酉水河茅坪镇水位站预警水位确定分析

武永辉，夏群超，巨阿迷

（汉中水文水资源勘测中心，陕西 汉中 723000）

1 测站概况

酉水河茅坪镇水位站断面，是酉水河上游的控制断面。水位站位于洋县茅坪镇茅坪村，茅坪镇控制断面以上流域面积544 km2，河长47.5 km，平均比降23.8‰。

茅坪镇水位站于2012 年6 月建成，主要收集酉水河基本水文信息，担负着向洋县城区和下游乡镇提供水情信息的任务。测验项目包括水位、雨量。测验方式为有人看管无人值守。从5 月1 日至11 月1 日按照24 段24 次拍发水位报文和日、旬、月降雨量报文。

2 茅坪镇水位站预警水位确定方法

该站采用《汉中水文手册》，按照无实测资料地区设计洪水推求方法，计算不同频率的洪峰流量,再根据设计洪峰流量依据河道水位流量关系曲线，查得设计洪水水位，同时综合考虑河道下游防护对象及河堤防洪标准情况，综合确定预警水位。本站采用三种方法，分别是：经验公式法、推理公式法、水文比拟法。

3 测验河段断面概况

茅坪镇水位站断面测验河段顺直，两岸均为自然河岸，沙卵石河床，中低水时中泓集中，断面冲淤变化不大，比较稳定。

基本断面上下游200 m 无阻水建筑物，测验河段长400 m，河宽约80 m，观测水位的基本水尺断面（亦即水位站断面）位于测验河段的中部。

3.1 水位站基本断面情况

茅坪镇水位站基本断面基本情况见图1。

图1 酉水河茅坪镇水位站大断面图

3.2 断面水位流量关系

水位站采用曼宁公式法计算过水断面水位流量关系，即根据实测的断面资料计算；水面比降采用实测河段比降7.6‰；河床糙率按测验河段特征，对照糙率表确定n=0.038。经计算，茅坪镇水位站水位流量关系见表1。

表1 酉水河茅坪镇水位站断面水位流量关系表

4 防护对象及水利工程现状

4.1 防护对象

茅坪镇水位站位于洋县茅坪镇附近，上距茅坪镇约800 m。茅坪镇临酉水河，在镇上建设有防洪工程，保护镇上居民防洪安全，防洪洪水标准10 a 一遇。水位站下游没有较大集镇，沿河河谷开阔阶地处有居民居住，居住分散。茅坪镇水位站所在酉水河两岸均为自然形成的土质岸坎，右岸为x209 公路。

4.2 水利工程

茅坪镇水位站上游有两个低坝电站，一个水库，卡房水库距水位站约15 km，卡房水库总库容2992 万m3，控制流域面积310 km2，占酉水河全流域面积的32.2%。该水库于2007 年12月建成。在茅坪镇水位站下游有宋家堰、酉水街、荞麦山电站，均为低坝引水式电站。

茅坪镇水位站以下35 km 处酉水河干流上为酉水街水文站。

5 预警水位（流量）确定

5.1 不同频率设计洪水推求

（1）经验公式法

式中：QP为频率为P 的洪峰流量，m3/s；CP、n 为频率为P 的经验参数、指数。

根据经验公式法计算不同重现期的设计洪水，计算成果见表2。

表2 茅坪镇水位站不同重现期洪水流量成果统计表

（2）推理公式法

茅坪镇水位站根据《汉中水文手册》查得1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 的平均雨量及CV值和皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数KP值，在不同频率下CS的3.5 倍的KP值，见表3。

表3 推理公式应用参数统计表

茅坪镇水位站河段以上流域面积为544 km2，故本河段设计洪水采用瞬时单位线法推求。

瞬时单位线基本公式：

式中：u（o,t）为瞬时单位线的纵坐标；Γ（n）为n 的伽马函数；n为相当于线性水库的个数或调节次数；k 为水库型线性蓄泄方程的汇流历时。

瞬时单位线法汇流计算需要确定的参数为n、k，通常设m1=nk，m2=1/n。

①m1 的确定：

参数m1 为“滞时”，主要与流域特征和雨强（特别是造峰雨的强度）有关，计算公式为：

式中：F 为流域面积，km2；J 为流域内汇流河槽的平均比降，‰；m1i=10为造峰雨强度为10 mm/h 时的“滞时”，反映流域特征对汇流的影响；Lg（F）为F 的以10 为底的对数；b 为非线性关系的幂指数；i 为造峰雨的平均雨强，mm/h。

造峰雨强度按下式计算：

式中：htp为tp时段内的最大净雨量，mm；i 为造峰雨的平均强度，mm/h；tp为造峰雨历时，h。

根据《汉中水文手册》，造峰雨强度不能大于临界雨强。临界雨强按照公式：

计算。如果i≤Ik，则直接用i 计算m1，否则取i=Ik计算m1。

②m2 的确定

m2 为反映瞬时单位线形态的参数，计算公式为：

当计算出的m2 大于1 时，取m2=1。

③参数n、k 的确定

参数n、k 通过m1、m2 计算。

根据计算得出的n 和k 值，用瞬时单位线基本公式可以直接计算出汇流曲线，也可以按照n 和（t/k）查s（t）曲线表，得到累计汇流曲线s（t），用累计汇流曲线s（t）错时段相减，则可得出时段单位线。

