小凌河锦州市城区段防汛特征水位确定

2022-02-16杨雪峰

吉林水利 2022年1期

杨雪峰

（辽宁江海水利工程有限公司）

0 引言

防汛特征水位是识别洪水量级的重要指标，代表着水利工程能承受的洪水特征值，是防汛预警预报、指挥调度决策的重要参考依据[1]。作为应用最为广泛的特征参数，对预示水利工程设施危害程度以及防汛力量的布置具有重要的参考价值，是防汛指挥工作的重要指标。防汛特征水位一般分为三级:一级为设防水位，二级为警戒水位，三级为保证水位(又称最高水位或危险水位)[2]。特征水位级别越高，对应防汛状态越紧急，一级为防汛准备级别，二级为防汛警戒级别，三级为防汛紧急状态。一般河流通常只制定警戒水位和保证水位，用以指导河流汛期洪水预警及防汛决策[3-4]。

小凌河是辽宁省大型河流之一，流经辽宁省西部中心城市锦州市城区，且途经2条铁路线路。其防洪安全保障工作关系着城区的民生安全和经济发展。此次研究以小凌河锦州市城区段为研究对象，分析该河段警戒水位和保证水位，为锦州市城区的防汛指挥调度工作提供参考依据，以期为锦州市城区段避险预留更长时间。

1 研究区概况

1.1 防洪工程现状

小凌河锦州市城区段为锦凌水库坝下至百股河口段，长度17km，为丘陵与平原过渡地带，河段顺直，河床比降较小，两岸已形成防洪体系。小凌河锦州市城区段上游建有锦凌水库，河道两岸均建有土堤，左岸防洪标准为100年一遇，右岸防洪标准为50年一遇。

1.2 暴雨洪水特性

小凌河锦州城区段洪水主要由锦凌水库放流及区间主要支流女儿河汇流形成。小凌河锦州市城区段建有锦州水文站，女儿河中游建有乌金塘水库和乌金塘水文站。

一次洪水过程一般为3天，最长可以达到5天，一次降水即形成一次洪峰，所以流量过程线多为单峰型，但如遇连续两次或两次以上降水，也可以形成双峰[5]。小凌河洪水相对集中，大洪水较一般洪水的洪量更集中。

2 研究方法

防汛特征水位是在河道现状行洪能力分析的基础上通过推求水位流量关系确定的。行洪能力的分析主要包括两点，其一为计算现状防洪工程最大泄流能力，并根据计算结果分析泄量对应防洪标准；其二为选取河段内代表性较强的控制断面，计算不同量级洪水条件下的水位，绘制控制断面的水位流量关系曲线。

在本次分析中，依据小凌河锦州市城区段实测地形资料和防洪保护对象，综合确定特征水位控制断面。通过经验频率分析法分析计算各控制断面设计洪水，再采用能量方程法推求出各控制断面水位流量关系，分析其现状防洪能力。最终根据各控制断面实际过流能力及水位流量关系，结合断面形态确定该河段的防汛特征水位。

3 小凌河锦州市城区段防汛特征水位确定

3.1 控制断面确定

根据流域防洪工程情况和洪水特性，选取锦州水文站、女儿河口2个控制断面作为代表断面。锦州水文站、女儿河口控制断面位置见图1所示。

图1 控制断面位置示意图

3.2 现状行洪能力分析

现状行洪能力分析包括设计洪峰流量计算和控制断面水位流量关系计算两部分。

3.2.1 设计洪峰流量计算小凌河锦州市城区段建有锦州水文站，记录有1954年至2018年实测流量资料，结合历史洪水调查考证资料，采用经验频率分析法计算锦州水文站设计洪水。女儿河口设计洪峰流量计算采用锦州水文站的面积比推求。

因院区的面积所限，该院不允许设计大型的花园，但设计者也竭尽所能为患者创造一个温馨舒适的就医环境。例如，设计者在院区的空余地方以及病房的阳台里都设置花槽，让这些花槽点缀在院区周围，打破医院沉闷单调的室内氛围，增添了几分写意与活力，同时亦可勾起患者与医护人员赏花玩花的点点情趣。

