麟游縣麟游水位站預警水位確定方法探討

郭星火，趙建波

（陜西省寶雞水文水資源勘測局，陜西 寶雞 721006）

1 測站概況

1.1 流域概況

杜水河是漆水河的上游段，屬渭河水系，是麟游縣境內(nèi)流域面積最大、流程最長的河流，以與澄水河和御家河會流點為界，上游稱杜水河，下游為漆水河，也通稱為漆水河。河流發(fā)源于招賢鎮(zhèn)永豐村影里溝，海拔1450.71 m。

麟游水位站位于杜水河的下游，距麟游縣城2.0 km，控制流域面積338.4 km2。

1.2 測站概況

麟游水位站于2012 年建成，站號41106710，位于寶雞市麟游縣城關鎮(zhèn)。測驗項目包括水位、雨量。從6 月1 日至11 月1 日按照24 段24 次拍發(fā)水位報文和日、旬、月降雨量報文，麟游水位站是防汛專用站，擔負著杜水河流域麟游縣城段以及下游沿河村組的防汛任務。

1.3 測驗河段

測驗河段順直，左右岸均為漿砌石城防河堤，河道寬46.5 m，河床主要由沙卵石組成。

1.4 水利工程

麟游水文站基本斷面上下河段均為城防河段，設計防洪標準為20 年一遇洪水。

2 基本資料

2.1 麟游水位站實測大斷面成果

麟游水位站基本斷面成果采用2018 年5 月實測值。實測大斷面圖見圖1。

圖1 麟游水位站實測基本斷面圖

2.2 麟游水位站水位流量曲線的率定

麟游水位站水位流量關系曲線，主要根據(jù)實測大斷面、比降資料，河床組成情況，確定的河槽糙率，采用曼寧公式進行計算。曼寧計算公式為：

式中：Q 為過水斷面流量，m3/s；A 為過水斷面面積，m2；R 為水力半徑，m；I 為洪水水面比降，‰；n 為河床糙率。

計算水位—流量關系曲線，實測比降4.5‰、糙率選用0.030，斷面資料采用實測大斷面，計算的麟游水位站水位流量關系曲線成果見圖2。

圖2 麟游水位站水位流量關系曲圖

3 不同頻率設計洪水推求

本斷面設計洪水采用經(jīng)驗公式、推理公式法和水文比擬法推求并綜合確定麟游水位站預警水位值。

3.1 經(jīng)驗公式法

由于麟游水位站斷面以上控制面積為338.4 km2，屬于小流域，且為無完整的實測水文資料地區(qū)，所以設計洪水可以依據(jù)《寶雞市水文實用手冊》推薦的經(jīng)驗公式推求，即采用渭河以北地區(qū)分區(qū)經(jīng)驗公式推求，經(jīng)驗公式如下：

式中：QP為涉及頻率P 的洪峰流量，m3/s；F 為設計流域面積，km2；J 為主河道平均比降，‰；H6P為涉計頻率為6 小時的暴雨量，mm。

首先在地形圖上量算出流域面積和主河道平均比降，從年最大6 小時暴雨均值H 和變差系數(shù)Cv6等值線圖中，查出流域重心的H6和Cv6；根據(jù)CS=3.5Cv和某一設計頻率，由皮爾遜Ⅲ型曲線表查得Kp；用H6P=Kp·H6代入分區(qū)經(jīng)驗公式求得QP。

麟游河天堂水位站以上流域面積338.4 km2，河道平均比降15.7‰，查圖得流域重心處H6P為40 mm，變差系數(shù)Cv和為0.57，由Cv查得不同頻率的經(jīng)驗參數(shù)K 值和推求的不同頻率的設計洪水流量見表1。

表1 麟游水位站不同頻率設計洪水流量計算表

3.2 推理公式法

根據(jù)《寶雞市水文實用手冊》對暴雨分區(qū)劃分的規(guī)定，天堂水位站斷面位于渭河以北暴雨區(qū)，所用推理公式推求流域各設計頻率洪水，應參照《寶雞市水文實用手冊》渭河以北區(qū)相應的參數(shù)進行推算。

