中小河流警戒水位拟定方法探讨

陈睿智 吴钢坚 刘壮添

（1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州 510611；
2.惠州市惠阳区农业农村和水利局，惠州 516200）

警戒水位是指可能造成防洪工程或防护区出现险情的河流和其他水体的水位[1]，是防汛部门开展防汛指挥决策的重要依据。警戒水位的拟定要兼顾安全与影响，拟定结果过高会导致洪水预警发布不及时，人民群众的生命财产安全受到威胁，拟定结果过低则会导致不必要的洪水预警频繁发布，浪费人力物力的同时也会造成不良的社会影响。

目前，河流警戒水位的拟定尚无统一的技术规范，方法五花八门。尤其是中小河流，由于资料较少，警戒水位多数是根据防汛人员经验确定，合理性受拟定人员的经验和业务水平影响较大。近年来，国内一些专家、学者也就警戒水位的拟定方法开展了一些探讨。从警戒水位拟定的考虑因素上，多数的观点认为，对于有堤防河段警戒水位应结合堤防工程的防洪能力、险工情况而定，对于无堤防河段应结合两岸重要保护对象情况确定[2-9]；
从警戒水位分析手段上，王春宇[9]采用多因子联合方法对辽河干流警戒水位进行分析，刘和昌等[5]利用Copula 函数建立洪水水位涨率与洪水损失的条件概率分布函数，提出考虑洪水损失的江河警戒水位拟定方法，刘卫林等[7]采用一维水动力模型对罗塘河的警戒水位进行了分析；
从警戒水位预警对象确定上，黄琳煜等[10]提出了通过分区域核定警戒水位减少警戒水位超限次数的拟定思路。

本文在前人研究的基础上，结合中小河流警戒水位拟定过程中遇到的实际问题，提出一套适用于中小河流洪水形成快、成灾频次高、实测资料少特点的警戒水位拟定思路和流程，并配以典型案例进行说明，为国内类似区域中小河流警戒水位拟定提供参考。

1.1 警戒水位的预警对象及预警断面

（1）预警对象。警戒水位的预警对象是指警戒水位目标预警范围内的重要保护对象。明确预警对象是警戒水位合理拟定的前置条件之一。对于比降较小的河流，上下游水面线落差不大，可将整个预警范围作为唯一的预警对象。对于比降较大的河流，建议将预警范围按空间分布划分为若干个预警对象，进行分区预警。为便于防汛工作的开展，中小河流警戒水位的预警对象通常与防汛应急的责任单元对应。在我国，地方防汛应急普遍以行政区划为单元，因此中小河流的警戒水位预警对象一般确定为河流洪水影响范围内的一个或多个行政单元。

（2）预警断面。用于判断河流水位是否超警的断面为警戒水位的预警断面。预警断面位置选择主要考虑以下3个方面：①具有长系列的监测数据用于支撑警戒水位的拟定；
②方便获取实时水位数据，及时发布预警；
③断面位置宜位于预警对象上游或附近，可以有效预判预警对象的洪水风险。综合以上3 点，通常在预警对象上游或附近选取具有较长时间观察数据的水文站点作为预警断面。

1.2 预警对象的成灾水位及应急响应所需时间

（1）成灾水位。成灾水位即引发洪水灾害的水位，预警对象成灾水位是合理拟定警戒水位的重要依据之一。在实际工作中，中小河流通常水文监测站点较少，难以获取足够的监测数据，成灾水位一般以预警对象最易发生河道漫溢河段两岸堤（岸）顶高程或重要保护对象地面高程确定。

（2）应急响应所需时间。预警对象在接到预警后，是否有足够时间组织开展应急抢险及人员转移疏散，是警戒水位拟定需要考虑的另一关键要素。应急响应所需时间与预警涉及的范围、人口、通讯条件、交通条件、防汛人员的经验及数量等方面均有关系，一般建议结合当地防汛部门经验确定。

1.3 河道洪水特征及演进规律

为了确定预警断面与预警对象间水位的相关关系，合理拟定警戒水位，需要全面了解河道的洪水特征及演进规律，主要包括历史洪水情况、洪水演进速度、洪水水位涨率等。

（1）历史洪水情况。在警戒水位拟定过程中，可通过复演历史洪水情景来验证警戒水位拟定的合理性。历史洪水情况包括水位、流量过程，洪痕、淹没范围、淹没水深、灾害损失等情况。一般可通过历史资料查阅及现场调查、测量获取。

（2）洪水演进速度。通过洪水演进速度，可以估算预警断面到预警对象间的洪水演进时间。洪水演进速度与洪水过程形态及河道断面形式、比降、糙率等要素均有关系。在河道水文站点较多的情况下可通过实测数据进行统计分析获取，若水文站点较少，可通过经实测数据验证的河道水动力数值模型分析获取。

（3）洪水水位涨率。洪水水位涨率是指涨洪过程中单位时间内洪水水位上涨的最大幅度，是确定警戒水位与成灾水位关系的一个重要考虑要素。预警断面通常具有长系列监测数据，因此预警断面的洪水水位涨率可通过多场实测洪水过程数据统计得到。

