防洪特征水位与现状防洪能力的雨量预警指标体系研究

李洪利

(辽宁省河库管理服务中心, 辽宁省水文局，辽宁 沈阳 110003)

水文监测系统建设项目可大幅提升中小河流的水文监测站点密度，然而在防汛减灾中存在2个客观条件限制了实时水文要素功能的正常发挥，一方面是新建站点由于没有积累历史资料而无法实现历史排位的对比，无法依据数据知晓水位和雨量的严重程度；另一方面是在预警对象与站点要素之间由于没有特征水位其关联关系不足，没有建立淹没影响与水位高低的联系，从而无法实现雨量的有效预警。若无法有效解决这2项问题，则新建水文站点还不能走向防汛前台。国家有关部门于2016年开始提出特征水位的相关研究，本文以辽宁省大城子水文站为例，采用山洪灾害调查评价的技术路线分析了预警河段历史洪水信息，通过调查沿河两岸房屋基础高程评价了预警对象的防洪能力，根据影响人口与预警站点之间的关联作用确定了雨量预警指标体系和水文站点的防洪特征水位[1-5]。

大城子水文站作为国家级重点站，在水库水电站建设运行、防洪抗旱以及水资源开发利用等方面发挥着重要作用，站点位于大凌河流域干流中游属于上游区域的代表站。水文站至河口距离302km，区间面积和控制面积为3208、5029km2。该站降水量偏少，其多年统计平均值为489.5mm，随季节的变化降水量波动较大，易出现不同时段的干旱。降雨频率在夏季6—8月最大，降水量占全年的80%左右，汛期属于洪涝灾害频繁时期。根据历史实测资料最大洪峰出现时的最高水位为281.80m、流量达7600m3/s、流速为5.56m/s，因此十分有必要建设防汛非工程措施和开展雨量预警相关研究[6-10]。

1 研究方法

1.1 总体思路

建立预警对象与预警源的关系、掌握预警对象现有防汛能力和历史洪水影响以及划定预警范围为建设中小河流防汛减灾预警指标体系的3个基本条件，其中预警指标体系的确定还需要考虑河流的防汛能力。换而言之，就是要以人的安全为核心依据历史洪水资料，通过评价现状防御能力从而建立预警指标体系，具体的实施途径是建立以人为中心、以户籍为单元、以村落为对象的河流水位要素与人口居住群预警对象之间的关系，根据业务逻辑可将总体思路分为如下阶段。

第一阶段：按照2条主线、归一融合的原则建立淹没影响人口与水文要素评价体系。其中主线1是通过调查分析获取历史典型洪水在预警对象关联河段的水面线，融合沿岸群居房屋注册人口和基础高程，对洪水淹没影响和淹没水深推算受影响房屋，进而关联注册人口。为获得不同等级洪水淹没影响还要考虑上下平移水面线和不同量级洪水水面比降的相同假定，在代表断面上摘取不同等级洪水水面线与淹没影响人口的水位，从而建立二者之间的关系线；主线2是根据水文资料编整规范建立水位流量关系，在该过程中除了要考虑实测数据外，为弥补实测水位流量关系水位变幅的不足还要采取水文调查措施获取河床糙率、纵横断面、比降等相关要素，从而构建水位流量关系线。“归一融合”是以取相同断面数值作为代表断面水位流量关系中的水位、淹没影响人口和水位关系为衔接要素，确定成灾流量和成灾水位并作为预警指标体系分析和洪水影响评判的依据。

图1 淹没影响人口与双投影线法分析图

第二阶段：成灾流量风险等级可通过设计洪水的计算确定，其中保证水位、警戒水位依据预警对象所属地洪水涨率规律、流量和成灾水位推求。

第三阶段：暴雨时程分配利用所属地设计洪水计算方法与成灾流量确定，并反推试算出各特征时段与成灾流量匹配的临界雨量，即响应成灾时的净雨强度和暴雨历时问题。假定暴雨洪水具有相同频率并依据成灾流量重现期获取不同时段内与重现期相匹配的雨量阈值，从而构建预警指标体系。

1.2 技术路线

(1)确定水位人口关系。水位和高程人口关系在水库、湖泊静态水体中相同，而山区型预警河段往往具有较大的水面落差属于非静态水体，所以在确定水位人口关系时需要将沿河水面线利用一种算法转化为水坡面，从而确定在横向、纵向上水坡面高程与屋面高程布局之间的变化关系。本文基于非静态山区淹没影响人口与水体水位关系评价方法，提出标定起算点、锁定河流轨迹以及指定代表断面，双对象平面投影房屋、洪痕距离最短的办法，从而构建预警河段三元同系的房屋基础高程、河道纵坡面与洪水水面线的逻辑识别体系如图1所示，具体的流程如下。

