防洪特征水位與現(xiàn)狀防洪能力的雨量預(yù)警指標(biāo)體系研究

李洪利

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心, 遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目可大幅提升中小河流的水文監(jiān)測站點(diǎn)密度，然而在防汛減災(zāi)中存在2個(gè)客觀條件限制了實(shí)時(shí)水文要素功能的正常發(fā)揮，一方面是新建站點(diǎn)由于沒有積累歷史資料而無法實(shí)現(xiàn)歷史排位的對比，無法依據(jù)數(shù)據(jù)知曉水位和雨量的嚴(yán)重程度；另一方面是在預(yù)警對象與站點(diǎn)要素之間由于沒有特征水位其關(guān)聯(lián)關(guān)系不足，沒有建立淹沒影響與水位高低的聯(lián)系，從而無法實(shí)現(xiàn)雨量的有效預(yù)警。若無法有效解決這2項(xiàng)問題，則新建水文站點(diǎn)還不能走向防汛前臺。國家有關(guān)部門于2016年開始提出特征水位的相關(guān)研究，本文以遼寧省大城子水文站為例，采用山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)的技術(shù)路線分析了預(yù)警河段歷史洪水信息，通過調(diào)查沿河兩岸房屋基礎(chǔ)高程評價(jià)了預(yù)警對象的防洪能力，根據(jù)影響人口與預(yù)警站點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)作用確定了雨量預(yù)警指標(biāo)體系和水文站點(diǎn)的防洪特征水位[1-5]。

大城子水文站作為國家級重點(diǎn)站，在水庫水電站建設(shè)運(yùn)行、防洪抗旱以及水資源開發(fā)利用等方面發(fā)揮著重要作用，站點(diǎn)位于大凌河流域干流中游屬于上游區(qū)域的代表站。水文站至河口距離302km，區(qū)間面積和控制面積為3208、5029km2。該站降水量偏少，其多年統(tǒng)計(jì)平均值為489.5mm，隨季節(jié)的變化降水量波動較大，易出現(xiàn)不同時(shí)段的干旱。降雨頻率在夏季6—8月最大，降水量占全年的80%左右，汛期屬于洪澇災(zāi)害頻繁時(shí)期。根據(jù)歷史實(shí)測資料最大洪峰出現(xiàn)時(shí)的最高水位為281.80m、流量達(dá)7600m3/s、流速為5.56m/s，因此十分有必要建設(shè)防汛非工程措施和開展雨量預(yù)警相關(guān)研究[6-10]。

1 研究方法

1.1 總體思路

建立預(yù)警對象與預(yù)警源的關(guān)系、掌握預(yù)警對象現(xiàn)有防汛能力和歷史洪水影響以及劃定預(yù)警范圍為建設(shè)中小河流防汛減災(zāi)預(yù)警指標(biāo)體系的3個(gè)基本條件，其中預(yù)警指標(biāo)體系的確定還需要考慮河流的防汛能力。換而言之，就是要以人的安全為核心依據(jù)歷史洪水資料，通過評價(jià)現(xiàn)狀防御能力從而建立預(yù)警指標(biāo)體系，具體的實(shí)施途徑是建立以人為中心、以戶籍為單元、以村落為對象的河流水位要素與人口居住群預(yù)警對象之間的關(guān)系，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯可將總體思路分為如下階段。

第一階段：按照2條主線、歸一融合的原則建立淹沒影響人口與水文要素評價(jià)體系。其中主線1是通過調(diào)查分析獲取歷史典型洪水在預(yù)警對象關(guān)聯(lián)河段的水面線，融合沿岸群居房屋注冊人口和基礎(chǔ)高程，對洪水淹沒影響和淹沒水深推算受影響房屋，進(jìn)而關(guān)聯(lián)注冊人口。為獲得不同等級洪水淹沒影響還要考慮上下平移水面線和不同量級洪水水面比降的相同假定，在代表斷面上摘取不同等級洪水水面線與淹沒影響人口的水位，從而建立二者之間的關(guān)系線；主線2是根據(jù)水文資料編整規(guī)范建立水位流量關(guān)系，在該過程中除了要考慮實(shí)測數(shù)據(jù)外，為彌補(bǔ)實(shí)測水位流量關(guān)系水位變幅的不足還要采取水文調(diào)查措施獲取河床糙率、縱橫斷面、比降等相關(guān)要素，從而構(gòu)建水位流量關(guān)系線?！皻w一融合”是以取相同斷面數(shù)值作為代表斷面水位流量關(guān)系中的水位、淹沒影響人口和水位關(guān)系為銜接要素，確定成災(zāi)流量和成災(zāi)水位并作為預(yù)警指標(biāo)體系分析和洪水影響評判的依據(jù)。

