都江堰水文站特征水位的分析计算

时间：2024-07-28

满媛，吴玉明，夏长贵

(四川省成都水文水资源勘测局，成都，611130)

水文站及重点防洪断面的特征水位线，是防汛指挥调度、抢险救灾、水文预报的重要标志线。警戒水位是可能造成防洪工程出现险情的河流和其它水体的水位，到达该水位时，堤防防汛进入重要时期，防汛部门要加强戒备，密切注意水情、工情、险情的发展变化，做好防洪抢险人力、物力的准备，并要做好可能出现更高水位的准备工作。保证水位是能保证防洪工程或防护区安全运行的最高洪水位，达到保证水位时，说明工程已处于安全防御的上限情况，堤身内外、堤防基础(包括离堤背一定距离范围)均可能出现严重险情。科学而准确地确定控制断面的警戒水位、保证水位，是河道管理、水资源调度与利用、制定防洪方案和抢险决策的需要。本文以都江堰水文站为例，对确定特征水位的各因素进行分析及计算。

1 都江堰水文站概况

都江水文站1975年1月设立于都江堰市紫坪铺镇岷江村岷江中上游岷江干流上，位于东经103°36'、北纬 31°01'，集水面积 23037km2，距河口370km，高程系统采用吴淞基面，是国家基本水文站，也是都江堰市重要的防洪依据站，对都江堰灌区的防洪和灌溉起着非常重要的作用。四川省在2002年修订警戒水位、保证水位时，都江堰水文站无报汛任务，故未确定出特征水位。

都江水文站地处岷江从山区到平原过渡的出山口处，该地区属于龙门山暴雨区，暴雨发生频次高，易发生洪涝灾害;下游300m处为世界自然、历史文化遗产都江堰水利工程及都江堰市区，两岸人口密集，经济发达，商贸繁荣，变通便捷，这都使得该站防洪意义显得更加重大。因此，需要确定该水文站的警戒水位、保证水位。

2 影响确定特征水位的各因素

特征水位需综合河道情况、洪水特性、历史洪水、堤防工程、及社会经济情况等各方面的因素确定。

2.1 河道情况

都江堰水文站所处河道较为顺直，河床不平整，上、下游均有急滩，河段内有两处较大沙洲，中低水分为左右两支。因此，都江堰站也分左岸和右岸两个测流断面，即都江厂左站、都江厂右站。断面位于原鱼嘴电站坝轴线以上约20m左右，由漂木河埂在盐井滩处将岷江分为左右两股分流，居左者为厂左站，居右者为厂右站。厂左站系人工河床，河段顺直，断面稳定，无冲淤变化，基本断面下游150m有人工消力坎的良好控制条件。厂右站基本水尺断面位于盐井滩尾、鱼嘴、外江闸、沙黑河闸之上300m处，受盐井滩冲淤变化、闸门启闭影响大。本站上游4km处有紫坪铺水库，水库的蓄水调控对本站的水文测验有一定影响。

2.2 洪水特性

本站洪水主要来自三个方面:(1)岷江上游来水;(2)沿山地区山溪沟、河的洪水;(3)平坝地区暴雨形成的区间径流加入，河床纵比降较大，洪水流速大。

岷江洪水主要发生在6至9月，主要由九顶山以南的鹿头山暴雨区降水汇集而成，洪水上涨快、洪峰高、持续时间短。

沿山地区山溪沟、河上游多为深山峡谷，地势陡峻，大都属于龙门山带状暴雨区，暴雨分布以7、8月份最多。暴雨强度大，形成洪峰流量大，来势凶猛，陡涨陡落，并挟带大量泥沙下泄。

平坝地区暴雨一般也受龙门山暴雨的影响，也多发生在6至9月。这种暴雨集中的特点，极易造成局部洪涝灾害。

2.3 历史洪水

洪水峰量频率计算成果的可信程度与所用资料的代表性紧密相关，而资料的代表性又主要受资料系列长短的制约，如果在资料系列之外，增加调查考证期的最大洪水，共同组成不连序的序列，就能提高成果的可信度。

