洪水资源功能与需求耦合效益识别模型研究

冯 峰，侯云峰

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封475004；2.三门峡水利水电技术开发公司，河南 三门峡 472000）

0 引言

洪水资源化是指通过规划和设计，采取相应的工程措施，将汛期洪水蓄积起来，并作为一种可用水源的过程。 它不仅可以在一定程度上缓解区域水资源紧缺状况，改善生态环境，同时还能有效地减轻排洪设施压力，减少洪灾损失[1]。 洪水资源利用不仅能够产生直接的经济效益，更重要的是还有生态环境效益和社会效益[2]。 效益识别是进行洪水资源效益评价的第一步， 因此需要建立一种有效的、科学的、全面的效益识别方法。 目前可借鉴的方法有列表法、解析法、图解法等[3]。 以上几种常规识别方法存在一个共同问题，就是只单方面考虑洪水资源本身所具备的资源功能，而没有考虑城市或流域对洪水资源的需求和承受接纳能力，从而容易产生效益识别的重复、遗漏甚至是判断失误。 如果没有对利用洪水资源的地区、城市或河流进行充分的需求调查和分析，只是一味考虑最大限度地利用洪水资源，有可能不仅不会产生效益，反而会导致洪水灾害发生。 如果效益识别产生了错误，后面效益计算和综合评价的正确性是很值得商榷的。

1 洪水资源利用功能与需求耦合效益识别方法

当前可借鉴的效益识别方法都没有考虑不同的地理条件下、不同的城市背景下对洪水资源的需求量是多少，只是单独从洪水资源角度去进行效益识别。 在这种情况下，能否计算出实际产生的效益是值得探讨的。 因此必须根据洪水水的时间、空间、水质、水量等功能属性，结合所在区域对洪水资源的需求特点，构建一种适合于洪水资源本身特点的效益识别方法——洪水资源利用功能与需求耦合效益识别方法，以用水系统为主线，以洪水资源的质和量为基础，将洪水资源的功能与水资源需求对接、耦合，从而识别出洪水资源利用的效益。

1.1 耦合效益识别方法的思路和步骤

洪水资源利用功能与需求耦合效益识别方法的思路是从供与需两个方面进行耦合，既考虑洪水资源所具备的功能，又考虑当地或流域对洪水资源的可接纳程度，做到4“有”：有可用资源，有当地需求，有接纳能力，有工程措施。 这样才能对效益进行准确的判断和识别，也才能确保实际效益的产生[4]。

首先，从水量、水质、水能各个功能属性、资源特点对洪水资源进行识别；然后，根据河流所处的地理位置、周边环境，以及所在地区和城市对水资源的具体需求进行识别；第三步是对功能与需求进行对接和耦合。 从而实现对一次洪水或一个区域可能产生的效益进行识别。 这种方法既克服了图解法、清单法的单一、被动性，也避免了效益识别不当产生的重复、遗漏甚至错误识别等现象，达到科学合理的目的。 （如图1 所示）。

图1 洪水资源利用与需求耦合效益识别示意图Fig.1 Flood resource utilization and requirement coupling benefit identification

1.2 建立耦合效益识别模型

将洪水资源利用功能与需求耦合效益识别法的识别过程进行模型化，构建其矩阵识别模型。

（1）构建功能矩阵

设洪水资源有n 种功能，组成集合

根据区域、河流的实际洪水资源情况，洪水的n个功能特性用指标特征值表示

构建洪水资源利用的功能矩阵F

式中：fj为洪水资源第j 项的功能特征值；n 为洪水资源所具备的功能种类。

（2）构建需求矩阵

设某区域或流域对洪水有m 种需求，组成集合

需求i 对洪水资源的功能要求用n 个指标特征值来表示

根据洪水资源利用区域或流域的实际需求情况，构建洪水资源利用的需求矩阵D

式中：dij为对洪水资源的第i 种需求的第j 个功能的需求特征值；n 为对洪水资源所要求的功能种类；m 为对洪水资源的需求种类。

（3）功能矩阵与需求矩阵耦合

将洪水资源利用的功能与需求进行对接和耦合。 将功能矩阵与需求矩阵对比，根据判别条件式（7）进行效益因子Bd 识别和赋值。 经过判断，具有该项效益因子Bdi 赋值为1， 不具备该项效益因子赋值为0。

（4）识别结果

河流洪水资源利用的效益因子，根据功能与需求耦合后的识别结果为效益因子矩阵Bd

2 白城市河流洪水资源效益识别分析

2.1 基本背景

白城市位于吉林省的西北部，属干旱、半干旱地区，多年平均年降水量405mm，年蒸发量1 749mm，年降水量接近生态警戒线，年蒸发量是年降水量的4 倍多， 水资源供需严重失衡。 春旱发生频率为91.4%，夏旱发生率为77.9%，秋旱发生率为79%[5]。干旱是现阶段制约白城市国民经济发展的主要因素，而且对生态环境影响更为严重，全市碱化、沙化面积扩大，草原、湿地面积萎缩。 解决干旱问题，需要寻找足够的水源，白城市江河径流总量多年平均为230 亿m3。但各河流约80%以上的径流量以洪水形式出现在汛期的几个月内，嫩江一般2～3 年或连年有中等以上洪水发生；洮儿河和其他河流3～4 年有中等洪水发生。 因此，实现洪水资源化、充分利用洪水资源，可以缓解当地水资源的不足，满足当地用水需求。

