海島雨洪資源高效利用技術系統研究

吳 澤 華

(福建水利水電科學研究院，福州 350001)

海島是海洋的重要組成部分，有巨大的經濟、軍事、科學和生態價值[1]。我國500 m2以上的海島有6 500個以上，總面積6 600 多萬m2，其中有常住居民的455 個，人口470多萬。海島開發對于建設海洋經濟強國有重大意義。但由于海島與同緯度大陸地區相比，存在降水量少，蒸發量大，地形地貌特殊等條件，導致可利用的地表水資源量較少，再加上地下水賦存條件差等問題，致使海島上淡水資源極度缺乏，對海島可持續開發利用構成根本制約。大陸引水、海水淡化、中水回用以及雨洪資源利用都是提升水資源供應能力的有效措施，但大陸引水方案僅適宜鄰近大陸的海島，而中水回用和海水淡化成本高、水質差，因此海島雨洪資源高效利用研究具有重要的意義。

國內外專家學者針對海島雨洪利用開展了一系列研究，新加坡將河流改為蓄水池并設置中央集水區自然保護區[2]；丹麥以開采地下水為主，同時執行嚴格的地下水保護策略；臺灣島采取大型滯洪池研究或小型入滲設施；浙江省舟山島開展“六水”聯動措施開發利用雨洪資源[3-6]；山東長島建設了蓄水池和環山渠道等；俞孔堅提出了海島雨洪管理系統[7]。但是已有研究未能從系統管理角度把握海島水資源的利用程度和利用效率，未將海島水資源統籌宏觀調配和管理。

1 海島雨洪利用的難點和關鍵點

研究通過對海島地區地形地貌、水文氣象、地質形態等分析研究，認為海島雨洪利用存在以下難點和關鍵點。

(1)海島雨洪資源量精確估算難。海島雨洪資源的開發利用，首先要對海島雨洪資源量進行評估，明確海島水資源總量。然而，海島與大陸脫離，為獨立系統，海島地區一般沒有設立水文站點，尚屬無資料地區，如何在無資料的前提下對海島雨洪資源量評估，是海島雨洪開發利用的難題。

(2)徑流短小，快速入海，海島雨洪資源收集難。海島地區地域狹小，徑流短而分散，快速獨流入海，雨水在島內下滲和蓄滯不足，是導致海島水資源缺乏的關鍵因素。因此，如何利用海島短小的徑流，延長徑流在陸地的滯留時間，有利于雨洪收集,是解決海島雨洪資源利用的又一難點。

(3)構建海島雨洪儲存體系是關鍵。海島降雨時空差異性大，主要為季風雨、臺風雨，將季風期的雨洪資源貯蓄起來，調配至冬春枯水期進行利用是海島雨洪利用的主要途徑。但海島陸域面積有限、地形地貌大多以平原為主，僅有小部分山地丘陵，可建的地面水庫庫容往往規模過小，調節能力不足，再加上多數海島蒸發量大于降雨量，地面庫水蒸發損失大。因此要打破單純依賴傳統水庫蓄水的固定思維,構建好雨洪資源的地表、地下、蓄淡水庫構成的多維存儲體系十分關鍵。

(4)全島雨洪資源調度管理與利用是關鍵。雨洪資源由于收集區域和途徑的不同，水質差異明顯，針對島內雨洪資源的來源情況，分途徑收集、分區存儲，進而分質利用，是平海島雨洪資源科學、高效的綜合利用的基礎。將全島水資源納入綜合系統，以進行海島水資源統籌宏觀調配和管理，是保證海島雨洪資源高效利用的關鍵問題。

2 海島雨洪資源高效利用技術系統

針對海島雨洪利用的難點和關鍵點，研究構建了集合雨洪資源評估、雨洪資源遲滯和收集、雨洪資源存儲、雨洪資源調度利用于一體的海島雨洪資源高效利用系統，為海島雨洪資源高效開發利用提供技術支撐。

2.1 海島雨洪資源評估技術

由于大多數海島缺少長期水文站點,無法支持傳統水文計算方法評估海島雨洪資源量。研究選用有物理機制的HIMS(HydroInformatic Modeling System)分布式水文模型與傳統水資源評價方法相結合，對稀缺資料島嶼水資源進行科學地評估計算。HIMS水循環綜合模擬系統可針對水資源、水環境、水生態、水災害和水管理等問題進行多時空尺度的綜合模擬，目前已在黃河流域、海河流域、黑河流域、青藏高原等多個流域以及澳大利亞、美國的部分流域得到成功應用和驗證[8-10]。該模型兼顧了超滲產流與蓄滿產流的主要因素，適用性強，在稀缺資料地區的水文模擬中具有較好的精度[11, 12]。

