河南省衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力分析

張修宇，康金鴿，陳 思

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；2.河南省豫北水利勘測設(shè)計院有限公司，河南 鄭州 450002）

1 引 言

流域暴雨頻發(fā)成為制約社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展的瓶頸［1］。河南省衛(wèi)河流域地處豫北地區(qū)，歷史上頻繁的洪澇、干旱等自然災(zāi)害給豫北人民帶來了深重災(zāi)難。2021年7月17—22日，衛(wèi)河流域局地發(fā)生特大暴雨，衛(wèi)河發(fā)生超歷史最高水位洪水（汲縣站水位超歷史極值1.84 m）；自7月19日開始，河南省先后啟用境內(nèi)9處蓄滯洪區(qū)中的7處，截至23日總蓄水量約1.9億m3，轉(zhuǎn)移人口21.9萬。衛(wèi)河是半懸式河床［2］，兩岸有很多洼地，用作蓄滯洪區(qū)。蓄滯洪區(qū)對于流域防洪減災(zāi)十分重要，其與河道、水庫聯(lián)合運(yùn)用可以削減洪峰、存蓄過量洪水，提高流域抵抗洪水的能力。計算和評價衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力具有重要意義。

對于雨洪資源利用，國內(nèi)外均有很多研究，例如：Islam等［3］構(gòu)建了孟加拉國相關(guān)流域模型框架，計算了研究區(qū)的雨水資源化潛力；Sharma等［4］根據(jù)印度225個主要降水區(qū)的作物在生長期的氣候水量平衡關(guān)系，計算了604個地區(qū)的雨水資源利用潛力；孟凡香等［5］從雨水的自然屬性和社會屬性入手，采用分布式水文模型SWAT計算了研究區(qū)的雨水資源化潛力；王銀堂等［6］對流域?qū)用娴挠晁Y源利用模式進(jìn)行了探討，并對北京市區(qū)及海河流域的雨洪資源利用潛力進(jìn)行了定量評價；張光輝等［7］研究了暴雨洪水對地下水的補(bǔ)給作用；王宗志等［8］采用極限分析理論，評價了南四湖流域洪水資源利用現(xiàn)狀和利用潛力；楊小柳等［9］研究了大黃堡洼蓄滯洪區(qū)洪水資源化的收益和損失；趙飛等［10］利用多年平均降水量法計算出了城市雨洪資源利用潛力。

從上述分析可以看出，國內(nèi)外雨洪資源利用潛力多以計算為主，很少將計算與評價模型結(jié)合起來進(jìn)行評價。筆者利用不同下墊面分析法［11］和評價模型相結(jié)合的方法，對衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源的利用潛力進(jìn)行評價分析。

2 雨洪資源利用潛力分析

雨洪資源利用潛力［12］指在特定區(qū)域的一段時間內(nèi)，經(jīng)過規(guī)劃設(shè)計采取與之對應(yīng)的技術(shù)并實施相應(yīng)的工程措施后，可以開發(fā)利用的最大雨洪資源量。當(dāng)不考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實力時可以被全部利用的雨水稱為雨洪資源利用理論潛力；但是不論采用何種技術(shù)和方法、建設(shè)什么設(shè)施，雨水資源都不可能被全部利用，其中能夠被利用的這部分雨洪稱為雨洪資源利用實際潛力［13］。

不同下墊面分析法是基于研究區(qū)域不同的下墊面面積進(jìn)行計算的一種方法，利用已知的降水資料對研究區(qū)域進(jìn)行雨洪資源利用潛力計算分析，其結(jié)果比較準(zhǔn)確。雖然衛(wèi)河流域的下墊面種類比較多但易于區(qū)分，所以選取不同下墊面分析法對衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力進(jìn)行計算。

利用不同下墊面分析法時，為使計算簡便，參照有關(guān)研究［14］將衛(wèi)河流域下墊面分為3類：一是不透水下墊面，主要包括城鎮(zhèn)、工礦和居民用地，其透水性能較差，計算時不包括降水損失量和棄流量；二是透水下墊面，包括耕地、林地等，其透水性較好，計算時不包括植被截留量；三是河、湖、池塘等可以直接將雨水轉(zhuǎn)化為資源的水域。衛(wèi)河流域雨洪資源利用潛力計算公式為

式中：A0為蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用的理論潛力，m3；A1為不透水下墊面雨洪資源量，m3；A2為透水下墊面雨洪資源量，m3；A3為水域雨洪資源量，m3；Ae為蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用的實際潛力，m3；At為臨界雨洪資源量，即超出防洪承載力的雨洪資源量，m3。其中

