流域雨洪資源評估及利用可行性研究

程發(fā)順，王俊釵，陶 亮

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 前言

雨洪資源化利用不僅有助于實(shí)現(xiàn)洪水由控制向管理轉(zhuǎn)變的現(xiàn)代化要求，還可通過與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的密切相關(guān)性開發(fā)水資源潛在價(jià)值，解決區(qū)域供用水矛盾[1]。雨洪資源利用在一定程度上既能保障區(qū)域生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，又能促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長，是區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)選擇[2]。研究雨洪資源特性及流域雨洪資源量可為區(qū)域水資源分配提供分析和決策依據(jù)，通過科學(xué)管理、合理利用雨洪資源促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。

以往對雨洪資源研究主要是集中在城市雨水的集流利用[3]，本文從流域尺度構(gòu)建雨洪資源評估模型，研究雨洪資源量及特點(diǎn)，分析雨洪資源可利用量，初步研究雨洪資源利用可行性。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況和資料

西枝江是東江的一級支流，發(fā)源于惠東縣與紫金縣交界處的竹坳頂，于惠州市東新橋下匯入東江。西枝江流域面積4120km2，占東江博羅以上流域總面積的16.27%，干流全長176km，河床平均坡降0.6‰。流域上游白盆珠水庫于1984年建成，控制面積856km2，占全流域的20.8%，該水庫以防洪、供水為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電、改善航運(yùn)及水環(huán)境等綜合效益，是廣東省第三大水庫。流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量為1800mm，是廣東省暴雨高值區(qū)，4—9月為雨季，占全年降雨量的82.3%[4]。

本文雨洪資源徑流計(jì)算采用西枝江流域雙下站、下寮站、平山站、九洲站等水文站資料，雙下站作為流域控制站，徑流及洪水資料完整可靠，在西枝江流域歷次規(guī)劃設(shè)計(jì)中進(jìn)行多次審查、復(fù)核，并經(jīng)水利部水利水電規(guī)劃總院審定，資料具有較好的代表性和可靠性。

1.2 雨洪資源的定義

以往對雨洪資源的研究主要集中在城市雨水的集流利用，指大氣中的降水降落到地面以后，超過城市自然消化能力的雨水。這部分雨水會(huì)形成地表徑流，造成一定的危害，但雨洪資源同時(shí)也是一種十分重要的水資源[5]。

本文研究的雨洪資源，指考慮白盆珠水庫優(yōu)化調(diào)度(三庫聯(lián)調(diào)方案)、扣除流域內(nèi)用水及外調(diào)水量(《廣東省東江流域水資源分配方案》)、滿足河口生態(tài)流量要求后，富余的水資源[6]。

2 流域雨洪資源評價(jià)模型

2.1 東江流域水資源分配方案

東江是珠江流域三大水系之一，流域面積3.5萬km2，多年平均徑流量326.6億m3，是廣州、深圳、河源、惠州、東莞等地的主要供水水源，同時(shí)擔(dān)負(fù)著向香港供水的重要任務(wù)，總供水人口超過3000萬。為保障東江流域及相關(guān)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，2008年，廣東省人民政府以“粵府辦[2008]50號”文發(fā)布了《廣東省東江流域水資源分配方案》，在確保對港供水安全，以及河道內(nèi)生態(tài)基本需水和充分利用非常規(guī)水源的前提下，以廣東省境內(nèi)東江流域河川徑流量為分配對象，按照防洪、供水、發(fā)電的順序優(yōu)化水庫群調(diào)度，安排正常來水年(90%保證率)和特枯來水年(95%保證率)情況下各有關(guān)區(qū)域取水量分配指標(biāo)，見表1；以落實(shí)水資源分配方案、協(xié)調(diào)河道內(nèi)外用水、保障供水安全為目標(biāo)，明確重要控制斷面最小下泄流量指標(biāo)(以下簡稱“原配置方案”)。

表1 廣東省東江流域水資源分配表 單位：億m3

惠州市正常年份分水量為25.33億m3，特枯年份分水量為24.05億m3，西枝江東江入口的東新橋斷面以及淡水河深圳與惠州交接的西湖村、上垟斷面的水質(zhì)控制目標(biāo)均為Ⅳ類，為保障匯合口下游地區(qū)的取水及生態(tài)等需求，西枝江口最小下泄流量為40m3/s。

2011年，《廣東省東江流域新豐江、楓樹壩、白盆珠三大水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案》對三大水庫防洪調(diào)度、供水調(diào)度運(yùn)行方式進(jìn)行了優(yōu)化。2012年，廣東省水利廳根據(jù)三庫聯(lián)調(diào)方案研究成果發(fā)布了新豐江、楓樹壩、白盆珠三座水庫的供水調(diào)度運(yùn)行方案，根據(jù)上述成果，西枝江流域通過白盆珠水庫的優(yōu)化調(diào)度來保障本流域的取用水及河口流量約束(40m3/s)，河口以上河道外共取水7.91億m3。

