洮兒河河湖連通系統洪水資源利用邊界閾值研究

張燦　劉建衛

摘要：河湖連通工程的實施為洪水資源的引蓄利用提供了有力保障。洪水引蓄過程中，安全與效益并重。基于洪水的雙重屬性，文章利用MIKE11一維水動力學模型及相關的流量、水量計算方法對洮兒河白城境內的河湖連通系統洪水引蓄的安全值以及各受水單元（湖泡、濕地、灌區）的需水量進行了界定。結果表明：20年一遇及以下量級洪水可保證河道全線安全引水，河道最大安全流量為2 140 m3/s；河道三個區間的生態基流分別為479 m3/s、319 m3/s、297 m3/s；河道外受水單元需水量上限值為 938×108 m3，需水量下限值為560×108 m3。河湖連通系統加強了河道內外的水力聯系且河道內外供需水相互影響，邊界閾值的確定將為洪水資源利用過程中的調度決策提供重要參考。

關鍵詞：洪水引蓄；流量閾值；需水量閾值；河湖連通系統；洮兒河

中圖分類號：TV2139文獻標識碼：A文章編號：

16721683（2018）04006608

Study on the boundary threshold of flood resources utilization in riverlake interconnected system of Taoerhe River

ZHANG Can，LIU Jianwei

（

School of Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Abstract：

The riverlake interconnection project provides strong support for floodwater diversion and storage.In this process，security and benefits are equally important.Based on the double attributes of the flood，we used MIKE11 onedimensional hydrodynamic model and the related calculation methods to calculate the safe value of flood storage in the riverlake interconnected system and the water demand of wetlands，ponds，and irrigated areas.The results indicated that the gate can open for diversion when the return period of flood events is 20 years or below.The maximum safe flow of the river is 2 140 m3/s，and the ecological base flow of different segments of the river is 479 m3/s，319 m3/s，and 297 m3/s respectively.The water demand of wetlands，ponds，and irrigated areas is 560×108 m3 to 938×108 m3.The riverlake interconnected system has strengthened the hydraulic connection inside and outside the river，and the boundary threshold will provide important reference for the dispatching decisionmaking in the process of flood resources utilization.

Key words：

floodwater diversion and storage；discharge threshold；water demand threshold；riverlake interconnected system；Taoerhe River

洪水資源利用是通過規劃設計，借助相應工程措施，將汛期雨水引蓄起來作為一種可用水源的過程[1]。其可在一定程度上緩解區域水資源短缺，改善生態環境，減輕河道防洪壓力，規避洪水風險。在干旱與半干旱區的河流中下游平原，往往通過河系連通補償控制來實現洪水資源利用[2]，河湖連通工程正是這種利用方式的真實體現。河湖連通工程通過渠系使河道內外建立起水力聯系，主河道與河道外的湖泡、濕地、農田共同構成了河湖連通供需水系統[35]（見圖1）。然而，該系統中各影響因子相互作用、相互制約，且隨時空變化而變化[6]；當這些因子的變化超過一定閾限，整個系統將受到影響，甚至失去穩定。這種反映系統由量變到質變或由漸變到突變轉折點的指標值，稱為邊界閾值[7]。

為使洪水資源最大程度發揮效益，進行洪水引蓄時必須對河道內外有關邊界閾值進行界定。在河道內，要以保障防洪安全與河道健康為前提[2]，即應確定洪水量級的上限值，保證河道發生此量級及以下量級洪水時堤防不受威脅，并確定不同量級洪水的可引水量，從而進行安全引水；同時，確定河道生態基流值，保證引水后河道流量不低于此值，從而維持河道生態穩定[8]。在河道外，既要確保受水單元（湖泡、濕地、灌區）所納洪水可滿足其基本蓄用水需求，又要防止水量過剩，以免帶來風險，即應確定受水單元的最大蓄用水量，保證湖泡蓄滿，濕地生態系統達到最佳狀態，灌區農田得到全面灌溉；同時，確定其最小蓄用水量，保證湖泡水量損失得到補償，濕地生態系統不失穩，灌區水田得以灌溉。以上閾值的確定，不僅可以增加洪水引蓄的安全性，也使各單元的用水需求得以明確。另外，河道外需水量相對穩定，而河道內由于來水的不確定性致使引水節點的可引水量也具有不確定性。不同頻率來水的可引水量直接關系到河道外需水能否得到滿足，反過來，由于受水單元退水能力有限，河道外需水又對河道引水形成制約。因此，也應分析河道內外邊界閾值是如何相互影響的。

