河流警戒水位拟定方法研究及应用

李善综，王 森，农 珊，刘和昌

(1.水利部珠江水利委员会技术咨询中心，广州 510611；2.水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室，广州 510611)

警戒水位是可能造成防洪工程出现险情的河流和其他水体的水位[1]，是防汛部门规定的各江河流域需要处于防守戒备状态的水位，江河流域主要控制断面、水情站以及堤防工程等一般都设有警戒水位，该水位直接或间接反映防护区的汛情危机程度，提供给防汛指挥部门作为决策指挥依据，到达该水位时防汛工作进入重要时期，应进行防汛动员，调动常备防汛队伍，加强巡逻戒备，对于有堤防的地区应加强巡查防守，密切注意水情、工情、险情的发展变化，加派值班人员和增加防险巡逻次数，组织后备力量做好防洪抢险的一切准备；对于无堤防工程的地区，地方有关部门要及时通知和组织当地居民做好居民、财产和物资安全转移准备，当洪水继续上涨险情恶化时能得以安全脱离，尽量避免和减小洪灾损失[1]。警戒水位关系到河道和堤防区的防汛大局，水位拟定要恰当，定得过高将不能实现对洪水的有效预警，增加防洪风险，定得过低将导致有警无险的情况增加，给防洪人力、财力和物力带来不必要的损失。

我国南方大部分地区河流警戒水位的拟定时期较早，许多地区现行警戒水位已经沿用数十年[2]，警戒水位拟定的相关研究较少，现行警戒水位的拟定大多是根据当时的堤防防洪能力以及洪水经验确定，主观性较强，缺乏严格的科学论证，且大多偏于保守，随着河流岸线的变化，城市建设的发展，部分地区现行警戒水位已不适应防汛工作的需要，警戒水位过于保守的弊端逐渐凸显，部分地区年发布预警数十次，且大多有警无险，导致防汛部门以及群众产生松懈麻痹思想，失去警戒作用，而且对防汛工作人力、财力、物力造成了极大的浪费。

本文提出一种结合历史洪水过程与地区特点的警戒水位拟定方法，并以西南地区某水情站警戒水位复核调整为例介绍了方法的应用，对于全国其他地区警戒水位复核拟定具有重要的参考价值，在一定程度上也丰富充实了河流防洪特征水位的方法体系。

1 警戒水位拟定研究进展

对于有堤防的河段，警戒水位的拟定一般采用堤脚水位作为警戒水位，无堤防等防护工程河段警戒水位的拟定方式仍以地方防汛部门经验为主，以该方式拟定警戒水位充分考虑并发挥了地方防汛部门的防洪工作经验的价值，但缺少充分科学的论证依据，且易受个人主观意识影响，在近年来警戒水位复核拟定中的应用日渐减少，即使对于有堤防河段，以堤脚为控制确定警戒水位也只是防汛经验的一种总结，缺少严谨的科学论证。

近些年关于警戒水位拟定方式的研究具有一定进展，林荷娟、程媛华等在太湖流域警戒水位的研究中采用了合理的水位重现期的方式确定太湖流域警戒水位[3]；叶林宜提出了警戒水位在有堤防地区以控制站多年平均年最高水位为基础，结合堤防工程防洪能力、险工情况确定，无堤防的城镇，视住宅区、仓库、码头等较低地面高程情况确定的思路[4]；黄琳煜等人在浦东新区内河防洪警戒水位拟定时采用以水位站特征水位值做频率计算的方式计算常遇洪水位，以此为基础结合水面积、防洪能力等因素综合核定警戒水位[5]；胡昌鑫在黄浦江警戒水位标准的探讨中提出采用年最高潮位频率作为警戒水位的基本依据，提出上海地区防汛警戒水位标准[6]；朱振华、周云结合工程实际提出了“根据防洪安全要求，并考虑经济、政治、社会、环境等因素，综合论证确定”的方式确定蔷薇河警戒水位[7]。以上方法及方式在应用中仍具有一定的局限性，警戒水位拟定过程及频率标准选取经验性较强，且频率标准选取缺乏合理佐证，在工程实践的应用上推广存在一定的限制。

