東山島雨洪資源綜合利用模式研究

焦佳敏，李旺林，霍 云，盧雪云，于士卿

（1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，518001，深圳；2.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，250022，濟(jì)南；3.山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，250100，濟(jì)南）

降雨是沿海島嶼的重要淡水來源。我國東南沿海地區(qū)多年平均年降雨量1128.2 mm，但多集中于汛期，難以存儲利用，水資源匱乏。20世紀(jì)60年代起，各國家和地區(qū)陸續(xù)開始對海島雨洪資源利用開展研究和實踐。新加坡將土地劃分集雨區(qū)，設(shè)置專門的集雨和蓄水系統(tǒng)，把河流改造成蓄水池和水庫，并將雨水經(jīng)過專門的管道輸送到水庫儲存。丹麥主要收集屋頂雨水，處理后用于沖洗廁所和洗衣。美國學(xué)者利用植物滲透淺溝、植被緩沖帶以及濕地等與生態(tài)設(shè)計相結(jié)合的措施，增加雨洪資源的天然入滲。臺灣地區(qū)不斷改進(jìn)雨洪滯蓄系統(tǒng)，規(guī)劃設(shè)計了雨水儲留供水系統(tǒng)、滲透側(cè)溝系統(tǒng)、生態(tài)池系統(tǒng)等串聯(lián)的雨洪滯蓄系統(tǒng)。浙江省舟山群島的雨水利用主要以屋頂、地面集流為主，通過將雨水停留在供水系統(tǒng)進(jìn)行人工截取儲存；增加路面集雨系統(tǒng)和綠地集雨系統(tǒng)，提高了雨水收集利用率。山東省長島縣植樹造林、涵養(yǎng)水源，建設(shè)了屋頂雨水集流與屋底低溫蓄水工程。張興奇等以攔沙壩式山溪取水工程措施為手段，研究小流域雨洪資源有效利用新途徑。楊芳等提出了山丘區(qū)坡面及溝道的雨洪資源利用技術(shù)和模式。

本文基于福建省東山島水文及地理特點，分析了水資源開發(fā)利用中存在的問題，研究適用于島嶼的雨洪資源匯集、儲存和調(diào)度利用方式，提出了東山島雨洪資源利用模式和技術(shù)體系，以期為海島雨洪資源高效利用提供參考。

一、東山島加強雨洪資源利用的必要性

1.東山島自然地理概況

東山島隸屬福建省東山縣，陸地面積188 km2，占東山縣陸地面積的97%，是福建省第二大海島、東山縣第一大海島。東山島全年濕潤暖熱，夏季降雨量較大，冬季相對干燥，氣象災(zāi)害發(fā)生頻繁，年均氣溫20.8 ℃。島上多年平均年降雨量1113.3 mm，年蒸發(fā)量1400 mm。東山島降雨多集中于汛期臺風(fēng)暴雨期間，分配極為不均；海島陸地面積有限，島內(nèi)徑流分散而短小，缺乏雨洪存儲、調(diào)蓄的庫容，降雨徑流難以存儲利用，大量雨洪水流失入海。東山島無外來客水，降雨為島上地表水的唯一來源，再加上島內(nèi)賦存地下水的條件也相對較差，使得島上淡水資源極度缺乏，枯水期間更為嚴(yán)重，嚴(yán)重制約東山島經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。

2.東山島水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

東山島內(nèi)無大型河流，僅有幾條小溪溝，集雨面積小，流程短，多為間歇性河流；島內(nèi)無大型湖泊，有小型水庫28座，總集水面積21.4 km2，總庫容952.21萬m3。根據(jù)東山島多年平均年降雨量，可求出雨水資源量為2.76億m3/a，經(jīng)面積和雨量修正后折合計算的地表水資源量達(dá)0.906億m3/a。

東山島地下水主要為孔隙水，可開采資源量為4146萬m3/a，極易受到污染。2016年東山島地下水開采量為823.40萬m3。

3.東山島供水現(xiàn)狀

東山島的供水無法自給，主要依靠福建省云霄縣向東渠和詔安縣龍?zhí)端畮煲＜t旗水庫為全島生活用水和工業(yè)用水的主要水源地，據(jù)實際引水情況調(diào)查，通過向東渠補給紅旗水庫的水量為1219萬m3/a。

