中小河流白石沟水位站预警水位分析

赵 军

（陕西省汉中水文水资源勘测局，陕西 汉中 723000）

0 引言

随着陕西省中小河流水文监测系统建设项目的实施，相继建成了一批防汛专用水文站、水位站。预警水位的确定可以为中小河流防洪减灾科学决策提供依据，能够为预警断面下游沿河人民群众生命财产安全转移赢得宝贵的时间，能够最大程度减少山洪、泥石流等自然灾害造成的人民生命及财产损失。

1 流域概况

1.1 自然环境

八渡河是嘉陵江上游左岸的一级支流，流域位于陕西省汉中市略阳县城北部，西邻嘉陵江干流，东与汉江支流沮水河相邻。流域地形北高南低，地质地貌较复杂。八渡河发源于甘肃省徽县八盘山，河水自北向南流淌。上游称为大川河，向南流经九股村，先后接纳中川河、在路家山以下始称八渡河，以下又纳金池院河，在白石沟至吴家营段，流向转折为东西向，吴家营以下又转折为南北向，距离河口处纳东渡河，于略阳县城附近注入嘉陵江。

八渡河上游地质多为石灰岩，河谷相当狭窄，纵坡比降很大，河谷深切呈“V”字型。下游地质多为千枚岩，河势平缓，白石沟以下河谷稍微开阔，沿河有狭窄的河滩地。八渡河河槽稳定，全流域面积466.9 km2，河长47 km，平均比降24.7‰。流域内山高沟深，植被多以阔叶林和针叶林混杂，森林植被覆盖情况良好，森林覆盖率达68.7%。八渡河流域水源保护站自1996 年建站以来，以保障城区居民饮水安全为目标，有效维护了水生态平衡，增强了水源涵养能力。

1.2 水文与气象

八渡河流域内四季分明，冬无严寒，夏无酷暑，属北亚热带北缘山地湿润季风气候，受季风影响比较明显，雨量较为充沛，空气湿润。流域内无气象资料，根据略阳县气象资料分析统计，多年平均气温为13.2℃，历年极端最低气温-11.2℃，极端最高气温37.7℃。无霜期236 天。全年日照小时数1552 小时。全年盛行偏东风，频率为18%；其次是偏西风，为16%。10 min 平均最大风速20.7 m/s，最大瞬间风速40 m/s。

降雨量受大气环流、纬度及地形影响，降雨强度大，降雨时空分布不均。降雨量年际变化量大，年内分配不均，多年平均年降水量860 mm，7 月～9 月降雨量占全年总量的50%以上，多集中在6 月～10 月，占全年降水量的75%以上，而其他季节雨量偏少。八渡河属山溪性河流，洪水由暴雨形成，其洪水特性与暴雨特性密切相关。暴雨过后易出现洪水过程，暴雨型洪水汇流时间短，消退快，洪水陡涨陡落变幅大，洪水历时一般为1 天～2 天，洪水过程多成尖瘦的单峰型。流域洪水主要发生于5 月～10 月，其中7 月、8 月最为频繁。八渡河多年平均流量4.59 m3/s。

1.3 防护对象及水利工程现状

防护对象：白石沟水位站下游大约3.5 km 处是略阳县城，略阳县城四面环山处在嘉陵江、八渡河、东渡河三河交汇处，现状城区面积2.7 km2，人口4.85 万人。八渡河略阳县城区段堤防工程不连续，堤防现状防洪能力重现期为20 a。两岸人口密集，有略阳电厂和医院、学校等。水利工程：白石沟水位站上、下游无较大蓄水水利工程。县城区段有多级阶梯状翻板闸式景观工程。

2 测站概况

2.1 水位站基本概况

八渡河白石沟水位站是八渡河下游控制站，位于略阳县城关镇何家坟村，流域面积455.9 km2，河长42.4 km，平均比降24.2‰。白石沟水位站设于2012 年6 月，主要是收集八渡河基本水文信息，5 月～10 月按照24 段制报汛，并担负着为下游略阳县城防汛服务的任务。测验项目为水位、雨量，测验方式为有人看管，无人值守。水位、雨量信息采用移动GPRS 通信模块自动传输，太阳能供电系统。

