區(qū)域雨洪資源利用潛力及模式研究

劉德東，譚樂(lè)彥，劉國(guó)印，朱 磊

（1.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南250013；2.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川750021）

雨洪資源利用就是將雨洪作為一種資源,在保證區(qū)域防洪安全、經(jīng)濟(jì)可行、環(huán)境友好的前提下,通過(guò)工程措施和非工程措施,將雨洪轉(zhuǎn)化為存蓄在地表或地下的水資源,供人類(lèi)利用的過(guò)程或水事活動(dòng)。利用好雨洪資源,既能緩解水資源短缺危機(jī)、減少洪澇災(zāi)害又能改善水環(huán)境和水生態(tài),既能提高水資源可利用量和利用率又能促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),是一項(xiàng)一舉多得的水管理措施。

雨洪資源利用是水資源開(kāi)發(fā)利用的重要內(nèi)容,從2005年以來(lái),一直是國(guó)家級(jí)和省部級(jí)重大專(zhuān)項(xiàng)的研究熱點(diǎn),如“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“雨洪資源利用技術(shù)研究及應(yīng)用”［1］,2015年水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)“山東低山-平原區(qū)雨洪開(kāi)發(fā)技術(shù)與示范”［2］等,都從不同方面對(duì)雨洪資源利用涉及的理論和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,或正在進(jìn)一步開(kāi)展研究［3］,部分研究取得了豐碩的理論和技術(shù)成果。面對(duì)水資源短缺的緊迫形勢(shì),將雨洪資源領(lǐng)域的研究成果用于指導(dǎo)各地雨洪開(kāi)發(fā)利用實(shí)踐有重大意義。為此,筆者面向地方需求,以聊城市為例,對(duì)雨洪資源量、雨洪資源利用潛力進(jìn)行分析評(píng)估,提出雨洪資源利用總體思路和主要任務(wù),以期為聊城市和其他地區(qū)雨洪開(kāi)發(fā)利用頂層設(shè)計(jì)和建設(shè)實(shí)踐提供參考。

1 研究區(qū)概況

聊城市位于山東省西部冀魯豫交界處,總面積8 715 km2。市內(nèi)地勢(shì)平緩,河流眾多,主要有徒駭河、馬頰河和從邊界流過(guò)的漳衛(wèi)河、金堤河,黃河從東南邊界流過(guò)。聊城市是農(nóng)業(yè)大市,有位山灌區(qū)、彭樓灌區(qū)、陶城鋪灌區(qū)和郭口灌區(qū)四大引黃灌區(qū),水庫(kù)、閘壩、泵站等水利工程2 000余處,其中：平原水庫(kù)10座、泵站320處、閘壩862處。聊城市地處暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),多年平均降水量為560.6 mm［4］,降水時(shí)空分布不均,自東南向西北遞減,年際與年內(nèi)變化大,汛期（6—9月)降水量占全年的73.8%。全市多年平均水資源量為12.07億m3,人均當(dāng)?shù)厮Y源占有量為200 m3,不到全國(guó)的9%,屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)。根據(jù)水資源供需平衡分析,考慮從黃河和長(zhǎng)江引水,現(xiàn)狀水利工程條件下到2035年平、枯、特枯3種情況下缺水量分別為 4.8億、6.0億、6.3億 m3,缺水率分別為20.4%、24.7%、26.3%,缺水形勢(shì)嚴(yán)峻,開(kāi)發(fā)利用雨洪資源是聊城市解決缺水問(wèn)題的重要選擇。

2 入境河流與市內(nèi)雨洪豐枯遭遇分析

聊城市雨洪資源主要分布于市內(nèi)徒駭河、馬頰河及邊界河流漳衛(wèi)河、金堤河、黃河上,黃河分水指標(biāo)固定,不做雨洪開(kāi)發(fā)分析。為分析邊界河流雨洪資源利用的可行性,對(duì)漳衛(wèi)河、金堤河入境徑流和聊城市降水之間的豐枯遭遇進(jìn)行分析。

2.1 漳衛(wèi)河實(shí)測(cè)入境徑流與聊城市降水豐枯遭遇

漳衛(wèi)河入境徑流采用反映現(xiàn)狀下墊面條件的臨清站1980—2013年共34 a的徑流資料,聊城市降水采用聊城站、陽(yáng)谷站、臨清站和茌平站的平均雨量,遭遇分析按照年和汛期兩個(gè)時(shí)段分別進(jìn)行。不同頻率下漳衛(wèi)河徑流和聊城市降水分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同頻率下漳衛(wèi)河徑流和聊城市降水分析結(jié)果