式中：m為降水場次；Ri為第i場降水的降水量，mm；RK為降水損失量和初期棄流量，兩者分別取1.6 mm和4.0 mm，即RK取5.6 mm；Ra為植被截留量，取0.3 mm；Rt為臨界降水量，取50 mm；S1為蓄滯洪區(qū)不透水地面的總面積，m2；S2為蓄滯洪區(qū)透水地面的總面積，m2；S3為蓄滯洪區(qū)水域總面積，m2；St為蓄滯洪區(qū)總面積，即St=S1＋S2＋S3，m2。

3 評價指標(biāo)體系

3.1 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

基于數(shù)據(jù)的可獲得性［15］，選取對蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用影響較大的指標(biāo)。在查閱大量文獻(xiàn)并參考專家意見的基礎(chǔ)上，采用層次分析法，構(gòu)建衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力綜合評價指標(biāo)體系（見表1）。

表1 衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力綜合評價指標(biāo)體系

3.2 構(gòu)建評價模型

（1）確定評價指標(biāo)權(quán)重。利用層次分析法計算各指標(biāo)權(quán)重，首先需要一些相關(guān)專家依據(jù)經(jīng)驗和地區(qū)性質(zhì)，對準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的指標(biāo)作出重要性判斷；然后構(gòu)建判斷矩陣，進(jìn)行歸一化處理，得出指標(biāo)相對權(quán)重；最后對其進(jìn)行一致性檢驗，符合一致性檢驗的權(quán)重即為所求。

（2）模糊綜合評價法。模糊綜合評價法是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論，將定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，評價思路清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)，可使模糊的、難以量化的問題得到很好解決。蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力評價指標(biāo)眾多且存在模糊性和不確定性，因此把層次分析法與模糊綜合評價法相結(jié)合，先用層次分析法計算出各指標(biāo)權(quán)重，再用模糊綜合評價法對衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力進(jìn)行評價。

4 實例應(yīng)用

4.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

衛(wèi)河全長394 km，流域面積為15 229 km2，其中河南省境內(nèi)河長286.5 km，流域面積12 921 km2，約占全流域面積的85%［2］。流域內(nèi)有9處蓄滯洪區(qū)，分別是良相坡、白寺坡、共渠西、長虹渠、任固坡、小灘坡、廣潤坡、崔家橋和柳圍坡，涉及3個地級市（新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽）7個縣（浚縣、湯陰、衛(wèi)輝、滑縣、內(nèi)黃、淇縣、安陽縣），蓄滯洪區(qū)內(nèi)有397個行政村50.75萬人和9.84萬hm2耕地［2］。設(shè)計蓄滯洪總量10.87億m3，蓄滯洪區(qū)淹沒面積849.5 km2。衛(wèi)河流域呈西南—東北向，地勢總體為西高東低、南高北低。

選取新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽3個地級市的降水?dāng)?shù)據(jù)作為衛(wèi)河流域的降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于2001—2020年《河南省水資源公報》。土地利用數(shù)據(jù)來源于各縣的土地利用總體規(guī)劃。

4.2 雨洪資源利用潛力分析

將新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽3個市2001—2020年逐月降水量的平均值進(jìn)行加權(quán)平均，得出衛(wèi)河流域的年均降水量為612.5 mm。依據(jù)對蓄滯洪區(qū)下墊面類型的分析，由式（1）～式（6）計算得出衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力的計算結(jié)果（見表2）。

表2 不同下墊面分析計算結(jié)果 億m3

4.3 模型計算結(jié)果與分析

（1）利用層次分析法計算指標(biāo)權(quán)重。借助Yaahp軟件進(jìn)行層次分析法與模糊綜合評價法計算分析?；谝牙L制好的層次結(jié)構(gòu)模型和構(gòu)造的判斷矩陣，利用軟件對判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗，生成層次分析法測評表并分發(fā)給專家進(jìn)行打分。測評表收回后，將其導(dǎo)入Yaahp軟件，將專家們反饋的權(quán)重利用Yaahp軟件的群決策面板將數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，即為所求指標(biāo)權(quán)重。

（2）利用模糊綜合評價法進(jìn)行評價。參照2001—2020年《河南省水資源公報》《豫北地區(qū)水利工程管理手冊》及相關(guān)研究成果，確定衛(wèi)河流域雨洪資源利用潛力評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，見表3。Ⅰ級（優(yōu)）表示雨洪資源充沛且容易利用，雨洪資源利用潛力大；Ⅱ級（中）表示雨洪資源適配性比較好，雨洪資源利用潛力中等；Ⅲ級（差）表示雨洪資源匱乏且不容易利用，雨洪資源利用潛力小。

