淮河三河尖水位站特征水位分析研究

刘冠华，张晨晨，万新宇

(1.河南省水文水资源局，郑州 450003；2.河海大学水文水资源学院，南京 210098)

0 引 言

特征水位是科学、正确、高效地组织和指挥汛情发布、防汛抗洪工作的重要依据。在汛期，江河洪水上涨到水位站警戒水位时，堤防区险情逐渐增多，防汛部门随之进入防洪警备时期。河南省淮河流域重要水文(位)站已制定有特征水位，但随着水情工情的变化，有些站的特征水位已不再适用，亟须对其进行复核。

目前，科学准确的确定特征水位尚未有一套统一的制定规范，但不少学者已就江河特征水位的拟定方法进行过一系列研究。姜涛等[1]以肇源水文站为例，对其新旧断面水位对比分析，论证了断面位置迁移对防汛特征水位的影响，但未考虑临近水位站的影响；朱振华等[2]从历史洪水资料中筛选出不同频率年最高水位，考虑到水产养殖，生态修复等经济效益，确定了蔷薇河的警戒水位、保证水位，但未对蔷薇河历年水位过程线进行分析；刘和昌等[3]基于Copula函数建立洪水水位涨率与洪水损失的条件概率分布函数，提出考虑洪水损失的江河警戒水位拟定方法，但未对上游圩区影响情况做出论述；王林波[4]分别用大断面综合分析法、洪水频率计算法和堤防调查法对韩家杖子水文站防汛特征水位进行论证，提供了一种全新的思路，但仅适用于同类水位站问题，有一定的局限性；胡余忠等[5]对中小河流站点进行研究，基于预警河段的历史洪水信息及沿河居住群高程确定水文站点的特征水位，可供同类站点预警指标体系建设提供参考。

本文在前人研究成果的基础上，梳理了影响警戒水位、保证水位的因素，明确了特征水位的确定原则，综合采用水力学法、水位过程线对比分析、最高水位年频次分析等方法对三河尖站特征水位进行复核。

1 三河尖站现状

三河尖站位于河南信阳固始县三槐村，淮河、史灌河(泉河先进入史灌河)交汇处，三河尖以上淮河长417 km，其位置图见图1。2018年2月河南省水利勘测有限公司对三河尖夹河套进行了地形及河道大断面测量，见图2。

近年来多次出现上游王家坝(距本站40 km)、下游润河集(距本站30 km)均不超警，但三河尖超警的现象，并且超警历时长，次数多。经调查，在淮河19项治理工程完工后，王家坝、润河集警戒水位均上调了1 m，但三河尖特征水位未作改动，见表1。

表1 王家坝三河尖现有防洪特征值 m

2 特征水位复核

2.1 确定原则

2.1.1 警戒水位

警戒水位的确定应当考虑河段普遍漫滩和重要堤段临水并达到一定高度，结合工程现状，堤防工程历史出险情况等因素综合研究确定；对有防洪任务而无堤防的河段，可根据河岸险工情况，以洪水上滩或需要转移群众、财产时的水位确定。

2.1.2 保证水位

堤防的高度、宽度、坡度及堤身、堤基质量已经达到规划设计标准的河段，设计水位即为保证水位；堤顶高程不足的河段，按现状堤顶高程扣除超高值后的水位定为保证水位；堤顶宽度不足，先确定现状堤身达到设计顶宽处的高程，在此基础上再扣除超高值即为保证水位；保证水位拟定要兼顾上下游的关系，分河段设置。

2.2 分析计算

综合采用河道洪水演进及洪水频率分析理论进行分析，以上游王家坝水文站的警戒水位(流量)、保证水位(流量)为基准，按照历史洪水上下游站对应关系进行推算，通过水面线分析、水力学法、水位过程线对比、历年最高水位频次计算等方法进行计算，同时结合实测地形及两岸堤防工程、村庄等情况进行综合分析。特征水位复核分析路线图见图3。

2.2.1 上下游水面线分析

选择2000年以来实测11场洪水，利用公式(1)计算两站水面平均比降，最后计算综合平均比降，见表2，由王家坝特征水位推算三河尖特征水位。

(1)

式中：Y1、Y2分别为上、下游水位，m；L为上、下游的水平距离，m；S为上、下游的水面比降。

王家坝至三河尖河道洪水综合平均比降为5.9×10-5，王家坝警戒水位27.50 m，保证水位29.30 m，计算出三河尖相应警戒水位25.14 m，保证水位28.20 m。

