北方河流河道特征水位確定方法探討

董 軍

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽 110006)

1 河道特征水位的定義及其確定的意義

水利部辦公廳《關(guān)于開展江河防汛特征水位研究的通知》(辦函 ［2003］33號)和松遼委《關(guān)于開展江河防汛特征水位研究、復(fù)核河道行洪能力和堤防狀況的通知》(松遼汛辦函 ［2003］3號)明確提出江河防汛特征水位只設(shè)警戒水位和保證水位兩級。

(1)警戒水位含義。警戒水位是河流湖泊主要堤防險情可能逐漸增多的水位。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，此時河段或區(qū)域開始進入防汛戒備狀態(tài)，有關(guān)部門進一步落實防守崗位、搶險備料工作，跨堤涵閘停止使用。因此，警戒水位可定義為江河堤防普遍臨水、堤防可能發(fā)生險情，需要動員社會力量進行防守的起始水位。

(2)保證水位含義。保證水位是汛期堤防及其附屬工程能保證安全運行的上限水位。當(dāng)河道水位接近或達到保證水位時，緊急防汛搶險工作狀態(tài)，有關(guān)部門有責(zé)任保證堤防等有關(guān)工程的安全。因此，保證水位定義為保證堤防工程安全運行的上限水位。

根據(jù)防洪工程的實際情況和兩岸保護區(qū)的重要程度，準確合理地確定河流河段特征水位非常重要，特征水位定得過低，則預(yù)警頻繁、防汛隊伍疲于奔命，造成巨大浪費卻“有警無險”;特征水位定得過高，則容易使防汛搶險措手不及，造成防汛形勢被動。

2 北方河流河道特征水位的確定難點

北方平原區(qū)河流普遍具有灘地寬廣、上灘洪水發(fā)生頻率低且汛期河流泥沙含量高等特點，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，灘地利用率增加，灘地上縱橫交錯的套堤在保護灘地農(nóng)田的同時也給灘地形態(tài)帶來了巨大的變化，低頻率上灘洪水將挾帶的泥沙淤積在套堤與主槽之間的灘地上致使灘唇逐漸抬高，套堤之內(nèi)受套堤保護，僅在特大洪水情況下略有淤積，臨堤附近受筑堤取土 (通常均為臨堤取土)影響高程較灘地平均灘面更低，甚至偶有連續(xù)深溝較灘面低1m以上的，因此灘地由灘唇至堤腳形成較大橫比降。

灘地橫比降及套堤的存在對于河道保證水位影響不大，僅在套堤破堤瞬間水流橫向流速較大，對于堤防的安全構(gòu)成一定威脅，可根據(jù)實際情況適當(dāng)降低保證水位以確保安全。灘地橫比降及套堤的存在對于河道警戒水位影響非常大。按照警戒水位定義，取堤防臨水水位 (一般為堤防堤腳高程)為警戒水位在此則顯然不太適當(dāng)，因為主河道水位在達到堤腳高程時尚未出槽，不可能威脅堤防安全，而堤防臨水的前提則是洪水出槽橫向流動至堤防堤腳處，此時水位已遠高于堤腳高程。

3 遼河河道特征水位確定方法

2010年7月下旬及整個8月，遼河流域各河先后發(fā)生了約10年一遇的洪水，形成一定的險情，因此遼寧省在2011年汛前組織開展了包括遼河在內(nèi)的很多河流防洪能力分析和特征水位確定工作。下面結(jié)合遼河兩岸保護區(qū)特點及遼河堤防現(xiàn)狀，以及遼河現(xiàn)有的水文站和河道資料情況，簡單說明遼河確定警戒水位的方法和原則。

3.1 第一步:復(fù)核2010年洪水

2010年遼河發(fā)生了近年較大的洪水，幾乎所有河段洪水均上灘，由于距今時間較短，資料也較為完整，因此采用2010年洪水進行驗證。利用2010年汛后實測河道大橫斷和2010年汛期遼河上各水文站實測洪水過程線，以及最新河道平面圖等資料建立數(shù)學(xué)模型，采用mike11水力計算軟件，重新復(fù)核2010年汛期洪水，通過調(diào)試模型中各參數(shù)使得各水文站計算洪水過程與實測過程盡量接近，得出一套與遼河天然條件較為接近的數(shù)學(xué)模型。

3.2 第二步:計算設(shè)計頻率條件下河道洪水過程

將設(shè)計頻率條件下河流各控制點洪水過程線代入以上數(shù)學(xué)模型中，計算河流各斷面設(shè)計條件下洪水過程，并提取各斷面水位流量關(guān)系曲線。

3.3 第三步:確定各大斷面灘唇高程

利用最新實測河道大橫斷面資料結(jié)合橫斷面圖，經(jīng)分析認定河道主槽邊界和左右灘唇點，參考河道平面圖與上下游附近灘唇點情況選取斷面最終灘唇點高程。需要說明的是，彎道在遼河斷面中所占比例較大，經(jīng)觀察，遼河中彎道斷面凹岸一側(cè)灘唇與上下游河道灘唇更為接近，因此通常采用凹岸側(cè)灘唇而不是凸岸一側(cè)灘唇高程作為斷面灘唇高程。

