區域雨洪資源利用潛力及模式研究

劉德東，譚樂彥，劉國印，朱 磊

（1.山東省水利勘測設計院，山東濟南250013；2.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏銀川750021）

雨洪資源利用就是將雨洪作為一種資源,在保證區域防洪安全、經濟可行、環境友好的前提下,通過工程措施和非工程措施,將雨洪轉化為存蓄在地表或地下的水資源,供人類利用的過程或水事活動。利用好雨洪資源,既能緩解水資源短缺危機、減少洪澇災害又能改善水環境和水生態,既能提高水資源可利用量和利用率又能促進生態文明建設,是一項一舉多得的水管理措施。

雨洪資源利用是水資源開發利用的重要內容,從2005年以來,一直是國家級和省部級重大專項的研究熱點,如“十一五”國家科技支撐計劃項目“雨洪資源利用技術研究及應用”［1］,2015年水利部公益性行業科研專項“山東低山-平原區雨洪開發技術與示范”［2］等,都從不同方面對雨洪資源利用涉及的理論和關鍵技術進行了研究,或正在進一步開展研究［3］,部分研究取得了豐碩的理論和技術成果。面對水資源短缺的緊迫形勢,將雨洪資源領域的研究成果用于指導各地雨洪開發利用實踐有重大意義。為此,筆者面向地方需求,以聊城市為例,對雨洪資源量、雨洪資源利用潛力進行分析評估,提出雨洪資源利用總體思路和主要任務,以期為聊城市和其他地區雨洪開發利用頂層設計和建設實踐提供參考。

1 研究區概況

聊城市位于山東省西部冀魯豫交界處,總面積8 715 km2。市內地勢平緩,河流眾多,主要有徒駭河、馬頰河和從邊界流過的漳衛河、金堤河,黃河從東南邊界流過。聊城市是農業大市,有位山灌區、彭樓灌區、陶城鋪灌區和郭口灌區四大引黃灌區,水庫、閘壩、泵站等水利工程2 000余處,其中：平原水庫10座、泵站320處、閘壩862處。聊城市地處暖溫帶半干旱大陸性季風氣候區,多年平均降水量為560.6 mm［4］,降水時空分布不均,自東南向西北遞減,年際與年內變化大,汛期（6—9月)降水量占全年的73.8%。全市多年平均水資源量為12.07億m3,人均當地水資源占有量為200 m3,不到全國的9%,屬于嚴重缺水地區。根據水資源供需平衡分析,考慮從黃河和長江引水,現狀水利工程條件下到2035年平、枯、特枯3種情況下缺水量分別為 4.8億、6.0億、6.3億 m3,缺水率分別為20.4%、24.7%、26.3%,缺水形勢嚴峻,開發利用雨洪資源是聊城市解決缺水問題的重要選擇。

2 入境河流與市內雨洪豐枯遭遇分析

聊城市雨洪資源主要分布于市內徒駭河、馬頰河及邊界河流漳衛河、金堤河、黃河上,黃河分水指標固定,不做雨洪開發分析。為分析邊界河流雨洪資源利用的可行性,對漳衛河、金堤河入境徑流和聊城市降水之間的豐枯遭遇進行分析。

2.1 漳衛河實測入境徑流與聊城市降水豐枯遭遇

漳衛河入境徑流采用反映現狀下墊面條件的臨清站1980—2013年共34 a的徑流資料,聊城市降水采用聊城站、陽谷站、臨清站和茌平站的平均雨量,遭遇分析按照年和汛期兩個時段分別進行。不同頻率下漳衛河徑流和聊城市降水分析結果見表1。

表1 不同頻率下漳衛河徑流和聊城市降水分析結果

根據旱澇等級資料和分級標準,按頻率可分為豐、平、枯、特枯4級,其分級標準見表2。

表2 豐、平、枯、特枯分級標準

按照以上分級標準,漳衛河1980—2013年34 a中豐水年為15 a,占44%；平水年為14 a,占41%；枯水年為4 a,占12%；特枯水年為1 a,占3%。聊城市1980—2013年34 a中豐水年為16 a,占47%；平水年為12 a,占35%；枯水年為4 a,占12%；特枯水年為2 a,占6%。

為標示邊界河流與聊城市降水之間豐枯組合情況,按照聊城市是否有利于漳衛河引水、利用漳衛河雨洪資源,將兩者之間豐枯遭遇的16種可能情況分為有利、尚可、不利組合遭遇三大類,分別包括：①豐-特枯、豐-枯、豐-平、平-特枯、平-枯；②平-豐、平-平、枯-豐、特枯-豐；③豐-豐、枯-平、枯-枯、枯-特枯、特枯-平、特枯-枯、特枯-特枯。經分析,漳衛河年徑流量與聊城市年降水量“有利”組合年數為12 a,占35%；“尚可”組合為9 a,占27%；“不利”組合為13 a,占38%。漳衛河年徑流量與聊城市年降水量豐枯遭遇情況見表3。