東山島供水嚴(yán)重依賴外調(diào)，但引用外調(diào)水時會出現(xiàn)跨島輸水漏損嚴(yán)重、供水能力低、水質(zhì)差、管道老化破損嚴(yán)重等問題，供水安全性有待提升。目前，東山島內(nèi)天然水資源利用率僅為26%，如何加強利用當(dāng)?shù)赜旰橘Y源是保障島內(nèi)供水安全的重要課題。

二、東山島雨洪資源開發(fā)利用潛力分析

利用SWAT模型估算東山島雨洪資源量。由于東山島島內(nèi)未設(shè)氣象站，因此選取與東山島位置鄰近、氣候條件相仿的云霄氣象站，以其觀測數(shù)據(jù)代表東山島的氣溫狀況；降雨數(shù)據(jù)選取與東山島水文條件相似的西埔雨量站的數(shù)據(jù)。將收集到的東山島土地利用數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)及土壤數(shù)據(jù)輸入SWAT模型。利用東山島數(shù)字高程數(shù)據(jù)提取河網(wǎng)，將全島劃分為34個子流域，設(shè)定下墊面因子的最小面積比率為20%、10%、10%，將子流域劃分為513個HRUS（水文響應(yīng)單元）。利用東赤港溪的月徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行模型調(diào)參和驗證，將1998—2008年作為模型模擬的率定期，將2009—2018年作為驗證期。結(jié)果表明，率定期模擬值和實測值擬合度較好，Ens為0.80，R2為0.83。因此，該模型適用于東山島。

利用SWAT模型得到不同典型年東山島的雨洪資源量，如表1所示。結(jié)果顯示，東山島多年平均年雨洪資源量為0.907億m3。近年，東山島雨洪資源利用量為0.182億m3/ a，利用率僅20%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于當(dāng)?shù)氐乇硭Y源可開發(fā)利用率。

表1 東山島雨洪資源量模擬估算成果

三、東山島雨洪資源利用模式研究

結(jié)合東山島存在較多廢棄采砂坑的特殊情況，集海島集雨入滲、集雨成涓、匯流入坑庫和雨洪水聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度利用于一體，構(gòu)建了將廢棄采砂坑改造為調(diào)蓄水庫的海島水資源利用“東山島模式”，如圖1所示。

圖1 東山島雨洪資源利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.雨洪水匯集系統(tǒng)

東山島徑流較短，雨水分散獨流入海，導(dǎo)致島內(nèi)雨洪資源滯蓄量偏少。結(jié)合東山島地形地貌和建設(shè)開發(fā)特點，分別研究丘陵區(qū)、平原區(qū)的雨洪水匯集技術(shù)，以延長島內(nèi)雨洪的滯留、入滲時間，增加地表水、地下水的補給。

（1）丘陵區(qū)雨洪水匯集技術(shù)

對于丘陵區(qū)，東山島采用工程和水土保持措施相結(jié)合的方式，通過集雨入滲、集雨成涓和集雨存洼等集雨技術(shù)，進(jìn)行綜合治理，延長雨洪水在島內(nèi)的滯留、入滲時間。通過提高小流域森林植被覆蓋率，采取補植、退草還林等植物保護(hù)措施減少水土流失，增加飽水量；在坡度為10°～25°的丘陵荒坡地布設(shè)水平溝，通過橫向切斷坡面徑流的路徑，攔截坡面徑流，提高土壤的蓄水入滲能力，防止坡面水土流失；在梯田、林果坡地、荒坡地的紅壤，應(yīng)用截水溝、排水溝進(jìn)行坡面截流分流，集雨成涓；將小池塘、洼地和坡溝設(shè)置為滯洪低壩用于蓄水，實現(xiàn)集雨存洼，洪峰過后再將雨洪水儲存至庫區(qū)；對于外側(cè)坡面較陡、直流面海的小型集水區(qū)，其島內(nèi)內(nèi)側(cè)坡面較緩，環(huán)外側(cè)山坡建設(shè)水庫或者河道取水工程，將徑流導(dǎo)入內(nèi)側(cè)流域進(jìn)行利用，如在大帽山沿海側(cè)的小型集水區(qū)（即雨洪蓄滯帶）外側(cè)山坡增設(shè)雨洪收集溝，將雨水引流至陳城水庫。

