邓 枫

(广东省水文局梅州水文分局，广东 梅州 514000)

1 概述

梅州市的中小河流源短流急、洪水暴涨暴落[1]，许多中小河流沿岸人口聚集点防洪标准普遍偏低，有的甚至没有设防[2]，随着全球气候变化加剧，极端天气事件日益增多[3]，近年来梅州市中小河流暴雨洪水频发，沿岸村镇受灾严重，因此加强中小河流沿岸人口聚集点的预警预报能力是当前迫切的任务。

目前梅州市已经建成32个中小河流水文(位)站点，新建水文(位)站点的中小河流地区，预报方案虽然已经初步建立，但是中小河流沿岸的人口聚集点成百上千，且大部分地点距离中小河流站点较远，洪水预报无法拓展到这些人口聚集点，建立人口聚集点预报方案需要解决洪水资料搜集问题[4]。在没有水文(位)站点的中小河流人口聚集点可以通过调查洪痕确定一场洪水过程中的洪峰水位[5]，洪痕是河流某次最大洪水过后遗留下的最高洪水位的痕迹，是推求洪水位的重要依据[6]，但在洪痕调查中发现如下问题：

1) 洪痕保存不清晰，洪水过后，当地居民为了房屋美观会对房屋洪痕进行清洗，或者由于年代久远造成洪痕保存不清晰。

2) 洪痕点位置不固定，不同场次洪水会在不同位置留下洪痕，洪痕点上下游会产生水位差，需换算成统一水位，但是无法准确获得上下游洪水比降，只能通过水力学公式计算，会造成一定的误差。

3) 同一地点洪痕混乱，不同场次洪水会在同一位置留下洪痕，有的洪痕由于年代久远会造成无法对应上洪水发生场次，无法形成完整的资料序列。目前我们采用的预报方案是上下游水位及区间降雨相关，如果在调查洪痕的时候发生混乱，无法建立起上下游水位及区间降雨相关关系，对预报方案的构建及预报精度有很大影响。

4) 水利工程影响洪痕调查，当发生较大的洪水时，由于当地河堤防洪标准比较高，洪水未漫过河提，很难在河道内找到洪痕，无法在洪水资料基础上建立可拓展至超堤防标准洪水的预警方案，当发生超堤防标准洪水时不能进行有效的预报预警。

综上，有必要探讨洪痕资料的搜集问题，本文介绍使用洪痕水尺解决洪水洪峰资料搜集问题，洪痕水尺[7]是一种可以记录洪水洪峰水位的水尺，由广东省水文局梅州水文分局水情人员开发，将洪痕水尺安装在中小河流沿岸的人口聚集点一固定河岸，可以记录洪水过程中该点洪峰水位，目前这种洪痕水尺已经在梅州市部分中小河流人口聚集点安装，梅州市水系及各水文(位)站点分布示意见图1。

图1 梅州市水系及各水文(位)站点分布示意

2 洪痕水尺使用原理

2.1 洪痕水尺的构造

洪痕水尺的小管为透明PVC材质，每个小管长为 10 cm，直径为4 cm，每个小管由1段直管和1段弯管组成，弯管的上部突出，下部与直管平齐，形成斜切面(作用：保证雨水不会进入管中，而河水上涨时能进入管中)。10个小管长度为1 m，1个水尺测量 1 m，将10个小管固定在一段1.2 m长的铁尺上，铁尺与角铁通过螺栓连接，铁尺上端有1个固定栓，下端有1个可插拔的活动栓，旋开铁尺下端可插拔活动栓的螺丝，铁尺可在平面上绕固定栓360°转动，以达到倒出每个PVC小管中的水。角铁为耐腐蚀的镀锌不锈钢制作而成，厚3 cm，宽6 cm，角铁可插入土中，起到固定洪痕水尺的作用，角铁下部设有螺丝孔洞，可通过螺栓连接与另一段角铁固定，增加角铁下部入土部分长度，在实际安装过程中，可根据安装地点的土质松软度，相应接长角铁下部入土深度，以达到固定洪痕水尺的作用。洪痕水尺结构构造见图2。

