辽河干流典型水文站点水情 预警指标确定方法及等级划分标准研究

胡晓松

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000)

水情部门肩负的重要职责是及时、准确、高效地发布水情预警信息。水情预警信息的发布具有重要的社会和防洪减灾意义，一是可不同程度的减少洪涝灾害对社会经济产生的影响[1]，二是可以提高水情部门对社会公众方面的服务支撑能力，三是可以对水情业务部门社会服务支撑能力进行有效扩展，可为不同主管部门提供及时、准确的水情决策依据，总体提升水情业务部门的服务水平，提高水情业务人员的水平[2]。发布水情预警信息既是水情部门对外服务能力的体现，也是对水情部门自身技术力量的考验[3]。近些年来，国内许多学者对于河道水情预警指标进行了研究，并取得一定的研究成果[4- 11]。但对于辽宁地区研究还较少，尤其是在辽河流域还未开展相关研究工作，为此本文基于国家防总《水情预警发布管理办法(试行)》的相关规定[12- 14]，提出适合于辽宁省洪水特点的预警站点选择原则及预警指标确定方法、要素，研究成果对于辽宁省乃至北方地区河流水情预警方案确定具有重要的借鉴意义。

1 水情预警方法

1.1 水情预警站点选择原则

(1)代表性

应选择能够反映主要江河重点防汛保护对象洪水特征的水文站作为预警站点。

(2)区域性

由于气象条件及地理特征等因素的影响，辽宁省东、中、西部地区水文条件存在差异，水情预警站点的布设应能充分反映各区域水旱特性。

(3)资料完整性

同等条件下，应选择观测时间长、历史资料完整的水文站作为预警站点。

1.2 水情预警指标确定方法及等级划分标准

1.2.1确定原则

(1)应遵照国家防总《水情预警发布管理办法(试行)》规定及相关地方性标准、条例。

(2)应充分结合预警站点实际特征，特别是站点附近防汛相关工程、建筑等情况。

(3)为保证预警指标的合理、有效，河流最后一个预警站点的预警指标应适当考虑下游的防汛、预警需求；当下游增设预警站点时，再做调整。

(4)预警发布时限为每年汛期(6月1日至9月20日)，重点为每年的主汛期。

1.2.2确定方法及等级划分标准

确定蓝、黄、橙、红四个预警等级，各预警等级的划分标准见表1，其中等级划分标准中只要满足其中一个条件即可。

表1 不同等级水情预警划分标准

2 实例分析

2.1 辽河流域概况

辽河是辽宁省第一大河，为全国七大江河之一，主要流经东北三省以及河北省，在辽宁的盘山县汇入渤海。流域总集水面积为21.89万km2，河道总长度达到1390km，流域河系较为发达，其弯道系数在1.49～1.55之间，河道总体比降变幅较大，在0.35‰～0.21‰之间。辽河干流两侧流经辽宁省境内的流域面积大于5000km2的支流有老哈河、西辽河、东辽河、清河、柳河、绕阳河。

2.2 站点选择

根据水情预警站点选站原则，并结合辽宁省防汛区域划分等具体情况，确定洪水预警站点，见表2。

表2 辽河水情预警站点

2.3 辽河预警站点河道现状行洪能力分析

各站点堤防的特征水位(流量)见表3。结合MIKE11河流模型对河道现状行洪能力进行分析，结果见表4。

表3 辽河干流控制预警站特征水位(流量)