考虑上述影响警戒水位拟定的重要因素，结合中小河流洪水形成快、成灾频次高、实测资料少的特点，本文提出一套结合洪水灾害调查、实地测量测验和数值模拟分析的警戒水位拟定思路和流程，如图1所示，具体如下：①在基础地理资料、工程及调度资料、水文及洪水资料收集的基础上，结合目标预警范围和河道水文监测站点布设情况，综合确定预警对象及预警断面。②进行现场调研及测量测验工作，了解河流险工险段、历史洪水灾害情况及防汛应急工作情况，开展历史洪水洪痕、重要保护对象高程、河道断面等关键数据测量，在水文站点密度不够或实测数据系列长度数据不足时，开展必要的河道水文观测试验。③综合现场调研及测量测验结果，确定预警对象成灾水位。④构建河道水动力数值模型，推求预警断面与预警对象水位相关关系及传播时间。⑤结合洪水水位涨率、应急响应所需时间等要素，综合拟定预警断面的警戒水位。

图1 中小河流警戒水位拟定流程图

根据上述思路，预警断面对应的警戒水位可由以下公式计算确定：

其中

式中：AL为预警对象对应的预警断面警戒水位，m；
OL为预警对象对应的预警断面成灾水位，可通过河道水动力数值模型推求，m；
TT为预警对象应急响应所需时间，通常通过防汛部门调研获取，h；
TF为洪水在预警对象易淹段和预警断面间的演进时间，h；
D为预警对象易淹段与预警断面的距离，m；
V为洪峰在预警对象易淹段与预警断面间的演进速度，可通过实测资料计算或河道水动力数值模型推求，m/s；
R为预警断面的洪水水位涨率，可通过长系列实测资料统计得到，m/h。

需要特别说明的是，式（2）中TF在警戒水位拟定中主要用于反映洪峰流量在预警断面和预警对象易淹段出现时间的先后关系对警戒水位的影响。在条件允许情况下，预警断面尽量选择位于预警对象易淹段上游的断面，以提前反映预警对象的洪水风险。当出现预警断面位于预警对象易淹段下游的情况时，式（2）中D应取负值，相应的TF亦为负值，以预留更多的预警提前量。

以淡水河惠阳段警戒水位拟定为例，阐述本文提出的中小河流警戒水位拟定方法的具体应用。

3.1 基本情况

淡水河是珠江流域东江水系的二级支流，发源于深圳市梧桐山以北，流经深圳、惠州两市，在紫溪口汇入西枝江。淡水河集水面积1 172 km2，平均坡降0.57‰，河长95 km，其中惠阳区境内51.6 km。淡水河流域集雨面积较小、河道比降较陡，洪水形成速度快，水位具有中小河流常见的陡涨陡落特点，一般洪水高水位持续时间不超过1 d。2000年以后淡水河曾发生“2008.9”“2018.9”两场较为严重的洪水灾害。

淡水河惠阳段在过去的几十年间一直采用淡水站18.6 m（珠江基面，下同）作为警戒水位，该警戒水位是根据当时的水利工程条件和重点防护对象确定的，已不适应当前防洪减灾工作的需要，需要对警戒水位进行复核、调整。

3.2 预警对象及预警断面确定

为便于防汛工作的开展，淡水河惠阳段警戒水位的预警对象确定为淡水河在区内流经的4个行政单元：淡水街道、秋长街道、三和街道、永湖镇。预警断面的选择上，淡水河上现有白石、淡水两个水位站，其中白石站位于淡水河惠阳段的最上游，从地理位置上看最有利于洪水风险的提前预警，但该站于2017 年建成试运行，实测数据系列较短，难以满足警戒水位分析数据要求。而淡水站位于淡水河惠阳段的中上游，地理位置上虽位于白石站下游，但白石站与淡水站区间有坪山河和横岭水两条最大的支流汇入，淡水站水位更能反映全流域的洪水风险，且淡水站建成于1959年，有较长时间的实测数据，一直以来也作为防汛部门发布预警的监测站点。综上考虑，选择淡水站为惠阳区淡水河洪水风险预警断面。预警断面与预警对象位置关系见图2。

图2 预警断面与预警对象位置关系示意图

3.3 预警对象成灾水位确定

通过对淡水河沿线4 个街（镇）开展现场调查和测量，以各街（镇）沿河最易受到洪水威胁区域的最低堤防（岸线）高程确定成灾水位。通过综合分析，最终确定淡水街道、秋长街道、三和经济开发区、永湖镇4 个街（镇）对应的成灾水位分别为22.01 m、21.20 m、19.08 m、17.65 m。

3.4 数值模拟构建与分析

为充分认识淡水河的洪水演进规律，分析沿线街（镇）与淡水站间水位关系与洪水演进时间，构建淡水河一维水动力数值模型。模型范围为淡水河惠深交界处-紫溪口51.6 km河道，模型共布置了261个断面并考虑了淡水河上2 座溢流堰及24 座桥梁的阻水作用。为确保模型模拟精度，采用2019年汛期淡水河7个水文测验点的水位流量同步观测结果进行了模型率定，采用“2018.9”山竹台风期间的淡水河两岸洪痕调查成果进行模型验证。验证结果（图3）表明，模型可以很好地反映淡水河水动力要素的变化情况，满足警戒水位分析要求。

