基于多因子联合的辽河干流警戒水位确定方法

王春宇

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

国内对洪水预警的研究一致从未间断，大部分研究通过确定河道的行洪能力，给出流量或者水位预警值。早期研究主要是针对局部河段，通过对水文站地形、观测数据等分析可能引起的水面线变化，或者利用天然河道恒定流推算局部河段水面线，从而推演确定局部河段的行洪能力进行预警或者将局部降雨量作为预警指标。近些年应防汛需求，相关研究逐渐增多，但思路和方法较之前未发生较大变化[1- 8]。大江大河警戒水位多取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、抢险备料工作，跨堤涵闸停止使用[9]。因此，警戒水位是指江河堤防普遍临水，堤防可能发生险情，需要动员社会力量进行防守的起始水位[10]。常规确定方法是根据河道演变、滩槽关系、堤防迎背水高程等实际情况，选择河段一定比例的上滩洪水水位作为河段警戒水位[11- 12]。本次研究河段警戒水位采用80%断面上滩流量对应观测点的水位[13]。此项工作涉及到河道演变、滩槽关系分析、水面线计算、各断面水位流量关系分析及平摊流量确定等工作，本次拟通过建立警戒水位与滩唇高程、临水堤脚高程、背水堤脚高程、设计堤前水深等四个要素的线性相关关系，可以较为方便快速的得到较为合理的河段警戒水位。

1 辽河干流堤防现状

辽河自福德店至河口，河道总长538km。辽河干流左右岸现状堤线长890.619km，其中堤防长655.756km，自然高地长116.745km，支流河口长21.466km，下游无堤段长96.652km。

辽河堤防建设大致分为两个时期：第一个时期为19世纪80年代，主要对辽河农村段堤防进行整治，整治范围为辽河福德店至盘山闸段两岸农村段堤防；另一个时期为2000年以后，主要对辽河城市段、石佛寺副坝段以及盘锦以下农村段堤防进行整治。清河口以下堤防建设标准为20年一遇，清河口以上建设标准30年一遇。堤身断面全部为顶宽6m，迎水边坡1∶2.5，背水边坡1∶3.5或1∶5(砂土筑堤段为1∶5，其余段为1∶3.5)，清河口以上平均堤高4m，清河口以下平均堤高7.5m。

铁岭城市段堤防位于辽河左岸，堤长8.26km，防洪标准100年一遇(其中堤顶1.2m插板防浪墙)，迎水全部有混凝土板硬性护坡，堤顶宽8m(沥青路面7m)。

盘锦城市段堤防位于辽河下游两岸，两岸堤防总计42.75km，建设防洪标准50年一遇，防御洪水流量6800m3/s，堤防顶宽8m，沥青路面宽6m，迎水边坡一般为1∶2.5，背水边坡1∶3.5～1∶5，迎水侧多数有混凝土面板等硬性防护，少数为草皮护坡，近两年包括混凝土面板护坡在内的迎背水边坡上覆土栽植灌木。

盘锦以下农村段堤防大堤顶高程基本与绕阳河口位置绕阳河大堤等高，防御洪水能力约为3000m3/s，大致相当于10～20年一遇标准，目前堤防顶宽8m，其中沥青路面6m，堤防迎背水均为草皮护坡。石佛寺副坝与主坝工程设计防洪标准为100年一遇，堤防顶宽6m，4.5m宽砂石路面，临背水边坡1∶3，主坝段临水侧为模袋混凝土护坡，副坝两侧均为草皮护坡。石佛寺水库建设完成后，通过对洪水的滞纳调蓄，一定程度上使得水库下游堤防标准提高。水库建成后，50年一遇洪水和100年一遇洪水泄流流量与坝址原20年一遇洪水基本一致、200年一遇洪水泄流流量与坝址原50年一遇洪水基本一致。

2 警戒水位的确定方法

(1)警戒水位分河段确定，不分岸别，警戒水位河段分段应以主槽过流能力相差不大为控制原则，如无较大支流汇入河段不应分得过短，以免给运用和管理造成不便。

(2)警戒水位的确定方法为根据控制站的多年横断面套绘成果，综合分析断面稳定性及河滩地与背水侧地面高程关系，确定控制站滩地普遍上水或洪水偎堤的水位作为控制站的警戒水位。本次研究河段警戒水位采用80%断面上滩流量对应观测点的水位，由于辽河滩地较宽，且存在一定横比降，因此采用此种方法确定的河段警戒水位下洪水应大部分未临堤，对于防汛抢险来说是偏于安全的。

(3)辽河下游滩地多建有套堤，由于当地群众每年都会对套堤薄弱段加以维护，现状套堤多较坚固，有套堤河段漫滩洪水很难威胁到设计堤防安全，因此采用此种方法确定河段警戒水位下洪水应大部分未临堤，对于防汛抢险来说是偏于安全的。

