韩家营水文站防洪与测洪能力分析

卢 峰

(河北省承德水文水资源勘测局,河北 承德 067000)

水文站是水文部门的基层单位,肩负着水文信息采集和传输的重要职责。水文站一方面承担测洪的任务,及时、准确地收集洪水信息,同时本身的测洪设施、设备和人员安全又直接受到洪水的威胁,因此,水文站的基础设施建设必须同时考虑其本身的测洪标准、防洪标准和测洪能力。在水文站的运行管理中,应通过测站洪水特性分析、测站基础设施和技术装备调查,对水文站测洪、防洪能力作出现状评价,在此基础上,提出水文站应急测洪的可行方案,以保证在关键时刻及时测报水情信息,为各级防汛部门提供决策依据。

1 流域及测站概况

伊逊河是滦河水系一级较大支流,发源于围场县哈里哈老岭山南麓。流经围场县、隆化县,在隆化县隆化镇西山嘴村与蚁蚂吐河汇合后南下入滦平县,至承德市双塔山镇韩家营水文站基下 1000 m处汇入滦河。伊逊河支流比较发育,河网较密,其流域总长度(包括各支流)为815 km,河网密度 0.12 km/km2,流域形状系数为0.149,河长 217.4 km,河道纵坡 6.8‰,流域平均宽度 31.2 km[1]。韩家营水文站始建于1970年,为滦河水系伊逊河控制站,集水面积 6784 km2。测站上游 120 km处有 1座大(Ⅰ )型水库—— 庙宫水库,控制面积 2400 km2,总库容 1.83亿 m3,可灌溉面积 0.32万 hm2。工程建设的主要任务是保护下游四县二区的防洪安全,保护沙通铁路、承围公路,以及保证水库下游的农业灌溉等。韩家营水文站为山区控制站,测流断面为窄深河道,河床为沙质,洪水的主要特性为暴涨暴落、涨落率大、历时短、水中漂浮物多、含沙量较大。洪水期水位流量关系受洪水涨落的影响,为绳套曲线[2]。实测最高水位 7.49 m,相应流量 2120 m3/s。最大含沙量为334kg/m3。水文站的基本情况见表 1。

表1 韩家营水文站基本情况

该站中高洪水主要采用缆道施测流量,根据该站的实际,缆道测流采用一点法,15～17条垂线,流速信号传输形式为无线传输。该站的测洪能力设计为P=2%(50年一遇)。水深测量工具以铅鱼为主,流速测定使用旋桨式和旋杯式流速仪。低水测验工作由人工涉水测流。该站水位流量关系曲线见图1,该站测流断面的大断面图见图 2。报汛要求为常年报汛站,每年6月到 9月为汛期,采用 24 h报雨量自动报汛,每年1月到 5月、10月到 12月日雨量起报标准为1 mm。洪水期水位与流量有变化时应随时测报,以掌握完整的变化过程。

2 水文站防洪能力评价

2.1 水文站洪峰流量频率计算

经过对本站洪峰流量资料分析,选取1953～2010年共 58年实测洪峰流量作为洪水频率计算的样本,采用 P-Ⅲ型曲线进行频率计算,经配线拟合,最后选取Cv=0.62,CS/Cv=2.5,推求频率为1%,2%,3%,5%和10%的洪峰流量,并利用水位流量关系线内插出相应水位,计算成果见表2。

该水文站为国家重要站,由规范查得防洪和测洪标准:测洪标准为P=2%(50年一遇),洪峰流量为3400 m3/s,相应水位为9.11 m;防洪标准为P=1%(100年一遇),洪峰流量为3860 m3/s,相应水位为9.60 m。

表2 韩家营水文站洪峰流量频率计算成果

2.2 水文站基础设施防洪能力

2.2.1 水文站房测洪标准

韩家营水文站有办公用房 1栋,浮标操作室 1座,地面高程为9.0 m。根据水位流量过程线内插洪峰流量为3314 m3/s,经频率曲线查得防洪标准为43年一遇,当发生 50年一遇洪水时,已被冲毁,防洪标准偏低,不能满足要求。