表3 漳衛河年徑流量與聊城市年降水量豐枯遭遇情況

漳衛河汛期徑流量與聊城市汛期降水“有利”組合為7 a,占21%；“尚可”組合為10 a,占29%；“不利”組合為17 a,占50%。漳衛河汛期徑流量與聊城市汛期降水量豐枯遭遇情況見表4。

表4 漳衛河汛期徑流量與聊城市汛期降水豐枯遭遇情況

2.2 金堤河實測入境徑流量與聊城市降水量豐枯遭遇

按上述方法對金堤河實測入境徑流量與聊城市降水豐枯遭遇進行分析。金堤河年徑流量與聊城市年降水量“有利”組合為6 a,占18%；“尚可”組合為10 a,占29%；“不利”組合為18 a,占53%。金堤河汛期徑流量與聊城市汛期降水量“有利”組合為6 a,占18%；“尚可”組合為 9 a,占 26%；“不利”組合為 19 a,占56%。

2.3 邊界河流雨洪資源利用可行性分析

根據漳衛河徑流量和聊城市降水量之間豐枯遭遇分析結果,漳衛河年徑流量與聊城市年降水量“有利”和“尚可”組合共計61%,汛期“有利”和“尚可”組合共計50%,可知一半以上年份有相對較好的豐枯遭遇,漳衛河引水資源條件較好。根據金堤河徑流量和聊城市降水量之間豐枯遭遇分析結果,金堤河年徑流量與聊城市年降水量“有利”和“尚可”組合共計47%,汛期“有利”和“尚可”組合共計44%,可知接近一半年份有相對較好的豐枯遭遇,金堤河引水資源條件較好。總體而言,聊城市具有相對較好的漳衛河、金堤河相機引水條件,開發利用漳衛河、金堤河雨洪資源切實可行。

3 雨洪資源量和雨洪資源利用潛力分析

目前,關于雨洪資源利用的概念國內外尚無統一定義,為便于分析,本文對雨洪資源利用的相關概念進行統一界定（見圖1)。

圖1 雨洪資源利用相關概念示意

（1)洪水：指河道內超過一定基準流量的大流量徑流。

（2)雨洪資源量：指由降雨形成的河道雨洪徑流總量［5-6］,其數值為扣除基流量后的河道徑流量（圖1中L5與L1之間的部分)：

式中：Wr為雨洪資源量；Rr為河流徑流總量；Rb為河流基流量。

本文河道徑流量Rr按照河道斷面實測水文數據計算,河流基流量Rb按照多年平均最枯月徑流量計算。

（3)雨洪資源已利用量（現狀利用量［7］)：指在現狀水資源開發利用能力下,一個流域或區域利用、損耗、蓄滯在區域內的雨洪資源總量（圖1中L3與L1之間的部分)。

（4)雨洪資源利用潛力：指一定時期內,在保障河流健康和生態環境的前提下,對現有水利工程和非工程措施尚未能控制的那部分雨洪資源實施開發利用,最大可能利用的洪水資源量。該部分水量可根據河流現狀實測徑流量,在滿足下游河流生態用水前提下,扣除汛期難以控制利用的峰量洪水,尚可開發利用的洪水資源量（圖1中L4與L3之間的部分)。雨洪資源潛力計算公式為

式中：Wp為雨洪資源潛力；Re為河流生態水量；Ws為難以控制的大洪水量。

河流生態水量Re按照Tennant法進行分析［8］。根據聊城市河道徑流特點,河道內6—10月生態需水量按照相應月份多年平均實測流量的30%計算,11月—次年5月生態需水量按照相應月份多年平均實測流量的10%計算。難以控制的大洪水量Ws根據實踐經驗,分析統計5 a一遇以上洪水水量作為難以利用水量。

根據上述計算方法,采用反映現狀下墊面條件的1980年以來實測徑流量資料進行分析,聊城市不同降水量年型各河流雨洪資源量、雨洪資源利用潛力分別見表5和表6。

表5 聊城市不同降水量年型各河流雨洪資源量 萬m3

按市內、邊界河流劃分,聊城市雨洪資源利用潛力多年平均為54 067萬m3,其中：市內河流為6 496萬m3（占12%),邊界河流為47 571萬m3（占88%)。 豐、平、枯、特枯不同年型聊城市邊界河流雨洪資源利用潛力占比為85%～91%,開發潛力大 。規劃雨洪資源利用工程時,除了考慮當地河流雨洪資源的挖潛外,還應充分考慮邊界河流雨洪的調引利用。

