丹江支流南秦河麻池河水位站预警水位确定

马 博

（陕西省水旱灾害防御中心,陕西 西安 710004）

1 测站概况

1.1 测站基本情况

南秦河麻池河水位站位于长江流域丹江水系南秦河上游,属2011年中小河流水文监测系统建设的水位站,测站编码62003120,位于陕西省商洛市商州区杨镇杨斜村,距杨斜镇下游5.5 km,控制流域面积207.5 km2,河长22.6 km,比降26.6‰,测站断面以上流域设有东岳庙、杨斜2 个遥测雨量站。

1.2 测站设施设备

该站配有雷达水位计、翻斗式雨量计、通信终端RTU、太阳能充蓄电池、避雷设备各一套,2 支人工直立式水尺、断面标志、断面桩各一对,一条下河观测道路,有BM1 和BM2两处水准点,BM1 设在杨斜镇杨斜村组王英明家院子,距灶房坎沿下0.5 m,距正房16.0 m,相对于水位站右岸下游40 m公路里村庄,引测高程888.043 m；BM2 设在水位站右岸,从下河台阶前坎向下游直线距离16.0 m,公路边绿化带处,引测高程887.305 m,两处水准点高程均采用黄海基面。

1.3 测验河段情况

麻池河水位站测验河段顺直,测验区间为卵石、砂砾石河床,中低水中泓靠右岸。两岸为公路路基,河流左岸为沪陕高速G40 路基,高速路基砍高平均约7 m 左右,右岸为洛柞线S307 省道路基,路基砍高平均约6.5 m 左右。上、下断面间距200 m,距中断面约200 m 的下游处有一拦砂坝,坝高1.5 m,对水位站的影响很小,断面形状大致呈不规则U 形。测得大断面高程数据见表1,大断面图见图1。

图1 麻池河水位站大断面图

表1 麻池河水位站大断面测量数据

1.4 测站报汛任务及报汛曲线

麻池河水位站为汛期站,报汛项目为雨量和水位；即每年5 月1 日至11 月1 日报日、旬、月降雨量,起报标准为1 mm,按24-24 段次报雨量和水位信息。

麻池河报汛曲线的率定采用曼宁公式。率定时依据河床及岸壁情况,糙率选用0.040,比降采用实测值8.1‰,报汛曲线见图2。

图2 麻池河水位站报汛曲线

2 测站上下游水利工程及下游防洪对象

2.1 水利工程

对麻池河水位站上下游进行现场踏勘调查,发现每隔800m 左右,建有拦砂坝,坝高约1.5 m 左右。建拦砂坝主要目的是保护两岸河堤基础,对本站水位流量关系有一定的控制作用；距测站上游300 m、500 m 处及下游处800 m 各有普通人行石拱桥一座,除此无其它水利工程。

2.2 防洪对象

对测站断面上下游进行实地调查,防洪对象为测站上下游河道两边公路路基、拱桥和耕地。

测站上下游村民住房大多坐落在公路两侧的田地里,河沿上有少数居民住房。居民房基均高于普通公路路基,一河两岸耕地约8000 余亩,涉及2 个村民小组,住户800 户左右,人口约0.3 万人。

3 防洪对象的洪水设计标准及防洪能力

3.1 公路路基设计标准

由现场踏勘,麻池河水位站上下游河道均沿公路穿行,左岸为高速路,路基洪水设计标准为100年一遇以上,右岸为洛南县至柞水县的县级公路路基,设计洪水标准25年一遇以上。

3.2 上下游拱桥泄水能力

通过现场测算上游较小的拱桥有2 个孔口,单跨长24.3 m,拱高6.5 m,左右对称,2 孔总过水面积92.9 m2,洪水流速按3.8 m/s 计,过水能力约353 m3/s,下游拱桥也为2 个孔口,单跨长12.5 m,拱高4.45 m,左右对称,2 孔总过水面积80.2 m2,本桥所处河段比降较上游稍大,洪水流速按4.4 m/s 计,过水能力约361 m3/s。上下游桥的防洪能力均在10年一遇以上。

3.3 河道两岸耕地防洪能力

上下游河道两岸的耕地大部分布在两岸路基以上,有少部分耕地处在路基路沿外,高于路基以上的均有25年以上的防洪标准,在低于路沿以下的,选一较小行洪能力的河段,测得一个过水断面及河道比降,根据河床情况选取糙率为0.040,用曼宁公式推求该处断面的最大行洪能力为210 m3/s,当流量超过此值时会漫过公路路基外沿的部分耕地。