表4 各预警站点河道现状行洪能力分析结果

2.4 辽河预警站点预警指标及等级确定

2.4.1福德店水文站

福德店水文站位于铁岭市昌图县长发乡王子村，为辽河上游控制站。断面上游800m左右为东、西辽河汇合处，集水面积为106925km2，距入海口542km。

(1)设计洪水分析

设计洪水成果是其预警指标确定的关键所在，结合多项设计成果对福德店水文站洪水频率进行综合分析，结果见表5。

表5 福德店站洪水频率分析结果

注：n表示样本个数；Cv表示为变异系数；Cs表示为偏态系数；P表示为频率。

对福德店水文站设计洪水进行了多次分析，资料采用修建东辽河二龙山水库和西辽河红山水库后的未做水库还原的实测系列。在编制《辽河干流福德店～清河口河段防洪工程初步设计报告》时，洪水资料为1962—1986年；在1999年编制《辽干福德店～石佛寺防洪工程可研报告》时，洪水资料为1962—1996年；在进行辽河流域防洪体系评价时，资料延长到2002年；在2013年编制《辽河流域(辽宁省)重要控制站特征水位研究报告》时，资料系列延长至2009年。其中福德店站1962—1971年的洪峰系列由通江口相关插补。综合分析认为，《辽河干流福德店～清河口河段防洪工程初步设计报告》采用的1962—1986年成果合理，经比较，采用1962—1986年系列成果。

(2)预警指标确定

结合前面介绍的各等级预警指标的确定方法，综合确定福德店水文站预警指标，结果见表6。

国家防总《水情预警发布管理办法(试行)》推荐采用接近警戒流量的流量作为洪水蓝色预警指标。由《辽宁省2014年防御洪水方案》可知，福德店水文站警戒流量为140m3/s。考虑到站点警戒流量较低，故直接采用警戒流量140m3/s作为福德店水文站洪水蓝色预警指标。根据辽宁省铁岭水文局观测资料，当福德店水文站流量在500m3/s左右时，左岸水面到达堤脚。据此，初步拟定福德店水文站洪水黄色预警指标为500m3/s。根据预警指标确定方法，取重现期达到或超过20年一遇的洪峰流量作为洪水橙色预警指标。根据福德店水文站设计洪水成果，初步拟定福德店水文站洪水橙色预警指标为1500m3/s，该流量下，下游通江口站流量低于保证流量。按照水情预警指标确定原则可选历史最大流量或50年一遇洪峰流量作为洪水红色预警指标。考虑到辽河石佛寺水库以上河段堤防标准较低(30年一遇)，初步拟定以福德店水文站保证流量2050m3/s为洪水红色预警指标。

表6 福德店水文站洪水预警指标方案

2.4.2铁岭水文站

铁岭水文站于1933年11月设立，位于铁岭县镇西堡镇李家屯村，集水面积为120764km2。

(1)设计洪水分析

为保证预警指标的合理性，结合多项设计成果对铁岭水文站洪水频率进行综合分析，并对其组合设计洪水进行综合分析，结果见表7—8。

在编制《辽河流域防洪规划》时，设计洪水均采用《石佛寺水库可行性研究报告》的成果。经分析，为了保持设计洪水成果的一致性，铁岭站设计洪水仍采用《石佛寺水库可行性研究报告》的成果。此外，考虑铁岭水文站以上洪水为两部分，即支流水库和各水库至铁岭站区间，选用1953年作为典型年进行同频率分析。

(2)预警指标确定

结合前面介绍的各等级预警指标的确定方法，综合确定铁岭水文站预警指标，结果见表9。

考虑为石佛寺水库调度提供预警，初步拟定铁岭水文站洪水蓝色预警指标为1000m3/s，该流量小于铁岭水文站警戒流量。选取警戒流量为黄色预警指标。由《辽宁省2014年防御洪水方案》可知，铁岭站警戒流量为2790m3/s，为此确定辽河铁岭水文站黄色预警指标为2790m3/s。选取重现期达到或超过20年一遇的洪峰流量作为洪水橙色预警指标。依据铁岭水文站设计洪水成果，因此确定洪水橙色预警指标为4000m3/s，其对应水位为60.9～61.2m。当铁岭水位不超过60.93m(20年一遇)时，保证辽河干流堤防安全，可见以4000m3/s作为洪水橙色预警指标是合理的。选取历史最大流量或50年一遇洪峰流量作为红色预警指标，但考虑到辽河石佛寺水库以上辽河干流堤防标准较低，综合确定铁岭水文站保证流量6780m3/s为洪水红色预警指标。

