m,現(xiàn)狀警戒水位25.5 m，相當于22年一遇。

3.1.5 運河站與駱馬湖防汛特征水位互相關(guān)系 中運河為復(fù)式河床斷面，小水時經(jīng)河槽排水，大水時由灘地行洪。其中，自省界至大王廟長11.8 km，河底高程17.0 m，底寬50～80 m；大王廟至運河鎮(zhèn)長17.1 km，河底高程18.0～16.6 m，河 底 寬80～100 m；運河鎮(zhèn)至房亭河口長6.3 km，河底高程16.5 m，底寬100～140 m；房亭河口至窯灣長12.4 km，河底高程16.5 m，河底寬150～200 m；窯灣至二灣，河底高程16.0～16.5 m，寬160～130 m。為行洪需要，房亭河口以下還開挖了淺槽，至窯灣長12.4 km，河底高程19.5 m，底寬170～180 m。中運河運河鎮(zhèn)以下主槽糙率為0.022 5，淺槽糙率為0.025，灘面糙率為0.033。

中運河主要節(jié)點流量水位成果見表2。

表2 中運河主要節(jié)點流量水位成果表

考慮運河鎮(zhèn)行洪5 500 m3/s,河床糙率采用已有成果，參考運河主要水位節(jié)點成果表，駱馬湖按現(xiàn)警戒水位為23.50 m起算，運河站水位約為25.50 m。

3.1.6 警戒水位確定 根據(jù)頻率分析結(jié)果，運河站原警戒水位25.5 m的重現(xiàn)期約為22年一遇。以該水位計算，自1974年以來，平均每年有0.11 d超警戒，超25.5 m的累積概率為1.08%。據(jù)統(tǒng)計，1974—2018年，僅 有1974、1993、2005年最高水位超過警戒水位。

根據(jù)運河水文站1974—2020年運河日平均水位超不同等級天數(shù)分析，2003—2020年運河站水位下降趨勢明顯，超過25.5 m的水位于1974—2002年。

警戒水位應(yīng)根據(jù)歷史洪水重現(xiàn)期，選擇適宜的超警天數(shù)。根據(jù)頻率分析結(jié)果，運河站水位按2～5年一遇考慮較為合適，警戒水位應(yīng)設(shè)置在23.8～24.5 m之間。

警戒水位要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予以綜合研究確定。2008年韓莊運河、中運河及駱馬湖堤防工程基本實施完成后，運河沿線防洪保護區(qū)的防洪標準由20年一遇提高到50年一遇，防洪能力有了較大的提高，但仍有局部堤防堤段受運河河勢影響，水流頂沖，歷年是防汛的重點地段，運河水位過高會對邳蒼分洪道行洪產(chǎn)生很大壓力，而且根據(jù)運河站最新大斷面，當運河站水位高于24.53 m時，左岸開始漫灘行洪，考慮到運河站部分堤防相對薄弱，警戒水位不宜超過該水位。綜合以上分析，運河站警戒水位設(shè)定為24.5 m。

3.2 保證水位

保證水位是指保證堤防及其附屬工程安全擋水的上限水位。

堤防的高度、寬度、坡度及堤身、堤基質(zhì)量已達到規(guī)劃設(shè)計標準的河段，其設(shè)計洪水位即為保證水位。堤防工程尚未達到規(guī)劃設(shè)計標準的河段，可按安全防御相應(yīng)的洪水位確定。例如，堤防工程防洪能力能夠防御超規(guī)劃設(shè)計標準的歷史最高洪水位，保證水位可按歷史最高洪水位確定[3]。

新中國成立以來，中運河多次進行治理，2008年實施了沂沭泗河洪水東調(diào)南下韓莊運河、中運河及駱馬湖堤防加固工程。工程完成后，南四湖和運河沿線防洪保護區(qū)的防洪標準由20年一遇提高到50年一遇。因此，根據(jù)中運河的堤防實際現(xiàn)狀，確定運河水文站的保證水位仍為26.5 m，與《淮河流域綜合規(guī)劃》中運河的50年一遇防洪水位26.5 m相適應(yīng)。

3 結(jié)束語

綜合中運河現(xiàn)狀灘地高程調(diào)查成果，結(jié)合超不同等級水位的天數(shù)及最高水位頻率分析，警戒水位此次復(fù)核將運河站警戒水位由25.5 m下降至24.5 m，保證水位仍為26.5 m不變。