江河堤防现状防洪能力评价方法研讨

姜 辛，吴明官

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

1 概 述

1.1 文件要求

黑龙江省人民政府防汛抗旱指挥部办公室以黑汛办[2018]20号文下发了《关于开展三江干流及七大城市现状防洪能力复核工作的通知》，通知中指出：为了深入贯彻落实全国国土绿化、森林防火和防汛抗旱工作电视电话会议精神，切实做好防汛准备工作，确保我省安全度汛，经领导同意，拟对黑龙江、松花江、嫩江和哈尔滨、齐齐哈尔、牡丹江、佳木斯、大庆、伊春、黑河等7座城市开展现状防洪能力复核工作，并于2018年汛前完成预案编制工作。

1.2 防洪能力评价指标

一般江河的防洪能力由堤防防洪能力、河道泄洪能力和蓄滞洪区的分洪、滞洪、蓄洪能力等组成，本次只研究其中的堤防防洪能力。河道泄洪能力，通过河道整治，可保护堤防安全、扩大河道泄洪能力，具体而言，河道泄洪能力可通过河道疏浚拓宽、清障等工程措施后的宣泄能力来进行评价。

堤防防洪能力是沿江河最基本的工程措施防洪能力，目前常规情况下，可通过以下4个指标来进行评价：①防洪堤坝长度比例(堤坝长度占河流总长度的比例)，反映堤防的普及率；②堤防达标率，反映堤防质量；③堤防保护人口比例(堤防保护人口占当地总人口的比例)，反映堤防对人的保护能力；④堤防保护耕地面积比例(堤防保护耕地面积占当地总耕地面积的比例)，反映堤防对耕地的保护能力。

另外，本次紧密结合黑龙江省每年的江河防汛工作实际情况，特提出了防汛特征水位相应的上等、中等、下等三级评价指标，即统计上等堤、中等堤、下等堤的长度，分别占堤防总长度比例。

1.3 问题的提出

2018年6月，黑龙江省水利水电勘测设计研究院编写的《松花江干流现状防洪能力复核报告》等三大江和七大城市2018年度现状防洪能力复核成果中发现，大家普遍缺乏对防汛部门常用的防汛特征水位的了解和评价。因此，本次紧密结合黑龙江省防汛抢险工作的实际情况，首次提出防汛特征水位法评价江河现状防洪能力的具体方法。

对江河而言，一般有设计洪水位、保证水位、警戒水位、正常水位、农业用水限制水位、城镇及工业用水限制水位等特征水位，故设计洪水位、保证水位、警戒水位等统称为防汛特征水位；正常水位、农业用水限制水位(又称：灌溉警戒水位和城乡供水保证水位)、城镇及工业用水限制水位(又称：城乡供水警戒水位)等统称为抗旱特征水位。

2 设防水位

设防水位是指汛期河道堤防已经开始进入防汛阶段的水位，即江河洪水漫滩以后，堤防开始临水，需要防汛人员巡查防守。此时，堤防管理单位由日常的管理工作进入防汛阶段，开始组织人员进行巡堤查险，并对汛前准备工作进行检查落实。设防水位是由防汛部门根据历史资料和堤防的实际情况确定的警戒水位和保证水位。

3 警戒水位

警戒水位是防汛部门规定的江河堤防需要处于防守戒备状态的水位。到达该水位时，防汛部门要加强戒备，密切注意水情、工情、险情发展变化，在防守堤段或区域内增加巡逻查险次数，开始日夜巡逻，由有关领导组织部分防汛队伍上堤，做好可能出现更高水位的防洪抢险人力、物力的准备工作。

警戒水位是防汛部门根据长期防汛抢险的规律、保护区重要性、河道洪水特性及防洪工程变化等因素，经分析研究并上报核定。当水位继续上涨达到某一水位，防洪堤可能出现险情，此时防汛护堤人员应加强巡视，严加防守,随时准备投入抢险,这一水位即定为警戒水位。

游荡型河道，由于河势摆动，在警戒水位以下也可能发生塌岸等较大险情。大江大河堤防保护区的警戒水位，多取定在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、抢险备料等工作，跨堤涵闸停止使用。该水位主要是防洪部门根据长期防汛实践经验和堤防等工程出险基本规律分析确定的。

