基于多因子聯合的遼河干流警戒水位確定方法

王春宇

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

國內對洪水預警的研究一致從未間斷，大部分研究通過確定河道的行洪能力，給出流量或者水位預警值。早期研究主要是針對局部河段，通過對水文站地形、觀測數據等分析可能引起的水面線變化，或者利用天然河道恒定流推算局部河段水面線，從而推演確定局部河段的行洪能力進行預警或者將局部降雨量作為預警指標。近些年應防汛需求，相關研究逐漸增多，但思路和方法較之前未發生較大變化[1- 8]。大江大河警戒水位多取洪水普遍漫灘或重要堤段開始漫灘偎堤的水位，此時河段或區域開始進入防汛戒備狀態，有關部門進一步落實防守崗位、搶險備料工作，跨堤涵閘停止使用[9]。因此，警戒水位是指江河堤防普遍臨水，堤防可能發生險情，需要動員社會力量進行防守的起始水位[10]。常規確定方法是根據河道演變、灘槽關系、堤防迎背水高程等實際情況，選擇河段一定比例的上灘洪水水位作為河段警戒水位[11- 12]。本次研究河段警戒水位采用80%斷面上灘流量對應觀測點的水位[13]。此項工作涉及到河道演變、灘槽關系分析、水面線計算、各斷面水位流量關系分析及平攤流量確定等工作，本次擬通過建立警戒水位與灘唇高程、臨水堤腳高程、背水堤腳高程、設計堤前水深等四個要素的線性相關關系，可以較為方便快速的得到較為合理的河段警戒水位。

1 遼河干流堤防現狀

遼河自福德店至河口，河道總長538km。遼河干流左右岸現狀堤線長890.619km，其中堤防長655.756km，自然高地長116.745km，支流河口長21.466km，下游無堤段長96.652km。

遼河堤防建設大致分為兩個時期：第一個時期為19世紀80年代，主要對遼河農村段堤防進行整治，整治范圍為遼河福德店至盤山閘段兩岸農村段堤防；另一個時期為2000年以后，主要對遼河城市段、石佛寺副壩段以及盤錦以下農村段堤防進行整治。清河口以下堤防建設標準為20年一遇，清河口以上建設標準30年一遇。堤身斷面全部為頂寬6m，迎水邊坡1∶2.5，背水邊坡1∶3.5或1∶5(砂土筑堤段為1∶5，其余段為1∶3.5)，清河口以上平均堤高4m，清河口以下平均堤高7.5m。

鐵嶺城市段堤防位于遼河左岸，堤長8.26km，防洪標準100年一遇(其中堤頂1.2m插板防浪墻)，迎水全部有混凝土板硬性護坡，堤頂寬8m(瀝青路面7m)。

盤錦城市段堤防位于遼河下游兩岸，兩岸堤防總計42.75km，建設防洪標準50年一遇，防御洪水流量6800m3/s，堤防頂寬8m，瀝青路面寬6m，迎水邊坡一般為1∶2.5，背水邊坡1∶3.5～1∶5，迎水側多數有混凝土面板等硬性防護，少數為草皮護坡，近兩年包括混凝土面板護坡在內的迎背水邊坡上覆土栽植灌木。

盤錦以下農村段堤防大堤頂高程基本與繞陽河口位置繞陽河大堤等高，防御洪水能力約為3000m3/s，大致相當于10～20年一遇標準，目前堤防頂寬8m，其中瀝青路面6m，堤防迎背水均為草皮護坡。石佛寺副壩與主壩工程設計防洪標準為100年一遇，堤防頂寬6m，4.5m寬砂石路面，臨背水邊坡1∶3，主壩段臨水側為模袋混凝土護坡，副壩兩側均為草皮護坡。石佛寺水庫建設完成后，通過對洪水的滯納調蓄，一定程度上使得水庫下游堤防標準提高。水庫建成后，50年一遇洪水和100年一遇洪水泄流流量與壩址原20年一遇洪水基本一致、200年一遇洪水泄流流量與壩址原50年一遇洪水基本一致。

2 警戒水位的確定方法

(1)警戒水位分河段確定，不分岸別，警戒水位河段分段應以主槽過流能力相差不大為控制原則，如無較大支流匯入河段不應分得過短，以免給運用和管理造成不便。

(2)警戒水位的確定方法為根據控制站的多年橫斷面套繪成果，綜合分析斷面穩定性及河灘地與背水側地面高程關系，確定控制站灘地普遍上水或洪水偎堤的水位作為控制站的警戒水位。本次研究河段警戒水位采用80%斷面上灘流量對應觀測點的水位，由于遼河灘地較寬，且存在一定橫比降，因此采用此種方法確定的河段警戒水位下洪水應大部分未臨堤，對于防汛搶險來說是偏于安全的。

