岸堤水庫流域洪水資源利用潛力計算方法研究

閆成山，董鳳軍，王君諾，周偉凱，徐嘉璐，劉春彤

(1. 山東省淮河流域水利管理局規(guī)劃設計院，濟南 250100；2. 臨沂市岸堤水庫管理處，山東 臨沂 276217)

受溫帶季風氣候的影響，我國北方地區(qū)降水上時空分布不均，且年內、年際變化較大，大部分年份水資源量集中于汛期少數(shù)幾場降水過程，因此對汛期水資源的有效利用顯得尤為重要。洪水資源利用是指通過修建水利工程、優(yōu)化其調度運行方式來提高流域洪水調控利用能力，盡可能地將汛期洪水轉化為可利用的水資源的過程[1]。洪水資源利用是一個十分廣泛的范疇，但近年來，隨著人們對洪水利害兩重性認識的不斷深入，“洪水資源化”[2,3]概念已逐步成為學界共識。在不影響流域防洪度汛、保證水利工程及防護對象安全的前提下，通過工程和非工程措施，科學合理地利用洪水資源，盡可能實現(xiàn)“洪水資源化”，既減少了洪澇災害，又緩解了區(qū)域水資源短缺的狀況。國內學者對黃河[4,5]、海河[6,7]、南四湖[8,9]、長江[10]、太湖[11]以及鄱陽湖[12]等流域已開展了不同程度的洪水資源化利用研究，并提出了洪水資源現(xiàn)狀可利用量、規(guī)劃可利用量、理論可利用量及現(xiàn)狀利用潛力、規(guī)劃利用潛力、理論利用潛力、洪水資源利用約束條件[11]、經濟適度性[8]等相關概念及研究方法，取得了豐富的研究成果。為此，本文以岸堤水庫流域為例，在以往研究基礎上，根據(jù)岸堤水庫流域洪水資源調控實踐與需求，綜合極限分析研究方法，提出岸堤水庫流域洪水資源利用潛力評估方法，為岸堤水庫流域洪水資源利用提供決策依據(jù)，同時為其他地區(qū)的水庫洪水資源利用提供借鑒和參考。

1 概 述

岸堤水庫是山東省第二大水庫，位于沂河一級支流東汶河中游，是一座以防洪、灌溉和供水為主，兼顧發(fā)電、水產養(yǎng)殖等綜合利用的大型水利工程，控制流域面積1 693.3 km2，見圖1。岸堤水庫流域建有中型水庫3座、小型水庫96座，總庫容7.494 億m3，調洪庫容4.325 億m3，興利庫容4.508 6 億m3，防洪標準為100年一遇。岸堤水庫以上干流長度66.6 km，流域形狀呈扇形，主河道平均坡度0.263%，汛期(6-9月)的降水量一般占全年的70%以上。

岸堤水庫建成于1960年，樞紐工程主要包括大壩(主、副壩)、電站、輸水洞、溢洪道(閘)及工程管理設施等。水庫自建成運行以來，在防洪、灌溉、供水及發(fā)電等方面發(fā)揮了巨大的作用，極大地帶動了當?shù)亟洕l(fā)展。但因受財力、物力、技術諸多因素影響，水庫長期處于限制運行狀態(tài)，制約了流域洪水資源的利用。近年來，當?shù)厮Y源短缺問題日益突出，而流域每年汛期卻有大量的棄水，造成了結構性浪費，區(qū)域水資源整體調控能力不足，改進水庫現(xiàn)有調度方式是提高水庫水資源調控能力的有效途徑。在汛期，可根據(jù)流域實時雨、水情信息，結合降雨徑流、洪水預報等非工程措施，以現(xiàn)有水利工程為基礎，在不影響水庫本身防洪標準及其上下游地區(qū)防洪安全的前提下，最大限度發(fā)揮水庫的防洪作用，通過水庫的優(yōu)化調度來挖掘流域的洪水資源利用潛力。

2 洪水資源化及安全利用

2.1 洪水資源利用

洪水資源利用，其本質是通過對流域汛期大流量、高水位河川徑流進行調控，使部分洪水轉化為可利用的水資源量的過程[13]，實現(xiàn)從“災害水”向“資源水”及“生態(tài)水”的轉化，提高流域水資源的利用率。洪水資源利用與流域具體情況密切相關，受現(xiàn)有水利工程調控能力及生態(tài)環(huán)境安全的制約，洪水資源利用可以分為“洪水資源可利用量”及“不可利用量”兩部分[14]。

