河南省衛河流域蓄滯洪區雨洪資源利用潛力分析

張修宇，康金鴿，陳 思

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046；2.河南省豫北水利勘測設計院有限公司，河南 鄭州 450002）

1 引 言

流域暴雨頻發成為制約社會、經濟和生態發展的瓶頸［1］。河南省衛河流域地處豫北地區，歷史上頻繁的洪澇、干旱等自然災害給豫北人民帶來了深重災難。2021年7月17—22日，衛河流域局地發生特大暴雨，衛河發生超歷史最高水位洪水（汲縣站水位超歷史極值1.84 m）；自7月19日開始，河南省先后啟用境內9處蓄滯洪區中的7處，截至23日總蓄水量約1.9億m3，轉移人口21.9萬。衛河是半懸式河床［2］，兩岸有很多洼地，用作蓄滯洪區。蓄滯洪區對于流域防洪減災十分重要，其與河道、水庫聯合運用可以削減洪峰、存蓄過量洪水，提高流域抵抗洪水的能力。計算和評價衛河流域蓄滯洪區雨洪資源利用潛力具有重要意義。

對于雨洪資源利用，國內外均有很多研究，例如：Islam等［3］構建了孟加拉國相關流域模型框架，計算了研究區的雨水資源化潛力；Sharma等［4］根據印度225個主要降水區的作物在生長期的氣候水量平衡關系，計算了604個地區的雨水資源利用潛力；孟凡香等［5］從雨水的自然屬性和社會屬性入手，采用分布式水文模型SWAT計算了研究區的雨水資源化潛力；王銀堂等［6］對流域層面的雨水資源利用模式進行了探討，并對北京市區及海河流域的雨洪資源利用潛力進行了定量評價；張光輝等［7］研究了暴雨洪水對地下水的補給作用；王宗志等［8］采用極限分析理論，評價了南四湖流域洪水資源利用現狀和利用潛力；楊小柳等［9］研究了大黃堡洼蓄滯洪區洪水資源化的收益和損失；趙飛等［10］利用多年平均降水量法計算出了城市雨洪資源利用潛力。

從上述分析可以看出，國內外雨洪資源利用潛力多以計算為主，很少將計算與評價模型結合起來進行評價。筆者利用不同下墊面分析法［11］和評價模型相結合的方法，對衛河流域蓄滯洪區雨洪資源的利用潛力進行評價分析。

2 雨洪資源利用潛力分析

雨洪資源利用潛力［12］指在特定區域的一段時間內，經過規劃設計采取與之對應的技術并實施相應的工程措施后，可以開發利用的最大雨洪資源量。當不考慮技術和經濟實力時可以被全部利用的雨水稱為雨洪資源利用理論潛力；但是不論采用何種技術和方法、建設什么設施，雨水資源都不可能被全部利用，其中能夠被利用的這部分雨洪稱為雨洪資源利用實際潛力［13］。

不同下墊面分析法是基于研究區域不同的下墊面面積進行計算的一種方法，利用已知的降水資料對研究區域進行雨洪資源利用潛力計算分析，其結果比較準確。雖然衛河流域的下墊面種類比較多但易于區分，所以選取不同下墊面分析法對衛河流域蓄滯洪區雨洪資源利用潛力進行計算。

利用不同下墊面分析法時，為使計算簡便，參照有關研究［14］將衛河流域下墊面分為3類：一是不透水下墊面，主要包括城鎮、工礦和居民用地，其透水性能較差，計算時不包括降水損失量和棄流量；二是透水下墊面，包括耕地、林地等，其透水性較好，計算時不包括植被截留量；三是河、湖、池塘等可以直接將雨水轉化為資源的水域。衛河流域雨洪資源利用潛力計算公式為

式中：A0為蓄滯洪區雨洪資源利用的理論潛力，m3；A1為不透水下墊面雨洪資源量，m3；A2為透水下墊面雨洪資源量，m3；A3為水域雨洪資源量，m3；Ae為蓄滯洪區雨洪資源利用的實際潛力，m3；At為臨界雨洪資源量，即超出防洪承載力的雨洪資源量，m3。其中