图2 洪痕水尺结构构造示意

2.2 洪痕水尺的工作原理及使用方法

洪痕水尺是直立式水尺，需垂直于水平面安装，依照河岸不同高程(高程每隔1 m)设立1只水尺(根据需要记录的高程范围设定)，使用全站仪进行校准，调整洪痕水尺的平面位置，确保所有洪痕水尺在同一个断面上，以第1只洪痕水尺的零点高程作为假定高程。当洪水上涨时，水位达到的地方，小管内部会装满水(上部弯管可保证雨水不会或少量进入，避免雨水进入小管造成读数误差)，洪水消退后水也会留存在小管内。洪水过后需人工观测记录，观察装满水的小管，水尺零点高程加上最高的小管所对应的刻度即为该河道断面的洪峰水位(精度为0.1 m)。若要提高洪痕水尺的记录精度，可将洪痕水尺进行错位安装，同1 m安装2支洪痕水尺，即将1支水尺跟另1支水尺安装高度相差0.05 m，可将水尺的记录精度提高1倍，提升至0.05 m，同理，这种错位安装可增加同1 m的安装数量(n)来提高记录精度，精度为0.1m/n，n为同1 m高度中错位安装的水尺数量。记录后将铁尺下端与角铁固定的螺丝旋开，旋转至一定角度让小管中的水全部流出(清零)，下次洪水继续使用。目前洪痕水尺已经在梅州市的樟溪河、差干河、程江、东石河、河头河、松源河、龙虎圩水、黄陂河、罗岗河、银江、梅潭河和丰良河等12条中小河流的26处人口聚集点安装，部分中小河流人口聚集点洪痕水尺现场安装示意见图3。

图3 部分中小河流人口聚集点洪痕水尺现场安装示意

2.3 洪痕水尺安装注意事项

1) 为了保证洪水资料搜集的准确性，恰当地选取洪痕水尺安装地点是十分重要的。首先选择在人口聚集点的河流河段，其次要选择河槽比较平整、河床稳定、抗蚀能力比较强、断面的变化比较小以及受人类活动影响较小的河流河段[8]，避免洪水过后洪痕水尺基底改变而造成高程变动。

2) 在安装洪痕水尺时应避免迎流，将角铁外侧朝向上游，从而起到保护洪痕水尺的作用，避免在洪水过程中受到水流及漂浮物的冲击。

3) 安装洪痕水尺高度要比河流的日常高水位要高，根据防洪经验及河流特性，恰当地选取一定洪水水位范围的进行安装，一般最低记录点与小洪水或常遇洪水水位接近，低于成灾水位；最高记录点一般高于近年调查洪痕的最高水位，或根据需要，高于成灾水位一定高度。

4) 与当地的河岸建设相匹配，外观应简洁美观。

2.4 洪痕水尺的缺点及使用注意事项

1) 发生洪水后需要尽快安排人员前往洪痕水尺安装地点进行现场观测记录，如果间隔时间过长洪痕水尺小管内的水可能会蒸发而造成洪峰水位记录不准确。

2) 洪痕水尺需要人工进行观测记录，当流域内多点发生洪水时，工作量较大。

3) 需选择基底稳定的地点安装，如安装地点土质松软可通过增加角铁入土深度和浇注混凝土来固定洪痕水尺，但在遭遇大洪水时，洪水中的固体漂浮物可对洪痕水尺造成一定程度的破坏。

3 应用前景

3.1 洪痕水尺的优点

1) 可靠性高，安装洪痕水尺可以解决当前洪痕调查中所面临的各种问题，进一步提高洪水水文资料的三性(可靠性，一致性，代表性)[9]；同时洪水资料搜集比较完整，一些未漫过河提的洪水也能搜集到洪峰水位，对于预报方案的构建和提高预报精度有很大的帮助。

