典型蓄滯洪區(qū)洪水資源利用潛力評(píng)估方法研究

王 靜 李娜 林煒潔

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心（水旱災(zāi)害防御中心），北京 100038）

0 引 言

蓄滯洪區(qū)洪水資源化利用一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。在“十五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃期間，我國以海河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，建立了蓄滯洪區(qū)洪水資源化適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用蓄滯洪區(qū)洪水資源化風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度模型對(duì)大黃堡洼開展了示范研究[1]。于翚等[2]將海河流域蓄滯洪區(qū)的洪水資源利用方式劃分為分區(qū)利用、常年利用、區(qū)內(nèi)溝渠蓄洪利用、建設(shè)滯洪水庫利用和淹沒利用5 類。王艷艷等[3]提出在大黃堡洼興建滯洪水庫，與主洼形成分區(qū)運(yùn)用，可使蓄滯洪區(qū)的年均可資源化洪水量達(dá)到850萬～2 000萬m3。美國、日本和德國等[4]均從法律和規(guī)劃層面約束蓄滯洪區(qū)的土地開發(fā)，一般將蓄滯洪區(qū)作為公園、濕地或自然保護(hù)區(qū)，并通過防洪工程調(diào)度實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水資源的綜合利用。

出于不同的研究角度和目的，我國學(xué)者對(duì)“洪水資源利用潛力”的定義也存在較大差別。主要可歸納為以下3 類：第1 類是指當(dāng)前條件下的最大可利用洪水資源量，具體定義為在當(dāng)前政策、規(guī)范、工程、技術(shù)和管理等條件下，以保證生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境用水為前提，綜合運(yùn)用各種措施，可安全開發(fā)利用的最大洪水資源量[5]。第2 類是扣除當(dāng)前洪水資源實(shí)際利用量之后，在經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、不破壞河流基本功能的前提下，在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上流域洪水資源中還能夠進(jìn)一步增加利用的最大洪水徑流量[6-7]，屬于當(dāng)前條件下的最大可利用洪水資源增量。第3 類則按未來?xiàng)l件下的最大增量考慮，如劉德東等[8]認(rèn)為該潛力是指一定時(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控制的那部分雨洪資源實(shí)施開發(fā)利用，最大可能利用的洪水資源量。李曉英等[9]定義為在可能的預(yù)見期內(nèi)，保障河流生態(tài)功能和流域防洪安全的前提下，洪水資源可利用量減去洪水資源實(shí)際利用量之后，洪水資源中還能夠進(jìn)一步開發(fā)利用的量。王宗志等[10]進(jìn)一步提出了洪水資源理論利用潛力和現(xiàn)狀利用潛力的概念，以區(qū)分現(xiàn)有水利工程體系能力和無限提高流域洪水調(diào)控利用能力兩種情景下的潛力挖掘能力（增量）。

本文從便于蓄滯洪區(qū)管理應(yīng)用角度出發(fā)，采用第1 類定義，在分析蓄滯洪區(qū)洪水資源利用方式的基礎(chǔ)上，考慮不同重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用工況和汛期雨洪水資源利用兩方面，提出洪水資源利用潛力評(píng)估方法，并以海河流域永年洼為典型案例，進(jìn)行了現(xiàn)狀工程和下墊面條件下的洪水資源利用潛力評(píng)估。該方法對(duì)其他類似蓄滯洪區(qū)的洪水資源利用潛力定量計(jì)算具有一定的參考價(jià)值。