式中：m為降水場次；Ri為第i場降水的降水量，mm；RK為降水損失量和初期棄流量，兩者分別取1.6 mm和4.0 mm，即RK取5.6 mm；Ra為植被截留量，取0.3 mm；Rt為臨界降水量，取50 mm；S1為蓄滯洪區不透水地面的總面積，m2；S2為蓄滯洪區透水地面的總面積，m2；S3為蓄滯洪區水域總面積，m2；St為蓄滯洪區總面積，即St=S1＋S2＋S3，m2。

3 評價指標體系

3.1 構建評價指標體系

基于數據的可獲得性［15］，選取對蓄滯洪區雨洪資源利用影響較大的指標。在查閱大量文獻并參考專家意見的基礎上，采用層次分析法，構建衛河流域蓄滯洪區雨洪資源利用潛力綜合評價指標體系（見表1）。

表1 衛河流域蓄滯洪區雨洪資源利用潛力綜合評價指標體系

3.2 構建評價模型

（1）確定評價指標權重。利用層次分析法計算各指標權重，首先需要一些相關專家依據經驗和地區性質，對準則層和指標層的指標作出重要性判斷；然后構建判斷矩陣，進行歸一化處理，得出指標相對權重；最后對其進行一致性檢驗，符合一致性檢驗的權重即為所求。

（2）模糊綜合評價法。模糊綜合評價法是根據模糊數學的隸屬度理論，將定性評價轉化為定量評價，評價思路清晰、系統性強，可使模糊的、難以量化的問題得到很好解決。蓄滯洪區雨洪資源利用潛力評價指標眾多且存在模糊性和不確定性，因此把層次分析法與模糊綜合評價法相結合，先用層次分析法計算出各指標權重，再用模糊綜合評價法對衛河流域蓄滯洪區雨洪資源利用潛力進行評價。

4 實例應用

4.1 研究區概況及數據來源

衛河全長394 km，流域面積為15 229 km2，其中河南省境內河長286.5 km，流域面積12 921 km2，約占全流域面積的85%［2］。流域內有9處蓄滯洪區，分別是良相坡、白寺坡、共渠西、長虹渠、任固坡、小灘坡、廣潤坡、崔家橋和柳圍坡，涉及3個地級市（新鄉、鶴壁、安陽）7個縣（浚縣、湯陰、衛輝、滑縣、內黃、淇縣、安陽縣），蓄滯洪區內有397個行政村50.75萬人和9.84萬hm2耕地［2］。設計蓄滯洪總量10.87億m3，蓄滯洪區淹沒面積849.5 km2。衛河流域呈西南—東北向，地勢總體為西高東低、南高北低。

選取新鄉、鶴壁、安陽3個地級市的降水數據作為衛河流域的降水數據，數據來源于2001—2020年《河南省水資源公報》。土地利用數據來源于各縣的土地利用總體規劃。

4.2 雨洪資源利用潛力分析

將新鄉、鶴壁、安陽3個市2001—2020年逐月降水量的平均值進行加權平均，得出衛河流域的年均降水量為612.5 mm。依據對蓄滯洪區下墊面類型的分析，由式（1）～式（6）計算得出衛河流域蓄滯洪區雨洪資源利用潛力的計算結果（見表2）。

表2 不同下墊面分析計算結果 億m3

4.3 模型計算結果與分析

（1）利用層次分析法計算指標權重。借助Yaahp軟件進行層次分析法與模糊綜合評價法計算分析。基于已繪制好的層次結構模型和構造的判斷矩陣，利用軟件對判斷矩陣的一致性進行檢驗，生成層次分析法測評表并分發給專家進行打分。測評表收回后，將其導入Yaahp軟件，將專家們反饋的權重利用Yaahp軟件的群決策面板將數據進行算術平均，即為所求指標權重。

