洪水资料短缺条件下澄江九堡水位站预警水位分析确定

徐珊珊 罗 鹍 刘明荣

(赣江上游水文水资源监测中心,江西 赣州 341000)

中小河流洪水具有汇流时间短、预报难度大的特点,是我国南方湿润地区特别是其山丘区重要灾害之一[1]。确定中小河流站点预警水位,可以更加精准有效地对所在河段洪水进行预警,助力河流洪水风险防控“四预”机制快速完整建立,增强中小河流防灾减灾能力和风险管理能力,减少人员伤亡和财产损失。

预警水位是洪水期须开始防守警戒的特征洪水位,是洪水风险预警的重要水位[2]。根据河段暴雨洪水特性及其洪涝灾害特点分析,选择合适的河段位置,确定特定断面合理的洪水预警水位,其对防洪减灾有重要的指导作用。

近几年,赣江上游水文水资源监测中心通过山洪灾害预警系统和中小河流水文监测系统建设,在赣州市87条河流上设立了水文(位)站342处,是守护江河安澜的坚定哨兵。但由于其建站时间较短,资料年限不足,以及洪涝成灾原因复杂,洪水资料短缺条件下的江河预警水位合理确定成为洪水风险预警必须研究的重要课题[3]。本文以澄江九堡水位站为例,介绍一种洪水资料短缺条件下江河预警水位确定方法。

1 基本情况

九堡水位站为中小河流代表站,于2012年6月设立,地处澄江瑞金市九堡镇羊角村河段左岸,集水面积143km2,主河道长度24.1km,河道顺直且高低水位时无岔流、串沟、回水、死水等情况,河底由岩石、卵石和中粗砂组成,断面基本稳定。观测项目有水位、雨量,观测设备为自动水位雨量仪。

1.1 流域情况

贡水支流澄江发源于瑞金市大柏地乡樟坑,干流流经瑞金市九堡、云石山,会昌县西江,于都县黄麟等乡镇,在于都县黄麟乡汇入贡水,流域面积1010km2,主河长88.0km;流域地形以丘陵为主,山低谷浅,地势开阔,植被较差,水土流失严重;河床泥沙淤积较严重,河道滩多弯急。该河流为山区性河流,洪水陡涨陡落,汇流时间短。九堡水位站地处澄江上游,流域主要为低山区,群山连绵,树木茂盛,溪流密布,大柏地乡有大柏地战斗遗址,主流从源区自北向南流,在三河村进入九堡镇,右岸密溪村为省级历史文化名村,河道滩多弯急,水流急,沿岸耕地连片,居住人口较多,常受洪涝危害。

九堡水位站流域内建有8座小型水库,环溪水库对九堡站的洪水位有一定影响,该水库集水面积37.7km2,总库容793万m3,调节库容460万m3。

1.2 河段情况

九堡镇呈盆地状,四面环山,河道较陡。九堡站高水位时河道断面宽约30m,河床由岩石、卵石和泥沙组成,断面基本稳定,上游100m处有公路桥(桥长41.5m,桥高5.4m,桥面宽7.3m),下游50m处有九堡桥(桥长52.4m,桥高5.2m,桥面宽7.0m),高水位时阻水较明显,两岸农田和居民房屋密布且高程较低,涉水、阻水建筑较多,堤防防洪标准低且不完善,洪涝灾害频发,灾情较重,是澄江洪涝灾害预警的重点区域。

受断面洪水影响的主要行政村主要有九堡圩、松燕村。九堡圩为九堡镇政府所在地,共有户籍人口2456人,756户,13个居民小组。松燕村管辖7个自然村、12个村民小组,常住人口1340人。