历史洪水数据的正确性，对洪水频率计算成果有决定性作用，因此在组成不连序洪峰流量序列时，对历史洪水的洪峰和洪量推算最为重要。据史料记载，从1887年至2010年的124年间，共发生大洪水有10余次。1964年7月22日大洪水为建国后发生的首大洪水，流量达6530m3/s，冲毁了都江堰渠首鱼嘴、金刚堤、飞沙堰、二王庙堤、都江堰市青城大桥防洪控制断面所在岷江金马河段等堤防工程，沿金马河五县市的堤防工程冲毁达80%以上，造成严重经济损失。1887年调查历史洪水，流量达5300m3/s，但无详细的灾损资料。

2.4 堤防工程

都江堰水文站左岸堤防高程为736.37m，右岸因2011年重新修建站房，将堤防提高至741.88m。而在都江堰市内的堤防，自都江堰渠首以下河段已分期按20年一遇洪水标准防洪整治。

2.5 经济社会等情况

都江堰市现已建成城区面积37.7km2，城市人口约30万人，是一座新兴工业及旅游城市，GDP达116.6亿多元。其中，现有工业企业1435家，年工业总产值54.7亿元，旅游综合收入8.1亿元。在确定警戒水位、保证水位时，需要与地方经济实力相结合，考虑投入与风险的关系。

此外，还应考虑河滩地与背水侧地面高程，防护区内重点特殊部位，防洪组织与抢险能力，城建、交通、国土等部门的协调能力，政治、社会、环境等各方面因素。

3 特征水位的分析计算

3.1 洪峰流量系列的延长

为了保证洪水频率计算的相对代表性，洪水样本选择应不少于25年。同时应充分考虑历史大洪水，以增加结果的精确度。历史洪水引用《四川省洪水调查资料》，年最大洪峰流量资料采用水文资料整编成果。因厂右站基本水尺断面水位受盐井滩冲淤变化及闸门启闭影响大，致使该断面历年水位流量关系异常散乱，达不到刊印标准而未刊印。1989年对前期多年的资料进行分析研究，用厂右站实测流量和厂左站同步水位建立Z左～Q右关系，获得良好效果。所以，从1989年起进行流量合成，水位以厂左站基本水尺断面水位为准。本次分析计算，1956～1988年用紫坪铺站实测最大洪峰流量加杨柳坪站同时刻流量，1989～2010年以厂左、厂右水文站实测最大洪峰流量合成，组成1956～2010年共55年最大洪峰流量系列;再加入1887年5300m3/s历史调查洪水，组成不连序系列进行频率计算及洪水参数的确定。

3.2 设计洪水分析计算

由于组成的年最大洪峰流量是不连序系列，设计洪水采用下述公式分析计算。

3.2.1 设计洪水经验频率

频率计算采用皮尔逊Ⅲ型曲线。

式中:a——在N年中连续顺序位的特大洪水项数;

N——调查考证期;

n——实测洪水系列项数;

M ——特大洪水的序号(M=1，2，);

l——实测洪水系列中抽出作为特大值的洪水项数;

m——实测洪水的序位;

Pm——实测系列第m项的经验频率。

3.2.3 年最大洪峰流量系列的变差系数Cv估算

通过计算，得到Cv=0.55

3.2.4 Cs/Cv倍比的确定

取Cs=(3～5)Cv进行适线，将计算的频率曲线画在绘有经验点据的图上，通过调整Cv以及Cs与Cv的比值再进行计算，最后依据计算频率曲线与经验点据的配合情况，从中选择一条与经验点据配合最佳的曲线，相当于该曲线的参数便看作是总体参数的估值。最终取Cs/Cv=4.5。设计洪水成果见表1，频率曲线图见图1。

表1 都江水文站设计洪水成果

图1 都江堰年最大流量频率曲线