4 保证水位

保证水位高于警戒水位，但低于堤防设计洪水位(又称：最高安全水位)。它是防洪工程所能保证安全运行的水位，或者说，它是防汛部门根据江河堤防情况规定上限水位。当时，防汛部门要保证堤防的安全，使工程在渡汛方案及防洪调度上处于安全防御地位。

保证水位的拟定是根据河流曾经出现的最高水位及堤防所能防御的设计洪水位为依据，考察上下游关系，干支流关系、左右岸关系以及保护区的重要性，进行综合分析、合理拟定，并经上级主管部门批准。

当江河水位超过保证水位，防汛部门将依据《防洪法》动员全社全力量抗洪抢险，加高加固堤防，使河道处于强迫行洪状态。或者根据对上游水势和本地防洪工程承受能力的分析，在必要时，防汛部门按照事先制订的预案，采取向蓄滞洪区有计划分洪、滞洪、蓄洪，清除河障、限制沿河泵站排涝等非常措施，目的是牺牲局部，确保全局安全，减少更大的洪灾损失，争取防汛工作的主动权。

保证水位：按照防洪堤防设计标准,应保证在此水位时堤防不溃决。保证水位是制定保护对象渡汛方案的重要依据，也是体现防洪标准的具体指标。保证水位主要依据工程条件和保护区国民经济情况、洪水特性等因素分析拟定，报上级主管部门核定并下达。在多沙河流，防汛保证水位可以随河道泥沙演变规律和工程情况的变化而改变。

5 松干防汛特征水位

为了便于介绍本方法，下面先介绍1998年8月黑龙江省防汛办报汛成果与2011年4月由黑龙江省防汛抗旱指挥部办公室和黑龙江省水文局编制的《黑龙江省江河防汛特征水位修订报告(送审稿)》特征水位比较成果，详见后面的比较表即可。

6 防洪堤特征水位

根据要评价的堤防位置，在某河流的防汛特征水位表中，先确定相应的警戒水位和保证水位的范围。如：通河县西部涝区防洪堤位于松花江左岸，木兰县木兰镇至通河县通河镇控制断面之间，警戒水位为108.86-103.80m，保证水位为110.22-104.00m。

然后再依据现状防洪堤的详细位置、基本资料等实际情况，选择合适的计算方法，并推求每堤段的特征水位。

6.1 方法1

当相邻两个控制断面的距离较近时，可以采用方法1，否则误差较大。

H=H0+△H，△H=J×L，J=(H2-H1)/△L

(1)

式中：H为堤防某位置的防汛特征水位，m；H0为某河流防汛特征水位表中起始控制断面的特征水位，m；△H为起始控制断面至堤防某位置的水位差，m；L为起始控制断面至堤防某位置的长度，m；J为特征水位的水面比降；H2、H1为某河流防汛特征水位表中上、下控制断面的特征水位，m，△L为某河流防汛特征水位表中上、下控制断面间的长度，m。

6.2 方法2

当要评价的防洪堤位于某河段水面线计算断面附近或相邻两个计算断面之间时，可以采用已知计算断面的水位流量关系曲线，插补该防洪堤的特征水位即可。具体的方法是在某河流的防汛特征水位表中，先确定两个控制断面后，根据已知的特征水位和水位流量关系曲线，查得特征水位相应的流量，并取其两个控制断面流量的平均值作为本防洪堤特征水位相应的流量，再由该流量查得相邻两个计算断面的水位后，采用方法1求得堤防某位置的防汛特征水位。

6.3 方法3

当相邻两个控制断面的距离较远时，可以采用常用的天然河道水面线计算方法，即方法3。具体的计算方法为先根据警戒水位、保证水位等防汛特征水位，在起始断面的水位流量关系曲线上，查得相应的流量后，再依据该流量和计算断面资料，采用稳定非均匀流公式，通过试算法推求相应流量的水面线，可推求现状防洪堤的防汛特征水位。

天然河道水面线计算中，常用简化公式法和迭代试算法。

1)简化公式法

ΔZ=Q2×L/K2

(2)

式中：ΔZ为上、下断面的水位差，m；L为河段长，m；Q为计算河段的流量，m3/s；K为河段平均流量模数。

2)迭代试算法

Z(k+1)=aZ(k)+(1-a)ZZ(k)，a(0，1)

