陳睿智 吳鋼堅(jiān) 劉壯添

（1.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611；2.惠州市惠陽區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村和水利局，惠州 516200）

0 引 言

警戒水位是指可能造成防洪工程或防護(hù)區(qū)出現(xiàn)險(xiǎn)情的河流和其他水體的水位[1]，是防汛部門開展防汛指揮決策的重要依據(jù)。警戒水位的擬定要兼顧安全與影響，擬定結(jié)果過高會導(dǎo)致洪水預(yù)警發(fā)布不及時(shí)，人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅，擬定結(jié)果過低則會導(dǎo)致不必要的洪水預(yù)警頻繁發(fā)布，浪費(fèi)人力物力的同時(shí)也會造成不良的社會影響。

目前，河流警戒水位的擬定尚無統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，方法五花八門。尤其是中小河流，由于資料較少，警戒水位多數(shù)是根據(jù)防汛人員經(jīng)驗(yàn)確定，合理性受擬定人員的經(jīng)驗(yàn)和業(yè)務(wù)水平影響較大。近年來，國內(nèi)一些專家、學(xué)者也就警戒水位的擬定方法開展了一些探討。從警戒水位擬定的考慮因素上，多數(shù)的觀點(diǎn)認(rèn)為，對于有堤防河段警戒水位應(yīng)結(jié)合堤防工程的防洪能力、險(xiǎn)工情況而定，對于無堤防河段應(yīng)結(jié)合兩岸重要保護(hù)對象情況確定[2-9]；從警戒水位分析手段上，王春宇[9]采用多因子聯(lián)合方法對遼河干流警戒水位進(jìn)行分析，劉和昌等[5]利用Copula 函數(shù)建立洪水水位漲率與洪水損失的條件概率分布函數(shù)，提出考慮洪水損失的江河警戒水位擬定方法，劉衛(wèi)林等[7]采用一維水動力模型對羅塘河的警戒水位進(jìn)行了分析；從警戒水位預(yù)警對象確定上，黃琳煜等[10]提出了通過分區(qū)域核定警戒水位減少警戒水位超限次數(shù)的擬定思路。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合中小河流警戒水位擬定過程中遇到的實(shí)際問題，提出一套適用于中小河流洪水形成快、成災(zāi)頻次高、實(shí)測資料少特點(diǎn)的警戒水位擬定思路和流程，并配以典型案例進(jìn)行說明，為國內(nèi)類似區(qū)域中小河流警戒水位擬定提供參考。

1 中小河流警戒水位擬定的重要考慮因素

1.1 警戒水位的預(yù)警對象及預(yù)警斷面

（1）預(yù)警對象。警戒水位的預(yù)警對象是指警戒水位目標(biāo)預(yù)警范圍內(nèi)的重要保護(hù)對象。明確預(yù)警對象是警戒水位合理擬定的前置條件之一。對于比降較小的河流，上下游水面線落差不大，可將整個(gè)預(yù)警范圍作為唯一的預(yù)警對象。對于比降較大的河流，建議將預(yù)警范圍按空間分布劃分為若干個(gè)預(yù)警對象，進(jìn)行分區(qū)預(yù)警。為便于防汛工作的開展，中小河流警戒水位的預(yù)警對象通常與防汛應(yīng)急的責(zé)任單元對應(yīng)。在我國，地方防汛應(yīng)急普遍以行政區(qū)劃為單元，因此中小河流的警戒水位預(yù)警對象一般確定為河流洪水影響范圍內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)行政單元。

（2）預(yù)警斷面。用于判斷河流水位是否超警的斷面為警戒水位的預(yù)警斷面。預(yù)警斷面位置選擇主要考慮以下3個(gè)方面：①具有長系列的監(jiān)測數(shù)據(jù)用于支撐警戒水位的擬定；②方便獲取實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)布預(yù)警；③斷面位置宜位于預(yù)警對象上游或附近，可以有效預(yù)判預(yù)警對象的洪水風(fēng)險(xiǎn)。綜合以上3 點(diǎn)，通常在預(yù)警對象上游或附近選取具有較長時(shí)間觀察數(shù)據(jù)的水文站點(diǎn)作為預(yù)警斷面。