3 辽河干流警戒水位确定分析

3.1 套堤段行洪能力分析

本次研究拟通过利用一维数学模型对二维模型计算成果进行试算模拟，找到套堤在一维数学模型中简化处理的主要参数取值范围和影响要素，建立辽河铁岭河段的一维模型。本段设计流量为5250m3/s，二维模型采用流量5250m3/s，起点水位采用辽河大堤初设对应水位23.71m，主槽糙率0.025，滩地糙率0.075。首先用水力学二维模型计算无套堤情况下各断面水位，然后利用一维水力学模型在边界条件不变的情况下通过调整糙率、套堤开口宽度的方式复核二维成果，复核后一维水位与二维水位差值在±0.02m以内，复核后一维主槽糙率0.023～0.030，滩地糙率0.07～0.085。最后利用复核完成的一维模型及二维模型分别计算有套堤情况下各断面水位，并对比计算成果。复核及计算成果详见表1。

表1 水面线复核及计算成果对比情况表

从表1可以看出，在有套堤情况下，一维水力学模型按本次套堤处理方式计算出的水面线成果比水力学二维模型成果高0.01～0.2m，在合理范围内，从防洪方面考虑是偏安全的，故本次一维水力学模型对套堤的处理方式是正确合理的。最终确定套堤简化处理方式为：套堤过流宽度为400m，即把套堤内地面高程(大堤迎水400m范围内除外)抬高至套堤顶高程，并设定此范围内糙率为0.01，若大堤迎水侧至套堤距离为200～400m，则过流宽度设为200m，若大堤迎水侧至套堤距离小于200m，则过流宽度为0。以最外侧的套堤代替多层套堤及多个相连接的套堤。

3.2 辽河干流套堤对各段河道水位影响

在辽河干流套堤行洪分析的基础上，对辽河干流典型河段的套堤水位影响进行分析，分析结果见表2。

表2 辽河套堤对各段河道水位影响统计表

经计算，石佛寺回水末端至福德店段现状地形较全清障工况设计水位高0～0.26m，福德店至石佛寺水库末端现状套堤较少，现存的套堤主要分布在福德店、兰家街-老山头、通江口大桥上下游(周家网-西孤家子村)、新调线桥上下游。只影响局部段行洪能力，对整体行洪能力影响有限。石佛寺水库坝下至盘山段现状地形较全清障工况设计水位高0～0.83m，本段沿河均有套堤分布，现存大量套堤是导致本段堤防整体不能达到建设标准的主要原因。盘锦市区段(大洼区、双台子区、兴隆台区、盘锦监狱)现状地形较全清障工况设计水位高0.12m。

3.3 辽河干流警戒水位确定公式

根据辽河各断面警戒水位与四要素的关系统计成果，拟定初步关系公式。本文通过对辽河近400个堤防断面滩槽关系、滩地与临水堤脚关系、滩地与背水保护地关系、临水堤脚与设计水位关系的整理，建立了警戒水位与滩唇高程、临水堤脚高程、背水堤脚高程、设计堤前水深之间的简易线性公式，公式如下所示。

Hj=0.396htc+0.97(hl+hb)+0.0495hdq

(1)

式中，Hj—警戒水位,m;htc—滩唇(河道边滩濒临水流的边缘地带)高程，m;hl—临水堤脚高程，m;hb—背水堤脚高程，m;hdq—设计堤前水深(保证水位-临水堤脚)，m。在简易估算公式的基础上，利用图表进一步修正，如图1所示，为分析估算公式计算的精度，对公式计算结果与实际确定的辽河警戒水位结果进行耦合对比，见表3。

表3 警戒水位计算值与确定值耦合对比表

(续表)

图1 警戒水位估算公式修正图

从表3中可以看出除六间房站警戒水位估计值偏差较大外，其他控制断面利用公式计算出的警戒水位较80%河段上滩洪水确定的警戒水位差值都在0.5m以内，吻合较好。本公式可以提供了一种快速可靠估算河道警戒水位的方法，方便快捷地为防汛工作服务。

4 结论

(1)采用河道警戒水位简易公式对辽河干流典型站点估算的警戒水位和已确定的警戒水位差值均在0.5m以内，具有较好的吻合度，可实现对河道警戒水位的快速、可靠估算。

(2)采用多因子联合方法进行警戒水位确定时，建议河段分段应以主槽过流能力相差不大为控制原则，如无较大支流汇入河段不应分的过短，以免给运用和管理造成不便。

(3)本文建立的简易方程还未进行检验，存在不足，在后续的研究中还应结合更多工程实例对该公式进行检验。