基于洪水資源利用的干支流水量調(diào)配可行性研究
——以吉林省白城市為例

李　想，劉正茂，趙子龍

(黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150090)

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基于洪水資源利用的干支流水量調(diào)配可行性研究
——以吉林省白城市為例

李想，劉正茂，趙子龍

(黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150090)

摘要：干支流交匯區(qū)儲(chǔ)水空間豐富，而干支流的水文系列常常存在差異，以吉林省白城市干支流嫩江和洮兒河為例，首先，對(duì)區(qū)域的蓄水特征及容量進(jìn)行分析，確定可利用的洪水頻率上限為P=5%；其次，對(duì)兩河年、汛期6-10各月的豐枯特性進(jìn)行分析，得出兩河有27.3%的年份嫩江對(duì)洮兒河存在年徑流補(bǔ)償特性，50.9%的年份存在月徑流補(bǔ)償特性，6-10各月的徑流補(bǔ)償率分別0.2、0.27、0.25、0.27和0.2；再次，對(duì)汛期兩河徑流集中時(shí)段、峰現(xiàn)時(shí)間及其概率分布進(jìn)行分析，得出兩河存在時(shí)間補(bǔ)償特性，為適時(shí)機(jī)引干流洪水資源提供參考；最后，提出洪水資源利用要因時(shí)因地制宜，結(jié)合區(qū)域蓄水特點(diǎn)和干支流來水特點(diǎn)分時(shí)段考慮，為安全高效利用洪水資源提供保障。

關(guān)鍵詞：干支流交匯區(qū)；白城；水文補(bǔ)償特性；洪水資源利用

1洪水資源利用的背景及意義

中國的河流大多為季節(jié)性河流，洪水年內(nèi)高度集中和年際劇烈變化，洪澇災(zāi)害存在的同時(shí)，旱災(zāi)也較嚴(yán)重?！?8洪水過后，各地旱情嚴(yán)重，長(zhǎng)江流域2000、2001年發(fā)生大旱[1]，造成大面積農(nóng)作物死亡，吉林西部的干旱半干旱地區(qū)的干旱從2000年到2010年長(zhǎng)達(dá)10 a之久[2]，近年來海河流域供水嚴(yán)重失衡，出現(xiàn)城市缺水、環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境惡化[3]，黃河斷流現(xiàn)象頭些年前也時(shí)有發(fā)生[4]，氣候變化和人類活動(dòng)引起的水文極端現(xiàn)象也越來越明顯[5]，年際之間的差異越來越劇烈，大旱和大澇現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，流域上下游之間的用水不均等現(xiàn)象也越來越突出，在這樣的背景下，本著傳統(tǒng)蓄洪的思想觀念，結(jié)果就是：1)枯水年蓄水，上游截水，下游斷流，旱災(zāi)嚴(yán)重；2)平水年蓄水，調(diào)度原則保守和單一，錯(cuò)過有利時(shí)機(jī)蓄水，區(qū)域水資源不足；3)豐水年蓄水，因風(fēng)險(xiǎn)因素估計(jì)過高而放棄蓄水，洪水資源沒有充分利用。

洪水資源的利用是新時(shí)期對(duì)洪水看法的一個(gè)轉(zhuǎn)變，2003年，國家防辦調(diào)研報(bào)告第一次正式提出了洪水資源化的內(nèi)涵[6]，認(rèn)為洪水治理應(yīng)從“控制洪水”向“洪水管理”轉(zhuǎn)變。之后全國各地陸續(xù)開展了洪水資源化實(shí)踐[7-9]，洪水資源化的啟示從美國而來，早期，密西西河沿岸“唯堤論”思想使得大洪水來臨造成了重大災(zāi)害，此后美國順應(yīng)洪水特點(diǎn)，給洪水讓地，修建蓄滯洪區(qū)、利用低洼地蓄水和建造生態(tài)河灘來涵蓄水源[10]。

2干支流交匯區(qū)的洪水資源利用現(xiàn)狀及利用特點(diǎn)

