楊雪峰
(遼寧江海水利工程有限公司)
防汛特征水位是識別洪水量級的重要指標(biāo),代表著水利工程能承受的洪水特征值,是防汛預(yù)警預(yù)報、指揮調(diào)度決策的重要參考依據(jù)[1]。作為應(yīng)用最為廣泛的特征參數(shù),對預(yù)示水利工程設(shè)施危害程度以及防汛力量的布置具有重要的參考價值,是防汛指揮工作的重要指標(biāo)。防汛特征水位一般分為三級:一級為設(shè)防水位,二級為警戒水位,三級為保證水位(又稱最高水位或危險水位)[2]。特征水位級別越高,對應(yīng)防汛狀態(tài)越緊急,一級為防汛準(zhǔn)備級別,二級為防汛警戒級別,三級為防汛緊急狀態(tài)。一般河流通常只制定警戒水位和保證水位,用以指導(dǎo)河流汛期洪水預(yù)警及防汛決策[3-4]。
小凌河是遼寧省大型河流之一,流經(jīng)遼寧省西部中心城市錦州市城區(qū),且途經(jīng)2條鐵路線路。其防洪安全保障工作關(guān)系著城區(qū)的民生安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。此次研究以小凌河錦州市城區(qū)段為研究對象,分析該河段警戒水位和保證水位,為錦州市城區(qū)的防汛指揮調(diào)度工作提供參考依據(jù),以期為錦州市城區(qū)段避險預(yù)留更長時間。
小凌河錦州市城區(qū)段為錦凌水庫壩下至百股河口段,長度17km,為丘陵與平原過渡地帶,河段順直,河床比降較小,兩岸已形成防洪體系。小凌河錦州市城區(qū)段上游建有錦凌水庫,河道兩岸均建有土堤,左岸防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇,右岸防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。
小凌河錦州城區(qū)段洪水主要由錦凌水庫放流及區(qū)間主要支流女兒河匯流形成。小凌河錦州市城區(qū)段建有錦州水文站,女兒河中游建有烏金塘水庫和烏金塘水文站。
一次洪水過程一般為3天,最長可以達(dá)到5天,一次降水即形成一次洪峰,所以流量過程線多為單峰型,但如遇連續(xù)兩次或兩次以上降水,也可以形成雙峰[5]。小凌河洪水相對集中,大洪水較一般洪水的洪量更集中。
防汛特征水位是在河道現(xiàn)狀行洪能力分析的基礎(chǔ)上通過推求水位流量關(guān)系確定的。行洪能力的分析主要包括兩點,其一為計算現(xiàn)狀防洪工程最大泄流能力,并根據(jù)計算結(jié)果分析泄量對應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn);其二為選取河段內(nèi)代表性較強(qiáng)的控制斷面,計算不同量級洪水條件下的水位,繪制控制斷面的水位流量關(guān)系曲線。
在本次分析中,依據(jù)小凌河錦州市城區(qū)段實測地形資料和防洪保護(hù)對象,綜合確定特征水位控制斷面。通過經(jīng)驗頻率分析法分析計算各控制斷面設(shè)計洪水,再采用能量方程法推求出各控制斷面水位流量關(guān)系,分析其現(xiàn)狀防洪能力。最終根據(jù)各控制斷面實際過流能力及水位流量關(guān)系,結(jié)合斷面形態(tài)確定該河段的防汛特征水位。
根據(jù)流域防洪工程情況和洪水特性,選取錦州水文站、女兒河口2個控制斷面作為代表斷面。錦州水文站、女兒河口控制斷面位置見圖1所示。
圖1 控制斷面位置示意圖
現(xiàn)狀行洪能力分析包括設(shè)計洪峰流量計算和控制斷面水位流量關(guān)系計算兩部分。
3.2.1 設(shè)計洪峰流量計算小凌河錦州市城區(qū)段建有錦州水文站,記錄有1954年至2018年實測流量資料,結(jié)合歷史洪水調(diào)查考證資料,采用經(jīng)驗頻率分析法計算錦州水文站設(shè)計洪水。女兒河口設(shè)計洪峰流量計算采用錦州水文站的面積比推求。