洪水資源可利用量是一個動態(tài)的概念，具有兩方面含義[15,16]：即“能夠利用”和“允許利用”，它是相對于一定的工程調控能力、科學技術發(fā)展水平、區(qū)域經濟條件及河道功能目標而言；在不同發(fā)展階段，洪水資源可利用量是隨流域工程調控能力和河道內必要生態(tài)環(huán)境需水量的變化而變化的。同樣，洪水資源不可利用量也具有兩方面含義：即“不能夠利用”和“不允許利用”，分別對應洪水期不可控洪水徑流量及洪水期河道內生態(tài)等必要需水量。其中不可控洪水徑流量是指在可預見期內超過流域水利工程調控能力而“不能夠”被利用的洪水徑流量；河道內生態(tài)等必要需水量則是相對于河流功能目標而言，維持河流汛期生態(tài)環(huán)境安全、保障生產功能而“不允許利用”的水量；兩者的確定是評估流域洪水資源可利用量的關鍵步驟。

2.2 洪水資源利用潛力

“洪水資源(開發(fā))利用潛力”是目前水文水資源研究領域一個較多使用而未統(tǒng)一定義的概念。不同文獻[17-20]中所采用的洪水資源利用潛力的定義、參照標準和計算方法差別甚大。

本研究認為，洪水資源利用潛力的概念與洪水資源可利用量之間具有一致性，應綜合考慮流域洪水資源利用的約束因素，由此提出岸堤水庫流域洪水資源潛力可定義為：在保證流域防洪度汛安全和下游必要需水的基礎上，以資源利用為目的，綜合利用已建水利工程，并采取經濟合理、技術可行的手段及管理措施，主動攔蓄和滯留流域內洪水，在除去流域洪水資源現(xiàn)狀利用量之后，還可以進一步開發(fā)利用的最大洪水徑流量。

洪水資源利用潛力評價是對流域洪水資源可利用量更深入的劃分，其目的是尋找抬高洪水資源可利用過程線的途徑和方式。洪水資源現(xiàn)狀利用過程是依托現(xiàn)有水利工程，現(xiàn)行的調度水平，對一場天然洪水所能控制利用的水量過程，代表了一個流域的洪水資源現(xiàn)狀利用能力；洪水可利用過程則是指在經濟可行、技術合理、保障流域生態(tài)環(huán)境安全的基礎上，對一場天然洪水進行最大限度的開發(fā)所能利用的水量過程。洪水資源現(xiàn)狀利用過程與洪水可利用過程之間的區(qū)域即為本次洪水資源的利用潛力，見圖2。

圖2 洪水資源利用潛力示意圖Fig.2 Schematic diagram of flood resources utilization potential

3 岸堤水庫流域洪水資源利用潛力計算

岸堤水庫流域出口銜接下一個流域，非入?？?，結合岸堤水庫流域洪水資源潛力的定義，本次以岸堤水庫流域汛期洪水資源總量、洪水資源可利用量、岸堤水庫流域出境水量(水庫汛期出庫水量)等作為本次洪水資源評估指標。

3.1 洪水資源潛力評估方法

通過前述可知，基于現(xiàn)狀流域調控利用能力，流域洪水資源可劃分為“可利用量”和“不可利用量”兩部分。其中不可利用量又可分為為滿足下游基本的“三生”用水所“不允許利用”和受流域調控能力限制而“不能夠利用”兩部分[21,22]。假定洪水資源可利用量能夠表示為流域調控利用能力的函數(shù)，則調控利用能力為x的流域洪水資源可利用量采用公式(1)計算。

(1)

對于岸堤水庫流域現(xiàn)狀工程調控利用能力x0下的洪水資源實際利用量，采用公式(2)計算，相應的流域洪水資源利用率采用公式(3)計算。

(2)

(3)

同理，基于現(xiàn)狀工程調控利用能力x0下的洪水資源現(xiàn)狀可利用量，采用公式(4)計算。

(4)

(5)

W(i)-We(i)

(6)

式中：Wa(i)為流域洪水資源理論利用潛力。

根據(jù)對洪水資源量、可利用量、不可利用量及洪水資源利用潛力、洪水資源評估方法指標等的論述，進一步歸納提出了岸堤水庫流域洪水資源可利用量和利用潛力計算的基本流程，見圖3，該圖概括了岸堤水庫流域洪水資源可利用量和利用潛力所涉及的相關概念的聯(lián)系及計算流程。

