都江堰水文站特征水位的分析計算

滿 媛，吳玉明，夏長貴

(四川省成都水文水資源勘測局，成都，611130)

水文站及重點防洪斷面的特征水位線，是防汛指揮調(diào)度、搶險救災(zāi)、水文預(yù)報的重要標(biāo)志線。警戒水位是可能造成防洪工程出現(xiàn)險情的河流和其它水體的水位，到達該水位時，堤防防汛進入重要時期，防汛部門要加強戒備，密切注意水情、工情、險情的發(fā)展變化，做好防洪搶險人力、物力的準(zhǔn)備，并要做好可能出現(xiàn)更高水位的準(zhǔn)備工作。保證水位是能保證防洪工程或防護區(qū)安全運行的最高洪水位，達到保證水位時，說明工程已處于安全防御的上限情況，堤身內(nèi)外、堤防基礎(chǔ)(包括離堤背一定距離范圍)均可能出現(xiàn)嚴(yán)重險情?？茖W(xué)而準(zhǔn)確地確定控制斷面的警戒水位、保證水位，是河道管理、水資源調(diào)度與利用、制定防洪方案和搶險決策的需要。本文以都江堰水文站為例，對確定特征水位的各因素進行分析及計算。

1 都江堰水文站概況

都江水文站1975年1月設(shè)立于都江堰市紫坪鋪鎮(zhèn)岷江村岷江中上游岷江干流上，位于東經(jīng)103°36'、北緯 31°01'，集水面積 23037km2，距河口370km，高程系統(tǒng)采用吳淞基面，是國家基本水文站，也是都江堰市重要的防洪依據(jù)站，對都江堰灌區(qū)的防洪和灌溉起著非常重要的作用。四川省在2002年修訂警戒水位、保證水位時，都江堰水文站無報汛任務(wù)，故未確定出特征水位。

都江水文站地處岷江從山區(qū)到平原過渡的出山口處，該地區(qū)屬于龍門山暴雨區(qū)，暴雨發(fā)生頻次高，易發(fā)生洪澇災(zāi)害;下游300m處為世界自然、歷史文化遺產(chǎn)都江堰水利工程及都江堰市區(qū)，兩岸人口密集，經(jīng)濟發(fā)達，商貿(mào)繁榮，變通便捷，這都使得該站防洪意義顯得更加重大。因此，需要確定該水文站的警戒水位、保證水位。

2 影響確定特征水位的各因素

特征水位需綜合河道情況、洪水特性、歷史洪水、堤防工程、及社會經(jīng)濟情況等各方面的因素確定。

2.1 河道情況

都江堰水文站所處河道較為順直，河床不平整，上、下游均有急灘，河段內(nèi)有兩處較大沙洲，中低水分為左右兩支。因此，都江堰站也分左岸和右岸兩個測流斷面，即都江廠左站、都江廠右站。斷面位于原魚嘴電站壩軸線以上約20m左右，由漂木河埂在鹽井灘處將岷江分為左右兩股分流，居左者為廠左站，居右者為廠右站。廠左站系人工河床，河段順直，斷面穩(wěn)定，無沖淤變化，基本斷面下游150m有人工消力坎的良好控制條件。廠右站基本水尺斷面位于鹽井灘尾、魚嘴、外江閘、沙黑河閘之上300m處，受鹽井灘沖淤變化、閘門啟閉影響大。本站上游4km處有紫坪鋪水庫，水庫的蓄水調(diào)控對本站的水文測驗有一定影響。

2.2 洪水特性

本站洪水主要來自三個方面:(1)岷江上游來水;(2)沿山地區(qū)山溪溝、河的洪水;(3)平壩地區(qū)暴雨形成的區(qū)間徑流加入，河床縱比降較大，洪水流速大。

岷江洪水主要發(fā)生在6至9月，主要由九頂山以南的鹿頭山暴雨區(qū)降水匯集而成，洪水上漲快、洪峰高、持續(xù)時間短。

沿山地區(qū)山溪溝、河上游多為深山峽谷，地勢陡峻，大都屬于龍門山帶狀暴雨區(qū)，暴雨分布以7、8月份最多。暴雨強度大，形成洪峰流量大，來勢兇猛，陡漲陡落，并挾帶大量泥沙下泄。

平壩地區(qū)暴雨一般也受龍門山暴雨的影響，也多發(fā)生在6至9月。這種暴雨集中的特點，極易造成局部洪澇災(zāi)害。

2.3 歷史洪水

洪水峰量頻率計算成果的可信程度與所用資料的代表性緊密相關(guān)，而資料的代表性又主要受資料系列長短的制約，如果在資料系列之外，增加調(diào)查考證期的最大洪水，共同組成不連序的序列，就能提高成果的可信度。

歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)的正確性，對洪水頻率計算成果有決定性作用，因此在組成不連序洪峰流量序列時，對歷史洪水的洪峰和洪量推算最為重要。據(jù)史料記載，從1887年至2010年的124年間，共發(fā)生大洪水有10余次。1964年7月22日大洪水為建國后發(fā)生的首大洪水，流量達6530m3/s，沖毀了都江堰渠首魚嘴、金剛堤、飛沙堰、二王廟堤、都江堰市青城大橋防洪控制斷面所在岷江金馬河段等堤防工程，沿金馬河五縣市的堤防工程沖毀達80%以上，造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失。1887年調(diào)查歷史洪水，流量達5300m3/s，但無詳細的災(zāi)損資料。

