李善綜，王 森，農(nóng) 珊，劉和昌

(1.水利部珠江水利委員會技術(shù)咨詢中心，廣州 510611；2.水利部珠江河口動力學及伴生過程調(diào)控重點實驗室，廣州 510611)

警戒水位是可能造成防洪工程出現(xiàn)險情的河流和其他水體的水位[1]，是防汛部門規(guī)定的各江河流域需要處于防守戒備狀態(tài)的水位，江河流域主要控制斷面、水情站以及堤防工程等一般都設(shè)有警戒水位，該水位直接或間接反映防護區(qū)的汛情危機程度，提供給防汛指揮部門作為決策指揮依據(jù)，到達該水位時防汛工作進入重要時期，應(yīng)進行防汛動員，調(diào)動常備防汛隊伍，加強巡邏戒備，對于有堤防的地區(qū)應(yīng)加強巡查防守，密切注意水情、工情、險情的發(fā)展變化，加派值班人員和增加防險巡邏次數(shù)，組織后備力量做好防洪搶險的一切準備；對于無堤防工程的地區(qū)，地方有關(guān)部門要及時通知和組織當?shù)鼐用褡龊镁用?、財產(chǎn)和物資安全轉(zhuǎn)移準備，當洪水繼續(xù)上漲險情惡化時能得以安全脫離，盡量避免和減小洪災(zāi)損失[1]。警戒水位關(guān)系到河道和堤防區(qū)的防汛大局，水位擬定要恰當，定得過高將不能實現(xiàn)對洪水的有效預(yù)警，增加防洪風險，定得過低將導(dǎo)致有警無險的情況增加，給防洪人力、財力和物力帶來不必要的損失。

我國南方大部分地區(qū)河流警戒水位的擬定時期較早，許多地區(qū)現(xiàn)行警戒水位已經(jīng)沿用數(shù)十年[2]，警戒水位擬定的相關(guān)研究較少，現(xiàn)行警戒水位的擬定大多是根據(jù)當時的堤防防洪能力以及洪水經(jīng)驗確定，主觀性較強，缺乏嚴格的科學論證，且大多偏于保守，隨著河流岸線的變化，城市建設(shè)的發(fā)展，部分地區(qū)現(xiàn)行警戒水位已不適應(yīng)防汛工作的需要，警戒水位過于保守的弊端逐漸凸顯，部分地區(qū)年發(fā)布預(yù)警數(shù)十次，且大多有警無險，導(dǎo)致防汛部門以及群眾產(chǎn)生松懈麻痹思想，失去警戒作用，而且對防汛工作人力、財力、物力造成了極大的浪費。

本文提出一種結(jié)合歷史洪水過程與地區(qū)特點的警戒水位擬定方法，并以西南地區(qū)某水情站警戒水位復(fù)核調(diào)整為例介紹了方法的應(yīng)用，對于全國其他地區(qū)警戒水位復(fù)核擬定具有重要的參考價值，在一定程度上也豐富充實了河流防洪特征水位的方法體系。

1 警戒水位擬定研究進展

對于有堤防的河段，警戒水位的擬定一般采用堤腳水位作為警戒水位，無堤防等防護工程河段警戒水位的擬定方式仍以地方防汛部門經(jīng)驗為主，以該方式擬定警戒水位充分考慮并發(fā)揮了地方防汛部門的防洪工作經(jīng)驗的價值，但缺少充分科學的論證依據(jù)，且易受個人主觀意識影響，在近年來警戒水位復(fù)核擬定中的應(yīng)用日漸減少，即使對于有堤防河段，以堤腳為控制確定警戒水位也只是防汛經(jīng)驗的一種總結(jié)，缺少嚴謹?shù)目茖W論證。

近些年關(guān)于警戒水位擬定方式的研究具有一定進展，林荷娟、程媛華等在太湖流域警戒水位的研究中采用了合理的水位重現(xiàn)期的方式確定太湖流域警戒水位[3]；葉林宜提出了警戒水位在有堤防地區(qū)以控制站多年平均年最高水位為基礎(chǔ)，結(jié)合堤防工程防洪能力、險工情況確定，無堤防的城鎮(zhèn)，視住宅區(qū)、倉庫、碼頭等較低地面高程情況確定的思路[4]；黃琳煜等人在浦東新區(qū)內(nèi)河防洪警戒水位擬定時采用以水位站特征水位值做頻率計算的方式計算常遇洪水位，以此為基礎(chǔ)結(jié)合水面積、防洪能力等因素綜合核定警戒水位[5]；胡昌鑫在黃浦江警戒水位標準的探討中提出采用年最高潮位頻率作為警戒水位的基本依據(jù)，提出上海地區(qū)防汛警戒水位標準[6]；朱振華、周云結(jié)合工程實際提出了“根據(jù)防洪安全要求，并考慮經(jīng)濟、政治、社會、環(huán)境等因素，綜合論證確定”的方式確定薔薇河警戒水位[7]。以上方法及方式在應(yīng)用中仍具有一定的局限性，警戒水位擬定過程及頻率標準選取經(jīng)驗性較強，且頻率標準選取缺乏合理佐證，在工程實踐的應(yīng)用上推廣存在一定的限制。