表6 聊城市不同降水量年型各河流雨洪資源利用潛力 萬m3

4 聊城市雨洪資源利用總體思路和主要任務

4.1 雨洪資源利用措施

結合聊城市平原區的特性,雨洪資源利用措施可歸納為“蓄、調、滲”3個方面。

（1)“蓄”：指在時間上滯蓄洪水,以備充分利用雨洪資源,主要措施包括建設平原水庫、攔河閘壩、坑塘等工程［11-14］。

（2)“調”：指在平面空間上調配洪水,分散利用雨洪資源,實現東西調配、南北互濟、豐枯互補,措施主要為河渠湖庫水系連通,通過引水、提水等工程措施將雨洪資源調入需水區［15-18］。

（3)“滲”：指在豎向空間上滯滲雨洪,通過溝渠攔滲、自然洼地或人工濕地滯滲、增加城市透水面積入滲、采取水保措施涵養地下水源等方式蓄滲雨洪資源,改善地下水生態環境［19-20］。

4.2 總體思路

按照“科學利用雨洪水,控制開采地下水,高效利用黃河水,積極引用長江水,鼓勵采用非常規水”的水資源開發利用總思路,緊密結合聊城市當地市情水情特點,以提升水資源保障能力為目標,以“蓄、調、滲”為主要措施,構建“五橫六縱,互連互通；庫河同蓄,五水統籌”的雨洪資源利用工程總體格局,實現雨洪資源充分利用,為聊城市經濟社會、生態環境的健康發展提供水資源支撐。其中：“五橫六縱”指聊城市基本呈東西走向的5條主要河流（黃河、金堤河、徒駭河、馬頰河、漳衛河)和6條南北走向的主干河渠（彭樓干渠、位山三干、位山二干、位山一干、南水北調干線以及規劃建設的京杭運河干線)；“互連互通”指規劃的連通工程,實現聊城市主要河渠的互連互通；“庫河同蓄”指充分利用平原水庫及河道槽蓄作用攔蓄雨洪水；“五水統籌”指通過水系連通工程、平原水庫、河道攔蓄工程等,實現對黃河水、長江水、當地水、金堤河水、漳衛河水5大水源的統籌利用。

4.3 主要任務

根據雨洪資源利用的總體思路和主要措施,結合聊城市市情、水情、工情,確定聊城市雨洪資源利用主要工程建設任務,實現雨洪資源利用目標,為聊城市經濟社會可持續發展提供堅實的供水安全支撐。

（1)建設運河開發工程,充分利用雨洪資源,實現灌溉、排水、旅游開發等綜合效益。

（2)建設河道雨洪資源利用工程（包括河道攔河閘壩工程、河道擴挖工程及綜合整治等),與生態河道、景觀河道相結合,充分發揮河道攔蓄、蓄滲雨洪的作用。

（3)建設一批蓄水工程（包括平原水庫工程、河道蓄水工程、溝渠攔蓄工程、坑塘蓄水工程等),發揮蓄水工程調蓄雨洪資源的作用。

（4)建設系列水系連通工程（包括河河連通、河湖連通、庫渠連通、庫河連通、塘渠連通等),發揮連通工程互通互濟、優化調配的作用,為雨洪資源利用和防洪排澇提供順暢通道。

5 結 論

（1)利用好雨洪資源,既能緩解水資源短缺危機、減少洪澇災害又能改善水環境和水生態,既能提高水資源可利用量和利用率又能促進生態文明建設,是一項一舉多得的水管理措施。

（2)將聊城市邊界河流和市內降水豐枯遭遇的16種可能組合分為有利組合、尚可組合、不利組合三大類。經統計分析,年和汛期兩個時間尺度漳衛河年徑流量與聊城市降水量“尚可”和“有利”遭遇組合分別為61%、50%,金堤河徑流量和聊城市降水量之間“尚可”和“有利”遭遇組合分別為47%、44%,總體而言,一半左右年份有相對較好的調引邊界河流雨洪資源的氣象水文條件。

（3)聊城市多年平均雨洪資源量約為9.8億m3,多年平均雨洪資源利用潛力約為5.4億m3。按市內、邊界河流劃分,市內河流雨洪資源利用潛力為6 496萬m3（占12%),邊界河流為47 571萬m3（占88%)。不同年型聊城市邊界河流雨洪資源利用潛力占比為85%～91%,開發潛力大。規劃雨洪資源利用工程時,除了考慮當地河流雨洪資源的挖潛外,還應充分考慮邊界河流雨洪的調引利用。

（4)雨洪資源開發利用應注重“蓄、調、滲”綜合措施的應用,發揮各類工程在時間滯蓄、平面空間上調配、豎向空間上滯滲雨洪的作用。