洪水資源的利用思路主要有兩種：一是在汛期對(duì)水庫進(jìn)行安全科學(xué)地調(diào)度；二是對(duì)水庫以外的天然濕地、泡沼、蓄滯洪區(qū)、灌區(qū)和溝渠連通的通河系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，使洪水游走于這些區(qū)域，不僅存蓄洪水資源供生產(chǎn)生活和生態(tài)需水利用，而且可以補(bǔ)充地下水供非汛期使用和改善生態(tài)。干支流交匯地區(qū)水系發(fā)達(dá)，天然蓄水空間豐富，為洪水資源化提供了可能，我國的洪水資源利用主要集中于水庫的調(diào)度較多，對(duì)天然濕地湖泡蓄滯洪區(qū)的蓄水研究較少，目前海河流域進(jìn)行了此類的研究[12-13]，取得了大量的研究成果，劉建衛(wèi)等對(duì)平原地區(qū)的洪水資源利用方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述[14]，王雪妮等分析了泡沼蓄洪的風(fēng)險(xiǎn)與效益[15]，對(duì)泡沼蓄洪模式進(jìn)行了總結(jié)。

干支流地區(qū)的洪水資源利用涉及干流和支流兩方面的來水，一般分為引支流洪水段和干支流結(jié)合引洪水段進(jìn)行分析，針對(duì)各水量年份和來水過程，首先考慮支流的洪水利用方案，在充分引蓄支流的洪水過程的基礎(chǔ)上，利用有利蓄水時(shí)機(jī)引蓄干流的洪水資源，使區(qū)域的可利用洪水資源量增加，綜合考慮區(qū)域蓄水空間，使洪水資源安全有效地蓄在水庫、濕地、泡沼和灌區(qū)中，針對(duì)不同的水量年份有區(qū)別地進(jìn)行調(diào)度。白城市蓄水示意圖如下圖1所示：

圖1　白城市蓄水示意圖

3干支流水文特性差異分析

3.1河流基本情況

洮兒河為嫩江的一級(jí)支流，兩河位于干旱半干旱地區(qū)的吉林省白城市平原地區(qū)，全市多年平均降水量392.06mm，70%集中于汛期的幾個(gè)月內(nèi)，多年平均蒸發(fā)量1839.1mm，兩河的河流概況如下表1所示，白城市水系圖及研究區(qū)域如圖2所示：

表1　嫩江與洮兒河河流概況對(duì)比

圖2白城市水系圖及研究區(qū)域

3.2區(qū)域可利用蓄水空間及可利用洪水頻率閾值

洪水主要集中于汛期的幾個(gè)月內(nèi)，充分利用汛期的有利時(shí)機(jī)蓄水，對(duì)干旱半干旱地區(qū)的白城市來說，意義重大，，區(qū)內(nèi)大小泡沼星羅棋布，森林、草原、沼澤、江河湖泊相間分布，縱橫交錯(cuò)，構(gòu)成典型的濕地多樣性景觀。白城市的主要可蓄水空間主要有水庫、濕地、泡沼和灌區(qū)，可利用蓄水空間如下表2所示：

表2　可利用蓄水空間

注：灌區(qū)蓄水容量指的是灌區(qū)需水量，灌區(qū)以畝均600m3計(jì)。

白城市的總蓄水容量28.71 億 m3，則可以蓄滯洮兒河的洪水頻率為P=7%的洪水，若不考慮風(fēng)險(xiǎn)因素，最大蓄水容量為36.9 億 m3，所對(duì)應(yīng)的洪水頻率為P=5%，因此白城市洪水資源可利用閾值上限為5%。當(dāng)洮兒河洪水資源不足時(shí)，可考慮從嫩江引干流洪水資源，據(jù)資料，洮兒河90%以上的年份來水量都處在可利用蓄水容量范圍內(nèi)，因此，洮兒河的洪水資源利用效益大于風(fēng)險(xiǎn)，白城市的總需水量達(dá)50 億 m3/a，在支流蓄水不足的情況下，適時(shí)適量引蓄干流的洪水資源具有現(xiàn)實(shí)意義。