根據(jù)旱澇等級(jí)資料和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),按頻率可分為豐、平、枯、特枯4級(jí),其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 豐、平、枯、特枯分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

按照以上分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),漳衛(wèi)河1980—2013年34 a中豐水年為15 a,占44%；平水年為14 a,占41%；枯水年為4 a,占12%；特枯水年為1 a,占3%。聊城市1980—2013年34 a中豐水年為16 a,占47%；平水年為12 a,占35%；枯水年為4 a,占12%；特枯水年為2 a,占6%。

為標(biāo)示邊界河流與聊城市降水之間豐枯組合情況,按照聊城市是否有利于漳衛(wèi)河引水、利用漳衛(wèi)河雨洪資源,將兩者之間豐枯遭遇的16種可能情況分為有利、尚可、不利組合遭遇三大類(lèi),分別包括：①豐-特枯、豐-枯、豐-平、平-特枯、平-枯；②平-豐、平-平、枯-豐、特枯-豐；③豐-豐、枯-平、枯-枯、枯-特枯、特枯-平、特枯-枯、特枯-特枯。經(jīng)分析,漳衛(wèi)河年徑流量與聊城市年降水量“有利”組合年數(shù)為12 a,占35%；“尚可”組合為9 a,占27%；“不利”組合為13 a,占38%。漳衛(wèi)河年徑流量與聊城市年降水量豐枯遭遇情況見(jiàn)表3。

表3 漳衛(wèi)河年徑流量與聊城市年降水量豐枯遭遇情況

漳衛(wèi)河汛期徑流量與聊城市汛期降水“有利”組合為7 a,占21%；“尚可”組合為10 a,占29%；“不利”組合為17 a,占50%。漳衛(wèi)河汛期徑流量與聊城市汛期降水量豐枯遭遇情況見(jiàn)表4。

表4 漳衛(wèi)河汛期徑流量與聊城市汛期降水豐枯遭遇情況

2.2 金堤河實(shí)測(cè)入境徑流量與聊城市降水量豐枯遭遇

按上述方法對(duì)金堤河實(shí)測(cè)入境徑流量與聊城市降水豐枯遭遇進(jìn)行分析。金堤河年徑流量與聊城市年降水量“有利”組合為6 a,占18%；“尚可”組合為10 a,占29%；“不利”組合為18 a,占53%。金堤河汛期徑流量與聊城市汛期降水量“有利”組合為6 a,占18%；“尚可”組合為 9 a,占 26%；“不利”組合為 19 a,占56%。

2.3 邊界河流雨洪資源利用可行性分析

根據(jù)漳衛(wèi)河徑流量和聊城市降水量之間豐枯遭遇分析結(jié)果,漳衛(wèi)河年徑流量與聊城市年降水量“有利”和“尚可”組合共計(jì)61%,汛期“有利”和“尚可”組合共計(jì)50%,可知一半以上年份有相對(duì)較好的豐枯遭遇,漳衛(wèi)河引水資源條件較好。根據(jù)金堤河徑流量和聊城市降水量之間豐枯遭遇分析結(jié)果,金堤河年徑流量與聊城市年降水量“有利”和“尚可”組合共計(jì)47%,汛期“有利”和“尚可”組合共計(jì)44%,可知接近一半年份有相對(duì)較好的豐枯遭遇,金堤河引水資源條件較好?？傮w而言,聊城市具有相對(duì)較好的漳衛(wèi)河、金堤河相機(jī)引水條件,開(kāi)發(fā)利用漳衛(wèi)河、金堤河雨洪資源切實(shí)可行。

3 雨洪資源量和雨洪資源利用潛力分析

目前,關(guān)于雨洪資源利用的概念國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一定義,為便于分析,本文對(duì)雨洪資源利用的相關(guān)概念進(jìn)行統(tǒng)一界定（見(jiàn)圖1)。

圖1 雨洪資源利用相關(guān)概念示意

（1)洪水：指河道內(nèi)超過(guò)一定基準(zhǔn)流量的大流量徑流。

（2)雨洪資源量：指由降雨形成的河道雨洪徑流總量［5-6］,其數(shù)值為扣除基流量后的河道徑流量（圖1中L5與L1之間的部分)：

式中：Wr為雨洪資源量；Rr為河流徑流總量；Rb為河流基流量。

本文河道徑流量Rr按照河道斷面實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)計(jì)算,河流基流量Rb按照多年平均最枯月徑流量計(jì)算。