(3)遼河下游灘地多建有套堤，由于當地群眾每年都會對套堤薄弱段加以維護，現狀套堤多較堅固，有套堤河段漫灘洪水很難威脅到設計堤防安全，因此采用此種方法確定河段警戒水位下洪水應大部分未臨堤，對于防汛搶險來說是偏于安全的。

3 遼河干流警戒水位確定分析

3.1 套堤段行洪能力分析

本次研究擬通過利用一維數學模型對二維模型計算成果進行試算模擬，找到套堤在一維數學模型中簡化處理的主要參數取值范圍和影響要素，建立遼河鐵嶺河段的一維模型。本段設計流量為5250m3/s，二維模型采用流量5250m3/s，起點水位采用遼河大堤初設對應水位23.71m，主槽糙率0.025，灘地糙率0.075。首先用水力學二維模型計算無套堤情況下各斷面水位，然后利用一維水力學模型在邊界條件不變的情況下通過調整糙率、套堤開口寬度的方式復核二維成果，復核后一維水位與二維水位差值在±0.02m以內，復核后一維主槽糙率0.023～0.030，灘地糙率0.07～0.085。最后利用復核完成的一維模型及二維模型分別計算有套堤情況下各斷面水位，并對比計算成果。復核及計算成果詳見表1。

表1 水面線復核及計算成果對比情況表

從表1可以看出，在有套堤情況下，一維水力學模型按本次套堤處理方式計算出的水面線成果比水力學二維模型成果高0.01～0.2m，在合理范圍內，從防洪方面考慮是偏安全的，故本次一維水力學模型對套堤的處理方式是正確合理的。最終確定套堤簡化處理方式為：套堤過流寬度為400m，即把套堤內地面高程(大堤迎水400m范圍內除外)抬高至套堤頂高程，并設定此范圍內糙率為0.01，若大堤迎水側至套堤距離為200～400m，則過流寬度設為200m，若大堤迎水側至套堤距離小于200m，則過流寬度為0。以最外側的套堤代替多層套堤及多個相連接的套堤。

3.2 遼河干流套堤對各段河道水位影響

在遼河干流套堤行洪分析的基礎上，對遼河干流典型河段的套堤水位影響進行分析，分析結果見表2。

表2 遼河套堤對各段河道水位影響統計表

經計算，石佛寺回水末端至福德店段現狀地形較全清障工況設計水位高0～0.26m，福德店至石佛寺水庫末端現狀套堤較少，現存的套堤主要分布在福德店、蘭家街-老山頭、通江口大橋上下游(周家網-西孤家子村)、新調線橋上下游。只影響局部段行洪能力，對整體行洪能力影響有限。石佛寺水庫壩下至盤山段現狀地形較全清障工況設計水位高0～0.83m，本段沿河均有套堤分布，現存大量套堤是導致本段堤防整體不能達到建設標準的主要原因。盤錦市區段(大洼區、雙臺子區、興隆臺區、盤錦監獄)現狀地形較全清障工況設計水位高0.12m。

3.3 遼河干流警戒水位確定公式

根據遼河各斷面警戒水位與四要素的關系統計成果，擬定初步關系公式。本文通過對遼河近400個堤防斷面灘槽關系、灘地與臨水堤腳關系、灘地與背水保護地關系、臨水堤腳與設計水位關系的整理，建立了警戒水位與灘唇高程、臨水堤腳高程、背水堤腳高程、設計堤前水深之間的簡易線性公式，公式如下所示。

Hj=0.396htc+0.97(hl+hb)+0.0495hdq

(1)

式中，Hj—警戒水位,m;htc—灘唇(河道邊灘瀕臨水流的邊緣地帶)高程，m;hl—臨水堤腳高程，m;hb—背水堤腳高程，m;hdq—設計堤前水深(保證水位-臨水堤腳)，m。在簡易估算公式的基礎上，利用圖表進一步修正，如圖1所示，為分析估算公式計算的精度，對公式計算結果與實際確定的遼河警戒水位結果進行耦合對比，見表3。

表3 警戒水位計算值與確定值耦合對比表

(續表)

圖1 警戒水位估算公式修正圖

從表3中可以看出除六間房站警戒水位估計值偏差較大外，其他控制斷面利用公式計算出的警戒水位較80%河段上灘洪水確定的警戒水位差值都在0.5m以內，吻合較好。本公式可以提供了一種快速可靠估算河道警戒水位的方法，方便快捷地為防汛工作服務。

4 結論

(1)采用河道警戒水位簡易公式對遼河干流典型站點估算的警戒水位和已確定的警戒水位差值均在0.5m以內，具有較好的吻合度，可實現對河道警戒水位的快速、可靠估算。

(2)采用多因子聯合方法進行警戒水位確定時，建議河段分段應以主槽過流能力相差不大為控制原則，如無較大支流匯入河段不應分的過短，以免給運用和管理造成不便。

(3)本文建立的簡易方程還未進行檢驗，存在不足，在后續的研究中還應結合更多工程實例對該公式進行檢驗。