3.3干支流遭遇規(guī)律及徑流補(bǔ)償特性分析

雖然干支流河系在系統(tǒng)上是連接的，但是，由于干支流所跨區(qū)域較大，形成洪水的天氣系統(tǒng)略有差別，洪水形成的量級(jí)和時(shí)間則有差異。對(duì)白城市1956—2010年的年徑流量資料進(jìn)行分析，運(yùn)用距平百分比法[16]進(jìn)行河流豐枯特性分類，尋找干支流之間的水文聯(lián)系，兩河的歷年距平百分比對(duì)比如下圖3所示：

圖3　嫩江、洮兒河年徑流量距平百分比對(duì)比

分析得出，55 a中，洮兒河平水年11 a，占總統(tǒng)計(jì)年數(shù)20%，豐水年15 a，占總統(tǒng)計(jì)年數(shù)的27.3%，枯水年29 a，占總統(tǒng)計(jì)年數(shù)的52.7%，嫩江平水年20 a，占總統(tǒng)計(jì)年數(shù)的36.4%，豐水年15 a，占總統(tǒng)計(jì)年數(shù)的27.3%，枯水年20 a，占總統(tǒng)計(jì)年數(shù)的36.4%。洮兒河易枯水且枯水程度較大，嫩江平水年居多，水量上趨于穩(wěn)定，兩河年際豐枯交替頻繁，經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)豐水年和連續(xù)枯水年系列。干支流的遭遇規(guī)律如下表3所示：

表3　嫩江和洮兒河遭遇規(guī)律

分別對(duì)55 a中6—10月份各月的月徑流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以嫩江豐水、洮兒河平水或枯水或嫩江平水、洮兒河枯水記為可利用時(shí)段，認(rèn)為存在徑流補(bǔ)償條件，補(bǔ)償率記為存在徑流補(bǔ)償?shù)脑聰?shù)或年數(shù)除以總統(tǒng)計(jì)月數(shù)或年數(shù)，統(tǒng)計(jì)干支流月遭遇規(guī)律和月徑流補(bǔ)償率結(jié)果如下表4所示：

表4　嫩江和洮兒河主要月份豐枯情況

以上分析數(shù)據(jù)表明：從年徑流量分析，有27.3%的年份存在徑流補(bǔ)償條件，從月徑流上分析，汛期6—10月份有50.9%的年份存在徑流補(bǔ)償條件，其中6月份的徑流補(bǔ)償率為0.2，6月份為0.27，8月份為0.25，9月份為0.27，10月份為0.2，汛期可根據(jù)干支流交匯區(qū)的蓄水情況，應(yīng)用干支流的徑流補(bǔ)償規(guī)律，在保證安全的前提下，抓住有利的蓄水時(shí)機(jī)引蓄干流洪水資源。

3.4干支流峰現(xiàn)時(shí)間和概率及時(shí)間補(bǔ)償特性分析

分別對(duì)洮兒河和嫩江汛期1956—2010年5—11月各旬徑流量資料進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)各旬的徑流量分布，發(fā)現(xiàn)洮兒河的旬徑流量最大值分布比嫩江靠前，洮兒河的洪水一般早于嫩江洪水，嫩江洪水起漲緩慢，洮兒河洪水起漲迅速，結(jié)束早于嫩江，嫩江退水相對(duì)于洮兒河來說，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，水量級(jí)別大，為后期利用干流洪水資源提供條件，各旬徑流量分布圖如下圖4所示：

圖4　洮兒河、嫩江的旬徑流量分布圖

統(tǒng)計(jì)嫩江與洮兒河的洪峰出現(xiàn)時(shí)間也可以發(fā)現(xiàn)，洮兒河洪峰出現(xiàn)比嫩江靠前的概率較大，一般情況下，洮兒河洪水洪峰過后，嫩江洪水才會(huì)到來，洮兒河洪水過后，有大量的過境干流洪水經(jīng)過，而此時(shí)的洮兒河的洪水過程已結(jié)束，干支流之間存在時(shí)間補(bǔ)償特性，因此，在充分利用洮兒河的洪水資源的基礎(chǔ)上，抓住有利蓄水時(shí)機(jī)適時(shí)適量地引蓄嫩江洪水資源是可取和高效的，兩河的峰現(xiàn)時(shí)間及其概率分布如下圖5所示：