(3)

式中：Z为假定水位，m，ZZ为计算水位，m；a为迭代系数；k为迭代次数。

总之，河段内的沿程流速及上下断面变化较大时，已不满足简化公式的基本假定，所以常出现“死循环”的现象。遇到这种情况时，一般采用如下几种处理方法。

1)在计算河段内加密适当的横断面，使得加密后的河段内，近似满足简化公式的基本假定。

2)改变迭代系数a，改善收敛进程。

3)放宽允许误差范围。

4)上下游各流量级水位协调法。

在此基础上，考虑流速水头和局部水头损失，并且采用黄金分割(优选)法，可以解决“死循环”的难题。

6.4 方法4

当河流上无实测大横断面测量资料(如：国境界河黑龙江等)时，无法采用方法2和方法3推求现状防洪堤的特征水位。因此，针对这种情况，特提出如下的计算方法。该方法的前提条件是河流沿岸必须具备实测洪痕测量成果，否则无法采用方法4。具体的计算公式为：

H=H0+△H，△H=K×L，K=(△H2-△H1)/△L

(4)

式中：H为堤防某位置的防汛特征水位，m；H0为现状防洪堤位置的实测洪痕高程，m；△H为特征水位和实测洪痕高程的水位差，m；L为起始控制断面至堤防某位置的长度，m；K为特征水位与实测洪痕高程差的斜率，△H2、△H1为上、下控制断面特征水位与实测洪痕高程的差，m；△L为某河流防汛特征水位表中上、下控制断面间的长度，m。

6.5 优缺点分析

1)方法1：主要优点是简单易用，工作效率高，节省时间；主要缺点是两个控制断面的距离较远时，计算精度较差。

2)方法2：主要优点是已有不同设计频率的天然河道水面线成果，即各计算断面均有水位流量关系曲线时，采用方法1推求防汛特征水位的计算精度较高，而且计算方法较简单；主要缺点是水位流量关系曲线外延部分的计算精度无法保证。

3)方法3：主要优点是计算成果精度高，理论基础牢固，方法可靠；主要缺点是工作效率低，计算工作量大。

4)方法4：主要优点是无河流大横断面测量资料时，采用方法2和方法3无法解决的问题，采用方法4就可以解决；主要缺点是无实测洪痕测量资料时，无法完成推求防汛特征水位的任务。

上述的计算方法各有其优缺点，因此，不能简单地用某一个实例来判断，哪一个方法好，而是在实际的工作中应取长补短，优势互补为好。

7 现状防洪堤重现期估算

当现状防洪堤的特征水位Hx，在已有不同防洪标准成果的范围内，即H1< Hx

Tx=(T2-T1)(Hx-H1)/(H2-H1)+T1

(5)

Tx=T1(Hx/H1)m，m=ln(T2/T1)/ln(H2/H1)

(6)

式中：H1、H2分别表示相邻两个防洪标准对应的特征水位，m；T1、T2为分别表示相邻两个防洪标准对应的重现期，a；m为重现期T与特征水位H关系曲线的指数；Hx、Tx分别表示现状堤防的堤顶高程、现状水面线、警戒水位、保证水位等特征水位及相应的重现期。

公式1的主要优点是现状堤防的堤顶高程、现状水面线、警戒水位、保证水位等特征水位H与重现期T接近于线性关系时，计算精度较高，主要缺点是H与T属于非线性关系时，计算精度不如公式2成果。

公式2的主要优点是特征水位H与T属于非线性关系时，计算精度较高，而且Hx超出H1和H2范围(HH2)时，采用公式2估算Tx，计算精度稍差，但仍保证一定的允许精度。主要缺点是H与T属于直线关系时，计算精度不如公式1成果。

公式1和公式2各有其优缺点，因此，不能简单地用某一个实例来判断，哪一个公式优，而是在实际的工作中应取长补短，优势互补为佳，并作为互相检验成果的有效方法。

8 现状防洪能力评价

在江河现状防洪能力复核成果的基础上，先进行防洪能力评价工作，然后针对现状防洪工程存在的问题，再根据当年的防汛特点和具体要求(详见黑汛办[2018]20号文)，提出应对不同洪水情况下的防洪抢险预案。