1研究區域概況

白城市位于吉林省西北部，現轄一區（洮北區）、兩縣（通榆縣、鎮賚縣）、兩市（洮南市、大安市）。此地屬于干旱與半干旱區，多年平均降水量4088 mm，降水主要集中在夏季，約占全年降水量的80%，區域年平均蒸發量約為1 840 mm，是降水量的45倍[9]。洮兒河是嫩江的一條支流，自鎮西水文站進入白城境內，至月亮泡水庫匯入嫩江。蛟流河為洮兒河的一條支流，在洮南城北匯入洮兒河。洮兒河沿線有多處可用于引水的閘壩樞紐，兩岸分布有眾多湖泡、濕地、農田。由此形成以洮兒河為主干，各閘壩樞紐為控制節點，兩岸渠系為分支，湖泡、濕地、農田為受水單元的洮兒河河湖連通系統（見圖2）。

系統中，河道內以洮兒河上游來水為主要水源，

河道洪水受閘壩控制經由渠道引向兩岸；河道外根據各閘壩樞紐的引水去向，將所有受水單元劃分幾個片區，分別為引洮入向片區（包括引洮入向干渠沿線片區和向海濕地片區）、洮北片區、二龍漁場片區、幸福片區（包括牛心套保濕地片區和幸福干渠片區）、新洮片區、洮兒河末端片區（包括黑魚泡片區和新荒泡片區）。系統中有6處引水建筑物，分別為龍華吐樞紐、滿洲岱樞紐、哈拉查干引水閘、慶有樞紐（包括幸福干渠引水口和新洮干渠引水口）、黑魚泡引水口、新荒泡引水口；兩處濕地和一處灌區，分別為向海國家級自然保護區、牛心套保國家濕地公園、洮兒河灌區。其中向海濕地多年平均水域面積6058 km2，多年平均沼澤面積3119 km2；牛心套保濕地多年平均水域面積1914 km2，多年平均沼澤面積32 km2；洮兒河灌區設計灌溉面積37933 km2，有效灌溉面積13333 km2，包括水田11810 km2，旱田1523 km2，水田主要作物為水稻，旱田主要作物為玉米。

2數據與方法

2.1數據說明

流量數據來源于洮兒河流域主要水文站（鎮西、務本、洮南、黑帝廟）1958-2010年的實測流量；降水和蒸發數據來源于中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/）通榆氣象站和大安氣象站1955-2012年的實測逐日降水量及蒸發量；地形數據來源于洮兒河2011年實測河道橫斷面資料。

2.2河道內邊界閾值計算方法

2.2.1河道洪水引蓄安全值的確定

本文采用MIKE11一維水動力學模型模擬洪水在河道內的演進。其中，水動力模塊（HD）為核心模塊[10]；水工建筑物操作模塊可為閘壩樞紐調度的實現提供支持[11]。本研究選取洮兒河白城境內的鎮西水文站至月亮泡水庫區間作為目標河段進行洪水演進模擬。模型以鎮西水文站（里程0 km）流量過程為上邊界條件，以月亮泡水庫上游入庫斷面（里程1824 km）自動計算的水位流量關系（Q/h）為下邊界條件；以目標河段實測橫斷面數據來反映河道地形；將所有引水建筑物的參數存入河網文件，閘門類型設置為流量類型，控制策略設定為當閘前水位達到某一閾值時，閘門開啟引水。建模完成后，分別模擬目標河段不同頻率設計洪水。分析河道全線引水情況下，不同頻率設計洪水在河道內的演進變化情況，各斷面水位流量變化是否會對堤防造成威脅，從而得出洪水引蓄的安全值以及不同頻率設計洪水的引洪結果。

2.2.2河道生態基流計算方法

河道生態基流是指在特定時間和空間條件下，為最大限度保證河流健康所預留的滿足一定水質要求的最小流量[12]。河道生態基流的計算方法在我國應用較多的是水文學法。水文學法中Tennant法可以更好地反映汛期與非汛期的徑流變化過程[13]，計算結果較為合理。文中采用該方法計算河道生態基流。

Tennant法將多年平均流量的百分比作為基流量，具有宏觀性指導意義[14]。研究表明，多年平均徑流量的10%是保持河流生態健康的最小流量，多年平均徑流量的30%能為大多數水生生物提供較好的棲息條件[15]。

2.3河道外邊界閾值計算方法

2.3.1湖泡需水計算方法

對于一般的泡塘，需水的上限值為其最大蓄量減去多年平均蓄量，其需水的下限至少應保證補足多年平均蒸發和滲漏的水量。具體到白城地區，湖泡蒸發損失水量根據多年平均湖泡水面面積及當地蒸發增損分析計算，湖泡滲漏損失量按多年平均庫容的5%～15%計算[16]。