1.2 預(yù)警對象的成災(zāi)水位及應(yīng)急響應(yīng)所需時(shí)間

（1）成災(zāi)水位。成災(zāi)水位即引發(fā)洪水災(zāi)害的水位，預(yù)警對象成災(zāi)水位是合理擬定警戒水位的重要依據(jù)之一。在實(shí)際工作中，中小河流通常水文監(jiān)測站點(diǎn)較少，難以獲取足夠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，成災(zāi)水位一般以預(yù)警對象最易發(fā)生河道漫溢河段兩岸堤（岸）頂高程或重要保護(hù)對象地面高程確定。

（2）應(yīng)急響應(yīng)所需時(shí)間。預(yù)警對象在接到預(yù)警后，是否有足夠時(shí)間組織開展應(yīng)急搶險(xiǎn)及人員轉(zhuǎn)移疏散，是警戒水位擬定需要考慮的另一關(guān)鍵要素。應(yīng)急響應(yīng)所需時(shí)間與預(yù)警涉及的范圍、人口、通訊條件、交通條件、防汛人員的經(jīng)驗(yàn)及數(shù)量等方面均有關(guān)系，一般建議結(jié)合當(dāng)?shù)胤姥床块T經(jīng)驗(yàn)確定。

1.3 河道洪水特征及演進(jìn)規(guī)律

為了確定預(yù)警斷面與預(yù)警對象間水位的相關(guān)關(guān)系，合理擬定警戒水位，需要全面了解河道的洪水特征及演進(jìn)規(guī)律，主要包括歷史洪水情況、洪水演進(jìn)速度、洪水水位漲率等。

（1）歷史洪水情況。在警戒水位擬定過程中，可通過復(fù)演歷史洪水情景來驗(yàn)證警戒水位擬定的合理性。歷史洪水情況包括水位、流量過程，洪痕、淹沒范圍、淹沒水深、災(zāi)害損失等情況。一般可通過歷史資料查閱及現(xiàn)場調(diào)查、測量獲取。

（2）洪水演進(jìn)速度。通過洪水演進(jìn)速度，可以估算預(yù)警斷面到預(yù)警對象間的洪水演進(jìn)時(shí)間。洪水演進(jìn)速度與洪水過程形態(tài)及河道斷面形式、比降、糙率等要素均有關(guān)系。在河道水文站點(diǎn)較多的情況下可通過實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析獲取，若水文站點(diǎn)較少，可通過經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證的河道水動力數(shù)值模型分析獲取。

（3）洪水水位漲率。洪水水位漲率是指漲洪過程中單位時(shí)間內(nèi)洪水水位上漲的最大幅度，是確定警戒水位與成災(zāi)水位關(guān)系的一個(gè)重要考慮要素。預(yù)警斷面通常具有長系列監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此預(yù)警斷面的洪水水位漲率可通過多場實(shí)測洪水過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到。

2 中小河流警戒水位擬定思路

考慮上述影響警戒水位擬定的重要因素，結(jié)合中小河流洪水形成快、成災(zāi)頻次高、實(shí)測資料少的特點(diǎn)，本文提出一套結(jié)合洪水災(zāi)害調(diào)查、實(shí)地測量測驗(yàn)和數(shù)值模擬分析的警戒水位擬定思路和流程，如圖1所示，具體如下：①在基礎(chǔ)地理資料、工程及調(diào)度資料、水文及洪水資料收集的基礎(chǔ)上，結(jié)合目標(biāo)預(yù)警范圍和河道水文監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)情況，綜合確定預(yù)警對象及預(yù)警斷面。②進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研及測量測驗(yàn)工作，了解河流險(xiǎn)工險(xiǎn)段、歷史洪水災(zāi)害情況及防汛應(yīng)急工作情況，開展歷史洪水洪痕、重要保護(hù)對象高程、河道斷面等關(guān)鍵數(shù)據(jù)測量，在水文站點(diǎn)密度不夠或?qū)崪y數(shù)據(jù)系列長度數(shù)據(jù)不足時(shí)，開展必要的河道水文觀測試驗(yàn)。③綜合現(xiàn)場調(diào)研及測量測驗(yàn)結(jié)果，確定預(yù)警對象成災(zāi)水位。④構(gòu)建河道水動力數(shù)值模型，推求預(yù)警斷面與預(yù)警對象水位相關(guān)關(guān)系及傳播時(shí)間。⑤結(jié)合洪水水位漲率、應(yīng)急響應(yīng)所需時(shí)間等要素，綜合擬定預(yù)警斷面的警戒水位。