3.2.1 設計暴雨面雨量計算

1）設計暴雨歷時

設計暴雨歷時，可按流域面積大小分為兩級選擇，當流域面積＜100 km2時，設計歷時采用6 h；當流域面積≥100 km2時，設計歷時采用24 h。天堂河天堂水位站以上流域面積244 km2＞100 km2，設計暴雨歷時采用24 h。

2）設計點暴雨

根據(jù)《寶雞市水文實用手冊》分別查出重現(xiàn)期為10 年、20 年、30 年、50 年、100 年一遇 5 種設計警戒斷面 1 h、3 h、6 h、24 h 點雨量均值Ht和變差系數(shù)CV，取CS=3.5CV，從P－Ⅲ型曲線模比系數(shù)表上查得不同頻率相應的KP值，按公式Htp=KPHt，計算出各頻率不同歷時的點暴雨值HtP；按照公式H12=(H6-H24)^0.5計算12 h 點雨量均值。

3）設計面暴雨

根據(jù)設計流域面積和相應的暴雨分區(qū)，由《寶雞實用水文手冊》查得各歷時點面系數(shù)的擬合參數(shù)at、bt，根據(jù)公式計算出各歷時的暴雨點面折算系數(shù)。at、bt擬合曲線參數(shù)與指數(shù)見表2。

表2 設計暴雨分區(qū)點面系數(shù)at、指數(shù)bt 成果表

點面系數(shù)βt的計算公式為：

式中：at、bt為參數(shù)；F 為流域面積，km2。

設計面暴雨計算公式：

式中：HtF為某歷時t 的設計面暴雨量，mm；Ht為某歷時t 的設計點暴雨量，mm。

3.2.2 設計面暴雨量的時程分配

根據(jù)《寶雞市水文實用手冊》規(guī)定，設計暴雨時程分配依據(jù)流域面積大小，選用不同歷時的暴雨雨型。對于流域面積并按百分數(shù)固定分配，計算時按面積分析選用。當流域面積＞300 km2時，采用24 小時暴雨時程分配；當流域面積≤300 km2時，采用12 小時暴雨時程分配。各歷時設計暴雨雨型見表3。

表3 12 小時設計暴雨時程分配雨型表

3.2.3 產(chǎn)流過程計算

根據(jù)《寶雞市水文實用手冊》渭河以北地區(qū)，以超滲產(chǎn)流為主，采用入滲率與土壤含水量的關系式分析計算，前期土壤含水量的取值按1/2～2/3 的流域最大蓄水量Im 之間，天堂水位站Pa=Im/2=50.0 mm。

當S≤78 mm：

當S＞78 mm：

式中：S 為土壤含水量，mm；f 為土壤入滲率，mm/h。

同頻率時段累計凈雨計算成果見表4。

表4 不同頻率時段累計凈雨計算成果表

3.2.4 匯流計算

依據(jù)《寶雞市水文實用手冊》推薦公式：

式中：t、τ 為分別為凈雨歷時和匯流歷時，h；hτ為凈雨歷時為 t的凈雨強度，mm/h，即將時段凈雨按由大到小依次累計，再除以相應的歷時t；m 為匯流參數(shù)。

將Qm-τ 及Qm-t 兩曲線繪于同一坐標系中，兩曲線交點的縱橫坐標數(shù)值即為所求的洪峰流量和匯流歷時，即為所求的設計洪峰流量Q 和匯流歷時τ 值。結果見圖3、表5。

圖3 麟游水位站控制斷面不同頻率的洪峰流量試算曲線圖

表5 麟游水位站不同頻率洪峰流量成果表

3.3 面積比擬法

本次面積比擬法參考設計流域內(nèi)或產(chǎn)匯流條件較為相似的同一水文分區(qū)流域內(nèi)漆水河安頭水文站實測洪峰流量頻率計算成果資料，該站控制流域面積1007 km2不同頻率洪峰流量值，杜水河麟游水位站流域控制面積338.4 km2，依據(jù)《寶雞市水文實用手冊》面積比擬法規(guī)定，面積雖超出規(guī)定，考慮到安頭水文站與麟游水位站同屬一個暴雨分區(qū)流域特性及產(chǎn)匯流條件較為相似，安頭站資料具有區(qū)域代表性，因此將安頭水文站作為參證站，采用面積比擬法推求麟游水位站不同頻率的洪峰流量見表6。