2.3.2濕地生態需水計算方法

對于沼澤濕地，可將其視為獨立的自然綜合體[17]。其水量平衡表達式為：

ΔW=P+R-D-E+ΔWg[JY]（1）

式中：ΔW為沼澤濕地蓄水量的變化量（mm）；P為降水量（mm）；R為入濕地水量（mm）；D為出濕地水量（mm）；E為濕地水面蒸發量（mm）；ΔWg為濕地地下水變化量（mm）。公式（1）表示濕地蓄水量的變化量等于進出其水量的代數和。對于一個相對閉合的洼地來講，進出洼地的水量可視為零，即公式（1）中R=0，D=0。在地下水位保持動態平衡的條件下，ΔWg=0，則公式（1）可以簡化為：

ΔW=P-E[JY]（2）

W=（P-E）×A×103[JY]（3）

為維持濕地的生態環境功能，要求洼地蓄水量不發生變化，即ΔW=0。公式（3）中A表示面積（km2）； W表示沼澤濕地生態需水量（m3）。

2.3.3農田灌區需水計算方法

研究區域內農田灌溉需水包括水田和旱田灌溉需水。考慮田間水利用系數和渠系水利用系數，提出作物的灌溉毛[HJ2.05mm]定額[18]，從而得到農田灌溉需水量計算公式。

m*=m/η[JY]（4）

W*=ωm*×100[JY]（5）

式中：m*為毛灌溉定額（m3/hm2）；m為凈灌溉定額（m3/hm2）；η為灌溉水利用系數；W*為毛灌溉用水量（m3）；ω為灌溉面積（km2）。

3結果討論

3.1河道洪水安全值分析

利用MIKE11模型分別對鎮西月亮泡河段不同頻率設計洪水進行模擬，在洪水演進過程中河道沿線的引水建筑物根據相應的控制策略相繼開啟引水。模擬結果顯示，河道全線引水情況下，20年一遇（2 140 m3/s）及以下量級洪水可在河道內安全運行；洪水量級在30年一遇（2 630 m3/s）時，河道堤防有5處涉險；洪水量級在50年一遇（3 107 m3/s）時，河道堤防有11處涉險，所在斷面最高水位超過左岸或右岸堤防高程（表1）。以30年一遇洪水為例，涉險堤防均位于研究河段的后半段（圖3），究其原因，一方面是由于下游堤防存在薄弱環節，另一方面在洮南有蛟流河匯入，增大了河道洪水流量。

3.2河道生態基流變化分析

文中選取鎮西、黑帝廟、洮南三個水文站1958-1989年（該時段人類活動影響較小）的徑流數據分段計算河道生態基流，計算結果分別作為鎮西-滿洲岱段，滿洲岱-[HJ2.1mm]慶有段，慶有-月亮泡段的生態基流。考慮到該地區對生態恢復的要求，Tennant法計算生態基流時選用多年平均流量的30%。計算結果見表2，圖4。

由表2、圖4可知，Tennant方法計算出的生態基流年內變化趨勢與天然水文形勢變化一致，合理地反映了汛期與非汛期徑流變化過程。鎮西、洮南、黑帝廟非汛期（11月-次年5月）最小生態流量分別為035 m3/s、013 m3/s、003 m3/s；汛期（6月-10月）最小生態流量分別為479 m3/s、319 m3/s、297 m3/s。因此，在汛期河道引蓄洪水時，為滿足整個河段的生態用水需求，應保證鎮西滿洲岱段河道生態流量在479 m3/s以上，滿洲岱慶有段河道生態流量在319 m3/s以上，慶有月亮泡段河道生態流量在297 m3/s以上。

3.3湖泡需水分析

湖泡需水按照前述的河道外受水單元分區進行計算。所涉及到的片區有引洮入向干渠沿線片區，洮北片區（洮兒河灌區除外），二龍漁場片區，新洮片區，幸福干渠片區，洮兒河末端片區（圖2）。根據231節方法依次計算出各湖泡的需水量上下限，所有湖泊需水量上限值為396億 m3，下限值為086億m3，見表3。

3.4濕地生態需水分析

本研究中所涉及的濕地為向海濕地與牛心套保濕地。選取與二者臨近的通榆氣象站和大安氣象站的降水、蒸發數據為源數據，利用232節方法分別計算濕地枯水年與豐水年的生態需水量，以此作為濕地不同年份的生態需水量參考值。由于篇幅限制，僅以向海濕地的生態需水計算為例進行分析。

3.4.1降水蒸發特性分析

分析通榆氣象站1955-2012年58年的降水序列可知，降水主集中在6月-10月份。豐水年（25%）全年降水量50795 mm，6月-10月份降水量占全年的85%；枯水年（75%）全年降水量19959 mm，6月-10月份降水量占全年的93%（圖5）。