圖1 中小河流警戒水位擬定流程圖

根據(jù)上述思路，預(yù)警斷面對應(yīng)的警戒水位可由以下公式計(jì)算確定：

其中

式中：AL為預(yù)警對象對應(yīng)的預(yù)警斷面警戒水位，m；OL為預(yù)警對象對應(yīng)的預(yù)警斷面成災(zāi)水位，可通過河道水動力數(shù)值模型推求，m；TT為預(yù)警對象應(yīng)急響應(yīng)所需時(shí)間，通常通過防汛部門調(diào)研獲取，h；TF為洪水在預(yù)警對象易淹段和預(yù)警斷面間的演進(jìn)時(shí)間，h；D為預(yù)警對象易淹段與預(yù)警斷面的距離，m；V為洪峰在預(yù)警對象易淹段與預(yù)警斷面間的演進(jìn)速度，可通過實(shí)測資料計(jì)算或河道水動力數(shù)值模型推求，m/s；R為預(yù)警斷面的洪水水位漲率，可通過長系列實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)得到，m/h。

需要特別說明的是，式（2）中TF在警戒水位擬定中主要用于反映洪峰流量在預(yù)警斷面和預(yù)警對象易淹段出現(xiàn)時(shí)間的先后關(guān)系對警戒水位的影響。在條件允許情況下，預(yù)警斷面盡量選擇位于預(yù)警對象易淹段上游的斷面，以提前反映預(yù)警對象的洪水風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)出現(xiàn)預(yù)警斷面位于預(yù)警對象易淹段下游的情況時(shí)，式（2）中D應(yīng)取負(fù)值，相應(yīng)的TF亦為負(fù)值，以預(yù)留更多的預(yù)警提前量。

3 實(shí)例應(yīng)用

以淡水河惠陽段警戒水位擬定為例，闡述本文提出的中小河流警戒水位擬定方法的具體應(yīng)用。

3.1 基本情況

淡水河是珠江流域東江水系的二級支流，發(fā)源于深圳市梧桐山以北，流經(jīng)深圳、惠州兩市，在紫溪口匯入西枝江。淡水河集水面積1 172 km2，平均坡降0.57‰，河長95 km，其中惠陽區(qū)境內(nèi)51.6 km。淡水河流域集雨面積較小、河道比降較陡，洪水形成速度快，水位具有中小河流常見的陡漲陡落特點(diǎn)，一般洪水高水位持續(xù)時(shí)間不超過1 d。2000年以后淡水河曾發(fā)生“2008.9”“2018.9”兩場較為嚴(yán)重的洪水災(zāi)害。

淡水河惠陽段在過去的幾十年間一直采用淡水站18.6 m（珠江基面，下同）作為警戒水位，該警戒水位是根據(jù)當(dāng)時(shí)的水利工程條件和重點(diǎn)防護(hù)對象確定的，已不適應(yīng)當(dāng)前防洪減災(zāi)工作的需要，需要對警戒水位進(jìn)行復(fù)核、調(diào)整。

3.2 預(yù)警對象及預(yù)警斷面確定

為便于防汛工作的開展，淡水河惠陽段警戒水位的預(yù)警對象確定為淡水河在區(qū)內(nèi)流經(jīng)的4個(gè)行政單元：淡水街道、秋長街道、三和街道、永湖鎮(zhèn)。預(yù)警斷面的選擇上，淡水河上現(xiàn)有白石、淡水兩個(gè)水位站，其中白石站位于淡水河惠陽段的最上游，從地理位置上看最有利于洪水風(fēng)險(xiǎn)的提前預(yù)警，但該站于2017 年建成試運(yùn)行，實(shí)測數(shù)據(jù)系列較短，難以滿足警戒水位分析數(shù)據(jù)要求。而淡水站位于淡水河惠陽段的中上游，地理位置上雖位于白石站下游，但白石站與淡水站區(qū)間有坪山河和橫嶺水兩條最大的支流匯入，淡水站水位更能反映全流域的洪水風(fēng)險(xiǎn)，且淡水站建成于1959年，有較長時(shí)間的實(shí)測數(shù)據(jù)，一直以來也作為防汛部門發(fā)布預(yù)警的監(jiān)測站點(diǎn)。綜上考慮，選擇淡水站為惠陽區(qū)淡水河洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警斷面。預(yù)警斷面與預(yù)警對象位置關(guān)系見圖2。