表6 麟游水位站面積比擬法不同頻率洪峰流量成果表

3.4 設計流量成果選用

本次采用地區(qū)經(jīng)驗公式法、推理公式法推求的不同頻率洪水流量對照統(tǒng)計見表7。

表7 不同頻率洪水流量對照統(tǒng)計表

從表中可以看出，面積比擬法由于參考站流域面積較大，且大于設計站流域面積的20%，即超出了面積比擬法公式的適用范圍，計算值僅作為參考；經(jīng)驗公式法與推理公式法計算值有一定的差別，但是推理公式法是推求小流域設計洪水最常用方法，具有一定的理論依據(jù)，因此選用推理公式法計算成果作為麟游水位站控制斷面處不同頻率設計洪水成果。

4 預警水位確定

4.1 初步確定預警水位

依據(jù)省水文局《陜西省新建水文、水位站防汛指標確定編制大綱》第3.2.3 條，結合麟游站上下游實際情況和測驗斷面情況，按照重現(xiàn)期5 年一遇洪峰流量來確定警戒流量。依據(jù)預警流量確定預警水位，即麟游水位站5 年一遇洪水流量為200 m3/s，在該站率定的水位流量關系線上查得該流量的水位為1010.60 m，即麟游水位站預警水位初步確定為1010.60 m。當洪水水位達到1010.60 m 時，不會對下游防護對象安全行洪造成威脅，能夠確保沿河群眾生命財產(chǎn)安全。麟游水位站實測大斷面、預警水位示意圖見圖4。

圖4 麟游水位站實測大斷面、預警水位示意圖

4.2 合理性分析

1）由麟游水位站實測大斷面圖可知，該斷面右岸河堤高程1091.30 m，高于初步確定的預警水位值4.5 m，能夠滿足堤防工程有關技術設計標準的要求，據(jù)麟游縣防汛辦提供，該站測驗河段堤防及上、下游橋梁工程設防標準均超過20 年一遇設計洪水，所以初步確定的天堂水位站預警水位合理。其對比分析結果見表8。

表8 堤防工程高程與預警水位對比分析表

由表8 可知，麟游水位站控制斷面右岸護坡堤頂高程高于本次初步確定的預警水位值2.27 m，且斷面左岸高于右岸，河道左、右岸是安全的，在出現(xiàn)了1010.60 m 洪水水位后，對右岸及下游區(qū)域及橋梁能夠起到警示和防汛預警的作用。

2）麟游水位站斷面水力因素計算采用曼寧公式根據(jù)設計流量反算推求。現(xiàn)場查勘可知，該河段順直，河床比降變化均勻，沿程寬度變化較小，符合恒定均勻流的假定，因而采用曼寧公式進行分析計算是合理的。本次計算中洪水比降依據(jù)實測的枯水比降。計算參數(shù)值取用比較合理，斷面的水力因素推算值也是合理的。該站水位流量關系曲線計算過程是合理的。

3）在隨后成果確定過程中與麟游縣防汛辦溝通，結合當?shù)貙嶋H地理環(huán)境及歷史洪水等因素，綜合確定該站設計預警水位1010.60 m，是符合實際工作需要的。

綜上，本次計算思路正確，方法合理，基礎資料選用詳實，成果可以采用。

5 結論與建議

5.1 結論

經(jīng)計算，確定麟游水位站預警水位為1010.60 m。計算思路正確，方法合理，基礎資料詳實，成果可靠。

5.2 建議

1）自動水位水位流量關系主要根據(jù)外業(yè)測量成果數(shù)據(jù)，采用了經(jīng)驗公式、推理公式和面積比擬法對設計洪水分別進行了計算，三種計算方法均存在一定的誤差，建議在今后的山洪災害防治工作中，每隔2 年～3 年或者大水過后要對水位流量關系曲線進行修定。

2）建議加強資料的積累，特別是小流域植被、河道比降、洪水資料，對山洪災害預警預報工作具有有力的促進作用。