4 预警水位确定方法

根据麻池河目前现有的资料情况,属于无资料区域设计洪水,因此采用商洛水文手册中提供的汇水面积法、综合参数法及暴雨资料分别推求测站2年及5年一遇频率的洪峰流量,采用比耕地防洪能力偏小的洪水流量作为预警流量,再由这个预警流量在麻池河水位站率定的水位流量关系线上查算其相应水位,即为确定的预警水位。

4.1 汇水面积相关法

按照《商洛地区实用水文手册》中暴雨洪水分析总结的汇水面积相关经验公式,计算站址处的设计洪峰流量。计算公式如下：

式中：QN为重现期为N 的设计洪峰流量,m3/s；A 为设计流域面积,km2；KN、n 为重现期为N 的经验参数和指数,指数n 采用手册值0.059。

麻池河水位站断面以上流域积为207.5 km2。根据设计洪水标准在手册查得的参数、指数,得设计洪峰流量见表2。

表2 汇水面积相关法洪水计算成果表

4.2 综合参数法

按照《商洛地区实用水文手册》中暴雨洪水分析总结的综合参数法相关经验公式,计算站址处的设计洪峰流量。计算公式如下：

式中：Qp为设计频率为p 的洪峰流量,m3/s；F 为设计流域面积,km2；J 为主河道平均比降,‰；Hp为设计频率为p 的的六小时暴雨量,本次计算分别采用实测值,即H0.1=63.8 mm,H0.2=50 mm,H0.5=32 mm；Kp为经验参数；n、a、β为经验指数。

根据设计洪水标准在手册查算参数、指数,得计算设计洪峰流量见表3。

表3 综合参数法洪水计算成果表

4.3 由暴雨推求设计洪水

根据杨斜雨量站1947年~2013年47年的雨量资料,分别统计其历年1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 时段内最大降雨量,用频率计算的方法分别推求其频率为2年、5年、10年的设计暴雨量。在设计暴雨确定后,由点雨量系数公式：

式中：at为历时为t 的暴雨点面系数；F 为设计流域面积,km2；at、bt为线型拟合参数）确定面雨量。根据商洛水文手册,选用24 小时的设计暴雨时程分配雨型求其时段降雨量。

由暴雨间接推求洪水,首先假定设计暴雨与设计洪水是同频率。根据该区域水文气象、地质地貌、下垫面等因素确定产流方式为蓄满产流。因此按蓄满产流方式计算设计降雨过程的净雨过程,推理公式：

式中：Qm为洪峰流量,m3/s；ht为单雨峰的净雨,mm；F 为流域面积；m 为经验性的汇流系数；L 为河流长度,km；J 为河道平均比降；τ为流域汇流时间,h；0.278 为单位换算系数。

推算成果见表4。

4.4 综合比选确定预警水位

通过以上计算分析,由多种方法推算的设计洪水成果见表5 及防洪对象的防洪能力见表6,通过列表数据可以看出,防洪对象的最小防洪能力为耕地247 m3/s,从推求的2年一遇设计洪水数值上看偏小,对预警意义不大,5年一遇设计洪水数值较接近,因此预警流量应在5年一遇的设计洪水范围中采取。为引起人们的警觉,综合考虑波浪爬高、河道淤积等因素,采用200 m3/s 作为预警流量,由该站率定的水位流量关系曲线查算得其相应水位为885.43 m。即把885.43 m 确定为该站的预警水位。

表5 推算成果数据比选表

表6 上、下游拱桥及耕地的防洪能力表

5 预警水位合理性分析

经过计算分析确定的麻池河预警水位885.43 m,相应流量200 m3/s,相当于5年一遇设计洪水标准。通过现场踏勘测站上下游河道,并对防洪对象的计算和分析得出,当麻池河水位站出现警戒水位时,两岸路基均在25年以上设计洪水标准,因此测站上下游范围内高速路、县级路的路基均在安全范围内；同时上下游拱桥的防洪能力已超过10年以上的防洪标准,也在安全范围内;但是,如果上游的降雨引起洪水上涨,超过这个警戒流量对应的水位值时,河道两旁的部分耕地将有可能受到洪水冲击,遭遇洪涝或发生其它不安全因素,这时就要引起防汛管理部门的警惕。因此认为预警水位基本合理。

6 结论

麻池河水位站上下游附近河道会受到洪水及人类活动等因素的影响将有所变化,由于河道断面的变化会引起预警水位的变动,因此,在使用麻池河水位站预警水位过程中,应根据麻池河水位站上下游河道演变情况,及时修定预警水位值,为防汛部门提供合理的防洪指标。