2 研究思路

警戒水位的研究擬定必須要緊密結(jié)合當?shù)靥攸c，包括現(xiàn)狀防洪能力、防洪工程運行情況、防洪薄弱地段以及歷史上洪水損失情況等，本次研究在地區(qū)特點的基礎(chǔ)上結(jié)合歷史洪水條件提出一種通用的警戒水位擬定方法，主要研究思路如下：

首先，對研究區(qū)域進行實地調(diào)查，摸清沿河地區(qū)主要防洪敏感對象分布并通過測量以及查圖等方式得出其高程，確定控淹水位，并通過地區(qū)防汛部門調(diào)研確定防洪敏感地區(qū)在洪水期疏散群眾組織撤離所需要的時間。

其次，將防洪敏感對象控淹水位信息通過斷面水位流量關(guān)系或河道水面線推導(dǎo)與水情站水位流量關(guān)系建立相關(guān)關(guān)系，確定敏感對象達到控淹水位時水情站對應(yīng)出險水位以及流量數(shù)據(jù)。

第三，整理分析站點歷史洪水資料，選擇長系列中上漲到出險水位對應(yīng)流量的歷史洪水集。

第四，根據(jù)擬定的篩選原則，從歷史洪水集中選擇具有代表性的典型洪水過程，根據(jù)群眾疏散所需時間以及對應(yīng)時段的典型洪水過程線倒推符合安全性原則的起漲水位，即為擬定的警戒水位。

第五，針對擬定的警戒水位，根據(jù)歷史場次洪水過程進行模擬分析，計算出險次數(shù)占發(fā)布預(yù)警次數(shù)的比例以及對應(yīng)流量的重現(xiàn)期標準分析警戒水位的合理性。

3 河流警戒水位擬定方法

3.1 出險水位分析

通過對擬設(shè)置或復(fù)核警戒水位的目標斷面所在河段范圍內(nèi)易受淹沒的農(nóng)村、城鎮(zhèn)等防洪敏感對象實地調(diào)查得出各敏感對象受淹最低高程，即敏感對象的控制淹沒水位Z淹，簡稱控淹水位，并根據(jù)敏感對象所在斷面的水位流量關(guān)系確定控淹水位對應(yīng)流量。

3.2 最小警戒預(yù)留時長分析

警戒水位是地區(qū)防洪搶險工作的重要指標之一，從偏安全的角度出發(fā)，在防洪預(yù)警發(fā)布最不利的條件下也應(yīng)能保障下游群眾安全有序的疏散撤離，也即不考慮預(yù)報的因素，洪水達到警戒水位時才發(fā)布預(yù)警，自發(fā)布預(yù)警起至可能受影響地區(qū)的居民全部疏散完畢所需的最小時間即為警戒時長ΔT警。

3.3 典型洪水分析

3.3.1 歷史洪水篩選

為保證資料的代表性，選取長系列的歷史場次洪水資料，得到場次洪水集合A，在A集合中篩選最大流量達到或超過Q險的洪水場次，形成集合B，稱為出險洪水集合，納入該集合的洪水主要特征是洪水再次發(fā)生時以現(xiàn)有河段防洪能力將會發(fā)生險情造成損失。

3.3.2 典型洪水過程選擇

根據(jù)水情站報汛對象的重要程度以及防洪能力，按照以下原則選擇典型洪水過程：

(1)報汛對象較為重要，發(fā)生險情時損失較大，防洪能力薄弱或現(xiàn)狀無防護工程時，宜采用偏安全的原則選取最不利條件下的洪水過程為典型洪水推求警戒水位。即B集合中所有場次洪水中洪水過程線Z險水位對應(yīng)時刻t險前ΔT警時段內(nèi)水位變幅最大的洪水即為典型洪水。

(2)報汛對象防洪體系較為完善，抵御洪水的能力較好的情況時，在集合B中選擇量級與報汛對象防洪能力相近的場次洪水中選擇相對不利的情況推求警戒水位。即B集合中洪水進一步篩選，取重現(xiàn)期與報汛對象防洪工程設(shè)計洪水重現(xiàn)期相近的場次洪水過程中Z險水位對應(yīng)時刻t險前ΔT警時段內(nèi)水位變幅最大的洪水為典型洪水。

3.4 警戒水位擬定

在選定的典型洪水的洪水過程線中尋找Z險所在時間點t險，根據(jù)t險時刻前推ΔT警時長至時刻t′，則t′對應(yīng)洪水過程線相應(yīng)水位即為推薦的警戒水位Z警，擬定過程見圖1。

圖1 警戒水位擬定示意圖Fig.1 The sketch map of drafting warning level

3.5 合理性分析

根據(jù)警戒水位擬定過程可以看出，在洪水系列具有較好代表性的情況下擬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對防汛工作人力、物力資源的有效運用情況，采用歷史場次洪水過程集合A全部系列代入擬定的警戒水位分析，以出險次數(shù)占預(yù)警次數(shù)的比例來衡量警戒水位設(shè)置對防汛資源的有效利用情況以及預(yù)警的有效性。