（2）利用模糊綜合評價法進行評價。參照2001—2020年《河南省水資源公報》《豫北地區水利工程管理手冊》及相關研究成果，確定衛河流域雨洪資源利用潛力評價等級劃分標準，見表3。Ⅰ級（優）表示雨洪資源充沛且容易利用，雨洪資源利用潛力大；Ⅱ級（中）表示雨洪資源適配性比較好，雨洪資源利用潛力中等；Ⅲ級（差）表示雨洪資源匱乏且不容易利用，雨洪資源利用潛力小。

表3 衛河流域蓄滯洪區雨洪資源利用潛力評價等級劃分標準

結合層次分析法計算出的權重，建立模糊綜合評價測評表，并確定評價等級：2.4～3.0分為Ⅰ級（優）、1.5～2.4分為Ⅱ級（中）、1.5分以下為Ⅲ級（差）。隨后生成測評表發送給專家進行測評，將收回的測評表導入Yaahp軟件自動進行矩陣構造和計算，最終的評價結果見表4。

表4 衛河流域蓄滯洪區雨洪資源利用潛力指標權重及模糊綜合評價結果

由表4可知：衛河流域水資源基礎條件（B1）的評價結果為Ⅰ級（優），其指標層中設計蓄滯洪量（C2）、淹沒面積（C3）評價結果均為Ⅰ級（優），表明其蓄滯洪區蓄水能力較為突出，能夠很好地蓄滯洪水；多年平均降水量（C1）的評價結果為Ⅱ級（中），原因是當地年均降水量不大，但降水一般集中在汛期，容易形成暴雨，給雨洪資源利用帶來較大壓力。實施條件（B2）評價結果為Ⅱ級（中），其指標層中只有蓄滯洪區堤防長度（C4）的評價結果為Ⅰ級（優），可見蓄滯洪區堤防的建設比較完善；蓄滯洪區使用概率（C5）和人口數量（C6）評價結果為Ⅱ級（中），原因是蓄滯洪區的人口數量比較多，啟用時會對人民生命財產安全造成威脅，只有發生特大暴雨時蓄滯洪區才會啟用，這在一定程度上影響了對雨洪資源的利用程度。社會經濟（B3）的評價結果為Ⅰ級（優），說明當地的經濟發展能夠為水資源利用提供一定的經濟支撐，這與河南是農業大省、當地非常重視農業發展有著密不可分的聯系，雨洪資源利用有堅實的經濟基礎。耗水量（B4）的評價結果為Ⅱ級（中），其指標層中農業耗水量（C10）、工業耗水量（C11）、生活耗水量（C12）均為Ⅱ級（中），說明農業、工業和生活用水量較大，用水效率還有待提高，還有進一步增大水資源利用潛力的可能。

衛河流域蓄滯洪區雨洪資源利用潛力（A）的評價結果為Ⅰ級（優），說明其雨洪資源充沛且容易利用，雨洪資源利用潛力大。通過不同下墊面分析法計算出衛河流域的理論雨洪資源利用量為39.63億m3、實際雨洪資源利用量為38.80億m3，二者相差不大，原因主要是蓄滯洪區的耕地面積較大且耕地涵養水的能力較強。衛河流域屬于缺水地區，同時汛期暴雨集中容易發生洪澇災害，嚴重影響人民的生命財產安全，應該在保障安全的情況下合理利用雨洪資源，將風險轉化為效益。

5 結 語

本文從水資源基礎條件、實施條件、社會經濟、耗水量4個方面選取12個指標，構建河南省衛河流域蓄滯洪區雨洪資源利用潛力評價指標體系，結果表明研究區雨洪資源利用潛力大。但是從評價結果看出，實施條件和用水效率還有待改善與提高。比如，蓄滯洪區內的人口數量評價等級為Ⅱ級（中），說明蓄滯洪區的人口數量較多，蓄滯洪區啟用時損失較大，應該設法減少蓄滯洪區內的人口數量；耗水量的評價結果為Ⅱ級（中），說明蓄滯洪區的用水效率不高，應該引進節水技術和設施，提高用水效率，減少耗水量。

層次分析法帶有較強的主觀性，會對研究結果帶來一定的影響，另外滯洪區數據收集的局限性也會對分析結果帶來影響。下一步應結合客觀分析法，完善衛河流域蓄滯洪區雨洪資源利用潛力評價方法。