HIMS系統的基本結構如圖1所示，產流發生在每個子流域上，產流模型在垂直方向上劃分為3層，分別為地表產流、壤中流和地下徑流。地表徑流采用超滲產流模式，地下又劃分為兩層，即上層和下層，上層土壤的含水率影響蒸散發，上層土壤產生壤中流，同時下滲補給下層，向下滲透到地下潛水面或深層地下水，產生地下徑流。地表徑流、壤中流和地下徑流全部匯入河道，為總徑流量。

圖1 HIMS 模型結構圖

基于河網空間拓撲關系，將研究區域離散為若干個子流域，構建分布式HIMS型。在分布式HIMS模型中，每個子流域包含一條匯流河段，子流域之間通過河網空間拓撲關系進行連接；逐級利用馬斯京根方程進行河段匯流演算，從低一級河流逐步匯入高一級河流，最后匯集到流域出口斷面。

研究采用子流域與網格相結合方式，構建海島HIMS分布式水文模型，重建島內長時間序列的日過程徑流、蒸發、土壤水等水量平衡要素時空變化過程；將分布式水循環過程模擬與傳統的水資源評估計算相結合，引入土壤水資源可利用量的估算，從而更為全面的評價研究區的可利用水資源量，獲得具有較高時空分辨率的稀缺資料島嶼水資源評價結果；繪制海島水資源可利用量的空間分布圖，揭示了其淡水資源的時空變化特征。研究結果表明，將具有物理機制的分布式水文模型與傳統水資源評價方法相結合，是實現稀缺資料島嶼水資源科學評估計算一個重要途徑與發展方向。

2.2 海島雨洪遲滯技術

雨洪遲滯技術圍繞增強雨水下滲和利用地形地貌蓄滯，在山區小流域、平原區的城市、鄉村針對性采用分類雨洪遲滯技術包，延長雨洪資源在島內的滯留時間，增加攔蓄量，同時增強下滲補充地下水，充分高效利用雨洪資源，見圖2。

圖2 海島雨洪資源高效利用技術系統

(1)海島山區小流域。海島山區小流域雨洪遲滯技術主要包含水源涵養植保措施和工程措施進行小流域綜合治理，研究分析表明，針對海島山區小流域的雨洪收集措施，宜按面向內側、流向島內的小流域和面向外側、直流入海的小流域采取不同的雨洪遲滯措施。對于內側小流域，宜采用種植樹木、草皮增加雨水入滲為主植保措施、以溝谷滯洪為主的小流域工程治理措施進行綜合處理；對于直流面海的外側小流域，宜采用種植樹木、草皮增加雨水入滲為主植保措施和環外側山坡采用截流溝導入內側流域或水庫的小流域工程治理措施進行綜合處理。同時，項目組研究分析了海島小流域的地形地質特點，對于部分為巖盤出露的區域，研究采用植物網墊種草來改造，可以很好的起到水源涵養效果。

(2)海島平原城市區。海島城市區雨洪遲滯主要結合“海綿城市”的建設理念[13, 14]，統籌低影響開發雨水系統(Low Impact Development，LID)[15]、城市雨水管渠系統及超標雨水徑流排放系統，增強城市區內雨洪資源的下滲和收集。新開發海島的城市區建設應按“海綿城市”的綠地、道路、小區標準進行，并進行城市地下綜合管廊的建設。

(3)海島平原鄉村區。海島平原鄉村區雨洪遲滯收集，應因地制宜，一進行綠色屋頂-家庭自來水供水系統改造；二改造和利用地勢低平的溝渠、坑塘蓄水；三在平原鄉村區的局部不透水地坪和距離地下水位較高的地面，為有利于雨洪資源的下滲回灌，應適度增設下滲回灌管井；四采用井灌工程抽取地下水以促進雨洪資源的下滲[16, 17]。

2.3 建立海島雨洪存儲體系

海島雨洪存儲要建立三大儲水體系，一是合理調度既有水庫群，充分利用水庫間的庫容差異以及水文差異，發揮庫群的聯合補償作用，使有限的水資源得到更合理、更有效地利用[18]；二是結合海島天然含水層、砂礦層集蓄地下水，建立地下儲水空間[19, 20]；三是利用海島天然海灣形成對外與咸水隔離，對內淡水長期置換庫底，最終形成蓄淡水庫。最終形成已有系列水庫、地下水庫和蓄淡水庫綜合利用調配的雨洪資源貯蓄系統，大幅提升雨洪資源貯蓄能力。