圖1 淹沒影響人口與雙投影線法分析圖

第二階段：成災(zāi)流量風(fēng)險(xiǎn)等級可通過設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算確定，其中保證水位、警戒水位依據(jù)預(yù)警對象所屬地洪水漲率規(guī)律、流量和成災(zāi)水位推求。

第三階段：暴雨時(shí)程分配利用所屬地設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法與成災(zāi)流量確定，并反推試算出各特征時(shí)段與成災(zāi)流量匹配的臨界雨量，即響應(yīng)成災(zāi)時(shí)的凈雨強(qiáng)度和暴雨歷時(shí)問題。假定暴雨洪水具有相同頻率并依據(jù)成災(zāi)流量重現(xiàn)期獲取不同時(shí)段內(nèi)與重現(xiàn)期相匹配的雨量閾值，從而構(gòu)建預(yù)警指標(biāo)體系。

1.2 技術(shù)路線

(1)確定水位人口關(guān)系。水位和高程人口關(guān)系在水庫、湖泊靜態(tài)水體中相同，而山區(qū)型預(yù)警河段往往具有較大的水面落差屬于非靜態(tài)水體，所以在確定水位人口關(guān)系時(shí)需要將沿河水面線利用一種算法轉(zhuǎn)化為水坡面，從而確定在橫向、縱向上水坡面高程與屋面高程布局之間的變化關(guān)系。本文基于非靜態(tài)山區(qū)淹沒影響人口與水體水位關(guān)系評價(jià)方法，提出標(biāo)定起算點(diǎn)、鎖定河流軌跡以及指定代表斷面，雙對象平面投影房屋、洪痕距離最短的辦法，從而構(gòu)建預(yù)警河段三元同系的房屋基礎(chǔ)高程、河道縱坡面與洪水水面線的邏輯識別體系如圖1所示，具體的流程如下。

步驟一：將預(yù)警對象關(guān)聯(lián)河段的上游起始點(diǎn)標(biāo)記為原點(diǎn)，根據(jù)河流縱斷面測量坐標(biāo)和高程繪制軌跡線。然后依據(jù)河流軌跡線和坐標(biāo)將調(diào)查洪痕進(jìn)行投影，確定相對原點(diǎn)的洪痕投影起始點(diǎn)并匹配洪痕點(diǎn)水位，從而構(gòu)建沿程變化的水位坐標(biāo)系。

步驟二：依據(jù)河流軌跡和坐標(biāo)將房屋進(jìn)行投影，確定房屋投影點(diǎn)在河流軌跡線上的起點(diǎn)距并匹配基礎(chǔ)高程，為實(shí)現(xiàn)房屋淹沒影響與水面線的關(guān)聯(lián)將其融合于水位沿程變化坐標(biāo)戲中，根據(jù)房屋注冊人口屬性確定在此水面線下淹沒影響人口。

步驟三：假定可獲取不同的淹沒人口和不同的量級洪水，對代表斷面上的水位分別按照不同量級洪水水面線確定，由此建立淹沒影響人口與水位之間的關(guān)聯(lián)。

圖1中，成災(zāi)水位即為代表斷面上成災(zāi)水面線的水位，其中成災(zāi)水面線為第一戶開始受災(zāi)時(shí)的水面線，相應(yīng)的流量為成災(zāi)流量。

(2)臨界雨量閾值的分析。確定降雨閾值的方法主要有時(shí)間統(tǒng)計(jì)、同頻率和范圍3大類型，本文注重分析了同頻率法和反推法的基本原理。

同頻率法僅適用于小流域，其基本思路是根據(jù)所屬地設(shè)計(jì)洪水辦法和階段調(diào)查確定成災(zāi)流量及其重現(xiàn)期，然后基于洪水暴雨同頻率的基本假定和所屬地設(shè)計(jì)暴雨統(tǒng)計(jì)成果，對同頻率不同時(shí)段的降水量進(jìn)行分析。值得一提的是，流域匯流理論是該方法確定雨量成果的根本依據(jù)，同頻率特征時(shí)段雨量成果在流域匯流時(shí)間小于時(shí)段長時(shí)才有效，而在時(shí)段長時(shí)偏小。利用該方法推求的閾值可直接用于預(yù)警，在計(jì)算過程中因未考慮產(chǎn)流作用其計(jì)算環(huán)節(jié)較為簡便。