图3“2018.9”实测洪痕与模型复演结果对比

采用经过验证后的数值模型进行计算分析可得：

（1）预警对象与预警断面间水位关系（OL）：通过淡水河一维恒定流试算，可推求得淡水街道、秋长街道、三和街道、永湖镇成灾水位对应的淡水站水位分别为20.30 m、

21.19 m、20.19 m、21.74 m。

（2）预警对象易淹段和预警断面间的洪水演进时间（TF）：该要素可由洪峰演进速度（V）和预警对象易淹段与淡水站距离（D）采用式（2）计算得到。淡水河惠阳段河长较短，水动力特征无大变化。因此采用淡水河惠阳段的平均洪峰演进速度作为各街（镇）易淹段与淡水站间洪峰演进速度。利用淡水河一维模型对“2008.9”“2018.9”两场历史大洪水进行复演，可计算得淡水河惠阳段的平均洪峰演进速度，并将结果与水文同步测验结果进行对比，从偏安全角度考虑，选取“2008.6”洪水计算结果2.96 m/s 作为洪峰演进速度（V）取值（表1）。

表1 洪水演进速度分析结果

根据洪峰演进速度（V）和各街（镇）易淹段与淡水站距离（D），可计算得到各区间的洪水演进时间（TF），如表2所示。

表2 预警对象易淹段和预警断面间的演进时间

3.5 洪水水位涨率（R）计算

预警断面淡水站具有超过50 a的实测水位数据，其中1994年淡澳分洪河竣工后的河道工况与现状接近。因此选取1994—2018年期间，洪峰水位高于18.6 m的场次洪水进行洪水水位涨率分析。从分析结果看，洪水水位涨率与洪峰水位成正相关关系（图4），洪峰水位高于18.6 m 场次洪水平均水位涨率为0.14 m/h，洪峰水位高于20 m场次洪水平均涨率为0.20 m/h。从偏安全角度考虑，选取洪水水位涨率（R）0.20 m/h用于警戒水位分析。

图4 淡水站洪水水位涨率与洪峰水位关系图

3.6 警戒水位综合拟定

根据上述各要素计算成果，结合实地调研了解到的各街（镇）应急响应所需时间（TT）均为6 h，采用式（1）可计算得到秋长街道、淡水街道、三和街道和永湖镇对应的淡水站警戒水位分别为18.9 m、19.9 m、19.1 m、20.9 m。

3.7 警戒水位拟定结果合理性分析

从警戒水位计算结果看，各街（镇）淡水站分区警戒水位均高于原值（18.6 m）。为进一步复核警戒水位拟定的合理性，采用2008—2018年间淡水站实测水位过程，分析警戒水位调整前后预警次数、预警覆盖区域、预警漏报率、预警命中率及预警误报率等指标，结果见表3。其中预警漏报率、预警命中率、预警误报率的计算方式如下：

式中：FP为实际成灾但未发布预警的洪水场次；
TP为预警发布后实际成灾的洪水场次；
TN为发布预警但未实际成灾的洪水场次；
TOD为实际成灾的洪水总场次；
TOW为发布预警的总次数。

表3 警戒水位调整前后预警情况对比表

从分析结果看，2008—2018 年期间淡水站发生超18.6 m 水位洪水共15 场，按本次调整后的分区警戒水位，需要发布洪水预警的共有10 场，其中“2008.6”洪水和“2018.9”洪水共两场实际成灾洪水需进行全部区域预警，其余8场洪水为部分区域预警。

从直接关系到人民群众生命财产安全的预警漏报率指标看，无论采用调整前、后的警戒水位，预警漏报率均为0%，说明两种警戒水位均可对统计期间的2场实际成灾洪水进行有效的预警，未出现漏报的情况；
从体现洪水预警发布的精准程度的预警命中率和预警误报率指标看，采用调整后的分区警戒水位可以将发布全部区域预警情况的预警命中率由原来的13.33%提高至100%，对应的预警误报率由86.67%降低至0，说明采用调整后的分区警戒水位可以在确保洪水不漏报的情况下提高预报的精准程度，有效减少预警发布的次数和覆盖范围，降低不必要的人力物力投入，减少因洪水预警发布造成的社会影响。

综上分析，得到如下几点结论：

（1）中小河流集雨面积小、洪水形成快，在制定警戒水位时，需充分考虑洪水水位涨率、洪水演进时间、应急响应所需时间等因素，确保预警的时效性。

（2）中小河流通常实测资料较少，建议通过灾害调查、测量测验等外业手段配合水动力数值模拟的方式，厘清河流的洪水特征和成灾机制，提高警戒水位拟定的合理性。

（3）通过警戒水位的分区精细化拟定和管理，可在确保洪水不漏报的情况下提高预报的精准程度，有效减少预警发布的次数和覆盖范围，降低不必要的人力物力投入，减少因洪水预警发布造成的社会影响。