2.4 建立基于分質利用的全島雨洪調度利用系統

全島調度利用是將城市、鄉村、山區蓄滯流以及已有地面水庫-地下水庫-蓄淡水庫、島內河流勾連起來，統籌管理、優化調度，并輔以試驗、監控、模擬預測等功能，構成一個綜合的調度管理系統。建設包括沿環島路輸水管線、取水泵站、加壓泵站、供水水廠的河庫聯通、庫庫聯通、管網聯通、庫網聯通的全島水資源調度系統，增加了全島水資源調控能力和用水安全。利用“智慧水利”平臺進行水資源分質利用，對不同匯流介質和不同的儲水設施集蓄雨洪資源，采取分途徑收集、分區存儲、分質利用。

2.5 海島雨洪資源高效利用技術系統的有機聯系

海島雨洪資源高效利用技術系統是個有機聯系的整體。海島雨洪資源科學評估技術是整個系統運行的基礎，有了精準量化的海島雨洪資源利用量和利用效率，方可精確跟蹤整個系統運作的持續改善。海島雨洪遲滯技術是關鍵，解決了海島雨洪資源收集難的問題，才能考慮后續雨洪資源的儲存和高效利用。海島雨洪儲存體系是整個系統有效運行的保障，地表、地下、蓄淡水庫構成的多維存儲體系庫容越大，則海島雨洪資源利用效率越高。基于分質利用的全島雨洪調度利用系統是統領，在全島雨洪資源得到有效收集和存儲的基礎上，在全島利用層面, 水資源通過調度管理管好用好，優水優用、分質利用，用儲結合、供需平衡，才能使整個系統發揮最佳效益。

3 實例應用

平潭島是福建省第一大島、我國第五大島，地處福建省東部海域，東臨臺灣海峽，是大陸距離臺灣最近的地區，特殊的地理位置使其成為海峽西岸經濟區建設的先行先試綜合實驗區，也是“一帶一路”國家戰略中“21世紀海上絲綢之路”的起點之一[21]，具有極其重要的戰略地位。

平潭主島海壇島面積274.3 km2，地勢南北高、中部低，南部和北部絕大部分為起伏的丘陵與低山，中部為海積平原。海壇島多年平均降雨量1 128.2 mm，由于地形地貌原因，并無江河水系，只有46條時令溪，溪流短、流量小，均獨流入海，且呈間歇性。三十六腳湖是全島最大的天壇淡水湖，集水面積13.4 km2。海壇島具有典型的海島水文氣象和地理條件特征，降雨充沛，但汛期臺風暴雨集中；徑流分散而短，雨洪資源收集和存儲設施有限。島內雨洪資源利用率低，僅26%左右；原有居民40萬，人均水資源量僅500 m3/a。

隨著平潭島綜合實驗區大開發政策的實施，全島大部分區域處于快速城市化發展期。平潭綜合實驗區近期將重點推進六大區域建設：產業發展區、國際旅游發展區、商貿合作區、現代物流港區、科技文化產業區、城市發展區。遠期規劃島內居民將達到150萬，水資源保障支撐任務極重。

3.1 平潭島雨洪資源量模擬

研究根據影響平潭島降雨產流的關鍵下墊面因子(土壤類型、坡度、土地利用類型)并結合實地調研提取出了主要的下墊面類型，開展野外人工降雨入滲產流實驗，得到平潭島降雨產流關系的空間分布，以此為基礎結合實地調研和專家知識經驗知識，基于HIMS平臺構建了平潭島日尺度分布式水文模型。模型將全島劃分為286個子流域單元，共119個入海口流域(如圖3,所示)，模擬包括徑流量、蒸發、土壤水儲量在內的多個水循環要素，最小時間尺度為日尺度。研究設立了冠山村君山小流域參證站點、五一村、冠山村兩個雨量徑流自動測報站并率定參數和驗證參數。

圖3 研究區范圍、高程、氣象雨量站點示意

將分布式水循環過程模擬與傳統的水資源評估計算相結合，研究獲得了具有較高時空分辨率的稀缺資料島嶼水資源評價結果，并繪制了福建平潭島水資源可利用量的空間分布圖，圖4-圖6，揭示了其淡水資源的時空變化特征。