反推法是基于流域產(chǎn)匯流與成災(zāi)流量的逆運(yùn)算推算雨量閾值的方法，在產(chǎn)匯流參數(shù)已知的情況下還要考慮前期土壤濕潤情況、降水量時(shí)程分配和降水量大小3項(xiàng)待定要素，通過對這3項(xiàng)待定要素的排列組合可構(gòu)成無窮個(gè)具有相同峰值的解，所以等同于無解。針對此類問題可通過產(chǎn)流解決確定其前期影響，即在形成凈雨的條件下分析時(shí)程分配和凈雨量問題，然后對給定的特征時(shí)段長按照分配雨型確定，并計(jì)算匯流和雨量值，如果成災(zāi)流量大于洪水過程峰值應(yīng)提高對雨量值的設(shè)定，反之應(yīng)降低雨量值；當(dāng)滿足成災(zāi)流量與計(jì)算峰值相等的情況下，特征時(shí)段長閾值即為設(shè)定的雨量值。本文采用暴雨衰減指數(shù)公式或設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配成果作為降水時(shí)程分配的依據(jù)，即Ht，p=24n-1H24，pt1-n。在該過程中不同時(shí)段雨量閾值不能直接試算24h時(shí)段雨量來確定，而是通過分別設(shè)定試算各種時(shí)段確定。綜上分析，通過限定降水過程分配和計(jì)算前置產(chǎn)流，即可推求凈雨閾值。

2 調(diào)查與評價(jià)

2.1 測區(qū)布局

為了更加客觀、準(zhǔn)確的體現(xiàn)城市防洪能力與水文要素之間的關(guān)聯(lián)作用，根據(jù)以上技術(shù)路線遼寧省水文局開展了大凌河山洪影響的調(diào)查活動，通過勘測沿河房屋基礎(chǔ)高程和采集2016、2015、2008年的沿河洪痕，形成了包括大營子鄉(xiāng)、大城子街道和中心城區(qū)的縱向15km的調(diào)查測區(qū)。測區(qū)內(nèi)共有歷史洪痕點(diǎn)41處、實(shí)測典型斷面35處，尤其是近幾年洪水過后第一時(shí)間標(biāo)注的洪痕具有較高的準(zhǔn)確性與可靠性。

2.2 水位流量關(guān)系

以人工方式進(jìn)行測驗(yàn)和觀測為大城子水文站2013年前各測驗(yàn)項(xiàng)目的主要方式，為保證監(jiān)測結(jié)果的有效性于2013年在河段左岸安裝建設(shè)了雷達(dá)水位計(jì)，河道基本斷面與其所在位置重合。為滿足大城子防洪預(yù)警特征水位分析要求于2014年開展流量測驗(yàn)，其中過河方式以橋梁為主，河道水流的測定工具電波流速儀和ADCP。根據(jù)調(diào)查資料獲取2008年最高水位56.20m，通過雷達(dá)水位計(jì)測得2015、2016年最高洪水位分別為55.01、52.88m，2016年最大流量實(shí)測值為2650m3/s。水位流量關(guān)系無法根據(jù)實(shí)測流量水位變幅確定，因此本文考慮融合水文調(diào)查成果和實(shí)測流量的方法。在斷面穩(wěn)定且斷面已知的情況下依據(jù)曼寧公式使用條件，確定比降和糙率是影響高洪流量的主要因素[11-14]。歷史洪水資料顯示，不同量級洪水下大凌河大城子河段的沿河水面線基本平行，水面比降總體保持在0.8‰?yún)^(qū)間，對大城子站高水位時(shí)的糙率利用實(shí)測流量反推其值處于0.036～0.042區(qū)間，并以此作為洪峰流量和洪水調(diào)查的主要依據(jù)見表1，大城子站水位流量關(guān)系分析如圖2所示。

表1 洪峰流量和洪水調(diào)查成果

2.3 成災(zāi)水位和成災(zāi)流量確定

大城子調(diào)查測區(qū)分大營子鄉(xiāng)測區(qū)、大城子街道測區(qū)和中心城測區(qū)3個(gè)部分，由于不同測區(qū)兩岸人口高程分布、水面坡度和流域面積不同，對集總測區(qū)的成災(zāi)水位按照短板效應(yīng)原則和分區(qū)方法確定。

圖2 大城子站水位流量關(guān)系解析圖

圖3 各測區(qū)調(diào)查點(diǎn)水位-流量與水位-人口曲線成果圖

(1)確定分部測區(qū)承載水位。以兩岸居民房屋基礎(chǔ)高程融合20150720洪水沿線洪水位分布，利用投影法對各分部測區(qū)淹沒情況進(jìn)行分析。對各調(diào)查測區(qū)的兩岸居民淹沒影響沿河道方向洪水進(jìn)行分析，其中大營子和大城子測區(qū)的成災(zāi)流量依次為1560、1470m3/s，成災(zāi)水位分別為61.20、45.70m。中心城區(qū)具有一定的防洪抵御能力，雖然兩岸房屋基礎(chǔ)高程在保護(hù)區(qū)內(nèi)低于水位但并不一定成災(zāi)；而在防洪保護(hù)區(qū)域范圍以外的成災(zāi)水位以上部分的居住地還是易澇成災(zāi)，所以應(yīng)選擇地段的人口布局作為中心城區(qū)成災(zāi)流量和水位，分別為1780m3/s、53.6m，各測區(qū)的水位-流量與水位-人口曲線關(guān)系如圖3所示。