根據聯合國糧農組織推薦的PenmanMonteith公式，把E601型蒸發器的實測值乘以系數098即可作為大水體水面蒸發[JP+1]量[19]。參照附近扎龍濕地不同水生植物的蒸散系數[20]，結合通榆地區的蒸發量，核算出了向海濕地內植物全年逐月的蒸散發量。在此認為植物非生長期的蒸散發量為0，生長期（4月-9月）蒸散發量為水面蒸散發量的114倍，以植物生長期的蒸散發量作為沼澤的蒸散發量（圖6）。

3.4.2濕地需水特性分析

豐水年（25%）向海濕地總的需水量為242億m3， 4月-9月份需水量約占全年需水量的96%。其中，水域需水量為048億m3，1月-5月份需水量逐漸增大，5月份達到最大，之后逐漸減小；沼澤需水量為195億m3，總體呈現波動變化，4月-9月份需水量較大，這一時期為植物生長期，5月份需水量最大，這是由于降水與蒸發的變化不同步造成的，7月份沼澤需水量在4月-9月份中最低，因為同期降水量最大。豐水年向海濕地需水過程見圖7。

枯水年（75%）向海濕地總的需水量為298億m3，4月-9月份需水量約占全年需水量的96%。其中，水域需水量為058億m3，其變化趨勢與豐水年基本一致；沼澤需水量為240億m3，需水過程大致可分為幾個階段：3月-5月份逐漸增大，5月-6月份小幅降低，6月-8月份又上升，8月份達到最大，之后逐漸下降。枯水年向海濕地需水過程見圖8。

同樣地，對于牛心套保濕地，豐水年全年需水量為032億m3，枯水年全年需水量為041億m3。[HJ1]

3.5農田灌區需水分析

本研究中涉及到的灌區為洮兒河灌區，其有效灌溉面積為13333 km2，包括水田11810 km2，旱田1523 km2，水田主要作物為水稻，旱田主要作物為玉米。水稻和玉米的灌溉定額由《吉林省地方標準DB 22/T 3389-2014》[21]查得，灌區渠系水利用系數為065。在此認為灌區需水的上限值以滿足全部灌溉需水為目標，下限值以滿足水田灌溉為目標。經計算，灌區需水量上限值為203億m3，下限值為199億m3。

3.6河道內外供需水相互影響分析

經過以上分析計算，分別得出了河道引洪的安全量級及流量閾值、河道生態基流值、河道外各受水單元的需水閾值。而就整個系統來講，河道內外供需水又是相互影響的。河道內各引水口在安全流量以下按照設計標準進行引水的同時應保證河道生態基流，由此計算出不同頻率來水條件下各引水口的可引水量。結果顯示：3年一遇及5年一遇洪水的可引水量無法完全滿足引洮入向片區及洮北片區的需水，其余情況各受水單元的需水完全可以得到滿足（表4）。再者，基于河道外各受水單元的需水量上下限值，結合引水時長，計算出了與受水片區對應的各引水口的最大、最小引水流量（表5）。結果顯示：計算出的流量值均低于各引水口的設計引水流量，各引水口具備相應的引水能力。

4結論

河湖連通系統洪水資源利用涉及供需雙方，河道內洪水運行安全值決定其能否實現安全引水，不同頻率洪水的可引水量決定了各受水單元需水的滿足程度，河道外受水單元需水能力的確定又是對河道引水決策的重要反饋。

（1）河道內，鎮西-月亮泡河段在所有引水口均[JP+1]開啟進行全線引水的情況下，發生30年一遇洪水時，部分堤防涉險，發生20年一遇洪水時，河道內可安全行洪，鎮西斷面入流的安全流量值為2140 m3/s；河道汛期引水時，為維持河道生態，應保證鎮西-滿洲岱段，滿洲岱-慶有段，慶有-月亮泡段的生態流量分別在479 m3/s、319 m3/s、297 m3/s以上。

（2）河道外，所有湖泡需水量上限值為396億m3，下限值為086億m3；濕地生態需水量的上限值為339億m3，下限值為275億m3；灌區需水量的上限值為203億m3，下限值為199億m3。綜上，河道外所有受水單元需水量上限值為938億m3，下限值為560億m3。

（3） 河湖連通系統中，主河道與河道外的受水單元均為洪水的承載體，二者之間相互影響。研究區河道內可引水量基本可滿足河道外受水單元的用水需求，河道外需水量對河道引水能力的要求也均在可實現的范圍內。

以上邊界閾值是在河湖連通系統規劃條件下確定的，其對區域洪水資源利用方案的制定，不同目標下的調度決策具有指導意義。未來工程運行階段，還應根據系統的實時動態變化對這些閾值做出相應調整，以便使河湖連通系統更好地發揮作用。

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