4 案例應(yīng)用

以某水情站警戒水位復(fù)核調(diào)整為例闡述方法的具體應(yīng)用。該水情站所在河流為西江的二級支流，水情站下游400 m左右即為一處鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地，鄉(xiāng)鎮(zhèn)建有防洪堤，設(shè)計標準為10 a一遇，鄉(xiāng)鎮(zhèn)及水情站之間為農(nóng)田以及部分村寨，鄉(xiāng)鎮(zhèn)及區(qū)間村寨是水情站的主要報汛對象。該水情站現(xiàn)狀警戒水位109.7 m，警戒流量550 m3/s，現(xiàn)行警戒水位運行已有數(shù)十年，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展以及河道自然演變的影響，流域下墊面條件、兩岸風貌以及河道水情特性等發(fā)生了較大的變化，現(xiàn)行警戒水位已不滿足防汛工作需求，根據(jù)地區(qū)近14 a來有記錄防汛工作統(tǒng)計，警戒水位過低導(dǎo)致14 a間來每年均多次發(fā)布預(yù)警，平均超警戒天數(shù)22 d，預(yù)警發(fā)布過于頻繁，絕大多數(shù)有警無險，對防汛資源造成了極大的浪費，且易產(chǎn)生松懈麻痹思想，失去警戒作用。

(1)出險水位分析。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，敏感對象主要有兩處，一是堤防上游段近水情站部位相對薄弱，該處距上游水情站基本水尺斷面320 m，查閱堤防設(shè)計成果，該部位設(shè)計洪水水面線高程約為111.80 m；二是水情站西側(cè)80 m左右有一處村寨，是兩岸村寨中距與河道常水位高差最小一處，高程為111.93 m。

堤防至水情站斷面河道順直且無支流匯入，河道特性基本無變化，采用比降加河長的方式推算堤防保證水位時水情站對應(yīng)水位，該河段比降7.5‰，則：

村寨淹沒最低點與基本水尺斷面位于同一斷面內(nèi)：

(2)水位流量關(guān)系復(fù)核。根據(jù)水情站最新整編資料對水情站所在斷面以及主要控制淹沒點斷面水位流量關(guān)系進行復(fù)核，確定各斷面的Z-Q關(guān)系曲線。

(3)最小警戒預(yù)留時長。根據(jù)對該水情站主管部門防汛工作的調(diào)研了解，在報汛站點到達警戒水位時自預(yù)警發(fā)布至下游村寨及周邊居民疏散及完全撤離最少需3 h，即ΔT警=3 h。

(4)典型洪水及警戒水位推求。由于村寨無防洪工程，擬采用偏安全的方法即在水情站長系列場次洪水過程中選取最不利洪水作為典型洪水，經(jīng)篩選2012年6月23日洪水為最不利洪水，洪水過程及警戒水位推求過程見圖2。

圖2 典型洪水過程及警戒水位推求Fig.2 The hydrograph of typical flood and calculation of warning level

經(jīng)推求該水情站警戒水位擬定為111.00 m。

(5)合理性分析。該水情站擬定警戒水位111.00 m，查水情站控制斷面水位流量關(guān)系對應(yīng)流量1 058 m3/s，重現(xiàn)期相當于2 a。

根據(jù)擬定的合理性分析方法，將警戒水位及出險水位數(shù)據(jù)代入場次洪水集合，水情站歷史洪水資料系列相對較短，僅有14 a合計35場洪水資料，統(tǒng)計達到警戒水位的場次洪水過程共有12次，達到出險水位的洪水過程僅有5次，出險洪水占預(yù)警洪水次數(shù)的42%，而按照原109.7 m的警戒水位統(tǒng)計，35場洪水全部達到預(yù)警標準，出險洪水占預(yù)警洪水次數(shù)的14%，預(yù)警頻率高，預(yù)警效率低，由此可見警戒水位復(fù)核調(diào)整后在保障防汛安全性的前提下極大的節(jié)省了防汛工作人力、物力資源。

5 結(jié) 語

警戒水位是各地區(qū)防汛部門汛期防洪工作有效關(guān)鍵指標之一，多年以來警戒水位的擬定多以經(jīng)驗性方法為主，本文結(jié)合警戒水位擬定研究進展情況，提出了一種河流警戒水位的計算方法，以定量計算的方式確定河流警戒水位，并以某地水情站警戒水位復(fù)核調(diào)整工作為例闡述了方法的具體應(yīng)用，克服了以往經(jīng)驗性方法中缺乏科學論證的缺陷，有利于防汛資源的節(jié)約及高效利用，也有利于實現(xiàn)防汛工作的科學決策，對于其他地區(qū)開展警戒水位復(fù)核調(diào)整以及擬定的相關(guān)工作具有很好的參考價值。