2.2 洪水资源的功能识别

主要是对白城市有可能利用的洮儿河和嫩江的洪水资源进行功能识别。 第一步是对洪水资源所具备的自然属性和功能进行判断。 第二步是进行量化，并附以相应的说明，为洪水资源优化配置和合理利用奠定基础（如表1 所示）。

根据对洪水资源的功能分析，构建功能矩阵F。

2.3 洪水资源的需求识别

以2005 年为例，对白城市水资源需求进行识别，首先判断各种系统或行业需求程度，再确定需求水量，对白城市周边的水库、泡塘、湿地等接纳能力进行分析，并加以简要说明，为与洪水资源的功能耦合做好准备（如表2 所示）。

表1 白城市洪水资源功能识别Table 1 Flood resource function identification of Baicheng city

表2 白城市洪水资源需求识别参数Table 2 Flood resource requirement identification parameters of Baicheng city

根据对白城市用水需求的分析，构建需求矩阵D=(dij)9×8

3 功能与需求耦合

从供与需两方面对洪水资源的功能和需求进行了识别，对功能与需求进行耦合，从而确定能产生哪些具体的效益， 以便对效益进行合并归类、量化赋值、计算评估等后续工作。 本着以需定供，量入为出的原则进行耦合，根据不同系统对水的需求程度进行优化配置，急需的用水优先得到满足（如图2所示）。 2005 年白城市最大可蓄洪总量为19.58 亿m3，急需水量为18 亿m3，按照5 年一遇的洪水频率计算得知，可利用洪水资源量为22.8 亿m3。 在耦合的过程中，水量与需求相对应，按需分配，优先分配急需的18 亿m3。 然后，如果当年来水中有多余的洪水资源，可蓄在泡塘中，满足其他行业需求，以不发生洪灾为限。 水质与要求相对应，不能满足水质要求，则需进行净化处理后方可再利用。 洮儿河和嫩江所提供的洪水资源所具备的水能和水景观功能由于没有对应的需求，所以没有耦合成功，也产生不了相应的效益。 净化功能与生态需水量相对应，保证能够满足生态环境净化的要求。 根据耦合的结果，对产生的效益进行分析，并根据种类进行合并归类。

将洪水资源利用的功能与需求进行对接和耦合。 功能矩阵式（9）与需求矩阵式（10）对比，根据判别条件式（7）进行效益因子Bd 识别和赋值。 结果见式（11）。经过判断，Bdi 赋值为1，说明具有该项效益因子；赋值为0，说明不具备该项效益因子。 经过耦合， 白城市洪水资源利用识别出了5 个效益因子：农业灌溉、城乡供水、水产养殖、涵养湿地和补充地下水。根据图2，涵养湿地和泡塘蓄水会产生相关的芦苇生产和牧草生产效益，因而增加芦苇生产和牧草生产2 个效益因子。

图2 功能与需求耦合效益识别方法过程示意图Fig.2 Function and requirement coupling benefit identification method process

4 结论

洪水资源本身是一种非长期、非稳定性的水资源，对其进行利用，首先要进行充分的风险分析，以保证在可承受的范围内加以利用。 为了确保能充分发挥洪水资源的综合效益，功能与需求耦合识别方法一方面应从“供”的角度出发，对不同来水频率下的水量、水质、水能等洪水资源的基本功能进行识别；另一方面，应从“需”的角度对流域、地区或城市的需求和接纳能力进行识别， 然后进行功能与需求、供给与需量、主动与被动相耦合，确保洪水资源效益识别的正确性。 这种方法可以在城市、区域或流域的洪水资源利用的效益识别当中使用，为下一步的综合效益评价奠定良好的基础，既可以为制定洪水资源利用预案提供可靠的效益分析，也可以为城市或区域利用洪水资源后产生的实际效益进行评估。

[1] 向立云，魏智敏. 洪水资源化——概念、途径与策略[J].水利发展研究，2005（7）:24-29.

[2] 冯峰，孙五继. 洪水资源化的实现途径及手段探讨[J].中国水土保持，2005（9）:4-5.

[3] 王卓甫. 工程项目风险管理[M].北京:中国水利水电出版社，2003：29-36.

[4] 冯峰，许士国. 洪水资源利用功能与需求耦合效益识别法研究[J]. 水文，2009，29(4):28-31.

[5] 许士国， 刘建卫. 通河湖库洪水资源化补偿特性分析[J].水利学报，2005，36(11):1359-1364.