白石沟水位站断面以上流域，布设有九股树、田家坝、金池院、斑竹园、中川坝5 处雨量站与其一起组成测报基本站网，其流域水系见图1。

2.2 测验河段断面概况

八渡河白石沟水位站测验河段基本顺直，左岸为公路护坡，右岸为人工砌护护坡。砾石、卵石等沙质河床，冲淤变化不大，河床相对稳定，中低水时中泓偏左岸。

基本断面上游100 m 有四跨公路桥，下游500 m 内无阻水建筑物，测验河段长400 m，河宽约45 m，河道断面比降2.80‰，观测水位的基本水尺断面（亦即水位站断面）位于测验河段的中部。白石沟水位站基本断面见图2。

图1 八渡河水系图

图2 白石沟水位站基本断面

2.3 测验基本水准点

2012 年8 月在白石沟水位站断面右岸设立基本水准点，标志牌下为基1，吴营大桥左岸桥头为基2，水位计边道沿上为基3；在水位计上游约20 m 道沿上设立校测水准点校1。

2015 年11 月13 日依据国家大地高程控制网基准水准点（85 高程）引测，水准点BM长161-12 黄海基面高程644.584 m，设立单位：略阳县水利局；引据点级别：GPS 点。引测4 个基本水准点基1、基2、基3、校1，见表1。

表1 白石沟水位站水准点考证表

2.4 水位站基本断面情况

八渡河白石沟水位站基本断面情况，于2020 年3 月10 日实测断面资料见表2，断面基本现状见图3。

表2 八渡河白石沟水位站断面资料表

图3 八渡河白石沟水位站大断面图

2.5 断面水位流量关系

①实测水位流量，2018 年～2019 年白石沟水位站实测流量6 次，实测成果见表3。

表3 2018 年～2019 年白石沟水位站实测流量成果表

②水位站断面水位流量关系，采用曼宁公式法计算。即根据实测的断面资料，计算水位流量关系：

式中：Q 为过水断面流量，m3/s；A 为过水断面面积，m2；n 为河床糙率；R 为过水断面水力半径，m；I 为水面比降。

过水断面面积A 根据实测断面资料（表2）计算；水面比降用实测河段比降2.8‰，糙率按测验河段特征，对照糙率表确定糙率为0.034 计算白石沟水位站水位流量关系。

根据上述两种方法综合确定白石沟水位站水位流量关系见表4，水位流量关系曲线见图4。

表4 白石沟水位站水位流量关系表

图4 八渡河白石沟水位站水位流量关系曲线图

3 预警水位确定

3.1 不同频率设计洪水推求

3.1.1 经验公式法

白石沟水位站所在的八渡河属无资料小流域，八渡河属嘉陵江一级支流，属嘉陵江区，设计洪水采用《汉中地区实用水文手册》（以下简称《水文手册》）推荐的汉中地区经验公式法估算。

计算公式如下：

式中：Qp为频率为P 的洪峰流量，m3/s；F 为流域面积，km2；n 为流域面积指数，洪峰流量经验公式分区中的嘉陵江区，n=0.705；Cp为随频率P 而变的经验参数，不同频率的CP值见表5。

表5 不同频率的C P 值统计表

根据经验公式法计算不同重现期设计洪水计算成果见表6。

表6 白石沟水位站不同重现期洪水流量成果统计表

3.1.2 推理公式法

白石沟水位站所在的八渡河是嘉陵江一级支流，属嘉陵江区，根据《汉中地区实用水文手册》暴雨相似区划分，所用推理公式推求白石沟水位站控制断面以上流域各设计频率洪水，应参照《水文手册》嘉陵江区相应的参数进行推算。

根据《汉中地区实用水文手册》查得1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 的平均雨量及CV值和皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数KP值，在不同频率下的CS的3.5 倍值，见表7。