8.1 设计与现状水面线比较

比较设计与现状水面线目的主要是在设计洪峰流量的情况下，要确定现状水位的重现期或频率，当现状已达到设计的前提条件(如：河道内清障等完工后)时，现状的水面线就是设计水面线成果，即现状与设计的重现期相同。

8.2 现状与警戒水位比较

比较现状水位与警戒水位的目的主要是在设计洪峰流量的情况下，要确定现状水位与警戒水位差值是否有足够的安全裕度等。

8.3 现状与保证水位比较

比较现状水位与保证水位的目的主要是在设计洪峰流量的情况下，要确定现状水位与保证水位差值是否有安全裕度等。

我国幅员辽阔，不同地区矿产资源的成分不同，水泥的生产工艺不尽相同，生产的水泥品种也不同；同一强度等级的水泥，熟料的矿物组成也可能存在较大差异。这些差异导致在实际应用中经常会出现混凝土外加剂与水泥不相容的问题。在混凝土配比相同的情况下，相同掺量、相同品种的混凝土外加剂常常会由于水泥品种不同，其应用效果的差异较大。同种混凝土外加剂在某种水泥中的应用效果较好，而在其他种类水泥中的应用效果可能会较差，甚至出现相反的效果，导致质量事故。

8.4 现状堤顶高程与防汛特征水位比较

主要确定现状堤顶高程与警戒水位、保证水位的高程差，并分析是否符合该堤段的超高值等，而且根据警戒水位、保证水位等防汛特征水位，判定现状防洪堤的安全程度等。

8.5 穿堤建筑物

防洪堤上的穿堤建筑物主要有排水闸、灌溉站、排水泵站、城镇供水工程等，每一座穿堤建筑物可能成为该堤段的险工弱段，因此，重点要排查穿堤建筑物，是否正常运行等。

8.6 常规防洪能力评价

目前，常规的堤防现状防洪能力评价指标有防洪堤坝长度比例、堤防达标率、堤防保护人口比例和保护耕地面积比例，按这4个常规评价指标，进行评价江河现状防洪能力。

8.7 综合评价

根据上述的分析结论，综合判定江河防洪堤的现状防洪能力。另外，本次建议增加防汛特征水位相应的统计上等堤、中等堤、下等堤长度，分别占堤防总长度比例需要重点补充。

9 分析与讨论

目前，在江河现状防洪能力评价工作中常用的评价指标有：①防洪堤坝长度比例——简称：堤防普及率；②堤防达标率；③堤防保护人口比例——简称：人口保护率；④堤防保护耕地面积比例——简称：耕地保护率等。文章在此基础上，首次提出了防汛特征水位评价指标，故进行如下的分析与讨论。

9.1 堤防普及率

新中国成立后，迄今为止近70a来，大江大河的治理成果显著，在这种情况下，不同河流的堤防普及率高低，难于确定江河现状防洪能力的高低或好与差。如：黑龙江省境内的黑龙江、松花江、嫩江(简称：三大江)，单纯的堤防普及率而言，嫩江最高、松花江次之、黑龙江最低，而三大江现状防洪能力来看，嫩江不一定最高，黑龙江不一定最低。这个实例说明，常用的堤防普及率，对于防汛工作者而言，实用性较差，只作为统计成果。

9.2 堤防达标率

实际上，常规评价指标的堤防达标率与上等堤比重的关系非常密切，即堤防达标率越高，上等堤所占比重越大；反之，堤防达标率越低，中等堤和下等堤所占比重越大，上等堤所占比重越小。达标堤与上等堤的具体关系——达标堤一定是上等堤，而上等堤不一定是达标堤，两个堤为不可互逆的关系(达标堤→上等堤)，原因是上等堤虽然高程上达标，但堤防质量上不一定达标。因此，堤防达标率是非常重要的评价指标，而防汛特征水位(上等堤、中等堤、下等堤)三级评价指标为堤防达标率最好的验证及补充，不仅可以作为重要的统计成果，更重要的是在实际的防汛工作中将起到提前防洪抢险的重要依据。

9.3 人口保护率

防洪堤保护区内的人口保护率计算，关键是如何确定当地的总人口，这个总人口对于人口保护率影响较大，应该引起足够的重视。一般情况下，总人口指每段堤防所属的行政村屯、乡镇等范围内的部分人口，往往出现统计范围过大或偏小等不确定情况，这时候更应该特别注意。