计算公式如下：

式中：m为xm在n项水文资料中按递减顺序排列的序号；n为水文资料年限；Pm为第m项xm的频率。

本次频率分析所采用的洪峰值按照年最大值选样，即：从锦州站实测洪水资料中逐年选取一个最大流量；

通过统一样本法，将实测洪峰系列与历史洪水系列共同组成一个不连续的系列，作为代表总体的一个样本，不连续系列各项可在历史调查期内统一排位[6]，对该样本系列进行排频计算，获得锦州站设计洪峰流量的值。其中理论频率曲线选用PⅢ曲线，Cs（偏态系数）和Cv（变差系数）倍比取2.5。

考虑到锦凌水库建成后，处于锦凌水库、乌金塘水库洪水调节共同作用下，所以按照设计洪水地区组成，组合各控制地点的洪峰流量，选各方案中的最大组合流量作为采用值，计算结果见表1。

表1 锦凌水库建成后不同控制地点各频率组合洪峰流量成果表

根据表1可知，锦州水文站断面100年和50年一遇洪峰流量均为6 000m3/s；女儿河口断面100年一遇洪峰流量为10 121m3/s，50年一遇洪峰流量为9 347m3/s。

3.2.2 推求各断面水位流量关系

在防汛工作中通过控制断面水位流量关系曲线图将实时水位数据转换为流量数据，可作为防汛指挥调度的重要参考依据。

根据各控制断面设计洪峰流量计算成果，采用实测各断面数据，计算不同防洪标准设计洪峰流量对应的水位。采用天然河道恒定非均匀流[7]计算公式推求，即采用能量方程通过修改断面参数推求各断面现状情况下的水位[8]，并通过各断面水位流量关系曲线查得各断面实际行洪能力。

能量方程的基本形式为：

式中：Z1，Z2为上下游断面的河底高程（m）；Y1，Y2为上下游断面的水深（m）；V1，V2为上下游断面的水流平均流速（m/s）；he为能量水头损失（m）；α1，α2为修正系数；L为上下游断面之间的河道长度（m）；Sf为上下游断面的摩擦比降；C为河道的扩散或收缩损失系数；g为重力加速度（m/s2）。

（2）水位流量关系曲线的绘制

根据各控制断面的多次实测流量和同时水位的资料来校准计算各断面水位，以水位为纵坐标，流量为横坐标，绘制各控制断面水位流量关系曲线图。

锦州水文站水位流量关系见图2，女儿河口水位流量关系见图3。

图2 锦州水文站观测点水位流量关系图

图3 女儿河口下观测点水位流量关系图

根据锦州水文站水位流量关系曲线可知，当锦州水文站洪峰流量达到6 000m3/s时，对应水位为23.83m。根据女儿河口断面水位流量关系可知，当女儿河口洪峰流量达到9 347m3/s时，对应水位为20.26m，当洪水流量达到10 121m3/s时，对应水位为21.21m。

3.2.3 行洪能力分析

根据实测地形资料，推算现状各控制断面最大过流能力，分析各控制断面现状行洪能力。各控制断面现状最大过流能力见表2。

表2 控制断面行洪能力基本情况表

根据各断面现状行洪能力计算成果可知，锦州水文站断面均可达到100年一遇和50年一遇标准两种频率的设计流量6 000m3/s，两岸均满足设计防洪标准；女儿河口断面左岸现状行洪能力为9 640m3/s，略低于100年一遇设计流量10 121m3/s，右岸现状行洪能力为9 347m3/s，满足50年一遇设计防洪标准。

由此可知，锦凌水库坝下至女儿河口段现状两岸堤防均可满足设计防洪标准。女儿河口至百股河口段左岸虽建有堤防，但堤防堤顶高程减去安全超高后的保证水位低于设计水位，不满足设计100年一遇防洪标准的要求，为防汛薄弱河段，汛期需重点防护；右岸现状为自然高地，满足设计50年一遇防洪标准。