（3)雨洪資源已利用量（現(xiàn)狀利用量［7］)：指在現(xiàn)狀水資源開(kāi)發(fā)利用能力下,一個(gè)流域或區(qū)域利用、損耗、蓄滯在區(qū)域內(nèi)的雨洪資源總量（圖1中L3與L1之間的部分)。

（4)雨洪資源利用潛力：指一定時(shí)期內(nèi),在保障河流健康和生態(tài)環(huán)境的前提下,對(duì)現(xiàn)有水利工程和非工程措施尚未能控制的那部分雨洪資源實(shí)施開(kāi)發(fā)利用,最大可能利用的洪水資源量。該部分水量可根據(jù)河流現(xiàn)狀實(shí)測(cè)徑流量,在滿足下游河流生態(tài)用水前提下,扣除汛期難以控制利用的峰量洪水,尚可開(kāi)發(fā)利用的洪水資源量（圖1中L4與L3之間的部分)。雨洪資源潛力計(jì)算公式為

式中：Wp為雨洪資源潛力；Re為河流生態(tài)水量；Ws為難以控制的大洪水量。

河流生態(tài)水量Re按照Tennant法進(jìn)行分析［8］。根據(jù)聊城市河道徑流特點(diǎn),河道內(nèi)6—10月生態(tài)需水量按照相應(yīng)月份多年平均實(shí)測(cè)流量的30%計(jì)算,11月—次年5月生態(tài)需水量按照相應(yīng)月份多年平均實(shí)測(cè)流量的10%計(jì)算。難以控制的大洪水量Ws根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),分析統(tǒng)計(jì)5 a一遇以上洪水水量作為難以利用水量。

根據(jù)上述計(jì)算方法,采用反映現(xiàn)狀下墊面條件的1980年以來(lái)實(shí)測(cè)徑流量資料進(jìn)行分析,聊城市不同降水量年型各河流雨洪資源量、雨洪資源利用潛力分別見(jiàn)表5和表6。

表5 聊城市不同降水量年型各河流雨洪資源量 萬(wàn)m3

按市內(nèi)、邊界河流劃分,聊城市雨洪資源利用潛力多年平均為54 067萬(wàn)m3,其中：市內(nèi)河流為6 496萬(wàn)m3（占12%),邊界河流為47 571萬(wàn)m3（占88%)。 豐、平、枯、特枯不同年型聊城市邊界河流雨洪資源利用潛力占比為85%～91%,開(kāi)發(fā)潛力大 。規(guī)劃雨洪資源利用工程時(shí),除了考慮當(dāng)?shù)睾恿饔旰橘Y源的挖潛外,還應(yīng)充分考慮邊界河流雨洪的調(diào)引利用。

表6 聊城市不同降水量年型各河流雨洪資源利用潛力 萬(wàn)m3

4 聊城市雨洪資源利用總體思路和主要任務(wù)

4.1 雨洪資源利用措施

結(jié)合聊城市平原區(qū)的特性,雨洪資源利用措施可歸納為“蓄、調(diào)、滲”3個(gè)方面。

（1)“蓄”：指在時(shí)間上滯蓄洪水,以備充分利用雨洪資源,主要措施包括建設(shè)平原水庫(kù)、攔河閘壩、坑塘等工程［11-14］。

（2)“調(diào)”：指在平面空間上調(diào)配洪水,分散利用雨洪資源,實(shí)現(xiàn)東西調(diào)配、南北互濟(jì)、豐枯互補(bǔ),措施主要為河渠湖庫(kù)水系連通,通過(guò)引水、提水等工程措施將雨洪資源調(diào)入需水區(qū)［15-18］。

（3)“滲”：指在豎向空間上滯滲雨洪,通過(guò)溝渠攔滲、自然洼地或人工濕地滯滲、增加城市透水面積入滲、采取水保措施涵養(yǎng)地下水源等方式蓄滲雨洪資源,改善地下水生態(tài)環(huán)境［19-20］。