圖4 子流域單元及入海口分布圖

圖5 平潭島多年平均月尺度、季節尺度、年尺度的水資源可利用量

圖6 平潭島多年平均傳統水資源可利用量、水資源可利用總量分布

結果顯示，平潭島多年平均傳統水資源量為1.41 億m3，傳統水資源可利用量0.97 億m3，考慮了土壤水資源后，多年平均水資源可利用總量為1.70 億m3，接近傳統水資源可利用量的兩倍。可見，如果對土壤水資源量給予足夠的重視，并合理開發利用，將有效緩解島內淡水資源缺乏的問題。年內分配上，6月份的水資源可利用量比例最大，在傳統水資源可利用量和水資源可利用總量的比例分別為22.2%和19.3%；汛期(4-9月)分別占全年的78.0%和73.5%；考慮了土壤水資源后，非汛期的水資源可利用總量比例比傳統的水資源可利用量比例有所上升。從空間分布來看，水資源可利用量較高的區域集中在中部平原以及島內側的山間盆地，溝道短小、分散獨流入海的環島周邊子流域徑流量小，且不容易收集利用，因而水資源可利用量較小。

3.2 海島雨洪徑流遲滯技術效果分析

在山區小流域、平原區的城市、鄉村采用不同措施，延長雨洪地表水資源在島內的滯留時間，特別是針對海島小流域外側雨洪資源直接流失入海的雨洪資源收集，建立了覆蓋全島的雨洪資源遲滯和收集技術體系，并且通過HIMS模型分析取得良好的實施效果，見表1。

表1 平潭島雨洪資源遲滯技術工具包效果分析

3.3 海島雨洪資源儲存技術的原理分析和效果

(1)通過地表水庫互聯互通技術，建設水庫與河道的庫庫聯網、庫河聯網和河河聯水工程，將現狀廢棄的小型水庫山塘充分利用起來，可增加水資源存儲庫容約600 萬m3，是現狀全島庫容總量的20%。

(2)通過實施地下儲水空間利用和雨洪資源回補工程技術，在蘆洋埔、七里鋪等地區利用海島地層中的天然含水層、砂礦層，采集和利用地下水，將海島現狀地形有利的地下儲水空間充分利用起來，可增加水資源存儲庫容約2 700 萬m3，是現狀全島庫容總量的90%。

(3)通過實施蓄淡水庫技術，利用海島海灣狹窄處設海堤和水閘，形成對外與海水隔離、對內蓄滯雨洪的庫容，可增加水資源存儲庫容約2 400 萬m3，是現狀全島庫容總量的80%。

總體而言，通過建立地表水庫——地下儲水空間利用——河海口蓄淡水庫三大存儲體且互聯互通的雨洪資源存儲技術體系，平潭島水資源存儲庫容可大幅提升190%左右。

3.4 基于分質利用的全島雨洪資源調度利用技術系統

構建包括沿環島路輸水管線、取水泵站、加壓泵站、供水水廠的河庫聯通、庫庫聯通、管網聯通、庫網聯通的全島水資源調度系統，增加了全島水資源調控能力和用水安全。根據雨洪資源的來源分途徑收集、分區存儲，進而分質利用的思想體系，按照水質分類等級和用水供需平衡條件，將良好水源地、小水庫和地下水庫的水質較好的水可用于生活用水，而蓄淡水庫、“海綿城市”和鄉村區貯蓄水用于工業用水、農業用水、景觀水、生態水等。

研究建立了平潭島雨洪資源分區域遲滯和收集，地表水庫、蓄淡水庫和地下儲水空間共同存儲、聯合調度、分質利用的平潭島雨洪資源綜合利用系統。根據數學模型模擬和全島雨洪資源調度利用分析，實施平潭島雨洪資源綜合利用可收集小流域雨洪資源量約3 600 萬m3，遠大于現狀供水總量約1 450 萬m3；十八村森林公園地下儲水空間利用1 180 萬m3，供應于生活用水，比現狀年供水量255 萬m3提高約925 萬m3；通過綠色屋頂，透水鋪磚和沉淀過濾措施進行海綿城市雨洪收集3 716 萬m3，用于工業用水；平原鄉村區采用分散式綠色屋頂收集約127 萬m3農村生活用水，采用水井坑塘收集利用農業灌溉用水1 373 萬m3。綜合計算各類用水利用量達到9 996 萬m3，雨洪資源利用率由現狀的約26%提升至約59%，真正實現平潭島雨洪資源的高效利用。

4 結 語

研究以實現海島雨洪資源高效利用為目標，根據海島特有的水文地質條件結合海島開發的不同功能區域規劃，從海島水資源綜合利用和保護海島生態系統的角度出發，提出全面的、適用面更廣同時對海島生態系統破壞更少的雨洪資源高效利用系統，有助于利用好本地雨洪資源，增強海島水資源調控力，形成良好水資源水生態循環，可應用于海島及沿海半島地區雨洪資源可持續開發利用。