（2）平原區(qū)雨洪水匯集技術(shù)

平原區(qū)包括平原城區(qū)和平原鄉(xiāng)村區(qū)，根據(jù)不同下墊面情況，分別采取集雨入滲、集雨成涓和集雨存洼等不同的集雨技術(shù)。

①平原城區(qū)。對于住宅小區(qū)等建筑物，可以結(jié)合東山島建筑物特點，在屋頂采用屋面雨水集蓄模式，既可以截留雨洪資源，也可減輕熱島效應(yīng)；在廣場、人行道等硬化路面，采用透水鋪裝土壤入滲模式，增強雨水下滲土壤的能力，同時將小區(qū)的景觀水體作為調(diào)蓄、凈化與利用雨水的綜合設(shè)施。對于城市公園與綠地，結(jié)合城市綠化，在地勢較低位置建設(shè)下凹式綠地系統(tǒng)，既有利于雨水的儲存下滲、減小徑流峰值，又可以過濾雜質(zhì)、緩解水土流失。由于綠地水質(zhì)較好，可以采用雨水收集回用模式，連通綠地與景觀水體系，同時還可將收集的雨水用于道路灑水及公廁沖洗。對于城市道路，可以在人行道、路面和停車場采用透水鋪裝，收集下滲雨水，既可用來補充地下水，也可用來澆灌綠地和景觀植物。

②平原鄉(xiāng)村區(qū)。對于農(nóng)村建筑物，雨水經(jīng)屋面集蓄后，利用濾網(wǎng)處理雜質(zhì)和污染物。當(dāng)水質(zhì)較好時，利用集雨樽進(jìn)行初濾水回用；當(dāng)水質(zhì)較差時，過濾后再進(jìn)行利用。對于農(nóng)村街道，將農(nóng)村道路修建成透水型混凝土路面，道路兩旁的綠化帶改造成下凹式綠地；將排水溝渠修建成植被淺溝，在其中種植大量本地品種的耐旱、耐澇草類，增強雨水下滲能力。此外，可選擇雨洪收集條件較好的位置建設(shè)塘壩，增強水源保障能力，旱季保證有水可蓄，雨季保證澇水可排。

（3）東山島集雨總量

經(jīng)計算，通過利用上述雨洪水匯集技術(shù)，東山島雨洪水年滯蓄下滲量可達(dá)3821.5萬m3。其中，丘陵區(qū)利用水平溝、截洪溝、滯洪低壩以及雨洪收集溝等措施，可使雨洪水滯蓄下滲量增加至2357.0萬m3；平原區(qū)綠地、屋頂和路面年滯蓄下滲雨洪水量為1339.0萬m3，平原鄉(xiāng)村區(qū)雨洪水滯蓄下滲水量為125.5萬m3。

2.雨洪水儲存系統(tǒng)

東山島蓄水水庫庫容過小，調(diào)節(jié)能力嚴(yán)重不足，是導(dǎo)致雨洪資源利用困難的主要原因。因此，如何擴大雨洪水的儲存空間至關(guān)重要。針對東山島的實際情況，除了采取常規(guī)的水庫擴容和增加小型蓄水設(shè)施等措施外，將廢棄砂石坑改造為雨洪儲水設(shè)施，能夠有效提升東山島雨洪資源調(diào)蓄能力。

（1）水庫擴容和引流入庫蓄水工程

紅旗水庫是東山島最大的蓄水水庫。經(jīng)擴容，水庫蓄水量從250萬m3增至501萬m3。為減少水土流失造成的庫容損失，在庫岸種植適合當(dāng)?shù)氐哪韭辄S和厚頰相思，同時增設(shè)排水溝、水平溝等基礎(chǔ)設(shè)施，匯集坡面徑流，減小地表徑流，防止地表水對坡面的沖刷，同時在紅旗水庫北側(cè)匯水較多的下游溝道和西南側(cè)人為活動頻繁的地方布設(shè)攔沙壩和漿砌石擋墻，避免水土流失。