9.4 耕地保护率

防洪堤保护区内的耕地保护率计算，关键是如何确定当地的总耕地面积，这个总耕地面积对于耕地保护率影响较大，也应该引起足够的重视。一般情况下，总耕地面积指每段堤防所属的行政村屯、乡镇等范围内的部分耕地面积，往往出现统计范围过大或偏小等不确定情况，这时候更应该特别注意。

9.5 防汛特征水位评价指标

在实际的防汛工作中，往往需要事先知道所有防洪堤段的特征水位及防洪能力评价数据，而现有成果来看，满足不了这种需求，因此，根据某河流的防汛特征水位表等已有成果，为了在防洪抢险的实际工作中争取主动权，需要补充所有防洪堤段的特征水位。推求现有防洪堤防汛特征水位的主要目的就是根据每段防洪堤的特征水位，准确判别现状防洪堤中的一般、重点、全力防洪抢险的对象，并列出详细的统计表。

具体的判别方法：现状堤防顶高程减去超高后水位Hx，若Hx高于保证水位，则该防洪堤可列为一般防洪抢险对象；若Hx高于警戒水位，Hx又低于保证水位，则该防洪堤可列为重点防洪抢险对象；若Hx低于警戒水位，则该防洪堤可列为全力(指可调动的人力、财力、物力)防洪抢险对象。

通过上述的评价过程，把整个现有防洪堤，可以归类为一般、重点、全力防洪抢险的3种情况，即把河流的现状防洪能力划分为上(一般防洪)、中(重点防洪)、下(全力防洪)三级，其中：三大江和七大城市的防洪堤现状大多数属于一般情况，即现状防洪能力为上等，故当遭遇常遇洪水(约20a一遇)时，就可以大大地缩小防汛工作范围，减轻防洪压力，节省盲目全线投入防洪抢险的三力(人财物)，这样就可以集中力量对重点(中等堤)和全力(下等堤)防洪抢险的防洪堤，采取工程措施，尽量把洪灾损失降到最低程度。

总之，在江河现状防洪能力的评价结论中，应该分别统计上等堤、中等堤、下等堤长度，各占总长度的比例等有关指标，并列出详细的统计表，以此作为编制防洪抢险预案的基础。

10 结 语

经过多年防汛实践中体会到，实际的江河防汛工作进入每年(6—9月)汛期后，当遭遇较大洪水时，防汛人员分堤段专人负责，这时候位于局部堤段的防汛人员，并不清楚省防汛办报汛中提供的某控制断面洪水位高于警戒水位，或高于保证水位多少等重要特征水位，对本防洪堤的实际意义和作用。这是由于迄今为止历年编制的所有《江河现状防洪能力评价报告》中，无法查到大多数堤防的警戒水位、保证水位等防汛特征水位的缘故。

为了在全省江河防汛工作中争取主动权，于2011年4月，黑龙江省防汛抗旱指挥部办公室和黑龙江省水文局编制了《黑龙江省江河防汛特征水位修订报告(送审稿)》，该修订报告中只提供了少数控制断面的警戒水位和保证水位，而大多数堤防的防汛特征水位仍然无法查到。

因此，从全省江河防汛工作的实际情况出发，在该修订报告成果的基础上，首先急需提供全省大江大河和重点城市所有防洪堤的防汛特征水位，主要目的是当遭遇较大洪水时，以便提前开展防洪抢险工作；当遭遇特大洪水等稀遇洪水时，从全局角度统筹安排，即集中力量防洪抢险重点堤防，放弃非重点堤防等，给江河防汛抢险工作提供可靠依据。然后陆续逐年分期分批补充全省其它重要河流和县城防洪堤的防汛特征水位及现状防洪能力评价成果。松花江干流防汛特征水位成果比较表，见表6。

为了修改、补充和完善由黑龙江省水利水电勘测设计研究院编写的《松花江干流现状防洪能力复核报告》等三大江和七大城市2018年度现状防洪能力复核成果，并推广应用本评价方法。

表1 松花江干流防汛特征水位成果比较表

续表1 松花江干流防汛特征水位成果比较表