圖2 預(yù)警斷面與預(yù)警對象位置關(guān)系示意圖

3.3 預(yù)警對象成災(zāi)水位確定

通過對淡水河沿線4 個(gè)街（鎮(zhèn)）開展現(xiàn)場調(diào)查和測量，以各街（鎮(zhèn)）沿河最易受到洪水威脅區(qū)域的最低堤防（岸線）高程確定成災(zāi)水位。通過綜合分析，最終確定淡水街道、秋長街道、三和經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、永湖鎮(zhèn)4 個(gè)街（鎮(zhèn)）對應(yīng)的成災(zāi)水位分別為22.01 m、21.20 m、19.08 m、17.65 m。

3.4 數(shù)值模擬構(gòu)建與分析

為充分認(rèn)識淡水河的洪水演進(jìn)規(guī)律，分析沿線街（鎮(zhèn)）與淡水站間水位關(guān)系與洪水演進(jìn)時(shí)間，構(gòu)建淡水河一維水動力數(shù)值模型。模型范圍為淡水河惠深交界處-紫溪口51.6 km河道，模型共布置了261個(gè)斷面并考慮了淡水河上2 座溢流堰及24 座橋梁的阻水作用。為確保模型模擬精度，采用2019年汛期淡水河7個(gè)水文測驗(yàn)點(diǎn)的水位流量同步觀測結(jié)果進(jìn)行了模型率定，采用“2018.9”山竹臺風(fēng)期間的淡水河兩岸洪痕調(diào)查成果進(jìn)行模型驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果（圖3）表明，模型可以很好地反映淡水河水動力要素的變化情況，滿足警戒水位分析要求。

圖3“2018.9”實(shí)測洪痕與模型復(fù)演結(jié)果對比

采用經(jīng)過驗(yàn)證后的數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算分析可得：

（1）預(yù)警對象與預(yù)警斷面間水位關(guān)系（OL）：通過淡水河一維恒定流試算，可推求得淡水街道、秋長街道、三和街道、永湖鎮(zhèn)成災(zāi)水位對應(yīng)的淡水站水位分別為20.30 m、

21.19 m、20.19 m、21.74 m。

（2）預(yù)警對象易淹段和預(yù)警斷面間的洪水演進(jìn)時(shí)間（TF）：該要素可由洪峰演進(jìn)速度（V）和預(yù)警對象易淹段與淡水站距離（D）采用式（2）計(jì)算得到。淡水河惠陽段河長較短，水動力特征無大變化。因此采用淡水河惠陽段的平均洪峰演進(jìn)速度作為各街（鎮(zhèn)）易淹段與淡水站間洪峰演進(jìn)速度。利用淡水河一維模型對“2008.9”“2018.9”兩場歷史大洪水進(jìn)行復(fù)演，可計(jì)算得淡水河惠陽段的平均洪峰演進(jìn)速度，并將結(jié)果與水文同步測驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，從偏安全角度考慮，選取“2008.6”洪水計(jì)算結(jié)果2.96 m/s 作為洪峰演進(jìn)速度（V）取值（表1）。

表1 洪水演進(jìn)速度分析結(jié)果

根據(jù)洪峰演進(jìn)速度（V）和各街（鎮(zhèn)）易淹段與淡水站距離（D），可計(jì)算得到各區(qū)間的洪水演進(jìn)時(shí)間（TF），如表2所示。

表2 預(yù)警對象易淹段和預(yù)警斷面間的演進(jìn)時(shí)間

3.5 洪水水位漲率（R）計(jì)算

預(yù)警斷面淡水站具有超過50 a的實(shí)測水位數(shù)據(jù)，其中1994年淡澳分洪河竣工后的河道工況與現(xiàn)狀接近。因此選取1994—2018年期間，洪峰水位高于18.6 m的場次洪水進(jìn)行洪水水位漲率分析。從分析結(jié)果看，洪水水位漲率與洪峰水位成正相關(guān)關(guān)系（圖4），洪峰水位高于18.6 m 場次洪水平均水位漲率為0.14 m/h，洪峰水位高于20 m場次洪水平均漲率為0.20 m/h。從偏安全角度考慮，選取洪水水位漲率（R）0.20 m/h用于警戒水位分析。