4.2 總體思路

按照“科學(xué)利用雨洪水,控制開(kāi)采地下水,高效利用黃河水,積極引用長(zhǎng)江水,鼓勵(lì)采用非常規(guī)水”的水資源開(kāi)發(fā)利用總思路,緊密結(jié)合聊城市當(dāng)?shù)厥星樗樘攸c(diǎn),以提升水資源保障能力為目標(biāo),以“蓄、調(diào)、滲”為主要措施,構(gòu)建“五橫六縱,互連互通；庫(kù)河同蓄,五水統(tǒng)籌”的雨洪資源利用工程總體格局,實(shí)現(xiàn)雨洪資源充分利用,為聊城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展提供水資源支撐。其中：“五橫六縱”指聊城市基本呈東西走向的5條主要河流（黃河、金堤河、徒駭河、馬頰河、漳衛(wèi)河)和6條南北走向的主干河渠（彭樓干渠、位山三干、位山二干、位山一干、南水北調(diào)干線以及規(guī)劃建設(shè)的京杭運(yùn)河干線)；“互連互通”指規(guī)劃的連通工程,實(shí)現(xiàn)聊城市主要河渠的互連互通；“庫(kù)河同蓄”指充分利用平原水庫(kù)及河道槽蓄作用攔蓄雨洪水；“五水統(tǒng)籌”指通過(guò)水系連通工程、平原水庫(kù)、河道攔蓄工程等,實(shí)現(xiàn)對(duì)黃河水、長(zhǎng)江水、當(dāng)?shù)厮?、金堤河水、漳衛(wèi)河水5大水源的統(tǒng)籌利用。

4.3 主要任務(wù)

根據(jù)雨洪資源利用的總體思路和主要措施,結(jié)合聊城市市情、水情、工情,確定聊城市雨洪資源利用主要工程建設(shè)任務(wù),實(shí)現(xiàn)雨洪資源利用目標(biāo),為聊城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的供水安全支撐。

（1)建設(shè)運(yùn)河開(kāi)發(fā)工程,充分利用雨洪資源,實(shí)現(xiàn)灌溉、排水、旅游開(kāi)發(fā)等綜合效益。

（2)建設(shè)河道雨洪資源利用工程（包括河道攔河閘壩工程、河道擴(kuò)挖工程及綜合整治等),與生態(tài)河道、景觀河道相結(jié)合,充分發(fā)揮河道攔蓄、蓄滲雨洪的作用。

（3)建設(shè)一批蓄水工程（包括平原水庫(kù)工程、河道蓄水工程、溝渠攔蓄工程、坑塘蓄水工程等),發(fā)揮蓄水工程調(diào)蓄雨洪資源的作用。

（4)建設(shè)系列水系連通工程（包括河河連通、河湖連通、庫(kù)渠連通、庫(kù)河連通、塘渠連通等),發(fā)揮連通工程互通互濟(jì)、優(yōu)化調(diào)配的作用,為雨洪資源利用和防洪排澇提供順暢通道。

5 結(jié) 論

（1)利用好雨洪資源,既能緩解水資源短缺危機(jī)、減少洪澇災(zāi)害又能改善水環(huán)境和水生態(tài),既能提高水資源可利用量和利用率又能促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),是一項(xiàng)一舉多得的水管理措施。

（2)將聊城市邊界河流和市內(nèi)降水豐枯遭遇的16種可能組合分為有利組合、尚可組合、不利組合三大類(lèi)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,年和汛期兩個(gè)時(shí)間尺度漳衛(wèi)河年徑流量與聊城市降水量“尚可”和“有利”遭遇組合分別為61%、50%,金堤河徑流量和聊城市降水量之間“尚可”和“有利”遭遇組合分別為47%、44%,總體而言,一半左右年份有相對(duì)較好的調(diào)引邊界河流雨洪資源的氣象水文條件。

（3)聊城市多年平均雨洪資源量約為9.8億m3,多年平均雨洪資源利用潛力約為5.4億m3。按市內(nèi)、邊界河流劃分,市內(nèi)河流雨洪資源利用潛力為6 496萬(wàn)m3（占12%),邊界河流為47 571萬(wàn)m3（占88%)。不同年型聊城市邊界河流雨洪資源利用潛力占比為85%～91%,開(kāi)發(fā)潛力大。規(guī)劃雨洪資源利用工程時(shí),除了考慮當(dāng)?shù)睾恿饔旰橘Y源的挖潛外,還應(yīng)充分考慮邊界河流雨洪的調(diào)引利用。

（4)雨洪資源開(kāi)發(fā)利用應(yīng)注重“蓄、調(diào)、滲”綜合措施的應(yīng)用,發(fā)揮各類(lèi)工程在時(shí)間滯蓄、平面空間上調(diào)配、豎向空間上滯滲雨洪的作用。