北方河流河道特征水位确定方法探讨

董 军

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 110006)

1 河道特征水位的定义及其确定的意义

水利部办公厅《关于开展江河防汛特征水位研究的通知》(办函 ［2003］33号)和松辽委《关于开展江河防汛特征水位研究、复核河道行洪能力和堤防状况的通知》(松辽汛办函 ［2003］3号)明确提出江河防汛特征水位只设警戒水位和保证水位两级。

(1)警戒水位含义。警戒水位是河流湖泊主要堤防险情可能逐渐增多的水位。大江大河警戒水位多取洪水普遍漫滩或重要堤段开始漫滩偎堤的水位，此时河段或区域开始进入防汛戒备状态，有关部门进一步落实防守岗位、抢险备料工作，跨堤涵闸停止使用。因此，警戒水位可定义为江河堤防普遍临水、堤防可能发生险情，需要动员社会力量进行防守的起始水位。

(2)保证水位含义。保证水位是汛期堤防及其附属工程能保证安全运行的上限水位。当河道水位接近或达到保证水位时，紧急防汛抢险工作状态，有关部门有责任保证堤防等有关工程的安全。因此，保证水位定义为保证堤防工程安全运行的上限水位。

根据防洪工程的实际情况和两岸保护区的重要程度，准确合理地确定河流河段特征水位非常重要，特征水位定得过低，则预警频繁、防汛队伍疲于奔命，造成巨大浪费却“有警无险”;特征水位定得过高，则容易使防汛抢险措手不及，造成防汛形势被动。

2 北方河流河道特征水位的确定难点

北方平原区河流普遍具有滩地宽广、上滩洪水发生频率低且汛期河流泥沙含量高等特点，随着社会经济的发展，滩地利用率增加，滩地上纵横交错的套堤在保护滩地农田的同时也给滩地形态带来了巨大的变化，低频率上滩洪水将挟带的泥沙淤积在套堤与主槽之间的滩地上致使滩唇逐渐抬高，套堤之内受套堤保护，仅在特大洪水情况下略有淤积，临堤附近受筑堤取土 (通常均为临堤取土)影响高程较滩地平均滩面更低，甚至偶有连续深沟较滩面低1m以上的，因此滩地由滩唇至堤脚形成较大横比降。

滩地横比降及套堤的存在对于河道保证水位影响不大，仅在套堤破堤瞬间水流横向流速较大，对于堤防的安全构成一定威胁，可根据实际情况适当降低保证水位以确保安全。滩地横比降及套堤的存在对于河道警戒水位影响非常大。按照警戒水位定义，取堤防临水水位 (一般为堤防堤脚高程)为警戒水位在此则显然不太适当，因为主河道水位在达到堤脚高程时尚未出槽，不可能威胁堤防安全，而堤防临水的前提则是洪水出槽横向流动至堤防堤脚处，此时水位已远高于堤脚高程。

3 辽河河道特征水位确定方法

2010年7月下旬及整个8月，辽河流域各河先后发生了约10年一遇的洪水，形成一定的险情，因此辽宁省在2011年汛前组织开展了包括辽河在内的很多河流防洪能力分析和特征水位确定工作。下面结合辽河两岸保护区特点及辽河堤防现状，以及辽河现有的水文站和河道资料情况，简单说明辽河确定警戒水位的方法和原则。

3.1 第一步:复核2010年洪水

2010年辽河发生了近年较大的洪水，几乎所有河段洪水均上滩，由于距今时间较短，资料也较为完整，因此采用2010年洪水进行验证。利用2010年汛后实测河道大横断和2010年汛期辽河上各水文站实测洪水过程线，以及最新河道平面图等资料建立数学模型，采用mike11水力计算软件，重新复核2010年汛期洪水，通过调试模型中各参数使得各水文站计算洪水过程与实测过程尽量接近，得出一套与辽河天然条件较为接近的数学模型。

3.2 第二步:计算设计频率条件下河道洪水过程

将设计频率条件下河流各控制点洪水过程线代入以上数学模型中，计算河流各断面设计条件下洪水过程，并提取各断面水位流量关系曲线。

3.3 第三步:确定各大断面滩唇高程

利用最新实测河道大横断面资料结合横断面图，经分析认定河道主槽边界和左右滩唇点，参考河道平面图与上下游附近滩唇点情况选取断面最终滩唇点高程。需要说明的是，弯道在辽河断面中所占比例较大，经观察，辽河中弯道断面凹岸一侧滩唇与上下游河道滩唇更为接近，因此通常采用凹岸侧滩唇而不是凸岸一侧滩唇高程作为断面滩唇高程。