表3 衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合層次分析法計算出的權(quán)重，建立模糊綜合評價測評表，并確定評價等級：2.4～3.0分為Ⅰ級（優(yōu)）、1.5～2.4分為Ⅱ級（中）、1.5分以下為Ⅲ級（差）。隨后生成測評表發(fā)送給專家進(jìn)行測評，將收回的測評表導(dǎo)入Yaahp軟件自動進(jìn)行矩陣構(gòu)造和計算，最終的評價結(jié)果見表4。

表4 衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力指標(biāo)權(quán)重及模糊綜合評價結(jié)果

由表4可知：衛(wèi)河流域水資源基礎(chǔ)條件（B1）的評價結(jié)果為Ⅰ級（優(yōu)），其指標(biāo)層中設(shè)計蓄滯洪量（C2）、淹沒面積（C3）評價結(jié)果均為Ⅰ級（優(yōu)），表明其蓄滯洪區(qū)蓄水能力較為突出，能夠很好地蓄滯洪水；多年平均降水量（C1）的評價結(jié)果為Ⅱ級（中），原因是當(dāng)?shù)啬昃邓坎淮螅邓话慵性谘雌?，容易形成暴雨，給雨洪資源利用帶來較大壓力。實施條件（B2）評價結(jié)果為Ⅱ級（中），其指標(biāo)層中只有蓄滯洪區(qū)堤防長度（C4）的評價結(jié)果為Ⅰ級（優(yōu)），可見蓄滯洪區(qū)堤防的建設(shè)比較完善；蓄滯洪區(qū)使用概率（C5）和人口數(shù)量（C6）評價結(jié)果為Ⅱ級（中），原因是蓄滯洪區(qū)的人口數(shù)量比較多，啟用時會對人民生命財產(chǎn)安全造成威脅，只有發(fā)生特大暴雨時蓄滯洪區(qū)才會啟用，這在一定程度上影響了對雨洪資源的利用程度。社會經(jīng)濟(jì)（B3）的評價結(jié)果為Ⅰ級（優(yōu)），說明當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展能夠為水資源利用提供一定的經(jīng)濟(jì)支撐，這與河南是農(nóng)業(yè)大省、當(dāng)?shù)胤浅Ｖ匾曓r(nóng)業(yè)發(fā)展有著密不可分的聯(lián)系，雨洪資源利用有堅實的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。耗水量（B4）的評價結(jié)果為Ⅱ級（中），其指標(biāo)層中農(nóng)業(yè)耗水量（C10）、工業(yè)耗水量（C11）、生活耗水量（C12）均為Ⅱ級（中），說明農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水量較大，用水效率還有待提高，還有進(jìn)一步增大水資源利用潛力的可能。

衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力（A）的評價結(jié)果為Ⅰ級（優(yōu)），說明其雨洪資源充沛且容易利用，雨洪資源利用潛力大。通過不同下墊面分析法計算出衛(wèi)河流域的理論雨洪資源利用量為39.63億m3、實際雨洪資源利用量為38.80億m3，二者相差不大，原因主要是蓄滯洪區(qū)的耕地面積較大且耕地涵養(yǎng)水的能力較強(qiáng)。衛(wèi)河流域?qū)儆谌彼貐^(qū)，同時汛期暴雨集中容易發(fā)生洪澇災(zāi)害，嚴(yán)重影響人民的生命財產(chǎn)安全，應(yīng)該在保障安全的情況下合理利用雨洪資源，將風(fēng)險轉(zhuǎn)化為效益。

5 結(jié) 語

本文從水資源基礎(chǔ)條件、實施條件、社會經(jīng)濟(jì)、耗水量4個方面選取12個指標(biāo)，構(gòu)建河南省衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力評價指標(biāo)體系，結(jié)果表明研究區(qū)雨洪資源利用潛力大。但是從評價結(jié)果看出，實施條件和用水效率還有待改善與提高。比如，蓄滯洪區(qū)內(nèi)的人口數(shù)量評價等級為Ⅱ級（中），說明蓄滯洪區(qū)的人口數(shù)量較多，蓄滯洪區(qū)啟用時損失較大，應(yīng)該設(shè)法減少蓄滯洪區(qū)內(nèi)的人口數(shù)量；耗水量的評價結(jié)果為Ⅱ級（中），說明蓄滯洪區(qū)的用水效率不高，應(yīng)該引進(jìn)節(jié)水技術(shù)和設(shè)施，提高用水效率，減少耗水量。

層次分析法帶有較強(qiáng)的主觀性，會對研究結(jié)果帶來一定的影響，另外滯洪區(qū)數(shù)據(jù)收集的局限性也會對分析結(jié)果帶來影響。下一步應(yīng)結(jié)合客觀分析法，完善衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力評價方法。