結(jié)合當(dāng)?shù)氐乩項l件及蓄滯需要，通過增設(shè)大口井、坑塘等設(shè)施收集雨洪資源，可增加122萬m3雨洪水儲存空間。

（2）引流入坑和砂石坑、平原水庫蓄水工程

東山島高品質(zhì)硅砂資源豐富，有多處因開采硅砂遺留的砂石坑。砂石坑具備儲存和調(diào)蓄雨洪水的功能。通過對東山島地形地貌、水文氣象條件及生態(tài)現(xiàn)狀分析，可以利用地勢高差，通過專門的渠溝引水系統(tǒng)，將集雨入滲、集雨成涓和集雨匯洼收集的雨洪水引流入坑（砂石坑），利用砂石坑儲存和調(diào)蓄雨洪水。據(jù)統(tǒng)計，東山島目前有2500余畝（1畝=1/15 hm2，下同）廢棄砂石坑，坑深4～6 m，總?cè)莘e834萬m3，如充分利用，可大大增加?xùn)|山島的雨洪水儲存空間。如果在現(xiàn)有砂石坑的基礎(chǔ)上，通過擴挖一部分取得筑壩土料，將砂石坑改造成壩高4～6 m的圍壩型平原水庫，則可建成總庫容1668萬m3的平原水庫，可大幅度提高東山島雨洪資源利用率，并可徹底改變東山島雨洪水無庫可蓄的困局。

沙石坑蓄水的關(guān)鍵建造技術(shù)為：在砂石坑四周建設(shè)地下防滲墻，截斷砂石坑內(nèi)外砂礫石地層的地下水聯(lián)系通道，并根據(jù)坑底基巖的透水狀況決定是否進(jìn)行基巖灌漿，以截斷砂石坑內(nèi)外基巖的地下水聯(lián)系通道，從而形成四周相對封閉、不透水的砂石坑儲水空間。

圍壩型平原水庫蓄水的關(guān)鍵建造技術(shù)為：以砂石坑為基礎(chǔ)建設(shè)圍壩型平原水庫，水庫圍壩筑壩材料可通過擴挖就地取材。水庫庫容由原砂石坑空間、開挖筑壩材料形成的新空間和圍壩形成的地面以上空間組成。水庫防滲可根據(jù)實際情況選用不同方式，圍壩采用土工膜防滲，壩基和庫盆采用垂直防滲或水平庫盤防滲；對于采用土工膜水平庫盤防滲的平原水庫，可采用與地錨連接的抗浮土工膜。

通過建立東赤港溪分洪閘，可將東赤港溪上游的洪水通過截洪溝匯入梧龍路砂石坑和大路口砂石坑；將砂石坑擴建為砂石坑平原水庫可提高蓄滯洪量，測算梧龍路砂石坑平原水庫最大蓄洪庫容為393.09萬m3，大路口砂石坑平原水庫最大蓄洪庫容為300.4萬m3。

梧龍路、大路口砂石坑平原水庫工程完成后，周圍山體坡面雨洪資源可以匯流或通過泵站抽水至砂石坑平原水庫，東英溪洪水也可通過新建的東英溪分洪閘引入砂石坑平原水庫。蓄存在砂石坑平原水庫的庫水可通過調(diào)水管道進(jìn)入東山島水庫聯(lián)合調(diào)水系統(tǒng)。

3.東山島雨洪水聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度技術(shù)

為緩解目前東山島過度依賴外調(diào)水的情況，建設(shè)東山島地面小水庫群與紅旗水庫、梧龍路砂石坑平原水庫及大路口砂石坑平原水庫的聯(lián)合調(diào)度工程，在保障城鎮(zhèn)供水的前提下，充分利用可攔蓄的雨洪水資源。

