河流警戒水位擬定方法研究及應(yīng)用

李善綜，王 森，農(nóng) 珊，劉和昌

(1.水利部珠江水利委員會(huì)技術(shù)咨詢中心，廣州 510611；2.水利部珠江河口動(dòng)力學(xué)及伴生過(guò)程調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510611)

警戒水位是可能造成防洪工程出現(xiàn)險(xiǎn)情的河流和其他水體的水位[1]，是防汛部門(mén)規(guī)定的各江河流域需要處于防守戒備狀態(tài)的水位，江河流域主要控制斷面、水情站以及堤防工程等一般都設(shè)有警戒水位，該水位直接或間接反映防護(hù)區(qū)的汛情危機(jī)程度，提供給防汛指揮部門(mén)作為決策指揮依據(jù)，到達(dá)該水位時(shí)防汛工作進(jìn)入重要時(shí)期，應(yīng)進(jìn)行防汛動(dòng)員，調(diào)動(dòng)常備防汛隊(duì)伍，加強(qiáng)巡邏戒備，對(duì)于有堤防的地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)巡查防守，密切注意水情、工情、險(xiǎn)情的發(fā)展變化，加派值班人員和增加防險(xiǎn)巡邏次數(shù)，組織后備力量做好防洪搶險(xiǎn)的一切準(zhǔn)備；對(duì)于無(wú)堤防工程的地區(qū)，地方有關(guān)部門(mén)要及時(shí)通知和組織當(dāng)?shù)鼐用褡龊镁用?、?cái)產(chǎn)和物資安全轉(zhuǎn)移準(zhǔn)備，當(dāng)洪水繼續(xù)上漲險(xiǎn)情惡化時(shí)能得以安全脫離，盡量避免和減小洪災(zāi)損失[1]。警戒水位關(guān)系到河道和堤防區(qū)的防汛大局，水位擬定要恰當(dāng)，定得過(guò)高將不能實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水的有效預(yù)警，增加防洪風(fēng)險(xiǎn)，定得過(guò)低將導(dǎo)致有警無(wú)險(xiǎn)的情況增加，給防洪人力、財(cái)力和物力帶來(lái)不必要的損失。

我國(guó)南方大部分地區(qū)河流警戒水位的擬定時(shí)期較早，許多地區(qū)現(xiàn)行警戒水位已經(jīng)沿用數(shù)十年[2]，警戒水位擬定的相關(guān)研究較少，現(xiàn)行警戒水位的擬定大多是根據(jù)當(dāng)時(shí)的堤防防洪能力以及洪水經(jīng)驗(yàn)確定，主觀性較強(qiáng)，缺乏嚴(yán)格的科學(xué)論證，且大多偏于保守，隨著河流岸線的變化，城市建設(shè)的發(fā)展，部分地區(qū)現(xiàn)行警戒水位已不適應(yīng)防汛工作的需要，警戒水位過(guò)于保守的弊端逐漸凸顯，部分地區(qū)年發(fā)布預(yù)警數(shù)十次，且大多有警無(wú)險(xiǎn)，導(dǎo)致防汛部門(mén)以及群眾產(chǎn)生松懈麻痹思想，失去警戒作用，而且對(duì)防汛工作人力、財(cái)力、物力造成了極大的浪費(fèi)。

本文提出一種結(jié)合歷史洪水過(guò)程與地區(qū)特點(diǎn)的警戒水位擬定方法，并以西南地區(qū)某水情站警戒水位復(fù)核調(diào)整為例介紹了方法的應(yīng)用，對(duì)于全國(guó)其他地區(qū)警戒水位復(fù)核擬定具有重要的參考價(jià)值，在一定程度上也豐富充實(shí)了河流防洪特征水位的方法體系。

1 警戒水位擬定研究進(jìn)展

對(duì)于有堤防的河段，警戒水位的擬定一般采用堤腳水位作為警戒水位，無(wú)堤防等防護(hù)工程河段警戒水位的擬定方式仍以地方防汛部門(mén)經(jīng)驗(yàn)為主，以該方式擬定警戒水位充分考慮并發(fā)揮了地方防汛部門(mén)的防洪工作經(jīng)驗(yàn)的價(jià)值，但缺少充分科學(xué)的論證依據(jù)，且易受個(gè)人主觀意識(shí)影響，在近年來(lái)警戒水位復(fù)核擬定中的應(yīng)用日漸減少，即使對(duì)于有堤防河段，以堤腳為控制確定警戒水位也只是防汛經(jīng)驗(yàn)的一種總結(jié)，缺少嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)論證。