3.4 第四步:查算各斷面主槽實際過流能力

利用斷面灘唇點高程反查斷面水位流量關(guān)系曲線，得到各斷面平灘流量。

3.5 第五步:河段劃分

特征水位確定的現(xiàn)實意義在于通過觀測點觀測到的水位情況反映一個河段的洪水情況，因此合理地劃分河段非常重要。河段劃分過大，特征水位代表性不強，容易形成險情;河段劃分過小，則設(shè)立的觀測點過密，不利于觀測和整體決策，對人力和資金投入也是一種考驗。遼河特征水位觀測河段確立采用以主槽過流能力相差不大為主要控制原則，如無較大支流匯入河段不應(yīng)分得過短，以免給運行和管理造成不便，但通常一個河段長度不宜超過30km。

3.6 第六步:確定河段2010年汛后斷面情況下警戒流量

遼河主河道斷面形態(tài)隨一場洪水的發(fā)生往往變化較大，尤其是主槽的淤積或下切變化較為明顯，因此同一平灘水位下平灘流量并不是固定不變的，在描述一個斷面平灘流量時說明斷面測量時間是十分必要的。由于本次數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)是2010年汛后實測斷面，因此斷面警戒流量也是2010年汛后斷面情況下的。需要說明的是，雖然警戒流量往往會因測量斷面年份不同而有所不同，但警戒流量對應(yīng)的警戒水位也就是灘唇點高程卻通?？梢远嗄瓯３植蛔?，這也是采用特征水位而不是特征流量指導(dǎo)防洪的另一個重要原因。

在河段劃分完成后，同一河段內(nèi)警戒流量即平灘流量均不會有太大的差別，這樣確定一個代表流量即河段警戒流量就容易得多，代表性也強得多。根據(jù)遼河灘唇與堤防關(guān)系、套堤分布特點等，經(jīng)反復(fù)比較認為采用高于大部分斷面的警戒流量作為河段警戒流量是較為合適的，從防洪運用上也是較為安全的。

3.7 第七步:觀測點的選擇

用河段特征水位指導(dǎo)防洪防汛工作，離不開具體的特征水位觀測點 (或水文、水位站)，因此選擇合適的觀測點是將計算特征水位成果付諸實際的關(guān)鍵一步。特征水位觀測點設(shè)置一般應(yīng)遵循以下幾點原則:

(1)特征水位觀測點原則上為每個警戒水位分段至少設(shè)置一處，考慮管理方便、設(shè)備設(shè)置及觀測管理人員日常費用等投入問題，每個警戒水位分段設(shè)置一處觀測點。

(2)為了提高防汛管理效率，重要堤段所處縣區(qū)應(yīng)至少有一處觀測點，以便更為準確及時地管理轄區(qū)內(nèi)防汛準備工作。

(3)盡量利用現(xiàn)有水文及水位站等有觀測基礎(chǔ)設(shè)施。觀測點應(yīng)選擇在交通較為便利、觀測條件較好的河段。

(4)觀測點應(yīng)選擇在河岸順直、穩(wěn)定，不易沖淤、主流不易改道和水位代表性好的位置;并應(yīng)避開回水和受水工建筑物影響的地方。

(5)觀測點所代表河段不宜過長，因為河段過長洪峰沿程衰減幅度會增大，觀測點代表性不強。

3.8 第八步:特征水位的確定

根據(jù)已確定的河段警戒流量和觀測點所在斷面的水位流量關(guān)系線查找河段警戒流量對應(yīng)的警戒水位。

保證水位確定通常是在警戒水位確定之后進行的，方法基本為根據(jù)河段內(nèi)各斷面堤防堤頂高程扣除堤頂超高所得各斷面保證水位，利用各斷面水位流量關(guān)系圖反查得各斷面保證流量，取河段內(nèi)各斷面保證流量最小值為本河段保證流量，然后將這一流量代入觀測點水位流量關(guān)系圖中查得對應(yīng)的保證水位即為本河段的保證水位。

經(jīng)以上八個步驟并繪制必要的圖表和說明 (或報告)，則一個河段的特征水位就確定完成了。如此反復(fù)，則一條河的特征水位就確定了。

4 結(jié)語

以遼河為代表的北方河流較南方河流尤其是長江以南河流的季節(jié)性更強，汛期洪水上灘時間一般均較短，非汛期基本不上灘，因此大中型平原區(qū)河流灘地上多有套堤用以保護農(nóng)田和村莊;加之北方大部分地區(qū)植被覆蓋率較南方低，因此河流含沙量也普遍較大，上灘洪水淤積灘唇現(xiàn)象也較為普遍，河道特性與遼河均有很多相似之處，因此遼河特征水位確定方法在北方多數(shù)河流中有一定的借鑒和參考意義。

(1)警戒水位采用灘唇高程或灘地平均高程通常情況下比采用臨水側(cè)堤腳高程更加合理，可操作性也更強一些。

(2)模型計算中采用非恒定流和洪水過程線進行復(fù)核計算確定出的特征水位和相應(yīng)洪峰流量更能貼近天然情況，在具體應(yīng)用中也具有更強的現(xiàn)實意義。

(3)防汛特征水位中警戒水位與河道灘地地形變化及灘槽關(guān)系有關(guān)，一場洪水過后就可能出現(xiàn)變化，因此警戒水位應(yīng)在每年汛前進行調(diào)整。