河流警戒水位擬定方法研究及應用

李善綜，王 森，農 珊，劉和昌

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

警戒水位是可能造成防洪工程出現險情的河流和其他水體的水位[1]，是防汛部門規定的各江河流域需要處于防守戒備狀態的水位，江河流域主要控制斷面、水情站以及堤防工程等一般都設有警戒水位，該水位直接或間接反映防護區的汛情危機程度，提供給防汛指揮部門作為決策指揮依據，到達該水位時防汛工作進入重要時期，應進行防汛動員，調動常備防汛隊伍，加強巡邏戒備，對于有堤防的地區應加強巡查防守，密切注意水情、工情、險情的發展變化，加派值班人員和增加防險巡邏次數，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，地方有關部門要及時通知和組織當地居民做好居民、財產和物資安全轉移準備，當洪水繼續上漲險情惡化時能得以安全脫離，盡量避免和減小洪災損失[1]。警戒水位關系到河道和堤防區的防汛大局，水位擬定要恰當，定得過高將不能實現對洪水的有效預警，增加防洪風險，定得過低將導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河流警戒水位的擬定時期較早，許多地區現行警戒水位已經沿用數十年[2]，警戒水位擬定的相關研究較少，現行警戒水位的擬定大多是根據當時的堤防防洪能力以及洪水經驗確定，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，城市建設的發展，部分地區現行警戒水位已不適應防汛工作的需要，警戒水位過于保守的弊端逐漸凸顯，部分地區年發布預警數十次，且大多有警無險，導致防汛部門以及群眾產生松懈麻痹思想，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。

本文提出一種結合歷史洪水過程與地區特點的警戒水位擬定方法，并以西南地區某水情站警戒水位復核調整為例介紹了方法的應用，對于全國其他地區警戒水位復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驗為主，以該方式擬定警戒水位充分考慮并發揮了地方防汛部門的防洪工作經驗的價值，但缺少充分科學的論證依據，且易受個人主觀意識影響，在近年來警戒水位復核擬定中的應用日漸減少，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驗的一種總結，缺少嚴謹的科學論證。

近些年關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以控制站多年平均年最高水位為基礎，結合堤防工程防洪能力、險工情況確定，無堤防的城鎮，視住宅區、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內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，以此為基礎結合水面積、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，提出上海地區防汛警戒水位標準[6]；朱振華、周云結合工程實際提出了“根據防洪安全要求，并考慮經濟、政治、社會、環境等因素，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驗性較強，且頻率標準選取缺乏合理佐證，在工程實踐的應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合當地特點，包括現狀防洪能力、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，本次研究在地區特點的基礎上結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，對研究區域進行實地調查，摸清沿河地區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，并通過地區防汛部門調研確定防洪敏感地區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系或河道水面線推導與水情站水位流量關系建立相關關系，確定敏感對象達到控淹水位時水情站對應出險水位以及流量數據。

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流量的歷史洪水集。

第四，根據擬定的篩選原則，從歷史洪水集中選擇具有代表性的典型洪水過程，根據群眾疏散所需時間以及對應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，根據歷史場次洪水過程進行模擬分析，計算出險次數占發布預警次數的比例以及對應流量的重現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

通過對擬設置或復核警戒水位的目標斷面所在河段范圍內易受淹沒的農村、城鎮等防洪敏感對象實地調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，并根據敏感對象所在斷面的水位流量關系確定控淹水位對應流量。

3.2 最小警戒預留時長分析

警戒水位是地區防洪搶險工作的重要指標之一，從偏安全的角度出發，在防洪預警發布最不利的條件下也應能保障下游群眾安全有序的疏散撤離，也即不考慮預報的因素，洪水達到警戒水位時才發布預警，自發布預警起至可能受影響地區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生時以現有河段防洪能力將會發生險情造成損失。

3.3.2 典型洪水過程選擇

根據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，發生險情時損失較大，防洪能力薄弱或現狀無防護工程時，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險水位對應時刻t險前ΔT警時段內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，取重現期與報汛對象防洪工程設計洪水重現期相近的場次洪水過程中Z險水位對應時刻t險前ΔT警時段內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t險時刻前推ΔT警時長至時刻t′，則t′對應洪水過程線相應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，以出險次數占預警次數的比例來衡量警戒水位設置對防汛資源的有效利用情況以及預警的有效性。

4 案例應用

以某水情站警戒水位復核調整為例闡述方法的具體應用。該水情站所在河流為西江的二級支流，水情站下游400 m左右即為一處鄉鎮駐地，鄉鎮建有防洪堤，設計標準為10 a一遇，鄉鎮及水情站之間為農田以及部分村寨，鄉鎮及區間村寨是水情站的主要報汛對象。該水情站現狀警戒水位109.7 m，警戒流量550 m3/s，現行警戒水位運行已有數十年，隨著社會經濟的發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生了較大的變化，現行警戒水位已不滿足防汛工作需求，根據地區近14 a來有記錄防汛工作統計，警戒水位過低導致14 a間來每年均多次發布預警，平均超警戒天數22 d，預警發布過于頻繁，絕大多數有警無險，對防汛資源造成了極大的浪費，且易產生松懈麻痹思想，失去警戒作用。

(1)出險水位分析。根據現場調查情況，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，查閱堤防設計成果，該部位設計洪水水面線高程約為111.80 m；二是水情站西側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：

(2)水位流量關系復核。根據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系進行復核，確定各斷面的Z-Q關系曲線。

(3)最小警戒預留時長。根據對該水情站主管部門防汛工作的調研了解，在報汛站點到達警戒水位時自預警發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系對應流量1 058 m3/s，重現期相當于2 a。

根據擬定的合理性分析方法，將警戒水位及出險水位數據代入場次洪水集合，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，出險洪水占預警洪水次數的42%，而按照原109.7 m的警戒水位統計，35場洪水全部達到預警標準，出險洪水占預警洪水次數的14%，預警頻率高，預警效率低，由此可見警戒水位復核調整后在保障防汛安全性的前提下極大的節省了防汛工作人力、物力資源。

5 結 語

警戒水位是各地區防汛部門汛期防洪工作有效關鍵指標之一，多年以來警戒水位的擬定多以經驗性方法為主，本文結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核調整工作為例闡述了方法的具體應用，克服了以往經驗性方法中缺乏科學論證的缺陷，有利于防汛資源的節約及高效利用，也有利于實現防汛工作的科學決策，對于其他地區開展警戒水位復核調整以及擬定的相關工作具有很好的參考價值。