表7 推理公式应用参数统计表

经推算白石沟水位站控制断面不同频率的洪峰流量试算曲线见图5，不同频率的洪峰流量成果见表8。

图5 白石沟水位站不同频率洪峰流量图

表8 白石沟水位站不同频率洪峰流量成果表

3.1.3 水文比拟法

白石沟水位站八渡河属嘉陵江一级支流，与略阳水文站同属嘉陵江流域，自然地理特性相似，产流区同属嘉陵江，略阳水文站控制面积19206 km2，与水位站控制面积相差为18750.1 km2，与参证站流域面积差值为97,6%远大于20%，超出比拟法使用范围，故不采用比拟法计算同频洪水流量。

4 设计流量成果采用

地区经验公式法、推理公式法推求的洪水流量对照统计见表9。

表9 白石沟水位站不同频率洪峰流量成果对比表

在八渡河上收集到《陕西省中小河流治理项目略阳县八渡河县城城区段防洪工程初步设计报告》（陕西省水利电力勘测设计研究院等，2014 年），该报告对八渡河设计洪水进行了计算，成果通过评审。根据该报告设计洪水计算成果采用工程类比法计算到水位站断面，见表10。

表10 白石沟水位站不同频率洪峰流量成果合理性分析表

从表8 可以看出，该计算成果与表9 中计算成果比较接近，因此分析认为计算成果合理，为了与防洪工程一致，本次采用以防洪工程设计计算成果为准。

5 确定预警水位

根据省局《陕西省新建水文、水位站防汛指标确定编制大纲》第3.2.3 条，我们按照重现期2 a～5 a 一遇洪峰流量来确定预警水位。即白石沟水位站5 a 一遇洪水流量为529 m3/s，2 a 一遇洪水流量为223 m3/s。经综合分析确定预警流量取值400 m3/s，在该站率定的水位流量关系线上查得该流量的水位为660.50 m，即白石沟水位站预警水位初步确定为660.50 m。

白石沟水位站所在的八渡河河道左岸为略阳大道公路护坡，右岸修建有浆砌石护坡，本次用右岸河堤与初步确定的白石沟水位站预警水位对比，进行合理性分析。其对比分析结果见表11。

表11 河堤高程与预警水位对比分析表

由表11 可知，白石沟水位站控制断面右岸护坡高程与本次初步确定的预警水位差值为2.89 m，河道右岸是安全的。水位站的主要防护对象是下游略阳县城，根据调查略阳城区八渡河段的防洪能力重现期为5 a～10 a（堤防高度不连续），防洪能力流量为600 m3/s，与预警流量取值400 m3/s 比较，水位站下游至略阳城区之间再无较大支流汇入，因此较为合理。从2013 年建站以来至2019 年，最大洪峰流量为800 m3/s（2018 年7 月14 日），相应洪水位为662.13 m，与预警水位相差1.63 m。因略阳城区堤防工程不连续，致使略阳县城区部分低洼地方进水出现灾情。建站以来超过预警流量的洪水2 次，频次为33.3%。因此，预警水位对下游大约3.5 km 处的略阳县城关镇等区域能够起到警示和防汛预警的作用。本次初步确定的水位站预警水位较为合理。

6 结论和建议

预警水位的确定是进一步提高中小河流洪水监测预警能力，充分发挥经济社会快速发展对防汛减灾工作需要的有效手段。本次预警水位主要依据《水文手册》无资料地区设计洪水计算的经验公式、推理公式和水文比拟法推算，通过采用各种方法对中小河流白石沟水位站预警水位的计算，并结合建站以来的实测水文资料，最终确定其预警水位。经综合分析确定白石沟水位站预警水位为660.50 m。该预警水位基

本符合该站断面实际情况。对于无资料地区的中小河流水位站点，要结合该河段已经建成的水利工程设施防洪标准以及该河段断面条件，加强其水文资料的收集，特别是要加强较大洪水过程水文要素积累，为率定水位流量关系，确定合理的预警水位积累宝贵的水文资料，预警水位的确定能够进一步提升中小河流站点洪水监测预警的能力，充分发挥其在防汛减灾中的作用。