圖3 洪水資源可利用量和利用潛力計算流程Fig. 3 Calculation process of utilization and utilization potential of flood resources

3.2 岸堤水庫流域洪水資源利用現(xiàn)狀和潛力計算

3.2.1 基礎資料及處理

本文收集了1970-2012年岸堤水庫流域內傅旺莊、蒙陰、岸堤水庫3處水文站的逐日流量資料及常路、臻子崖等15處雨量站逐日降雨量和蒸發(fā)量等資料。通過對天然徑流量還原計算得到流域汛期洪水資源量。此外，至20世紀70年代初期，流域工程布局基本穩(wěn)定，因此可認為70年代以后的洪水資源利用情況，基本可代表洪水資源利用現(xiàn)狀。評價將汛期(6-9月)劃定為“洪水期”，采用Tennant法計算流域河道必要需水量，并選取處于受災臨界狀態(tài)的洪水資源現(xiàn)狀利用量代表流域工程調控能力，在此基礎上對岸堤水庫流域洪水資源可利用量、利用潛力等進行評估計算。

3.2.2 下游河道生態(tài)環(huán)境需水計算

由于岸堤水庫流域下游河流必要需水量主要是洪水期生態(tài)環(huán)境需水，參考相關文獻[23]，沂河流域最小生態(tài)需水比例為12.5%，本次研究取本流域同期多年平均徑流量的15%，大致相當于Tennant法“中等”水平[24,25]。經計算，岸堤水庫流域下游河流汛期(6-9月)的必要需水量為0.6 億m3。

3.2.3 流域現(xiàn)狀洪水調控利用能力確定

從近10年(2003-2012年)流域洪水資源實際利用量可以看出，2003、2004、2005和2011年均發(fā)生了一定規(guī)模的洪水。通過調查了解，2011年岸堤水庫流域局部區(qū)域發(fā)生洪澇災害，且實際利用量3.23 億m3為近十年次大值。經綜合比較，認為2011年岸堤水庫流域處于受災臨界狀態(tài)，故選取2011年的實際利用量3.23 億m3代表現(xiàn)狀流域洪水資源調控利用能力。

根據(jù)岸堤水庫流域汛期洪水資源總量、實際利用量、不可利用量及現(xiàn)狀可利用量等計算結果，見表1。由表1可知，岸堤水庫流域多年平均洪水資源現(xiàn)狀可利用量為2.43 億m3，且有多個年份發(fā)生最大值，尤其是2001-2005年、2007-2009年連續(xù)出現(xiàn)最大值3.23 億m3；最小值為1989年，為0.11 億m3，這一年降水量小，流域發(fā)生嚴重干旱。在岸堤水庫流域當前工程調控能力和運行方式下，流域汛期(6-9月)多年平均不可控洪水徑流量為1.35 億m3，部分年份比較集中，個別年份為0 億m3；流域多年平均出境水量為2.47 億m3，現(xiàn)階段可以挖掘的洪水資源利用潛力為0.87 億m3。

3.2.4 評價結果及分析

(1)根據(jù)計算結果，岸堤水庫流域1970-2012年多年平均洪水資源實際利用量為1.58 億m3，平均利用率為38.9 %，利用率不高。從多年平均的角度看，洪水資源實際利用量小于現(xiàn)狀可利用量，見圖4。但有6個年份流域洪水資源實際利用量達到或超過了現(xiàn)狀可利用量，占總年份的17.0%。這6個年份中，有3個年份是由于洪水期河道內必要需水量受到擠占，導致洪水資源實際利用量超過洪水資源可利用量，河道基本功能受到損害；另有3個年份(如1990年)，由于汛期來水較多，洪水資源實際利用量達到(超過了)流域洪水資源調控利用能力，對流域防洪安全保障造成了一定損害。因此一方面需加強對平水、枯水年份洪水資源的合理管理，做到適度利用，保障洪水期河道內必要生態(tài)環(huán)境需水量；另一方面需加強防洪工程體系建設，提高豐水年份流域防洪安全保障能力。此外，從圖4可以看出，1970-2012年間，岸堤水庫流域汛期洪水資源可利用量受不可控洪水徑流量約束的年份多于受河道必要需水量約束的年份，此時不可控洪水徑流量即為流域洪水資源不可利用量。