步骤一：将预警对象关联河段的上游起始点标记为原点，根据河流纵断面测量坐标和高程绘制轨迹线。然后依据河流轨迹线和坐标将调查洪痕进行投影，确定相对原点的洪痕投影起始点并匹配洪痕点水位，从而构建沿程变化的水位坐标系。

步骤二：依据河流轨迹和坐标将房屋进行投影，确定房屋投影点在河流轨迹线上的起点距并匹配基础高程，为实现房屋淹没影响与水面线的关联将其融合于水位沿程变化坐标戏中，根据房屋注册人口属性确定在此水面线下淹没影响人口。

步骤三：假定可获取不同的淹没人口和不同的量级洪水，对代表断面上的水位分别按照不同量级洪水水面线确定，由此建立淹没影响人口与水位之间的关联。

图1中，成灾水位即为代表断面上成灾水面线的水位，其中成灾水面线为第一户开始受灾时的水面线，相应的流量为成灾流量。

(2)临界雨量阈值的分析。确定降雨阈值的方法主要有时间统计、同频率和范围3大类型，本文注重分析了同频率法和反推法的基本原理。

同频率法仅适用于小流域，其基本思路是根据所属地设计洪水办法和阶段调查确定成灾流量及其重现期，然后基于洪水暴雨同频率的基本假定和所属地设计暴雨统计成果，对同频率不同时段的降水量进行分析。值得一提的是，流域汇流理论是该方法确定雨量成果的根本依据，同频率特征时段雨量成果在流域汇流时间小于时段长时才有效，而在时段长时偏小。利用该方法推求的阈值可直接用于预警，在计算过程中因未考虑产流作用其计算环节较为简便。

反推法是基于流域产汇流与成灾流量的逆运算推算雨量阈值的方法，在产汇流参数已知的情况下还要考虑前期土壤湿润情况、降水量时程分配和降水量大小3项待定要素，通过对这3项待定要素的排列组合可构成无穷个具有相同峰值的解，所以等同于无解。针对此类问题可通过产流解决确定其前期影响，即在形成净雨的条件下分析时程分配和净雨量问题，然后对给定的特征时段长按照分配雨型确定，并计算汇流和雨量值，如果成灾流量大于洪水过程峰值应提高对雨量值的设定，反之应降低雨量值；当满足成灾流量与计算峰值相等的情况下，特征时段长阈值即为设定的雨量值。本文采用暴雨衰减指数公式或设计暴雨时程分配成果作为降水时程分配的依据，即Ht，p=24n-1H24，pt1-n。在该过程中不同时段雨量阈值不能直接试算24h时段雨量来确定，而是通过分别设定试算各种时段确定。综上分析，通过限定降水过程分配和计算前置产流，即可推求净雨阈值。

2 调查与评价

2.1 测区布局

为了更加客观、准确的体现城市防洪能力与水文要素之间的关联作用，根据以上技术路线辽宁省水文局开展了大凌河山洪影响的调查活动，通过勘测沿河房屋基础高程和采集2016、2015、2008年的沿河洪痕，形成了包括大营子乡、大城子街道和中心城区的纵向15km的调查测区。测区内共有历史洪痕点41处、实测典型断面35处，尤其是近几年洪水过后第一时间标注的洪痕具有较高的准确性与可靠性。

2.2 水位流量关系

以人工方式进行测验和观测为大城子水文站2013年前各测验项目的主要方式，为保证监测结果的有效性于2013年在河段左岸安装建设了雷达水位计，河道基本断面与其所在位置重合。为满足大城子防洪预警特征水位分析要求于2014年开展流量测验，其中过河方式以桥梁为主，河道水流的测定工具电波流速仪和ADCP。根据调查资料获取2008年最高水位56.20m，通过雷达水位计测得2015、2016年最高洪水位分别为55.01、52.88m，2016年最大流量实测值为2650m3/s。水位流量关系无法根据实测流量水位变幅确定，因此本文考虑融合水文调查成果和实测流量的方法。在断面稳定且断面已知的情况下依据曼宁公式使用条件，确定比降和糙率是影响高洪流量的主要因素[11-14]。历史洪水资料显示，不同量级洪水下大凌河大城子河段的沿河水面线基本平行，水面比降总体保持在0.8‰区间，对大城子站高水位时的糙率利用实测流量反推其值处于0.036～0.042区间，并以此作为洪峰流量和洪水调查的主要依据见表1，大城子站水位流量关系分析如图2所示。