2.2.2 测流电动缆道防洪能力

缆道两岸支柱高度为25.0 m,跨度 330 m。缆道操作房位于浮标操作室二楼,地面高程为12.5 m,有半自动电控操作台。加载 175kg后主索的最低高程为12.0 m。流速仪行车架高度为0.8 m,铅鱼不能动长度为1.0 m,测流时悬挂流速仪的最小活动空间为3.0 m,流速、水深信号为无线传输[3]。经分析,测流缆道设施的最低高程 H=12.0-0.8-1.0-0.3=9.90 m,缆道测流断面与基本水尺断面重合,当发生 P=1%(100年一遇)洪水时,最高洪水位为9.60 m,测速采用 0.2H或 0.6H的一点法时,自由活动空间较小,遇有大的漂浮物时无法测流。当流速较大,超过 3.08 m/s时,可更换铅鱼,选取 150kg或 100kg的铅鱼以提高缆道的设施高程。

2.2.3 水位观测设施防洪能力

水位观测采用直立式水尺。每日8时观测 1次。水位缓慢变化时应于20时或 16时加测 1次,洪水期、冰凌期和特殊情况影响水位变化时应随时增加测次,以测得完整的变化过程。基本水尺断面有 5支水尺 P1,P2,P3,P4,P5,并兼作比降观测下断面。比降观测断面有两支水尺 Su1和Su2。P1与 P2水尺只能观测 5年一遇以下的小洪水水位,P2与 P3水尺可观测 5到 10年一遇的中洪水水位,P3与 P4水尺可观测 10到 20年一遇的大洪水水位,P4与 P5水尺可观测 50年至 100年一遇的超标洪水水位;比降观测断面的两支水尺 Su1和Su2,从观读范围上看可满足防洪标准和测洪能力要求。

3 测洪方案分析

3.1 正常测流方案分析

在正常情况下,使用缆道常测法(15～17条垂线)测流。水文站现有 5名职工,3人负责缆道测流;1人负责报汛、收集上游各雨量站的降雨量、天气情况以及各水库的泄流溢洪情况;另 1人负责观测上下比降水尺水位。由于韩家营水文站洪水暴涨暴落,历时短,水中漂浮物多,含沙量较大,对于中低水可采用缆道测流。当水位小于7.0 m时,应实测水深,测速时用 0.6H一点法,按照测验规范进行测流就可满足要求;当水位高于7.0 m时,杂物较多,容易缠绕铅鱼,拉断主索,此时不再实测水深,而采用借用断面水深,测速时采用水面或 0.2H的一点法,结合每次洪后绘制的水位面积关系图,(见图 3),查出水深与面积。由水位流量关系线和面积关系线可查流速,当发生 50年一遇洪水时,面积为2196 m2,相应平均流速为1.55 m/s,当发生 100年一遇洪水时,面积为2413 m2,相应平均流速为1.60 m/s,可报出相应洪峰流量。

图3 韩家营水文站水位面积关系图

3.2 应急测流方案分析

当遇特大洪水,缆道设备冲毁时,在基本水尺断面处用天然中泓浮标法施测流量。如水尺冲毁时,应及时刻划洪痕以测得完整的水位变化过程。当雨量自测报系统故障时,雨量观测的应急措施是采用人工雨量器观测降水量;如遇特大暴雨无法进行正常观测时,应尽可能及时进行暴雨调查,调查估算值应记入降水量观测记载簿的备注栏,并加文字说明。降水量的观测要严格执行规范要求,并满足雨水情发报要求,每一小时发报一次。当测流设备冲毁时,流量测验的方法及应急措施是用天然浮标法测流速,用汛前大断面面积曲线查算面积,流量的计算采用断面面积×中泓平均流速×0.65。如果超出曲线范围则按趋势延长面积曲线,读出相应水位的面积并计算出大水时的水面宽。用天然浮标测流时,实测 3～5个浮标,选用 2～3个浮标的流速计算平均流速。含沙量测验采用水边一线一点法取单样。如上游出现决堤,则需要加测决口流量等特殊情况,人力不足时,可临时雇用工人或向上级部门请求支援。在确保人身安全情况下采用天然浮标法实测洪峰流量并及时发报水情信息。

4 结语

韩家营水文站是国家基本水文测站,是设在伊逊河上收集流域内各种水文要素,进行长期连续观测的测站。通过对测站的测洪设施、设备进行测洪能力分析,提出了适合本站的测洪方案,保证关键时刻进行测验并报出雨水情信息,为各级防汛部门提供决策依据。

[1]赵玉然,岳树堂,刘克岩.水文要素过程程序化处理方法探讨与实践[J].河北工程技术高等专科学校学报,2009,(2):4-5.

[2]杨诚芳.水文站网概论 [M].北京:中国水利水电出版社,2005:10-15.

[3]SL 443-2009,水文缆道测验规范 [S].

[4]何俊仕,焦姣.沈阳市雨洪资源综合利用研究 [J].南水北调与水利科技,2008,(3):57-59.