1 國內(nèi)外蓄滯洪區(qū)洪水資源利用現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)蓄滯洪區(qū)的洪水資源利用類型主要分為3 種，結(jié)合水庫湖泊等地表空間蓄水、回補(bǔ)地下水、生態(tài)濕地建設(shè)[11]，利用方式可分為主動(dòng)利用和被動(dòng)利用。海河流域“1996.8”洪水期間，白洋淀、寧晉泊、大陸澤、獻(xiàn)縣泛區(qū)和東淀等蓄滯洪區(qū)啟用，被動(dòng)滯洪的同時(shí)客觀上使相關(guān)區(qū)域地下水普遍回升。據(jù)河北省統(tǒng)計(jì)，省內(nèi)地下水補(bǔ)給水量（含蓄滯洪區(qū)內(nèi)補(bǔ)給）達(dá)80 多億m3[12]，且補(bǔ)給具有長(zhǎng)期性的、跨年度的調(diào)節(jié)作用。2000 年淮河流域沙潁河啟用了楊莊、泥河洼、老王坡蓄滯洪區(qū)，在發(fā)揮防洪作用的同時(shí)，也對(duì)地下水進(jìn)行了有效的回補(bǔ)。2003 年，淮河流域啟用了蒙洼等9 個(gè)行蓄洪區(qū)，蓄滯的雨洪水起到了地下水回補(bǔ)、濕地保護(hù)等作用。

日本的渡良瀨滯洪區(qū)采用分區(qū)運(yùn)用模式，在實(shí)現(xiàn)分蓄洪水的同時(shí)，兼具生態(tài)修復(fù)、城市供水、河道流量維持、景觀旅游等多目標(biāo)功能[13]。萊茵河兩岸滯洪區(qū)在不需啟用的情況下，每3～5 a 也對(duì)蓄滯洪區(qū)充水一次，以維持蓄滯洪區(qū)的生態(tài)功能[14]。

2 蓄滯洪區(qū)洪水資源利用潛力評(píng)估方法

蓄滯洪區(qū)在現(xiàn)狀防洪工程、技術(shù)條件下，可利用的最大洪水資源量由兩部分組成，一是因達(dá)到蓄滯洪區(qū)啟用條件，從外河（江）分洪入蓄滯洪區(qū)的洪水量；另一部分是蓄滯洪區(qū)本地降雨產(chǎn)匯流形成的洪水量。本文采用年均（或期望）可利用洪水資源量表示蓄滯洪區(qū)洪水資源利用潛力，其計(jì)算公式為上述兩方面洪水量之和，即：

式中：WD為某蓄滯洪區(qū)的洪水資源利用潛力；WU為該蓄滯洪區(qū)因所在水系發(fā)生滿足啟用條件的洪水而產(chǎn)生的洪水資源利用潛力；WR為該蓄滯洪區(qū)因降雨產(chǎn)匯流形成的洪水資源利用潛力。

2.1 啟用工況下的洪水資源利用潛力評(píng)估方法

我國蓄滯洪區(qū)的啟用標(biāo)準(zhǔn)一般在流域防洪規(guī)劃和所在河流水系的洪水調(diào)度方案中明確，這也意味著蓄滯洪區(qū)分蓄洪水是具有一定概率的。在不考慮氣候變化、人類活動(dòng)等因素影響情況下，從歷史長(zhǎng)序列來看，其實(shí)際使用概率接近其啟用標(biāo)準(zhǔn)。因此，適合采用期望洪水資源量來表征其潛力。計(jì)算公式如下：

式中：pi為某一洪水重現(xiàn)期，a；Wui為某蓄滯洪區(qū)對(duì)應(yīng)pi的洪水淹沒水量，m3；n為洪水重現(xiàn)期的個(gè)數(shù)，個(gè)；pi+1為比pi高一量級(jí)的洪水重現(xiàn)期，a；Wui+1為某蓄滯洪區(qū)對(duì)應(yīng)pi+1的洪水淹沒水量，m3。

為了使計(jì)算的期望值接近理論值，在利用式（2）計(jì)算時(shí)，起算頻率（p1）應(yīng)取蓄滯洪區(qū)啟用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)頻率，n取比蓄滯洪區(qū)圍堤工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高一量級(jí)的重現(xiàn)期數(shù)量，當(dāng)該重現(xiàn)期仍低于100 a 時(shí)，可直接取至100 a，其對(duì)應(yīng)的淹沒水量可根據(jù)蓄滯洪區(qū)水位—面積—容積曲線進(jìn)行估算，或構(gòu)建二維水力學(xué)模型計(jì)算。