2) 使用洪痕水尺可以有效节省洪水发生过程中的人力物力，当流域内多处地点发生洪水时，人员比较紧张，无法兼顾到每一个洪水发生点，而使用洪痕水尺可以解决洪水过程中人力紧张的问题，可在洪水结束后再往观测。

3) 洪痕水尺构造简单实用，操作简便，洪水过后清零可反复使用。

4) 性价比高，适合大面积推广。在1个人口聚集点安装洪痕水尺约需两三千元，中小河流沿岸人口聚集点成百上千，使用洪痕水尺可大大减少投入费用。

3.2 构建预报方案

1) 一场洪水过后应及时进行观测记录，通过洪痕水尺记录下该洪水场次河流断面的最高水位。通过搜集资料、统计分析，建立这些人口聚集点洪峰水位与中小河流水文(位)站点水位及区间雨量相关关系，可进行上下游洪水相关图预报方案制作[10]。

2) 水文预报模型和系统可以实现人口聚集点的流量预报，将洪痕水尺作为配套工具搜集洪峰水位，当有实测洪峰流量时，可通过实测洪峰流量建立起洪峰水位流量关系；无实测洪峰流量时，可采用水文预报模型流量预报结果与洪痕水尺搜集到的洪峰水位建立水位流量关系，从而实现预报模型流量预报转化为水位预报成果，直观的为防洪服务对象作出洪水预警。

3.3 洪水比降观测

可根据需要设定不同的洪痕水尺记录精度，在上下游需要观测比降时作为工具临时安装测量，并可作为测量工具，拆装到其他观测点，记录洪峰水面比降。

水面比降S是指沿水流方向单位水平距离内铅直方向的落差[11]，比降反映了江河水力特征，水面比降计算公式为：

(1)

式中:

Z上——上游洪痕水尺断面洪峰水位；

Z下——下游洪痕水尺断面洪峰水位；

L——上下游洪痕水尺断面之间的水平距离，从而算出洪峰水面比降。

3.4 水面线计算

天然河道水面线的计算，就是根据河道地形、断面资料、糙率、比降等资料，推求该河段某个断面处在某一流量下的水位，据此可连接一条对应于该流量的水面线。在实际计算过程中会出现计算结果不合理等情况，需要对水面线计算进行合理性分析，可将洪痕水尺搜集到的洪水水文资料进行水面线计算合理性验证，通过设计洪峰流量查找洪痕水尺断面相应水位，再与设计水面线结果相对比，其误差的大小可以检验水面线的合理性，若误差大，可根据水位拟合情况进行参数调整，例如对河道糙率的率定，可枚举多组糙率进行试算，采用实测水面线试糙法可确定不同水位下的河道糙率，再行计算，直至洪痕水尺断面计算水位与实际水位相符[12]，从而使水面线计算结果更加符合实际。

4 结语

1) 洪痕水尺能满足洪水过程中记录洪峰水位的需要，解决了洪水过程中人力紧张的问题，可靠性高，操作简便，性价比高。

2) 洪痕水尺可作为工具进行洪峰水面比降观测，洪峰水面比降是表示水流的重要水力要素，对流量计算、糙率计算、水位流量关系延长均有重要的作用[11]。

3) 通过安装洪痕水尺搜集洪水资料可以验证水面线计算的合理性并进行参数调整，使得水面线计算结果更加符合实际。

4) 通过安装洪痕水尺搜集洪水资料，可揭示河流洪水事件的发生规律[13]，并根据防护对象特点和需求，编制预报方案，将目前河流单点单站预报提升为多点预报，河流分段估报。随着洪水水文资料的不断搜集完善，中小河流人口聚集点的预警预报能力和精度会得到进一步提高。待方案成熟后可以推广到其他中小河流，若效果良好，可以更大范围推广使用，也可用于大江大河洪水记录。