2.4 堤防工程

都江堰水文站左岸堤防高程為736.37m，右岸因2011年重新修建站房，將堤防提高至741.88m。而在都江堰市內(nèi)的堤防，自都江堰渠首以下河段已分期按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)防洪整治。

2.5 經(jīng)濟社會等情況

都江堰市現(xiàn)已建成城區(qū)面積37.7km2，城市人口約30萬人，是一座新興工業(yè)及旅游城市，GDP達116.6億多元。其中，現(xiàn)有工業(yè)企業(yè)1435家，年工業(yè)總產(chǎn)值54.7億元，旅游綜合收入8.1億元。在確定警戒水位、保證水位時，需要與地方經(jīng)濟實力相結(jié)合，考慮投入與風(fēng)險的關(guān)系。

此外，還應(yīng)考慮河灘地與背水側(cè)地面高程，防護區(qū)內(nèi)重點特殊部位，防洪組織與搶險能力，城建、交通、國土等部門的協(xié)調(diào)能力，政治、社會、環(huán)境等各方面因素。

3 特征水位的分析計算

3.1 洪峰流量系列的延長

為了保證洪水頻率計算的相對代表性，洪水樣本選擇應(yīng)不少于25年。同時應(yīng)充分考慮歷史大洪水，以增加結(jié)果的精確度。歷史洪水引用《四川省洪水調(diào)查資料》，年最大洪峰流量資料采用水文資料整編成果。因廠右站基本水尺斷面水位受鹽井灘沖淤變化及閘門啟閉影響大，致使該斷面歷年水位流量關(guān)系異常散亂，達不到刊印標(biāo)準(zhǔn)而未刊印。1989年對前期多年的資料進行分析研究，用廠右站實測流量和廠左站同步水位建立Z左～Q右關(guān)系，獲得良好效果。所以，從1989年起進行流量合成，水位以廠左站基本水尺斷面水位為準(zhǔn)。本次分析計算，1956～1988年用紫坪鋪站實測最大洪峰流量加楊柳坪站同時刻流量，1989～2010年以廠左、廠右水文站實測最大洪峰流量合成，組成1956～2010年共55年最大洪峰流量系列;再加入1887年5300m3/s歷史調(diào)查洪水，組成不連序系列進行頻率計算及洪水參數(shù)的確定。

3.2 設(shè)計洪水分析計算

由于組成的年最大洪峰流量是不連序系列，設(shè)計洪水采用下述公式分析計算。

3.2.1 設(shè)計洪水經(jīng)驗頻率

頻率計算采用皮爾遜Ⅲ型曲線。

式中:a——在N年中連續(xù)順序位的特大洪水項數(shù);

N——調(diào)查考證期;

n——實測洪水系列項數(shù);

M ——特大洪水的序號(M=1，2，);

l——實測洪水系列中抽出作為特大值的洪水項數(shù);

m——實測洪水的序位;

Pm——實測系列第m項的經(jīng)驗頻率。

3.2.3 年最大洪峰流量系列的變差系數(shù)Cv估算

通過計算，得到Cv=0.55

3.2.4 Cs/Cv倍比的確定

取Cs=(3～5)Cv進行適線，將計算的頻率曲線畫在繪有經(jīng)驗點據(jù)的圖上，通過調(diào)整Cv以及Cs與Cv的比值再進行計算，最后依據(jù)計算頻率曲線與經(jīng)驗點據(jù)的配合情況，從中選擇一條與經(jīng)驗點據(jù)配合最佳的曲線，相當(dāng)于該曲線的參數(shù)便看作是總體參數(shù)的估值。最終取Cs/Cv=4.5。設(shè)計洪水成果見表1，頻率曲線圖見圖1。

表1 都江水文站設(shè)計洪水成果

圖1 都江堰年最大流量頻率曲線

3.3 特征水位的確定

水文站的水位流量關(guān)系是根據(jù)洪水流量確定相應(yīng)水位的依據(jù)，為綜合的水位流量關(guān)系。本次綜合水位流量關(guān)系線采用2006年～2010年資料以及該站最大洪峰流量綜合確定，精度指標(biāo)按《水文資料編印規(guī)范》(SL247-1999)執(zhí)行，定線合理，成果可靠。都江堰站大斷面見圖2所示，水位流量關(guān)系見圖3。

按照警戒、保證水位的定義，堤防設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的行洪能力是確定警戒、保證水位的重要依據(jù)。結(jié)合歷史洪水及城鎮(zhèn)實際防洪能力等因素，綜合考慮河道的實際的行洪能力，確定出都江堰水文站的警戒水位與保證水位，分別為734.60m、735.35m。

4 結(jié)語

本文對都江堰水文站特征水位的確定方法，可以推廣到與其條件相似的防洪控制斷面及水文站，根據(jù)洪水特性、堤防工程的防御標(biāo)準(zhǔn)和防護地區(qū)的社會經(jīng)濟條件等綜合確定，為河道管理，水資源調(diào)度與利用、制定防洪方案和搶險決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。