2.2 本地降雨洪水資源利用潛力評(píng)估方法

根據(jù)長(zhǎng)序列的降雨、徑流資料，考慮蒸發(fā)和下滲，計(jì)算蓄滯洪區(qū)本地匯水范圍內(nèi)因降雨產(chǎn)生的洪水資源量。計(jì)算方法為根據(jù)蓄滯洪區(qū)水系、地形和防洪工程分布，劃分匯水分區(qū)，根據(jù)不同土地利用分布計(jì)算區(qū)域綜合徑流系數(shù)，統(tǒng)計(jì)汛期降雨量，估算年均可利用的由降雨形成的洪水資源量。計(jì)算公式如下：

式中：m為長(zhǎng)序列降雨資料的年份數(shù)，個(gè)；N為蓄滯洪區(qū)的匯水分區(qū)個(gè)數(shù)，個(gè)；Ri為第i年的汛期降雨量，mm；Aj為蓄滯洪區(qū)內(nèi)第j個(gè)匯水分區(qū)的面積，km2；Cij為第j個(gè)匯水分區(qū)第i年的綜合徑流系數(shù)。

3 典型蓄滯洪區(qū)評(píng)估結(jié)果及分析

3.1 蓄滯洪區(qū)基本情況

永年洼蓄滯洪區(qū)位于海河流域子牙河水系的滏陽河左岸，為自然和歷史寇亂下形成的洼淀。蓄滯洪區(qū)四周筑有圍堤，總面積約18.5 km2。啟用標(biāo)準(zhǔn)3 年一遇，新中國成立以來共運(yùn)用11次[15]，在海河流域?qū)儆趩⒂么螖?shù)較多的蓄滯洪區(qū)之一。洼心海拔高程為40.3 m，10 年一遇蓄滯洪水位44.56 m，相應(yīng)設(shè)計(jì)滯洪量0.54億m3。其蓄滯洪水位—面積—水量對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖1。

圖1 永年洼蓄滯洪區(qū)蓄滯洪水位—面積—水量關(guān)系曲線

永年洼蓄滯洪區(qū)是子牙河防洪體系的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著蓮花口以上滏陽河、支漳河分洪道、生產(chǎn)團(tuán)結(jié)總干渠來水的滯洪緩瀝任務(wù)，保護(hù)邯鄲市防洪安全。當(dāng)達(dá)到啟用條件時(shí)，洪水由蓮花口進(jìn)洪閘通過引河排入留壘河。當(dāng)進(jìn)洪流量超過125 m3/s時(shí)，洪水進(jìn)入滯洪區(qū)。遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，可在蓮花口進(jìn)洪閘上游滏陽河左堤扒口分洪入永年洼，由借馬莊泄洪閘泄洪（圖2）。

圖2 永年洼蓄滯洪區(qū)進(jìn)退洪控制工程示意圖

3.2 歷史典型年份運(yùn)用情況

自1957 年永年洼蓄滯洪區(qū)建成后，分別在1959 年、1960 年、1961 年、1962 年、1963 年、1964 年、1971 年、1976 年、1982 年、2016 年和2021 年先后11 次滯洪，歷史典型運(yùn)用年份啟用情況統(tǒng)計(jì)見表1?！?963.8”洪水期間，永年洼蓄滯洪區(qū)內(nèi)最大水深4.47 m，廣府古城四門全部堵封，南北關(guān)、裴屯村全部上水，洼內(nèi)蓄水達(dá)3 個(gè)月之久，蓄滯洪區(qū)內(nèi)耕地荒廢1 a。2016 年7 月19 日，永年洼蓄滯洪區(qū)上游地區(qū)遭遇了特大暴雨洪水的襲擊，支漳河分洪道、滏陽河水位暴漲。20 日5 時(shí)，永年洼蓄滯洪區(qū)內(nèi)引河流量超過125 m3/s，達(dá)到啟用標(biāo)準(zhǔn)，20—22 日累計(jì)滯洪0.068 億m3，確保了滏陽河、留壘河安全，減輕了下游防洪壓力。