圍繞紅旗水庫和砂石坑平原水庫，考慮各子水庫分布情況，將島內(nèi)的23座水庫劃分為3個水庫群進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度。建立若干輸水工程，聯(lián)合地表水庫、砂石坑及水廠，做到區(qū)域用水由中心庫統(tǒng)一調(diào)配。實施庫群聯(lián)合調(diào)度后，汛期來水較多時，可由輸水管道將各子水庫多余水量調(diào)至中心庫，減少汛期棄水；城鎮(zhèn)供水水庫水量不足時，可由中心庫或其他非城鎮(zhèn)供水水庫調(diào)水，保障城鎮(zhèn)居民用水。

根據(jù)各水庫的調(diào)蓄庫容，按照聯(lián)合調(diào)度方案推演典型年庫群聯(lián)合調(diào)度情況。結(jié)果顯示：由牛仔林水庫等各子水庫組成的庫群Ⅰ，每年可調(diào)入紅旗水庫的水量為293萬m3；同時，可利用截水溝和排水溝等渠道將該區(qū)周邊丘陵小流域雨洪資源引入紅旗水庫，水量為214.2萬m3；紅旗水庫每年可供第一水廠、第三水廠水量為960萬m3；梧龍路、大路口砂石坑平原水庫建成后，可供水量為655.6萬m3；由城南水庫等各子水庫組成的庫群Ⅱ每年可調(diào)入梧龍路砂石坑水量100.2萬m3；由陳城水庫等各子水庫組成的庫群Ⅲ每年可調(diào)入大路口砂石坑水量82.5萬m3；同時，可利用截水溝和排水溝等渠道將該區(qū)周邊丘陵小流域雨洪資源引入砂石坑，水量為232萬m3；梧龍路、大路口砂石坑平原水庫每年可供第二水廠水量為912.5萬m3。

依據(jù)現(xiàn)有水廠的分布位置及供水能力，規(guī)劃基于紅旗水庫和砂石坑聯(lián)合分區(qū)調(diào)度的雨洪資源利用方案，以滿足各城鎮(zhèn)需水要求。供水分區(qū)如下：一區(qū)包括前樓鎮(zhèn)、西埔鎮(zhèn)、杏陳鎮(zhèn)，由第一水廠、第三水廠供水，每年可供水量802萬m3，可滿足一區(qū)生活用水和公共建筑用水需求；二區(qū)包括銅陵鎮(zhèn)、康美鎮(zhèn)、樟塘鎮(zhèn)、陳城鎮(zhèn)，由第二水廠供水，每年可供水量838.3萬m3，可滿足二區(qū)生活用水和公共建筑用水需求。

四、結(jié) 論

分析東山島地形地貌及水文地質(zhì)等條件，進(jìn)行了海島雨洪水匯集和儲存方法研究，構(gòu)建了海島雨洪綜合利用新模式，主要結(jié)論如下：

①東山島儲水潛力巨大，充分利用砂石坑可改變東山島無庫蓄水的困局。利用東山島2500余畝的廢棄砂石坑蓄水，可有效增加庫容834萬m3，若將砂石坑改造成圍壩型平原水庫，則可有效增加庫容1668萬m3。

②丘陵區(qū)通過采用水土保持措施和工程措施，每年可匯集新增雨洪蓄水量2357萬m3；平原區(qū)針對城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村分別采取不同的雨洪水匯集措施，通過屋頂路面、城區(qū)綠地公園、農(nóng)村塘壩等可匯集新增雨洪蓄水量1464.5萬m3。

③充分挖掘現(xiàn)有雨洪水存儲潛力，紅旗水庫擴容后蓄水能力達(dá)到501萬m3。

④充分利用廢棄砂石坑匯集和蓄存雨洪水，將砂石坑改造為平原調(diào)蓄水庫，可增容693.49萬m3。

⑤構(gòu)建以紅旗水庫、砂石坑平原水庫為蓄水中心，并與東山島小水庫群互聯(lián)互通的雨洪資源調(diào)度系統(tǒng)，可實現(xiàn)雨洪資源整體性充分開發(fā)利用，提高全島調(diào)控和儲存水資源能力，緩解過度依賴外調(diào)水的現(xiàn)狀，保障居民用水安全的可靠性。