2 研究思路

警戒水位的研究拟定必须要紧密结合当地特点，包括现状防洪能力、防洪工程运行情况、防洪薄弱地段以及历史上洪水损失情况等，本次研究在地区特点的基础上结合历史洪水条件提出一种通用的警戒水位拟定方法，主要研究思路如下：

首先，对研究区域进行实地调查，摸清沿河地区主要防洪敏感对象分布并通过测量以及查图等方式得出其高程，确定控淹水位，并通过地区防汛部门调研确定防洪敏感地区在洪水期疏散群众组织撤离所需要的时间。

其次，将防洪敏感对象控淹水位信息通过断面水位流量关系或河道水面线推导与水情站水位流量关系建立相关关系，确定敏感对象达到控淹水位时水情站对应出险水位以及流量数据。

第三，整理分析站点历史洪水资料，选择长系列中上涨到出险水位对应流量的历史洪水集。

第四，根据拟定的筛选原则，从历史洪水集中选择具有代表性的典型洪水过程，根据群众疏散所需时间以及对应时段的典型洪水过程线倒推符合安全性原则的起涨水位，即为拟定的警戒水位。

第五，针对拟定的警戒水位，根据历史场次洪水过程进行模拟分析，计算出险次数占发布预警次数的比例以及对应流量的重现期标准分析警戒水位的合理性。

3 河流警戒水位拟定方法

3.1 出险水位分析

通过对拟设置或复核警戒水位的目标断面所在河段范围内易受淹没的农村、城镇等防洪敏感对象实地调查得出各敏感对象受淹最低高程，即敏感对象的控制淹没水位Z淹，简称控淹水位，并根据敏感对象所在断面的水位流量关系确定控淹水位对应流量。

3.2 最小警戒预留时长分析

警戒水位是地区防洪抢险工作的重要指标之一，从偏安全的角度出发，在防洪预警发布最不利的条件下也应能保障下游群众安全有序的疏散撤离，也即不考虑预报的因素，洪水达到警戒水位时才发布预警，自发布预警起至可能受影响地区的居民全部疏散完毕所需的最小时间即为警戒时长ΔT警。

3.3 典型洪水分析

3.3.1 历史洪水筛选

为保证资料的代表性，选取长系列的历史场次洪水资料，得到场次洪水集合A，在A集合中筛选最大流量达到或超过Q险的洪水场次，形成集合B，称为出险洪水集合，纳入该集合的洪水主要特征是洪水再次发生时以现有河段防洪能力将会发生险情造成损失。

3.3.2 典型洪水过程选择

根据水情站报汛对象的重要程度以及防洪能力，按照以下原则选择典型洪水过程：

(1)报汛对象较为重要，发生险情时损失较大，防洪能力薄弱或现状无防护工程时，宜采用偏安全的原则选取最不利条件下的洪水过程为典型洪水推求警戒水位。即B集合中所有场次洪水中洪水过程线Z险水位对应时刻t险前ΔT警时段内水位变幅最大的洪水即为典型洪水。

(2)报汛对象防洪体系较为完善，抵御洪水的能力较好的情况时，在集合B中选择量级与报汛对象防洪能力相近的场次洪水中选择相对不利的情况推求警戒水位。即B集合中洪水进一步筛选，取重现期与报汛对象防洪工程设计洪水重现期相近的场次洪水过程中Z险水位对应时刻t险前ΔT警时段内水位变幅最大的洪水为典型洪水。

3.4 警戒水位拟定

在选定的典型洪水的洪水过程线中寻找Z险所在时间点t险，根据t险时刻前推ΔT警时长至时刻t′，则t′对应洪水过程线相应水位即为推荐的警戒水位Z警，拟定过程见图1。

图1 警戒水位拟定示意图Fig.1 The sketch map of drafting warning level

3.5 合理性分析

根据警戒水位拟定过程可以看出，在洪水系列具有较好代表性的情况下拟定警戒水位的安全性是有保障的，合理性主要分析警戒水位对防汛工作人力、物力资源的有效运用情况，采用历史场次洪水过程集合A全部系列代入拟定的警戒水位分析，以出险次数占预警次数的比例来衡量警戒水位设置对防汛资源的有效利用情况以及预警的有效性。