表1 永年洼蓄滯洪區(qū)歷史典型年份啟用情況統(tǒng)計(jì)表

3.3 評(píng)估結(jié)果分析

（1）啟用工況下的洪水資源利用潛力評(píng)估。蓄滯洪區(qū)不同啟用工況下的洪水淹沒分布及水量一般根據(jù)區(qū)內(nèi)的水系、地形特點(diǎn)和防洪工程復(fù)雜情況，采用一維、二維水力學(xué)模型或水文與空間地形分析結(jié)合的方法獲取[16]。本文針對(duì)永年洼蓄滯洪區(qū)3 年一遇到20 年一遇的洪水最大淹沒水量根據(jù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制成果估算。100 年一遇洪水淹沒水量取堤頂高程45 m 對(duì)應(yīng)的淹沒水量，并扣除底水（按常年積水面積4.5 km2，水量0.018 億m3），永年洼蓄滯洪區(qū)不同洪水重現(xiàn)期下的淹沒水量見表2。綜合各重現(xiàn)期洪水量計(jì)算得出其啟用工況下的洪水資源利用潛力期望值為870 萬m3，相當(dāng)于1 座小（1）型水庫的庫容。表1 中根據(jù)近40 年的實(shí)際啟用情況計(jì)算的年均值小于期望值的主要原因是海河流域自1980年后總體上處于枯水期和平水期[17]，發(fā)生流域性大洪水的年份偏少。

表2 永年洼蓄滯洪區(qū)不同洪水重現(xiàn)期下的淹沒水量及洪水資源利用潛力期望值

（2）本地降雨洪水資源利用潛力評(píng)估。統(tǒng)計(jì)永年洼蓄滯洪區(qū)附近的雨量站2000—2022年汛期降雨量數(shù)據(jù)，汛期（6—8月）降雨量最大值、最小值和平均值分別為562.0 mm（2021年），124.0 mm（2014年）和337.9 mm；利用式（3）計(jì)算的可利用雨洪資源量最大、最小和均值分別為499.1萬m3、110.1 萬m3和305.2 萬m3。綜合徑流系數(shù)根據(jù)2000 年和2018年的土地利用數(shù)據(jù)計(jì)算取值，分別為0.48和0.50。

綜上，永年洼蓄滯洪區(qū)的年均洪水資源利用潛力約1 174.9萬m3。根據(jù)研究，永年洼蓄滯洪區(qū)濕地生態(tài)需水量[18]最小為1 256萬m3，適宜值為2 944萬～4 192萬m3，最大為6 576萬m3。這些洪水資源量雖然遠(yuǎn)低于濕地生態(tài)蓄水量，但可以作為維持其濕地功能的水源之一，在滿足蓄滯洪區(qū)防洪功能的同時(shí)，充分發(fā)揮其綜合效益。尤其是大水年份，可以適度減少退水量，未達(dá)到啟用條件的年份，建議適當(dāng)引水入蓄滯洪區(qū)內(nèi)，以達(dá)到調(diào)節(jié)和修復(fù)其生態(tài)濕地功能的效果。

4 結(jié) 語

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國98處蓄滯洪區(qū)內(nèi)的水面面積超過5 200 km2，有68 處存在面積在1 km2及以上的天然或人工湖泊。蓄滯洪區(qū)的總設(shè)計(jì)蓄洪容積超過1 000億m3[13]。在首要發(fā)揮防洪功能，保障流域防洪體系安全的同時(shí)，有必要依托不斷發(fā)展完善的“四預(yù)”措施技術(shù)，將蓄滯洪區(qū)的洪水資源化利用納入防洪規(guī)劃、建設(shè)和調(diào)度運(yùn)用中綜合考慮。本文提出的蓄滯洪區(qū)洪水資源利用潛力評(píng)估方法是對(duì)蓄滯洪區(qū)啟用工況下的年均可利用外來洪水資源量和由本地降雨產(chǎn)匯流形成的洪水資源量的定量估算，可以為推動(dòng)部分蓄滯洪區(qū)向濕地生態(tài)型蓄滯洪區(qū)改造和多目標(biāo)可持續(xù)發(fā)展模式的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。