表1 岸堤水庫流域洪水資源利用現(xiàn)狀和利用潛力計算結果 億m3

注：③=②-①；④=max[①-(W0，0)]；⑤=max[④，We(i)]；⑥=①-max(④，⑤)；⑦=①-We(i)；⑧=②-⑤；⑨=②-We(i)。

圖4 岸堤水庫流域洪水資源實際利用量與現(xiàn)狀可利用量Fig.4 Actual utilization amount of flood resources and current available amount of embankment reservoir basin

(2)從多年平均來看，岸堤水庫流域具有一定的洪水資源利用潛力，但年際分布不均勻，主要集中在豐水年份，部分枯水年份利用潛力為0 億m3。20世紀70年代、90年代初期及2004年以后利用潛力較大，其中近幾年(2004-2010年)均可達到1.14 億m3。岸堤水庫多年平均(1970-2012年)洪水資源理論利用潛力為1.90 億m3，除個別年份利用潛力為0 億m3外，大部分年份均具有一定的理論利用潛力，同樣具有年際分布均的規(guī)律。其中最大值為1970年的5.38 億m3，最小值為2006年的0.07 億m3。

(3)通過繪制岸堤水庫流域洪水資源總量與利用潛力關系、洪水資源總量與可利用量關系圖，見圖5與圖6。根據(jù)圖5

圖5 岸堤水庫流域洪水資源總量與利用潛力關系Fig.5 Relationship between flood resources and utilization potential of embankment reservoir basin

圖6 岸堤水庫流域洪水資源總量與可利用量Fig.6 The total amount of flood resources and the amount of benefit of embankment reservoir basin

和圖6判斷，岸堤水庫現(xiàn)狀洪水資源利用潛力具有較為顯著的閾值條件，現(xiàn)狀利用水平條件下汛期洪水資源利用的合理閾值在4.17～8.29 億m3之間，利用對象大多為中小型洪水。而對于流域洪水資源理論利用潛力，則表現(xiàn)為當汛期洪水資源量超過4.17 億m3時，岸堤水庫流域理論利用潛力隨流域洪水資源量增加而增大，此現(xiàn)象說明岸堤水庫流域現(xiàn)狀洪水資源利用潛力受流域洪水調控利用能力的制約。

(4)岸堤水庫流域1970-2012年來水條件下，現(xiàn)狀洪水資源可利用量多年平均為2.43 億m3；理論可利用量最大值為1970年的7.80 億m3，最小值為1989年的0.11 億m3。根據(jù)圖5分析，在岸堤水庫流域現(xiàn)狀洪水調控利用能力(3.23 億m3)之內，流域的洪水資源現(xiàn)狀可利用量與理論可利用量兩者是相互重合的，當超過流域現(xiàn)狀洪水調控利用能力(3.23 億m3)時兩者之間發(fā)生分離，具體表現(xiàn)為理論可利用量與洪水資源總量在數(shù)值上呈線性上升關系，而現(xiàn)狀可利用量受現(xiàn)狀洪水調控利用能力的約束，兩者變化趨勢保持一致且在數(shù)值上存在等同關系。

4 結 語

本文以岸堤水庫流域為例，闡述了流域洪水資源利用潛力等相關概念及計算流程，根據(jù)岸堤水庫流域洪水資源調控實踐與需求，綜合極限分析研究方法，提出了岸堤水庫流域洪水資源利用潛力的一個閾值空間，以及現(xiàn)狀可利用量與洪水調控利用能力的邏輯關系，對岸堤水庫流域洪水資源利用以及水庫的運行管理具有重要的指導意義。同時，有助于完善水庫洪水資源利用、防洪安全保障及下游河道生態(tài)環(huán)境間的評價體系，也有益于進一步明確水資源安全利用的相關概念。

需要指出的是，洪水資源可利用量是一個動態(tài)的概念，受影響因素眾多，在實際資源利用中具有很高的復雜性和不確定性。本文在洪水資源利用潛力的計算方法上，尤其是洪水資源調控能力的確定及生態(tài)環(huán)境需水計算上，還有進一步完善的空間。另外，在空間尺度上只研究了岸堤水庫流域，應聯(lián)合上下游工程，從整體防洪系統(tǒng)著手，深入開展大流域、多工程調控下的洪水資源利用潛力分析研究，建立更加完善的評估體系，完善流域水資源開發(fā)利用時間和空間格局，提高洪水資源利用水平。