圖5　嫩江、洮兒河峰現(xiàn)時(shí)間及概率分布

4干支流洪水資源利用原則及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

干支流洪水資源的利用應(yīng)因地制宜和因時(shí)制宜，不同的干支流水量組合年份調(diào)度原則則不相同，在洮兒河枯水年份，由于上游的攔截導(dǎo)致下游缺水現(xiàn)象嚴(yán)重，重點(diǎn)考慮引蓄嫩江干流洪水資源；在洮兒河平水年份，最大限度安全地將洮兒河沿岸各蓄水空間蓄水，適當(dāng)考慮風(fēng)險(xiǎn)因素，并視時(shí)機(jī)合理引蓄嫩江洪水資源；在洮兒河豐水年份，各蓄水空間可引蓄空間少，主要考慮引水風(fēng)險(xiǎn)，適時(shí)適量地引蓄洮兒河洪水資源，根據(jù)交匯區(qū)后汛期蓄水情況安全截蓄嫩江退水。

洪水資源的利用是按照一定的步驟逐步開展的，水利工程是基礎(chǔ)，科學(xué)調(diào)度時(shí)前提，是工程措施與非工程措施有機(jī)結(jié)合的多階段的決策過程，分為“規(guī)劃設(shè)計(jì)”“預(yù)案制定”“實(shí)時(shí)管理”三個(gè)步驟[17]，在確定區(qū)域洪水資源利用方式的前提下，根據(jù)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)制定洪水調(diào)度預(yù)案，結(jié)合短期洪水預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)工情，做出洪水實(shí)時(shí)調(diào)度決策，干支流交匯區(qū)各豐平枯水年的調(diào)度原則見表5：

表5　豐平枯水年洪水資源調(diào)度原則

2003年至今，白城市對(duì)干支流交匯區(qū)的洪水資源利用進(jìn)行了一系列的實(shí)踐，2003年引嫩江洪水7 億 m3入月亮泡水庫、莫莫格濕地；洮兒河方面實(shí)施了“引察濟(jì)向”，為向海濕地補(bǔ)水6 600 萬 m3；2004年，白城市抓住嫩江的春汛，為嫩江沿岸水庫、泡塘、濕地引蓄洪水3 億多 m3，6月下旬洮兒河為向海濕地送水近1 億 m3；2005年嫩江發(fā)生了較大的洪水，白城市科學(xué)調(diào)度，適時(shí)引蓄嫩江和洮兒河洪水近10 億 m3，使全市多年干涸及缺水的水庫、濕地和泡塘蓄上了水。2013年汛期，嫩江發(fā)生了20 a一遇洪水，洮兒河發(fā)生了自1998年以來的最大洪水，白城市利用引洮分洪河道向向海水庫、泉眼泡、四海泡等水庫泡塘供水，共分洮兒河洪水2.60 億 m3，在增加區(qū)域水資源量的同時(shí)，有效地減輕了月亮泡水庫的防洪壓力。

5結(jié)論

在水庫洪水資源利用日趨成熟的今天，水庫外蓄水空間的洪水資源利用研究還處于初級(jí)階段，綜合利用天然濕地、泡沼、灌區(qū)及溝渠的湖庫連通系統(tǒng)承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)小，成本低，效益顯著。干支流交匯區(qū)為典型利用天然蓄水空間的有利區(qū)域，結(jié)合區(qū)域的蓄水特點(diǎn)以吉林省白城市嫩江和洮兒河干支流交匯區(qū)為例，分析干支流水文特性和洪水資源利用原則，得出以下結(jié)論：