近些年關(guān)于警戒水位擬定方式的研究具有一定進(jìn)展，林荷娟、程媛華等在太湖流域警戒水位的研究中采用了合理的水位重現(xiàn)期的方式確定太湖流域警戒水位[3]；葉林宜提出了警戒水位在有堤防地區(qū)以控制站多年平均年最高水位為基礎(chǔ)，結(jié)合堤防工程防洪能力、險(xiǎn)工情況確定，無(wú)堤防的城鎮(zhèn)，視住宅區(qū)、倉(cāng)庫(kù)、碼頭等較低地面高程情況確定的思路[4]；黃琳煜等人在浦東新區(qū)內(nèi)河防洪警戒水位擬定時(shí)采用以水位站特征水位值做頻率計(jì)算的方式計(jì)算常遇洪水位，以此為基礎(chǔ)結(jié)合水面積、防洪能力等因素綜合核定警戒水位[5]；胡昌鑫在黃浦江警戒水位標(biāo)準(zhǔn)的探討中提出采用年最高潮位頻率作為警戒水位的基本依據(jù)，提出上海地區(qū)防汛警戒水位標(biāo)準(zhǔn)[6]；朱振華、周云結(jié)合工程實(shí)際提出了“根據(jù)防洪安全要求，并考慮經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)、環(huán)境等因素，綜合論證確定”的方式確定薔薇河警戒水位[7]。以上方法及方式在應(yīng)用中仍具有一定的局限性，警戒水位擬定過(guò)程及頻率標(biāo)準(zhǔn)選取經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)，且頻率標(biāo)準(zhǔn)選取缺乏合理佐證，在工程實(shí)踐的應(yīng)用上推廣存在一定的限制。

2 研究思路

警戒水位的研究擬定必須要緊密結(jié)合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)，包括現(xiàn)狀防洪能力、防洪工程運(yùn)行情況、防洪薄弱地段以及歷史上洪水損失情況等，本次研究在地區(qū)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上結(jié)合歷史洪水條件提出一種通用的警戒水位擬定方法，主要研究思路如下：

首先，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，摸清沿河地區(qū)主要防洪敏感對(duì)象分布并通過(guò)測(cè)量以及查圖等方式得出其高程，確定控淹水位，并通過(guò)地區(qū)防汛部門(mén)調(diào)研確定防洪敏感地區(qū)在洪水期疏散群眾組織撤離所需要的時(shí)間。

其次，將防洪敏感對(duì)象控淹水位信息通過(guò)斷面水位流量關(guān)系或河道水面線推導(dǎo)與水情站水位流量關(guān)系建立相關(guān)關(guān)系，確定敏感對(duì)象達(dá)到控淹水位時(shí)水情站對(duì)應(yīng)出險(xiǎn)水位以及流量數(shù)據(jù)。

第三，整理分析站點(diǎn)歷史洪水資料，選擇長(zhǎng)系列中上漲到出險(xiǎn)水位對(duì)應(yīng)流量的歷史洪水集。

第四，根據(jù)擬定的篩選原則，從歷史洪水集中選擇具有代表性的典型洪水過(guò)程，根據(jù)群眾疏散所需時(shí)間以及對(duì)應(yīng)時(shí)段的典型洪水過(guò)程線倒推符合安全性原則的起漲水位，即為擬定的警戒水位。

第五，針對(duì)擬定的警戒水位，根據(jù)歷史場(chǎng)次洪水過(guò)程進(jìn)行模擬分析，計(jì)算出險(xiǎn)次數(shù)占發(fā)布預(yù)警次數(shù)的比例以及對(duì)應(yīng)流量的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)分析警戒水位的合理性。

3 河流警戒水位擬定方法

3.1 出險(xiǎn)水位分析

通過(guò)對(duì)擬設(shè)置或復(fù)核警戒水位的目標(biāo)斷面所在河段范圍內(nèi)易受淹沒(méi)的農(nóng)村、城鎮(zhèn)等防洪敏感對(duì)象實(shí)地調(diào)查得出各敏感對(duì)象受淹最低高程，即敏感對(duì)象的控制淹沒(méi)水位Z淹，簡(jiǎn)稱控淹水位，并根據(jù)敏感對(duì)象所在斷面的水位流量關(guān)系確定控淹水位對(duì)應(yīng)流量。