表7 铁岭水文站洪水频率分析结果

注：N表示为样本总数；其它同上。

表8 铁岭水文站组合洪水分析结果

表9 铁岭水文站洪水预警指标方案

2.4.3马虎山水文站

(1)设计洪水分析

依据石佛寺水库出库洪水推求马虎山水文站设计流量，结果见表10。

表10 马虎山水文站设计洪水成果

(2)预警指标确定

结合前面介绍的各等级预警指标的确定方法，综合确定马虎山水文站预警指标，结果见表11。

据马虎山水文站近年观测资料可知，测站附近辽河左岸漫滩流量约为1000m3/s，据此确定马虎山水文站洪水蓝色预警指标为1000m3/s，低于警戒流量1610m3/s。采用警戒流量为洪水黄色预警指标阈值，即洪水黄色预警指标为1610m3/s。以20年一遇洪峰流量作为洪水橙色预警指标。依据马虎山站设计洪水成果，同时考虑下游河段防汛需求，确定马虎山水文站洪水橙色预警指标为4000m3/s。可取历史最大流量或50年一遇洪峰流量作为洪水红色预警指标，但考虑到马虎山堤防标准较高，故以保证流量作为红色预警指标，确定马虎山水文站洪水红色预警指标为5500m3/s。

表11 马虎山水文站洪水预警指标方案

表12 盘山水文站洪水预警指标方案

表13 各站点预警指标历史出现次数统计结果

2.4.4盘山水文站

受大闸调节、海水顶托影响，盘山站附近河段水文、水力特征十分复杂。相较流量，水位是盘山站附近河段防洪工作的主要影响因素。因此以水位作为盘山站水情预警的指标，结果见表12。

以接近警戒水位的水位为盘山水文站洪水蓝色预警指标，确定盘山水文站蓝色预警指标为3～4m。选取警戒水位为盘山水文站洪水黄色预警指标，确定盘山水文站黄色预警指标为5.5m。选取保证水位为盘山水文站洪水橙色预警指标，但考虑到辽河盘山段堤防标准较高，综合各方面因素，确定盘山水文站洪水橙色预警指标为6.0～7.0m。选取历史最高水位或重现期50年一遇水位为洪水红色预警指标，但考虑到辽河盘山段堤防标准较高，故以堤防保证流量作为洪水红色预警标准，确定盘山水文站红色预警指标为8.49m。

3 各站点预警指标合理性分析

为保证水情预警指标阈值的科学、合理，依据1975—2018年各站点水文站实测洪水过程，对不同等级的水情预警指标阈值进行合理性分析。各站点预警指标历史出现次数统计结果见表13。

从表13可看出，各站点发生蓝色和黄色预警次数较多，通过对各站点历史数据进行分析，说明水情预警指标合理性较好，且从其上下游来看，除盘山水文站受潮水顶托，水力条件较为复杂外，其他各站点的水情预警指标均具有较好的上下游一致性。由于辽河流域总体防洪标准较高，且干流上受石佛寺等几座大型水库的调蓄作用影响，其发生红色预警的次数相对较少，这也是较为合理的。通过对各站点进行历史考证分析，采用本文提出的预警指标进行的橙色预警也较为合理。

4 结论

(1)水情预警指标确定关键在于如何选取不同频率下的洪水特征值，在实际分析中建议采用工程设计审核过的设计特征值作为主要依据。

(2)感潮河道站点受潮水顶托影响，不同于其他类型河道，水力特征复杂，其水情预警指标建议以水位变幅为主，不能以流量作为预警指标。

(3)受河道冲淤变化影响，只能以水位变幅作为预警指标，很难以单一水位值作为其不同等级的预警指标，在以后的研究中还应重点解决该问题。