2.2 西枝江流域雨洪資源評估模型

2.2.1模型技術(shù)路線

西枝江流域的雨洪資源評估，遵從東江流域的分水方案及白盆珠水庫現(xiàn)行的調(diào)度運(yùn)行方式，建立以西枝江為水源，以原配置方案和河口流量約束為要素，以白盆珠水庫為關(guān)鍵控制性工程的西枝江流域水資源優(yōu)化調(diào)度模型，技術(shù)路線如圖1所示。其中河口斷面最小流量為白盆珠水庫調(diào)度運(yùn)行方式的控制指標(biāo)之一，各斷面的生態(tài)流量則為雨洪資源量計(jì)算的要素之一。

圖1 西枝江流域雨洪資源評估模型示意圖

2.2.2白盆珠水庫調(diào)度運(yùn)行方式

白盆珠水庫是東江流域三大控制性水庫之一。2012年，廣東省“關(guān)于印發(fā)《廣東省東江流域新豐江、楓樹壩、白盆珠水庫供水調(diào)度方案(試行)》的通知”，明確白盆珠水庫供水調(diào)度圖包括5條水位控制線，如圖2所示。

圖2 白盆珠水庫供水調(diào)度圖

水庫調(diào)度圖運(yùn)用總的基本原則是以各控制水位和水庫當(dāng)前水位為判定條件、以月為控制時(shí)間段，確定水庫出庫水量。白盆珠水庫調(diào)度圖運(yùn)用確定以西枝江口斷面流量為控制目標(biāo)。

2.2.3原配置方案調(diào)度模型驗(yàn)證

原配置方案、三庫聯(lián)調(diào)方案等上位規(guī)劃均以西枝江流域河道外需水量為7.91億m3為基礎(chǔ)分析擬定。為分析流域雨洪資源量，本文對西枝江流域原配置方案進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)模型模擬，由表2可見，本次流域雨洪資源調(diào)度模型擬合程度較好。

表2 西枝江流域水資源調(diào)度模擬成果

2.3 西枝江流域雨洪資源量及特點(diǎn)

2.3.1雨洪資源量分析

西枝江干流各節(jié)點(diǎn)的雨洪資源量是在遵循原配置方案前提下，白盆珠水庫按現(xiàn)有調(diào)度運(yùn)行方式(粵水資源[2012]31號)運(yùn)行時(shí)，滿足下游用水、調(diào)水、生態(tài)需水要求及河口流量約束后富余的水量。分析結(jié)果見表3、如圖3所示。西枝江白盆珠、平山、水貝、河口多年平均雨洪量分別為2.09億、14.81億、19.76億、28.82億m3，可見西枝江流域豐、平水年份，各節(jié)點(diǎn)雨洪資源較豐富，為雨洪資源利用創(chuàng)造了有利條件。

圖3 西枝江流域各節(jié)點(diǎn)雨洪資源量頻率曲線

表3 西枝江流域各節(jié)點(diǎn)雨洪資源量 單位：億m3

2.3.2雨洪資源量特點(diǎn)

(1)沿程分布特點(diǎn)

西枝江白盆珠、平山、水貝、河口節(jié)點(diǎn)多年平均雨洪資源量分別為2.09億、14.81億、19.76億、28.82億m3，如圖4所示，越往下游，流域水資源越豐富，雨洪資源也越多。因此，從雨洪資源利用來看，下游較上游利用條件更好。

圖4 西枝江各節(jié)點(diǎn)雨洪資源分布圖

(2)年際分布特點(diǎn)

西枝江白盆珠、平山、水貝、河口歷年雨洪資源量分布極不均勻，年際間差異較大。以河口節(jié)點(diǎn)為例，最豐年(2016年)雨洪資源量為83.17億m3，最枯年(1963年)雨洪資源量為1.81億m3，豐枯比達(dá)到45.91，如圖5所示?？梢姡饔蛴旰橘Y源年際分布不均，是重要特性之一。

圖5 西枝江河口節(jié)點(diǎn)歷年雨洪資源分布圖

(3)年內(nèi)分布特點(diǎn)

西枝江白盆珠、平山、水貝、河口各節(jié)點(diǎn)年內(nèi)雨洪資源量分布極不均勻，各月間差異較大。以河口節(jié)點(diǎn)為例，8月雨洪資源量最大(5.48億m3)，1月雨洪資源量最小(0.32億m3)；汛期5—10月雨洪資源量占全年的比例達(dá)到85.68%，主汛期6—9月雨洪資源量占全年的比例達(dá)到70.22%；枯水期11月—次年4月雨洪資源量占全年的比例為14.32%，如圖6所示?？梢?，流域雨洪資源年內(nèi)分布不均，是重要特性之一。

圖6 西枝江河口節(jié)點(diǎn)各月平均雨洪資源分布圖

(4)枯水時(shí)段特點(diǎn)