3.2 最小警戒預(yù)留時(shí)長(zhǎng)分析

警戒水位是地區(qū)防洪搶險(xiǎn)工作的重要指標(biāo)之一，從偏安全的角度出發(fā)，在防洪預(yù)警發(fā)布最不利的條件下也應(yīng)能保障下游群眾安全有序的疏散撤離，也即不考慮預(yù)報(bào)的因素，洪水達(dá)到警戒水位時(shí)才發(fā)布預(yù)警，自發(fā)布預(yù)警起至可能受影響地區(qū)的居民全部疏散完畢所需的最小時(shí)間即為警戒時(shí)長(zhǎng)ΔT警。

3.3 典型洪水分析

3.3.1 歷史洪水篩選

為保證資料的代表性，選取長(zhǎng)系列的歷史場(chǎng)次洪水資料，得到場(chǎng)次洪水集合A，在A集合中篩選最大流量達(dá)到或超過(guò)Q險(xiǎn)的洪水場(chǎng)次，形成集合B，稱為出險(xiǎn)洪水集合，納入該集合的洪水主要特征是洪水再次發(fā)生時(shí)以現(xiàn)有河段防洪能力將會(huì)發(fā)生險(xiǎn)情造成損失。

3.3.2 典型洪水過(guò)程選擇

根據(jù)水情站報(bào)汛對(duì)象的重要程度以及防洪能力，按照以下原則選擇典型洪水過(guò)程：

(1)報(bào)汛對(duì)象較為重要，發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)損失較大，防洪能力薄弱或現(xiàn)狀無(wú)防護(hù)工程時(shí)，宜采用偏安全的原則選取最不利條件下的洪水過(guò)程為典型洪水推求警戒水位。即B集合中所有場(chǎng)次洪水中洪水過(guò)程線Z險(xiǎn)水位對(duì)應(yīng)時(shí)刻t險(xiǎn)前ΔT警時(shí)段內(nèi)水位變幅最大的洪水即為典型洪水。

(2)報(bào)汛對(duì)象防洪體系較為完善，抵御洪水的能力較好的情況時(shí)，在集合B中選擇量級(jí)與報(bào)汛對(duì)象防洪能力相近的場(chǎng)次洪水中選擇相對(duì)不利的情況推求警戒水位。即B集合中洪水進(jìn)一步篩選，取重現(xiàn)期與報(bào)汛對(duì)象防洪工程設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期相近的場(chǎng)次洪水過(guò)程中Z險(xiǎn)水位對(duì)應(yīng)時(shí)刻t險(xiǎn)前ΔT警時(shí)段內(nèi)水位變幅最大的洪水為典型洪水。

3.4 警戒水位擬定

在選定的典型洪水的洪水過(guò)程線中尋找Z險(xiǎn)所在時(shí)間點(diǎn)t險(xiǎn)，根據(jù)t險(xiǎn)時(shí)刻前推ΔT警時(shí)長(zhǎng)至?xí)r刻t′，則t′對(duì)應(yīng)洪水過(guò)程線相應(yīng)水位即為推薦的警戒水位Z警，擬定過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 警戒水位擬定示意圖Fig.1 The sketch map of drafting warning level

3.5 合理性分析

根據(jù)警戒水位擬定過(guò)程可以看出，在洪水系列具有較好代表性的情況下擬定警戒水位的安全性是有保障的，合理性主要分析警戒水位對(duì)防汛工作人力、物力資源的有效運(yùn)用情況，采用歷史場(chǎng)次洪水過(guò)程集合A全部系列代入擬定的警戒水位分析，以出險(xiǎn)次數(shù)占預(yù)警次數(shù)的比例來(lái)衡量警戒水位設(shè)置對(duì)防汛資源的有效利用情況以及預(yù)警的有效性。

4 案例應(yīng)用

以某水情站警戒水位復(fù)核調(diào)整為例闡述方法的具體應(yīng)用。該水情站所在河流為西江的二級(jí)支流，水情站下游400 m左右即為一處鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地，鄉(xiāng)鎮(zhèn)建有防洪堤，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，鄉(xiāng)鎮(zhèn)及水情站之間為農(nóng)田以及部分村寨，鄉(xiāng)鎮(zhèn)及區(qū)間村寨是水情站的主要報(bào)汛對(duì)象。該水情站現(xiàn)狀警戒水位109.7 m，警戒流量550 m3/s，現(xiàn)行警戒水位運(yùn)行已有數(shù)十年，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及河道自然演變的影響，流域下墊面條件、兩岸風(fēng)貌以及河道水情特性等發(fā)生了較大的變化，現(xiàn)行警戒水位已不滿足防汛工作需求，根據(jù)地區(qū)近14 a來(lái)有記錄防汛工作統(tǒng)計(jì)，警戒水位過(guò)低導(dǎo)致14 a間來(lái)每年均多次發(fā)布預(yù)警，平均超警戒天數(shù)22 d，預(yù)警發(fā)布過(guò)于頻繁，絕大多數(shù)有警無(wú)險(xiǎn)，對(duì)防汛資源造成了極大的浪費(fèi)，且易產(chǎn)生松懈麻痹思想，失去警戒作用。