因院區(qū)的面積所限,該院不允許設(shè)計大型的花園,但設(shè)計者也竭盡所能為患者創(chuàng)造一個溫馨舒適的就醫(yī)環(huán)境。例如,設(shè)計者在院區(qū)的空余地方以及病房的陽臺里都設(shè)置花槽,讓這些花槽點綴在院區(qū)周圍,打破醫(yī)院沉悶單調(diào)的室內(nèi)氛圍,增添了幾分寫意與活力,同時亦可勾起患者與醫(yī)護(hù)人員賞花玩花的點點情趣。
計算公式如下:
式中:m為xm在n項水文資料中按遞減順序排列的序號;n為水文資料年限;Pm為第m項xm的頻率。
本次頻率分析所采用的洪峰值按照年最大值選樣,即:從錦州站實測洪水資料中逐年選取一個最大流量;
通過統(tǒng)一樣本法,將實測洪峰系列與歷史洪水系列共同組成一個不連續(xù)的系列,作為代表總體的一個樣本,不連續(xù)系列各項可在歷史調(diào)查期內(nèi)統(tǒng)一排位[6],對該樣本系列進(jìn)行排頻計算,獲得錦州站設(shè)計洪峰流量的值。其中理論頻率曲線選用PⅢ曲線,Cs(偏態(tài)系數(shù))和Cv(變差系數(shù))倍比取2.5。
考慮到錦凌水庫建成后,處于錦凌水庫、烏金塘水庫洪水調(diào)節(jié)共同作用下,所以按照設(shè)計洪水地區(qū)組成,組合各控制地點的洪峰流量,選各方案中的最大組合流量作為采用值,計算結(jié)果見表1。
表1 錦凌水庫建成后不同控制地點各頻率組合洪峰流量成果表
根據(jù)表1可知,錦州水文站斷面100年和50年一遇洪峰流量均為6 000m3/s;女兒河口斷面100年一遇洪峰流量為10 121m3/s,50年一遇洪峰流量為9 347m3/s。
3.2.2 推求各斷面水位流量關(guān)系
在防汛工作中通過控制斷面水位流量關(guān)系曲線圖將實時水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為流量數(shù)據(jù),可作為防汛指揮調(diào)度的重要參考依據(jù)。
根據(jù)各控制斷面設(shè)計洪峰流量計算成果,采用實測各斷面數(shù)據(jù),計算不同防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計洪峰流量對應(yīng)的水位。采用天然河道恒定非均勻流[7]計算公式推求,即采用能量方程通過修改斷面參數(shù)推求各斷面現(xiàn)狀情況下的水位[8],并通過各斷面水位流量關(guān)系曲線查得各斷面實際行洪能力。
能量方程的基本形式為:
式中:Z1,Z2為上下游斷面的河底高程(m);Y1,Y2為上下游斷面的水深(m);V1,V2為上下游斷面的水流平均流速(m/s);he為能量水頭損失(m);α1,α2為修正系數(shù);L為上下游斷面之間的河道長度(m);Sf為上下游斷面的摩擦比降;C為河道的擴(kuò)散或收縮損失系數(shù);g為重力加速度(m/s2)。
(2)水位流量關(guān)系曲線的繪制
根據(jù)各控制斷面的多次實測流量和同時水位的資料來校準(zhǔn)計算各斷面水位,以水位為縱坐標(biāo),流量為橫坐標(biāo),繪制各控制斷面水位流量關(guān)系曲線圖。
錦州水文站水位流量關(guān)系見圖2,女兒河口水位流量關(guān)系見圖3。
圖2 錦州水文站觀測點水位流量關(guān)系圖
圖3 女兒河口下觀測點水位流量關(guān)系圖
根據(jù)錦州水文站水位流量關(guān)系曲線可知,當(dāng)錦州水文站洪峰流量達(dá)到6 000m3/s時,對應(yīng)水位為23.83m。根據(jù)女兒河口斷面水位流量關(guān)系可知,當(dāng)女兒河口洪峰流量達(dá)到9 347m3/s時,對應(yīng)水位為20.26m,當(dāng)洪水流量達(dá)到10 121m3/s時,對應(yīng)水位為21.21m。
3.2.3 行洪能力分析
根據(jù)實測地形資料,推算現(xiàn)狀各控制斷面最大過流能力,分析各控制斷面現(xiàn)狀行洪能力。各控制斷面現(xiàn)狀最大過流能力見表2。