3.4 第四步:查算各断面主槽实际过流能力

利用断面滩唇点高程反查断面水位流量关系曲线，得到各断面平滩流量。

3.5 第五步:河段划分

特征水位确定的现实意义在于通过观测点观测到的水位情况反映一个河段的洪水情况，因此合理地划分河段非常重要。河段划分过大，特征水位代表性不强，容易形成险情;河段划分过小，则设立的观测点过密，不利于观测和整体决策，对人力和资金投入也是一种考验。辽河特征水位观测河段确立采用以主槽过流能力相差不大为主要控制原则，如无较大支流汇入河段不应分得过短，以免给运行和管理造成不便，但通常一个河段长度不宜超过30km。

3.6 第六步:确定河段2010年汛后断面情况下警戒流量

辽河主河道断面形态随一场洪水的发生往往变化较大，尤其是主槽的淤积或下切变化较为明显，因此同一平滩水位下平滩流量并不是固定不变的，在描述一个断面平滩流量时说明断面测量时间是十分必要的。由于本次数据分析的基础是2010年汛后实测断面，因此断面警戒流量也是2010年汛后断面情况下的。需要说明的是，虽然警戒流量往往会因测量断面年份不同而有所不同，但警戒流量对应的警戒水位也就是滩唇点高程却通常可以多年保持不变，这也是采用特征水位而不是特征流量指导防洪的另一个重要原因。

在河段划分完成后，同一河段内警戒流量即平滩流量均不会有太大的差别，这样确定一个代表流量即河段警戒流量就容易得多，代表性也强得多。根据辽河滩唇与堤防关系、套堤分布特点等，经反复比较认为采用高于大部分断面的警戒流量作为河段警戒流量是较为合适的，从防洪运用上也是较为安全的。

3.7 第七步:观测点的选择

用河段特征水位指导防洪防汛工作，离不开具体的特征水位观测点 (或水文、水位站)，因此选择合适的观测点是将计算特征水位成果付诸实际的关键一步。特征水位观测点设置一般应遵循以下几点原则:

(1)特征水位观测点原则上为每个警戒水位分段至少设置一处，考虑管理方便、设备设置及观测管理人员日常费用等投入问题，每个警戒水位分段设置一处观测点。

(2)为了提高防汛管理效率，重要堤段所处县区应至少有一处观测点，以便更为准确及时地管理辖区内防汛准备工作。

(3)尽量利用现有水文及水位站等有观测基础设施。观测点应选择在交通较为便利、观测条件较好的河段。

(4)观测点应选择在河岸顺直、稳定，不易冲淤、主流不易改道和水位代表性好的位置;并应避开回水和受水工建筑物影响的地方。

(5)观测点所代表河段不宜过长，因为河段过长洪峰沿程衰减幅度会增大，观测点代表性不强。

3.8 第八步:特征水位的确定

根据已确定的河段警戒流量和观测点所在断面的水位流量关系线查找河段警戒流量对应的警戒水位。

保证水位确定通常是在警戒水位确定之后进行的，方法基本为根据河段内各断面堤防堤顶高程扣除堤顶超高所得各断面保证水位，利用各断面水位流量关系图反查得各断面保证流量，取河段内各断面保证流量最小值为本河段保证流量，然后将这一流量代入观测点水位流量关系图中查得对应的保证水位即为本河段的保证水位。

经以上八个步骤并绘制必要的图表和说明 (或报告)，则一个河段的特征水位就确定完成了。如此反复，则一条河的特征水位就确定了。

4 结语

以辽河为代表的北方河流较南方河流尤其是长江以南河流的季节性更强，汛期洪水上滩时间一般均较短，非汛期基本不上滩，因此大中型平原区河流滩地上多有套堤用以保护农田和村庄;加之北方大部分地区植被覆盖率较南方低，因此河流含沙量也普遍较大，上滩洪水淤积滩唇现象也较为普遍，河道特性与辽河均有很多相似之处，因此辽河特征水位确定方法在北方多数河流中有一定的借鉴和参考意义。

(1)警戒水位采用滩唇高程或滩地平均高程通常情况下比采用临水侧堤脚高程更加合理，可操作性也更强一些。

(2)模型计算中采用非恒定流和洪水过程线进行复核计算确定出的特征水位和相应洪峰流量更能贴近天然情况，在具体应用中也具有更强的现实意义。

(3)防汛特征水位中警戒水位与河道滩地地形变化及滩槽关系有关，一场洪水过后就可能出现变化，因此警戒水位应在每年汛前进行调整。