即：u（Δt，t）=s（t）-s（t-Δt）

式中：u（Δt，t）为时段无因次单位线；Δt 为为时段单位线时段长，由于小流域汇流时间短，故计算时段Δt 采用1 h；t 为时间。

将u（Δt，t）转换为以时段长为Δt、净雨量为10 mm 的时段且有量纲的单位线，计为q（Δt，t）。计算公式为：

式中：q（Δt，t）为有因次时段单位线的纵高，m3/s。

以各时段的净雨分别乘以单位线的纵高，并错时段相加，既得设计洪水过程，n、k 计算参数确定见表4。

表4 不同频率的瞬时单位线n、k 参数统计表

用瞬时单位线法推求的设计断面不同频率设计洪峰流量成果见表5。

表5 不同频率设计洪峰流量成果表 单位：m3/s

（3）水文比拟法

茅坪镇水位站与下游酉水街水文站流域自然地理，洪水特性相似，产流区相同，区间流域面积367 km2。

1）参证站基本概况

酉水水文站1958 年8 月设立，隶属陕西省水文水资源勘测局，为省级重要水文站，位于陕西省洋县酉水镇八庙村，该站基本断面以上集水面积911 km2，水文测验项目有水位、流量、泥沙、降雨等。

2）水文比拟法推求不同频率洪峰流量

设计流域内或产汇流条件较为相似的同一水文分区流域内有水文站实测洪水资料的，面积差不超过20%时，可将水文站作为参证站，根据参证站设计洪水计算成果，应用面积比拟法推求设计流域的设计洪水。水文比拟法计算公式：

式中：Q设p为设计控制断面设计流量，m3/s；Q参p为参证站设计流量，m3/s；F设为设计控制断面以上流域面积，km2；F参为参证站以上流域面积，km2；n 为指数，取2/3。

根据酉水水文站不同频率洪峰流量，运用水文比拟法计算茅坪镇水位站的同频流量，计算成果见表6。

表6 茅坪镇水位站水文比拟法不同频率洪峰流量成果表

5.2 设计流量成果采用

本次采用地区经验公式法、推理公式法及水文比拟法推求的洪水流量对照统计见表7。

表7 茅坪镇水位站不同频率洪峰流量成果对比表

从表7 可以看出，经验公式法、推理公式法与水文比拟法计算值有一定的差别。经验公式法与水文比拟法计算值差别不是很大，鉴于经验公式法及水文比拟法计算设计流量均超出《汉中水文手册》适应范围，但是，本计算断面与酉水街水文站同属酉水河干流，尽管区间流域面积较大，但是产汇流特征具有较好的相关性，因此水位站控制断面成果采用水文比拟法计算成果。

5.3 确定预警水位

根据《陕西省新建水文、水位站防汛指标确定编制大纲》第3.2.3 条，按照重现期2 a～5 a 一遇洪峰流量来确定预警水位，依据预警流量确定预警水位。即茅坪镇水位站2 a 一遇洪水流量为352 m3/s，5 a 一遇洪水流量为669 m3/s，依据防护对象和预警水位编制大纲，水位站预警流量取值400 m3/s，根据该站率定的水位流量关系线上查得该流量的水位为670.27 m，茅坪镇水位站预警水位确定为670.30 m（预警流量为400 m3/s）。

6 预警水位合理性分析

茅坪镇水位站河道两岸均为自然河坎，两岸高程比较，左岸比右岸低，本次用左岸河坎高程与初步确定的预警水位对比，进行合理性分析。茅坪镇水位站控制断面左岸河坎高程674.16 m，与本次初步确定的预警水位670.30 m 的差值为3.86 m，河道右岸是安全的。

与茅坪镇水位站下游约35 km 处的酉水街水文站警戒流量为500 m3/s 比较，茅坪水位站的预警流量采用400 m3/s 较为适宜。

从2013 年建站以来至2019 年，最大洪峰流量为882 m3/s（2013 年7 月22 日），在此期间超过预警流量的洪水有3 次，频次达42.9%。

因此，当出现670.30 m 洪水水位后，对下游下黄庄、宋家堰电站、酉水街电站等区域能够起到警示和防汛预警的作用。本次初步确定的水位站预警水位较为合理。

7 结论

本文通过对中小河流新建茅坪镇水位站的基本情况进行分析，率定该站的水位流量关系，采用相应的方法，对该站的预警水位进行分析确定。当出现相应水位的洪水过程，可以对下游相关区域能够起到警示和防汛预警的作用。结果可为水文部门的预警预报工作提供有效的科学依据，也为该地区防汛工作提供了相应的数据支撑。