4 案例应用

以某水情站警戒水位复核调整为例阐述方法的具体应用。该水情站所在河流为西江的二级支流，水情站下游400 m左右即为一处乡镇驻地，乡镇建有防洪堤，设计标准为10 a一遇，乡镇及水情站之间为农田以及部分村寨，乡镇及区间村寨是水情站的主要报汛对象。该水情站现状警戒水位109.7 m，警戒流量550 m3/s，现行警戒水位运行已有数十年，随着社会经济的发展以及河道自然演变的影响，流域下垫面条件、两岸风貌以及河道水情特性等发生了较大的变化，现行警戒水位已不满足防汛工作需求，根据地区近14 a来有记录防汛工作统计，警戒水位过低导致14 a间来每年均多次发布预警，平均超警戒天数22 d，预警发布过于频繁，绝大多数有警无险，对防汛资源造成了极大的浪费，且易产生松懈麻痹思想，失去警戒作用。

(1)出险水位分析。根据现场调查情况，敏感对象主要有两处，一是堤防上游段近水情站部位相对薄弱，该处距上游水情站基本水尺断面320 m，查阅堤防设计成果，该部位设计洪水水面线高程约为111.80 m；二是水情站西侧80 m左右有一处村寨，是两岸村寨中距与河道常水位高差最小一处，高程为111.93 m。

堤防至水情站断面河道顺直且无支流汇入，河道特性基本无变化，采用比降加河长的方式推算堤防保证水位时水情站对应水位，该河段比降7.5‰，则：

村寨淹没最低点与基本水尺断面位于同一断面内：

(2)水位流量关系复核。根据水情站最新整编资料对水情站所在断面以及主要控制淹没点断面水位流量关系进行复核，确定各断面的Z-Q关系曲线。

(3)最小警戒预留时长。根据对该水情站主管部门防汛工作的调研了解，在报汛站点到达警戒水位时自预警发布至下游村寨及周边居民疏散及完全撤离最少需3 h，即ΔT警=3 h。

(4)典型洪水及警戒水位推求。由于村寨无防洪工程，拟采用偏安全的方法即在水情站长系列场次洪水过程中选取最不利洪水作为典型洪水，经筛选2012年6月23日洪水为最不利洪水，洪水过程及警戒水位推求过程见图2。

图2 典型洪水过程及警戒水位推求Fig.2 The hydrograph of typical flood and calculation of warning level

经推求该水情站警戒水位拟定为111.00 m。

(5)合理性分析。该水情站拟定警戒水位111.00 m，查水情站控制断面水位流量关系对应流量1 058 m3/s，重现期相当于2 a。

根据拟定的合理性分析方法，将警戒水位及出险水位数据代入场次洪水集合，水情站历史洪水资料系列相对较短，仅有14 a合计35场洪水资料，统计达到警戒水位的场次洪水过程共有12次，达到出险水位的洪水过程仅有5次，出险洪水占预警洪水次数的42%，而按照原109.7 m的警戒水位统计，35场洪水全部达到预警标准，出险洪水占预警洪水次数的14%，预警频率高，预警效率低，由此可见警戒水位复核调整后在保障防汛安全性的前提下极大的节省了防汛工作人力、物力资源。

5 结 语

警戒水位是各地区防汛部门汛期防洪工作有效关键指标之一，多年以来警戒水位的拟定多以经验性方法为主，本文结合警戒水位拟定研究进展情况，提出了一种河流警戒水位的计算方法，以定量计算的方式确定河流警戒水位，并以某地水情站警戒水位复核调整工作为例阐述了方法的具体应用，克服了以往经验性方法中缺乏科学论证的缺陷，有利于防汛资源的节约及高效利用，也有利于实现防汛工作的科学决策，对于其他地区开展警戒水位复核调整以及拟定的相关工作具有很好的参考价值。