1)干支流交匯區(qū)蓄水空間豐富，根據(jù)白城市的蓄水空間確定可利用洪水頻率閾值上限為P=5%。

2)白城市干支流之間存在徑流補(bǔ)償特性和時(shí)間補(bǔ)償特性，從年徑流系列分析有27.3%的年份存在徑流補(bǔ)償條件，從月徑流上分析，汛期6-10月份有50.9%的年份存在徑流補(bǔ)償條件，6月份的徑流補(bǔ)償率為0.2，7月份為0.27，8月份為0.25，9月份為0.27，10月份為0.2；洮兒河旬徑流量集中時(shí)段早于嫩江，洮兒河洪水的發(fā)生早于嫩江概率極大，洮兒河洪水過后可通過引蓄嫩江水有效彌補(bǔ)洮兒河的水量不足。

3)洪水資源利用應(yīng)因地因時(shí)制宜，豐平枯水年的調(diào)度原則應(yīng)有所不同，豐水年調(diào)度偏重洮兒河，枯水年調(diào)度偏重嫩江，干支流調(diào)度合理協(xié)調(diào)，且要根據(jù)當(dāng)年的洪水預(yù)報(bào)和事先制定的預(yù)案，結(jié)合監(jiān)測(cè)實(shí)情進(jìn)行合理決策。

參考文獻(xiàn)：

[1]李長(zhǎng)安.長(zhǎng)江洪水資源化思考[J].地球科學(xué),2003,28(4):461-466.

[2]趙天野,董小舟,董小輝.白城市洪水資源的特點(diǎn)及利用實(shí)踐[J].地下水,2010,32(1):89-90.

[3]馬文奎,王建剛,張鐵軍等.海河流域洪水資源利用能力及調(diào)度方式的研究[J].海河水利,2007,5:1-4.

[4]陳霽巍,穆興民.黃河斷流的態(tài)勢(shì)、成因及科學(xué)對(duì)策[J].自然資源學(xué)報(bào),2000,15(1):31-35.

[5]張金鋒,劉聯(lián)兵,馮雄波.淺談極端氣候條件下長(zhǎng)江流域水資源配置[J].人民長(zhǎng)江,2011,42(18):91-94.

[6]國家防辦課題調(diào)研組.洪水資源化調(diào)研報(bào)告[J].中國防汛抗旱,2004(2):10-13.

[7]張柏良,陳少杰.白城市洪水資源利用實(shí)踐研究[J].吉林水利,2009,(320):28-32.

[8]張德福.洪水資源利用的進(jìn)展與實(shí)踐—以松遼流域?yàn)槔齕J].中國防汛抗旱,2008,(6):15-17.

[9]程殿龍,尚全民,萬海斌等.科學(xué)積極地對(duì)待洪水資源化[N].中國水利報(bào),2004.3.16.

[10]李忠東.美國的洪水資源化利用[J].資源與人居環(huán)境,2010,17:37-38.

[11〗郭方,劉國緯.海河流域洪水資源化利用初析[J].海河水利,2004,1:8-11.

[12]邢斌.海河流域利用河渠溝通攔蓄洪水資源可行性分析[J].海河水利,2010,5:5-8.

[13]于翚,吳大光.海河流域蓄滯洪區(qū)在洪水資源利用中的作用[J].海河水利,2009,6:10-12.

[14]劉建衛(wèi).平原地區(qū)河流洪水資源利用研究[D].遼寧省大連市:大連理工大學(xué),2007.

[15]王雪妮.泡沼引蓄河流洪水資源風(fēng)險(xiǎn)研究[D].遼寧省大連市:大連理工大學(xué),2010.

[16]許士國,劉建衛(wèi),陳立羽.通河湖庫在洪水資源化中的補(bǔ)償作用分析[J].水利學(xué)報(bào),2005,36(11):1359-1363.

[17]劉建衛(wèi),許士國,王雪妮.平原地區(qū)洪水資源利用系統(tǒng)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào),2009,42(6):710-714.

文章編號(hào)：1007-7596(2016)04-0102-04

[收稿日期]2016-03-20

[作者簡(jiǎn)介]李想(1988-)，女，黑龍江七臺(tái)河人，助理工程師；劉正茂(1973-)，男，湖南雙峰人，高級(jí)工程師；趙子龍(1989-)，男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師，碩士研究生。

中圖分類號(hào)：TV121+.4

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