表1 洪峰流量和洪水调查成果

2.3 成灾水位和成灾流量确定

大城子调查测区分大营子乡测区、大城子街道测区和中心城测区3个部分，由于不同测区两岸人口高程分布、水面坡度和流域面积不同，对集总测区的成灾水位按照短板效应原则和分区方法确定。

图2 大城子站水位流量关系解析图

图3 各测区调查点水位-流量与水位-人口曲线成果图

(1)确定分部测区承载水位。以两岸居民房屋基础高程融合20150720洪水沿线洪水位分布，利用投影法对各分部测区淹没情况进行分析。对各调查测区的两岸居民淹没影响沿河道方向洪水进行分析，其中大营子和大城子测区的成灾流量依次为1560、1470m3/s，成灾水位分别为61.20、45.70m。中心城区具有一定的防洪抵御能力，虽然两岸房屋基础高程在保护区内低于水位但并不一定成灾；而在防洪保护区域范围以外的成灾水位以上部分的居住地还是易涝成灾，所以应选择地段的人口布局作为中心城区成灾流量和水位，分别为1780m3/s、53.6m，各测区的水位-流量与水位-人口曲线关系如图3所示。

(2)确定综合成灾水位。对各分部测区预警断面与代表断面的水位落差利用相应的成灾水位进行计算分析，在不同预警断面下确定各分部成灾水位。通过以上分析，各分部测区预警断面和代表断面之间的计算距离为ΔL代表-水文，其中水面比降在中心城区为8‰，然后对相应的预警断面下成灾水位Z灾，水文根据各测区成灾水位进行计算，结果见表2。各集中居住群的承载流量根据水位流量关系和各测区成灾水位推求为1550～1850m3/s范围，综合成灾水位、流量按照短板效应原则确定为53.6m、1700m3/s。

表2 大城子站村落成灾水位分析结果

2.4 影响分析

采用周边既有方法和属地洪水确定设计洪水，参考站选择为下游义县水文站并作为面积比拟法计算依据，根据当地水文手册确定经验公式，为提高计算结果的可靠性综合结果选择为多方法均值，见表3。对比表3计算成果和成灾流量1700m3/s，确定该河段现状防御能力未达到5a一遇标准。

表3 不同重现期大城子站设计洪水成果 单位：m3/s

3 预警指标

3.1 雨量预警阈值

基于成灾流量1700m3/s，对不同时段雨量预警利用辽宁省洪水设计办法和新安江模型进行试算反推。在假定洪水暴雨同频率的基础上，对特征时段雨量预警依据各测区成灾流量重现期进行确定，见表4。值得注意的是，前置产流计算为运用反推法成果的重要条件，并且满足流域汇流时间要低于其预警时段，本文中为6h。

3.2 特征水位

在大城子水文站下游5760m处防汛减灾部门设立水位人工观测水质，其中警戒水位为48.00m，对应于水文站点的流量为980m3/s，相应的水位为52.50m。从断面上分析警戒水位偏低且未达到滩地，由于大凌河属于典型的山区型河流具有暴涨暴落特征，根据20150720洪水最大涨幅1.36m/s推算，仅需要80min即可达到成灾水位。由于大凌河和辽河有交汇连接点，因此综合考虑辽河流域水位高程和水面高程差，参考辽河水位线调整，最终确定大城子水文站的保证水位、警戒水位分别为56.2、55.0m。

表4 雨量预警阈值计算结果

4 结论

本文以大凌河大城子水文站为例，依据山洪灾害分析方法与调查评价技术路线开展沿河居住群高程布置和洪水研究，通过建立预警对象人口布局和预警源的关联评价了水文站的洪水防御能力。然后基于成灾流量确定了特征时段临界雨量预警阈值和水文站点特征水位，从而有效解决了中小河流水文站无预警关联和无历史参考的问题，完成了水文要素影响效应和水文数值之间的有效转变，可为其他相似流域水文站点预警指标体系的建设提供一定的技术路线。

本研究综合考虑了大城子水文站典型河段的实际防洪能力，提出河段现状防御能力未达到5a一遇标准。由于大凌河和辽河有交汇连接点，因此综合考虑辽河流域水位高程和水面高程差，参考辽河水位线调整，最终确定水文站的保证水位、警戒水位分别为56.2、55.0m。流域致灾临界雨量阈值为6h面平均雨量120mm或1h流域平均净雨强度75mm/h，本文研究成果可作为大城子水文站防汛减灾工作部署的参考依据。