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，是防汛指揮調度、搶險救災、水文預報的重要標志線。警戒水位是可能造成防洪工程出現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、險情的發展變化，做好防洪搶險人力、物力的準備，并要做好可能出現更高水位的準備工作。保證水位是能保證防洪工程或防護區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，堤身內外、堤防基礎(包括離堤背一定距離范圍)均可能出現嚴重險情?？茖W而準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月設立于都江堰市紫坪鋪鎮岷江村岷江中上游岷江干流上，位于東經103°36'、北緯 31°01'，集水面積 23037km2，距河口370km，高程系統采用吳淞基面，是國家基本水文站，也是都江堰市重要的防洪依據站，對都江堰灌區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，故未確定出特征水位。

都江水文站地處岷江從山區到平原過渡的出山口處，該地區屬于龍門山暴雨區，暴雨發生頻次高，易發生洪澇災害;下游300m處為世界自然、歷史文化遺產都江堰水利工程及都江堰市區，兩岸人口密集，經濟發達，商貿繁榮，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)沿山地區山溪溝、河的洪水;(3)平壩地區暴雨形成的區間徑流加入，河床縱比降較大，洪水流速大。

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

沿山地區山溪溝、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，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。

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

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，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。

歷史洪水數據的正確性，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。據史料記載，從1887年至2010年的124年間，共發生大洪水有10余次。1964年7月22日大洪水為建國后發生的首大洪水，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，造成嚴重經濟損失。1887年調查歷史洪水，流量達5300m3/s，但無詳細的災損資料。

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。而在都江堰市內的堤防，自都江堰渠首以下河段已分期按20年一遇洪水標準防洪整治。

2.5 經濟社會等情況

都江堰市現已建成城區面積37.7km2，城市人口約30萬人，是一座新興工業及旅游城市，GDP達116.6億多元。其中，現有工業企業1435家，年工業總產值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，需要與地方經濟實力相結合，考慮投入與風險的關系。

此外，還應考慮河灘地與背水側地面高程，防護區內重點特殊部位，防洪組織與搶險能力，城建、交通、國土等部門的協調能力，政治、社會、環境等各方面因素。

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，洪水樣本選擇應不少于25年。同時應充分考慮歷史大洪水，以增加結果的精確度。歷史洪水引用《四川省洪水調查資料》，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系異常散亂，達不到刊印標準而未刊印。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。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歷史調查洪水，組成不連序系列進行頻率計算及洪水參數的確定。

3.2 設計洪水分析計算

由于組成的年最大洪峰流量是不連序系列，設計洪水采用下述公式分析計算。

3.2.1 設計洪水經驗頻率

頻率計算采用皮爾遜Ⅲ型曲線。

式中:a——在N年中連續順序位的特大洪水項數;

N——調查考證期;

n——實測洪水系列項數;

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;

m——實測洪水的序位;

Pm——實測系列第m項的經驗頻率。

3.2.3 年最大洪峰流量系列的變差系數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驗點據的圖上，通過調整Cv以及Cs與Cv的比值再進行計算，最后依據計算頻率曲線與經驗點據的配合情況，從中選擇一條與經驗點據配合最佳的曲線，相當于該曲線的參數便看作是總體參數的估值。最終取Cs/Cv=4.5。設計洪水成果見表1，頻率曲線圖見圖1。

表1 都江水文站設計洪水成果

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

按照警戒、保證水位的定義，堤防設計防洪標準及相應的行洪能力是確定警戒、保證水位的重要依據。結合歷史洪水及城鎮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，根據洪水特性、堤防工程的防御標準和防護地區的社會經濟條件等綜合確定，為河道管理，水資源調度與利用、制定防洪方案和搶險決策提供基礎數據。