2.2.2 水力学分析

根据实测三河尖大断面资料，采用曼宁公式(2)计算三河尖相应的水位-流量关系。

表2 王家坝三河尖水面比降Tab.2 Water surface drop of Wangjiaba and Sanhejian

(2)

式中：v为水流流速，m/s；n为糙率；R为水力半径，m；S为水面比降。

根据三河尖多年资料分析，主河道糙率采用0.03，水面比降采用表2计算值5.9×10-5，计算结果见表3。由于王家坝与三河尖相距40 km，区间无大的支流汇入，王家坝流量到三河尖略有削减，但相差不大，利用王家坝特征流量反查三河尖特征水位。

王家坝警戒流量3 200 m3/s，保证流量7 400 m3/s，由表3反查三河尖相应警戒水位25.50 m、保证水位27.50 m。

表3 三河尖水位流量计算成果表Tab.3 Calculation results of Sanhejian water level discharge

2.2.3 水位过程线对比分析

点绘王家坝、三河尖水位过程线，见图4，统计三河尖超过不同水位历时与王家坝超警、超保历时，统计结果见表4，按照洪水演进规律，王家坝、三河尖超警历时应相差不大。

从图4和表4中可以看出：三河尖超25.50 m的历时与王家坝超警历时接近，超过24.00 m的历时则大很多；三河尖超27.90 m的历时与王家坝超保历时接近，超过26.50 m的历时则大很多。根据超警(保)历时分析确定三河尖相应警戒水位25.50 m、保证水位27.90 m。

2.2.4 最高水位年频次分析

分别统计王家坝、三河尖历年最高水位，确定其序位或重现期，通过频率计算方法估计最高水位的频率，按照上下游相关性分析，王家坝、三河尖超警、超保频率应基本一致。

表4 王家坝、三河尖超警超保时间对比表 h

统计三河尖站1950年至2017年(1960-1963年缺)共64 a最高水位；统计王家坝站1952年至2017年共66 a最高水位，用公式(3)分别计算各水位频率。

(3)

式中：n为序数；N为最大重现期；P为重现频率。

三河尖超过25.50 m共有39 a，出现频率61%，与王家坝超警频率59%基本一致，三河尖超警(24.00 m)共有50 a，出现频率78%，远高于王家坝。

三河尖超过27.90 m的共有13 a，出现频率20%，接近于王家坝超保频率12%，三河尖超保(26.50 m)共30 a，出现频率47%，远高于王家坝。

按照频率一致性分析三河尖相应警戒水位25.50 m，保证水位27.9 m。

2.2.5 综合评定

三河尖特征水位分析成果见表5，综合考虑堤防超高、特征水位设置原则及上下游防汛抗洪抢险的联动性等因素，三河尖水位站警戒水位可调整为25.50 m，保证水位可调整为27.50 m。

表5 三河尖特征水位综合分析成果表 m

3 影响分析

3.1 淹没情况分析

采用三河尖夹河套地形测量数据，计算各级水位下淹没面积。三河尖水位24.00 m时，进夹河套道路将被淹没，无法通行；水位到25.50 m时，夹河套除少部分庄台及高地外，普遍被淹，淹没面积10.5 km2；水位到27.50 m时，淹没面积变化不大。

3.2 上游圩区影响分析

三河尖特征水位提高有可能影响到上游的蚌山圩区和汤王圩区(2005年建成)，蚌山圩区位于史灌河泉河汇合口区间，汤王圩区在史灌河左岸。河南水利勘测设计研究有限公司在“临淮岗洪水控制工程河南省淹没影响区处理工程”中计算过三河尖与上游圩区设计水位，见表6。

表6 三河尖与上游圩区设计水位表 m

在三河尖保证水位调整至27.50 m时，上游两个圩区堤防仍有足够的安全超高。

4 结 论

本文从水文学、水力学、统计学多方面对三河尖特征水位进行了分析，得出以下结论：

(1)三河尖断面右岸堤脚高程24.00 m，原警戒水位24.00 m符合警戒水位的确定原则。

(2)三河尖原特征水位偏低，可适当调整。综合考虑淮河左岸、史灌河右岸堤防超高、洪水频率、淹没面积及上下游防汛抗洪抢险的联动性等因素，三河尖警戒水位可以调整至25.50 m，保证水位可以调整至27.50 m。

(3)特征水位的调整对三河尖夹河套影响不大，对上游圩区堤防影响不大。

综上所述，建议三河尖站警戒水位从24.00～25.50 m之间选定，保证水位可以调整为27.50 m。

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