(1)出險(xiǎn)水位分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，敏感對(duì)象主要有兩處，一是堤防上游段近水情站部位相對(duì)薄弱，該處距上游水情站基本水尺斷面320 m，查閱堤防設(shè)計(jì)成果，該部位設(shè)計(jì)洪水水面線高程約為111.80 m；二是水情站西側(cè)80 m左右有一處村寨，是兩岸村寨中距與河道常水位高差最小一處，高程為111.93 m。

堤防至水情站斷面河道順直且無(wú)支流匯入，河道特性基本無(wú)變化，采用比降加河長(zhǎng)的方式推算堤防保證水位時(shí)水情站對(duì)應(yīng)水位，該河段比降7.5‰，則：

村寨淹沒(méi)最低點(diǎn)與基本水尺斷面位于同一斷面內(nèi)：

(2)水位流量關(guān)系復(fù)核。根據(jù)水情站最新整編資料對(duì)水情站所在斷面以及主要控制淹沒(méi)點(diǎn)斷面水位流量關(guān)系進(jìn)行復(fù)核，確定各斷面的Z-Q關(guān)系曲線。

(3)最小警戒預(yù)留時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)對(duì)該水情站主管部門(mén)防汛工作的調(diào)研了解，在報(bào)汛站點(diǎn)到達(dá)警戒水位時(shí)自預(yù)警發(fā)布至下游村寨及周邊居民疏散及完全撤離最少需3 h，即ΔT警=3 h。

(4)典型洪水及警戒水位推求。由于村寨無(wú)防洪工程，擬采用偏安全的方法即在水情站長(zhǎng)系列場(chǎng)次洪水過(guò)程中選取最不利洪水作為典型洪水，經(jīng)篩選2012年6月23日洪水為最不利洪水，洪水過(guò)程及警戒水位推求過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 典型洪水過(guò)程及警戒水位推求Fig.2 The hydrograph of typical flood and calculation of warning level

經(jīng)推求該水情站警戒水位擬定為111.00 m。

(5)合理性分析。該水情站擬定警戒水位111.00 m，查水情站控制斷面水位流量關(guān)系對(duì)應(yīng)流量1 058 m3/s，重現(xiàn)期相當(dāng)于2 a。

根據(jù)擬定的合理性分析方法，將警戒水位及出險(xiǎn)水位數(shù)據(jù)代入場(chǎng)次洪水集合，水情站歷史洪水資料系列相對(duì)較短，僅有14 a合計(jì)35場(chǎng)洪水資料，統(tǒng)計(jì)達(dá)到警戒水位的場(chǎng)次洪水過(guò)程共有12次，達(dá)到出險(xiǎn)水位的洪水過(guò)程僅有5次，出險(xiǎn)洪水占預(yù)警洪水次數(shù)的42%，而按照原109.7 m的警戒水位統(tǒng)計(jì)，35場(chǎng)洪水全部達(dá)到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，出險(xiǎn)洪水占預(yù)警洪水次數(shù)的14%，預(yù)警頻率高，預(yù)警效率低，由此可見(jiàn)警戒水位復(fù)核調(diào)整后在保障防汛安全性的前提下極大的節(jié)省了防汛工作人力、物力資源。

5 結(jié) 語(yǔ)

警戒水位是各地區(qū)防汛部門(mén)汛期防洪工作有效關(guān)鍵指標(biāo)之一，多年以來(lái)警戒水位的擬定多以經(jīng)驗(yàn)性方法為主，本文結(jié)合警戒水位擬定研究進(jìn)展情況，提出了一種河流警戒水位的計(jì)算方法，以定量計(jì)算的方式確定河流警戒水位，并以某地水情站警戒水位復(fù)核調(diào)整工作為例闡述了方法的具體應(yīng)用，克服了以往經(jīng)驗(yàn)性方法中缺乏科學(xué)論證的缺陷，有利于防汛資源的節(jié)約及高效利用，也有利于實(shí)現(xiàn)防汛工作的科學(xué)決策，對(duì)于其他地區(qū)開(kāi)展警戒水位復(fù)核調(diào)整以及擬定的相關(guān)工作具有很好的參考價(jià)值。