1.3 暴雨洪水特性

九堡站流域属亚热带湿润季风气候区,3—6月间常有锋面雨,降雨强度大,持续时间较长;7—9月常有台风雨,降雨强度大,降水历时较短。流域多年平均:气温18.9℃、年降水量1560mm、年水面蒸发量1100mm。年最大降水量2302mm(1975年),年最小降水量1123mm(2011年)。3—6月多年平均降水量 917mm(占全年约58.8%),7—9月多年平均降水量351mm(占全年22.5%)。10月至次年2月往往晴多雨少,进入枯水季节。

据调查,2019年7月14日受低涡切变影响,澄江九堡河段出现近20年来的最大洪水,流域最大24h、6h、3h、1h降水量分别为205mm、176mm、140mm、60mm;洪水历时约12h,九堡水位站最高水位为206.99m。暴雨强度大,洪水陡涨陡落,汇流时间短,具有山区河流的洪水特点。

2 预警水位相应洪峰流量分析

2.1 由暴雨资料推求设计洪水

《江西省暴雨洪水查算手册》(2010年)系统研究了江西省境内各水文分区的暴雨洪水特点和产汇流规律性,制作了各区的暴雨洪水计算图表和参数,根据流域地理位置,按其要求查算设计暴雨和设计洪水有较好的适用性。

根据《江西省暴雨洪水查算手册》(2010年)暴雨分区划分及设计暴雨历时规定,查有关图表分别对设计点暴雨量﹑设计面雨量、净雨时程分配,产流﹑汇流进行计算,九堡水位站瞬时单位线法计算成果见表1。

表1 瞬时单位线法各设计频率洪峰流量计算成果

2.2 由参证站水文比拟法推求洪峰流量

水文比拟法是通过选择参证流域,利用具有较长水文观测资料系列的参证流域和待研究流域的水文条件、主要影响因素具有的相似性,分析待研究流域水文规律和设计水文参数的一种实用的水文分析计算方法[4]。澄江九堡河段以上流域与湘水筠门岭水文站、濂水羊信江水文站流域水文条件和主要影响因素相似性较高,同属水文Ⅰ区,且流域面积均较小,为贡水支流、相距较近,同有属丘陵低山区、流域下垫面条件等相似产流条件,并有长系列水文资料,由湘水筠门岭水文站、濂水羊信江水文站推求九堡站设计洪水流量具有较好的适用性。

筠门岭水文站为国家基本水文站,于1983年12月设立,处于湘水上游,控制流域面积460km2。流域多年平均:气温19.3℃、年降水量1560mm、年水面蒸发量1150mm;流域以低山丘陵为主,边界明显,河流为山区性河流,洪水陡涨陡落,汇流时间短。与九堡站直线距离约80km。

羊信江站为国家基本水文站,于1958年1月设立,处于濂水中游,控制流域面积面积569km2。流域多年平均:气温18.7℃、年降水量1610mm、年水面蒸发量1090mm。流域以低山丘陵为主,边界明显,河流为山区性河流,洪水陡涨陡落,汇流时间短。与九堡站直线距离约90km。

依据两水文站实测洪峰流量频率计算成果,采用面积比拟法推求九堡水位站不同频率的洪峰流量。计算公式为

Q设=Q参(F设/F参)n

水文比拟法推求的九堡水位站不同频率设计洪水洪峰流量见表2。

表2 水文比拟法各设计频率洪峰流量计算成果

2.3 预警水位相应洪峰流量确定

由上述两种方法计算九堡水位站设计洪水成果,见表3。

表3 九堡水位站设计洪水计算成果

由表3可知,瞬时单位线法结果偏大,水文比拟法两站设计洪水相近;经与附近水利工程设计洪水计算成果进行对比,其采用方法均为水文比拟法,因此采用水文比拟法设计洪水成果。羊信江水文站所在流域的气候特征与九堡水位站所在流域较为相似,且羊信江水文站建站时间较长,测到了较多的大洪水过程,因此采用成果为羊信江站水文比拟法成果。