根據(jù)歷年雨洪資源模型計(jì)算結(jié)果，選擇1962年11月—1964年4月作為典型枯水時(shí)段，進(jìn)行雨洪資源特點(diǎn)分析。雨洪資源特征值統(tǒng)計(jì)見表4，西枝江河口斷面雨洪資源過程如圖7所示。可見，枯水時(shí)段，各節(jié)點(diǎn)雨洪資源均較少，其中白盆珠無雨洪資源，其它節(jié)點(diǎn)雨洪資源量在1.86億～3.90億m3。1962年11月—1964年4月合計(jì)547d，白盆珠、平山、水貝、河口最長連續(xù)無雨洪資源的天數(shù)分別為547、87、87、87d，枯水時(shí)段各節(jié)點(diǎn)均存在較長的無雨洪資源時(shí)段。

圖7 特枯水時(shí)段雨洪資源過程圖(河口)

表4 枯水時(shí)段雨洪資源特征值

3 雨洪資源利用可行性研究

3.1 雨洪資源可利用量分析

雨洪資源可利用量受引水工程規(guī)模、調(diào)蓄工程興利庫容[7]、受水區(qū)用水過程等影響。用水過程一定的情況下，引用流量越大，引水系統(tǒng)投資越高；但需要配套蓄水工程的興利庫容越小，蓄水工程投資越低；實(shí)際方案擬定過程中，需根據(jù)庫容條件、引水線路因素等優(yōu)選引水規(guī)模和水庫庫容。本文分析興利庫容不受限情況下，各級引用流量對應(yīng)的雨洪資源可利用量見表5、如圖8所示。以引用流量50m3/s為例，河口、水貝、平山、白盆珠水庫的雨洪資源可利用量分別為7.92億、7.26億、6.28億、0.55億m3。

圖8 流域各節(jié)點(diǎn)雨洪資源可利用量與引用流量關(guān)系

表5 雨洪資源可利用量分析表 單位：億m3

3.2 雨洪資源利用可行性分析

(1)水質(zhì)利用條件

西枝江淡水河匯合口附近及其下游暫時(shí)不宜作為水源地，西枝江干流馬安大橋及以上河段，水質(zhì)指標(biāo)(總氮除外)均不低于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，基本達(dá)到飲用水水源保護(hù)地標(biāo)準(zhǔn)，可作為本次雨洪資源利用的取水河段；干流惠東城區(qū)以上河段及白盆珠水庫水質(zhì)常年維持在Ⅱ類及以上，是優(yōu)良的供水水源。

(2)工程建設(shè)條件

西枝江雨洪資源年內(nèi)年際分布不均，與流域用水過程不匹配，利用雨洪資源需建設(shè)調(diào)蓄水庫；從地形條件及淹沒影響來看，西枝江干流已無再建設(shè)大中型調(diào)蓄水庫的條件，故而需配套建設(shè)引水工程，引調(diào)西枝江水資源至支流或外流域的調(diào)蓄工程內(nèi)。

從西枝江干流及鄰近流域地形條件分析，深汕合作區(qū)明溪河上游具有建設(shè)大型調(diào)蓄水庫的地形條件；惠東縣多祝鎮(zhèn)的樓下水中游具有建設(shè)大型調(diào)蓄水庫元潭水庫的地形條件；惠陽區(qū)大坑水庫總庫容1169萬m3，水庫地形地質(zhì)條件較好，可擴(kuò)建成大型水庫。明溪河、大坑、樓下水壩址距離西枝江干流直線距離分別為16、10、9km，從工程布置條件來看，西枝江調(diào)水至明溪水庫需新建隧洞穿越蓮花山脈，引調(diào)水至本流域的大坑水庫和元潭水庫則可采用管道工程。

綜上，西枝江雨洪資源利用工程建設(shè)條件具備可行性。

4 結(jié)論

本文通過以流域控制性水庫調(diào)度為基礎(chǔ)構(gòu)建流域雨洪資源評估模型，對流域雨洪資源量及特性進(jìn)行評價(jià)，初步研究雨洪資源利用可行性，得出以下結(jié)論：

(1)采用徑流調(diào)節(jié)模型對西枝江流域原配置方案進(jìn)行模擬計(jì)算，可知，本次構(gòu)建的雨洪資源評估模型得出的模擬結(jié)果與原配置方案吻合，表明該模型可用于流域雨洪資源評估與研究。

(2)西枝江流域豐、平水年份雨洪資源較豐富。從沿程空間分布來看，流域下游雨洪資源明顯大于上游；從年際、年內(nèi)時(shí)間分布來看，年際間差異較大、年內(nèi)各月間差異較大。可見，為合理利用流域雨洪資源，需配置具有較好調(diào)節(jié)性能的調(diào)蓄水庫。

(3)雨洪資源可利用量受引水工程規(guī)模、調(diào)蓄工程興利庫容、受水區(qū)用水過程等影響。用水過程一定情況下，引用流量越大，需配置的調(diào)蓄工程興利庫容越小。

(4)雨洪資源的利用，具體還受到流域水質(zhì)、雨洪資源調(diào)蓄工程建設(shè)條件、受水水庫聯(lián)合調(diào)度等的影響，可在以后的研究中進(jìn)一步探討。