(2)確定綜合成災(zāi)水位。對各分部測區(qū)預(yù)警斷面與代表斷面的水位落差利用相應(yīng)的成災(zāi)水位進(jìn)行計(jì)算分析，在不同預(yù)警斷面下確定各分部成災(zāi)水位。通過以上分析，各分部測區(qū)預(yù)警斷面和代表斷面之間的計(jì)算距離為ΔL代表-水文，其中水面比降在中心城區(qū)為8‰，然后對相應(yīng)的預(yù)警斷面下成災(zāi)水位Z災(zāi)，水文根據(jù)各測區(qū)成災(zāi)水位進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。各集中居住群的承載流量根據(jù)水位流量關(guān)系和各測區(qū)成災(zāi)水位推求為1550～1850m3/s范圍，綜合成災(zāi)水位、流量按照短板效應(yīng)原則確定為53.6m、1700m3/s。

表2 大城子站村落成災(zāi)水位分析結(jié)果

2.4 影響分析

采用周邊既有方法和屬地洪水確定設(shè)計(jì)洪水，參考站選擇為下游義縣水文站并作為面積比擬法計(jì)算依據(jù)，根據(jù)當(dāng)?shù)厮氖謨源_定經(jīng)驗(yàn)公式，為提高計(jì)算結(jié)果的可靠性綜合結(jié)果選擇為多方法均值，見表3。對比表3計(jì)算成果和成災(zāi)流量1700m3/s，確定該河段現(xiàn)狀防御能力未達(dá)到5a一遇標(biāo)準(zhǔn)。

表3 不同重現(xiàn)期大城子站設(shè)計(jì)洪水成果 單位：m3/s

3 預(yù)警指標(biāo)

3.1 雨量預(yù)警閾值

基于成災(zāi)流量1700m3/s，對不同時(shí)段雨量預(yù)警利用遼寧省洪水設(shè)計(jì)辦法和新安江模型進(jìn)行試算反推。在假定洪水暴雨同頻率的基礎(chǔ)上，對特征時(shí)段雨量預(yù)警依據(jù)各測區(qū)成災(zāi)流量重現(xiàn)期進(jìn)行確定，見表4。值得注意的是，前置產(chǎn)流計(jì)算為運(yùn)用反推法成果的重要條件，并且滿足流域匯流時(shí)間要低于其預(yù)警時(shí)段，本文中為6h。

3.2 特征水位

在大城子水文站下游5760m處防汛減災(zāi)部門設(shè)立水位人工觀測水質(zhì)，其中警戒水位為48.00m，對應(yīng)于水文站點(diǎn)的流量為980m3/s，相應(yīng)的水位為52.50m。從斷面上分析警戒水位偏低且未達(dá)到灘地，由于大凌河屬于典型的山區(qū)型河流具有暴漲暴落特征，根據(jù)20150720洪水最大漲幅1.36m/s推算，僅需要80min即可達(dá)到成災(zāi)水位。由于大凌河和遼河有交匯連接點(diǎn)，因此綜合考慮遼河流域水位高程和水面高程差，參考遼河水位線調(diào)整，最終確定大城子水文站的保證水位、警戒水位分別為56.2、55.0m。

表4 雨量預(yù)警閾值計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

本文以大凌河大城子水文站為例，依據(jù)山洪災(zāi)害分析方法與調(diào)查評價(jià)技術(shù)路線開展沿河居住群高程布置和洪水研究，通過建立預(yù)警對象人口布局和預(yù)警源的關(guān)聯(lián)評價(jià)了水文站的洪水防御能力。然后基于成災(zāi)流量確定了特征時(shí)段臨界雨量預(yù)警閾值和水文站點(diǎn)特征水位，從而有效解決了中小河流水文站無預(yù)警關(guān)聯(lián)和無歷史參考的問題，完成了水文要素影響效應(yīng)和水文數(shù)值之間的有效轉(zhuǎn)變，可為其他相似流域水文站點(diǎn)預(yù)警指標(biāo)體系的建設(shè)提供一定的技術(shù)路線。

本研究綜合考慮了大城子水文站典型河段的實(shí)際防洪能力，提出河段現(xiàn)狀防御能力未達(dá)到5a一遇標(biāo)準(zhǔn)。由于大凌河和遼河有交匯連接點(diǎn)，因此綜合考慮遼河流域水位高程和水面高程差，參考遼河水位線調(diào)整，最終確定水文站的保證水位、警戒水位分別為56.2、55.0m。流域致災(zāi)臨界雨量閾值為6h面平均雨量120mm或1h流域平均凈雨強(qiáng)度75mm/h，本文研究成果可作為大城子水文站防汛減災(zāi)工作部署的參考依據(jù)。