3 水位站水位流量关系曲线率定

九堡水位站无实测流量资料,测验河段顺直,上下游控制条件较好,河床由岩石、卵石和泥沙组成,断面基本稳定。测验断面水位流量关系采用曼宁公式法推求,断面面积A根据实测断面资料算得,洪痕比降为实测值1.8‰,糙率按《山洪灾害分析评价方法指南》中天然河道糙率表取0.045。九堡水位站水位流量关系曲线见图1,计算成果见表4。2019年实测一次,流量为23.7m3/s,测时水位202.31m,基本与推流成果一致。

图1 九堡水位站水位流量关系曲线

表4 九堡水位站水位流量关系曲线计算成果

4 预警水位分析确定

九堡水位站测验断面位于九堡镇的圩镇(圩镇即集市),河道两岸为民房,周围有医院、小学、菜市场等重点保护对象,人口较为密集。根据“2019·07·14”洪水调查成果画出“2019·07·14”洪水水面线成灾水位分布图,见图2,当九堡站测验断面水位达到204.00m时,圩镇沿河房屋和低洼地带开始过水,若水位继续上涨,则断面所在圩镇菜市场和卫生院及下游黄渡村等房屋将要进水、被水淹。因此,可以确定204.00m为九堡站河段成灾水位,当预报九堡站水位将要达到或超过204.00m时,提醒九堡站上下游的谢村、珠斗坝村、黄渡村、回龙村等沿河村庄提前防范洪水[6]。

图2 “2019·07·14”洪水水面线成灾水位分布

从2019年实测较大洪水过程分析,最大涨率出现7月14日5时(201.86m)至10时(206.99m),历时5h,涨幅5.13m,平均最大1h洪水涨落率为1.00m左右,从主锋雨结束到洪峰出现约2～3h,按照九堡镇的圩镇204.00m成灾水位,提前0.5h以上进行预警响应,综合分析确定九堡站预警水位为203.50m[7]。

5 预警水位成果合理性分析

根据该站已有实测资料,从2015年建站至2023年的8年时间,九堡水位站达到或超过203.50m的洪水有6次,最高水位为206.99m(2019年7月14日),从发生频率来看,确定九堡水位站预警水位为203.50m较为合理。

九堡水位站水位203.50m,查水位流量关系曲线得到相应流量为113m3/s,约等于该水位站2年一遇设计流量(118m3/s),与区域由较长水位、流量系列分析确定的警戒水位出现频率基本一致,这表明确定该水位为九堡站预警水位成果是合理的。

6 预警范围确定

预警水位是为中小河流洪水预警服务的,应根据中小河流水文(位)站地理位置、上下游水利工程分布情况、村镇分布情况、重要保护对象分布情况等综合确定预警水位的预警范围。预警范围内一般无干支流交汇点,预警范围内的河段水位受水利工程影响较小,涨幅应与关联站点水位涨幅有较好的相关关系[8]。结合九堡水位站上、下游地理位置和水利工程分布情况,确定九堡站预警范围为上游至5.3km处的清溪村,下游至12.3km处的云石山村。

7 结 语

中小河流洪水具有汇流时间短、洪水预警难度大的特点,洪灾是我国南方湿润地区特别是其山丘区重要灾害之一。确定中小河流站点预警水位,可以更加精准有效地对所在河段洪水进行预警,增强中小河流防灾减灾能力和风险管理能力,减少人员伤亡和财产损失。在洪水资料短缺的条件下,通过区域洪水特性分析和预警河段洪水调查确定的江河预警水位,既符合区域洪水变化规律,又兼顾了测站河道特性,精度较高,对区域洪水风险预警有重要的指导作用,有广泛的应用前景。但因河道断面受到洪水及人类活动等因素的影响,可能会有所变化,其水位流量关系也会随之变动。因此,在预警水位使用过程中,应根据测站上、下游河道演变情况,及时修正预警水位值,为防洪减灾提供更合理有效的洪水风险预警信号指标。