圖4 淡水站洪水水位漲率與洪峰水位關(guān)系圖

3.6 警戒水位綜合擬定

根據(jù)上述各要素計(jì)算成果，結(jié)合實(shí)地調(diào)研了解到的各街（鎮(zhèn)）應(yīng)急響應(yīng)所需時(shí)間（TT）均為6 h，采用式（1）可計(jì)算得到秋長街道、淡水街道、三和街道和永湖鎮(zhèn)對應(yīng)的淡水站警戒水位分別為18.9 m、19.9 m、19.1 m、20.9 m。

3.7 警戒水位擬定結(jié)果合理性分析

從警戒水位計(jì)算結(jié)果看，各街（鎮(zhèn)）淡水站分區(qū)警戒水位均高于原值（18.6 m）。為進(jìn)一步復(fù)核警戒水位擬定的合理性，采用2008—2018年間淡水站實(shí)測水位過程，分析警戒水位調(diào)整前后預(yù)警次數(shù)、預(yù)警覆蓋區(qū)域、預(yù)警漏報(bào)率、預(yù)警命中率及預(yù)警誤報(bào)率等指標(biāo)，結(jié)果見表3。其中預(yù)警漏報(bào)率、預(yù)警命中率、預(yù)警誤報(bào)率的計(jì)算方式如下：

式中：FP為實(shí)際成災(zāi)但未發(fā)布預(yù)警的洪水場次；TP為預(yù)警發(fā)布后實(shí)際成災(zāi)的洪水場次；TN為發(fā)布預(yù)警但未實(shí)際成災(zāi)的洪水場次；TOD為實(shí)際成災(zāi)的洪水總場次；TOW為發(fā)布預(yù)警的總次數(shù)。

表3 警戒水位調(diào)整前后預(yù)警情況對比表

從分析結(jié)果看，2008—2018 年期間淡水站發(fā)生超18.6 m 水位洪水共15 場，按本次調(diào)整后的分區(qū)警戒水位，需要發(fā)布洪水預(yù)警的共有10 場，其中“2008.6”洪水和“2018.9”洪水共兩場實(shí)際成災(zāi)洪水需進(jìn)行全部區(qū)域預(yù)警，其余8場洪水為部分區(qū)域預(yù)警。

從直接關(guān)系到人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的預(yù)警漏報(bào)率指標(biāo)看，無論采用調(diào)整前、后的警戒水位，預(yù)警漏報(bào)率均為0%，說明兩種警戒水位均可對統(tǒng)計(jì)期間的2場實(shí)際成災(zāi)洪水進(jìn)行有效的預(yù)警，未出現(xiàn)漏報(bào)的情況；從體現(xiàn)洪水預(yù)警發(fā)布的精準(zhǔn)程度的預(yù)警命中率和預(yù)警誤報(bào)率指標(biāo)看，采用調(diào)整后的分區(qū)警戒水位可以將發(fā)布全部區(qū)域預(yù)警情況的預(yù)警命中率由原來的13.33%提高至100%，對應(yīng)的預(yù)警誤報(bào)率由86.67%降低至0，說明采用調(diào)整后的分區(qū)警戒水位可以在確保洪水不漏報(bào)的情況下提高預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)程度，有效減少預(yù)警發(fā)布的次數(shù)和覆蓋范圍，降低不必要的人力物力投入，減少因洪水預(yù)警發(fā)布造成的社會影響。

4 結(jié) 論

綜上分析，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）中小河流集雨面積小、洪水形成快，在制定警戒水位時(shí)，需充分考慮洪水水位漲率、洪水演進(jìn)時(shí)間、應(yīng)急響應(yīng)所需時(shí)間等因素，確保預(yù)警的時(shí)效性。

（2）中小河流通常實(shí)測資料較少，建議通過災(zāi)害調(diào)查、測量測驗(yàn)等外業(yè)手段配合水動力數(shù)值模擬的方式，厘清河流的洪水特征和成災(zāi)機(jī)制，提高警戒水位擬定的合理性。

（3）通過警戒水位的分區(qū)精細(xì)化擬定和管理，可在確保洪水不漏報(bào)的情況下提高預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)程度，有效減少預(yù)警發(fā)布的次數(shù)和覆蓋范圍，降低不必要的人力物力投入，減少因洪水預(yù)警發(fā)布造成的社會影響。