表2 控制斷面行洪能力基本情況表
根據(jù)各斷面現(xiàn)狀行洪能力計算成果可知,錦州水文站斷面均可達(dá)到100年一遇和50年一遇標(biāo)準(zhǔn)兩種頻率的設(shè)計流量6 000m3/s,兩岸均滿足設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn);女兒河口斷面左岸現(xiàn)狀行洪能力為9 640m3/s,略低于100年一遇設(shè)計流量10 121m3/s,右岸現(xiàn)狀行洪能力為9 347m3/s,滿足50年一遇設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)。
由此可知,錦凌水庫壩下至女兒河口段現(xiàn)狀兩岸堤防均可滿足設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)。女兒河口至百股河口段左岸雖建有堤防,但堤防堤頂高程減去安全超高后的保證水位低于設(shè)計水位,不滿足設(shè)計100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)的要求,為防汛薄弱河段,汛期需重點防護(hù);右岸現(xiàn)狀為自然高地,滿足設(shè)計50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。
3.3.1 警戒水位確定原則
小凌河錦凌水庫下游至百股河口段為錦州市城區(qū)段,兩岸堤防均已達(dá)標(biāo)。該段河道警戒水位綜合考慮堤腳高程、灘面高程、階地高程和設(shè)計水位等因素,采用堤腳高程加0.5m或取一級階地高程作為警戒水位。
3.3.2 保證水位確定原則
小凌河錦州市城區(qū)段為有堤段,保證水位應(yīng)為堤防能夠安全下泄的最小洪峰流量所對應(yīng)的水尺斷面水位,即本河段所有堤防在水尺斷面超過此水位前均可保證其防洪安全。
3.3.3 特征水位確定
根據(jù)特征水位確定原則,并利用各斷面水位流量關(guān)系得到各控制斷面的特征水位。
(1)錦州水文站斷面特征水位
根據(jù)現(xiàn)狀行洪能力分析結(jié)果,錦州水文站斷面所代表的錦凌水庫壩下至女兒河口段兩岸現(xiàn)已滿足設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)。因此,左岸保證流量為6 000m3/s,相應(yīng)保證水位為24.05m;右岸保證流量為6 000m3/s,相應(yīng)保證水位為23.83m。該段警戒水位20.04m,警戒流量2 540m3/s。
(2)女兒河口斷面特征水位
根據(jù)現(xiàn)狀行洪能力分析成果,女兒河口斷面所代表的女兒河口至百股河口段現(xiàn)狀左岸行洪能力略低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),右岸滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。因此,左岸保證流量為9 640m3/s,相應(yīng)保證水位21.00m;右岸保證流量為9 347m3/s,相應(yīng)保證水位20.26m。該段警戒水位13.96m,警戒流量3 240m3/s。
洪澇災(zāi)害一直是城市防洪的重中之重,因此特征水位的制定尤為重要。本文針對小凌河錦州市城區(qū)段主要特點,在分析其現(xiàn)狀行洪能力的基礎(chǔ)上,提出各控制斷面的特征水位,為錦州市防汛指揮調(diào)度、抗洪搶險工作提供了重要的技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。
在今后的防洪工作中,還需進(jìn)一步驗證本次制定特征水位的準(zhǔn)確性,并加強(qiáng)對薄弱河段堤防的監(jiān)測,結(jié)合該河段雨水情、工情、險情等方面的觀測信息,及時調(diào)整特征水位,使其更加符合實際防汛工作需要。