区域雨洪资源利用潜力及模式研究

刘德东，谭乐彦，刘国印，朱 磊

（1.山东省水利勘测设计院，山东济南250013；2.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川750021）

雨洪资源利用就是将雨洪作为一种资源,在保证区域防洪安全、经济可行、环境友好的前提下,通过工程措施和非工程措施,将雨洪转化为存蓄在地表或地下的水资源,供人类利用的过程或水事活动。利用好雨洪资源,既能缓解水资源短缺危机、减少洪涝灾害又能改善水环境和水生态,既能提高水资源可利用量和利用率又能促进生态文明建设,是一项一举多得的水管理措施。

雨洪资源利用是水资源开发利用的重要内容,从2005年以来,一直是国家级和省部级重大专项的研究热点,如“十一五”国家科技支撑计划项目“雨洪资源利用技术研究及应用”［1］,2015年水利部公益性行业科研专项“山东低山-平原区雨洪开发技术与示范”［2］等,都从不同方面对雨洪资源利用涉及的理论和关键技术进行了研究,或正在进一步开展研究［3］,部分研究取得了丰硕的理论和技术成果。面对水资源短缺的紧迫形势,将雨洪资源领域的研究成果用于指导各地雨洪开发利用实践有重大意义。为此,笔者面向地方需求,以聊城市为例,对雨洪资源量、雨洪资源利用潜力进行分析评估,提出雨洪资源利用总体思路和主要任务,以期为聊城市和其他地区雨洪开发利用顶层设计和建设实践提供参考。

1 研究区概况

聊城市位于山东省西部冀鲁豫交界处,总面积8 715 km2。市内地势平缓,河流众多,主要有徒骇河、马颊河和从边界流过的漳卫河、金堤河,黄河从东南边界流过。聊城市是农业大市,有位山灌区、彭楼灌区、陶城铺灌区和郭口灌区四大引黄灌区,水库、闸坝、泵站等水利工程2 000余处,其中：平原水库10座、泵站320处、闸坝862处。聊城市地处暖温带半干旱大陆性季风气候区,多年平均降水量为560.6 mm［4］,降水时空分布不均,自东南向西北递减,年际与年内变化大,汛期（6—9月)降水量占全年的73.8%。全市多年平均水资源量为12.07亿m3,人均当地水资源占有量为200 m3,不到全国的9%,属于严重缺水地区。根据水资源供需平衡分析,考虑从黄河和长江引水,现状水利工程条件下到2035年平、枯、特枯3种情况下缺水量分别为 4.8亿、6.0亿、6.3亿 m3,缺水率分别为20.4%、24.7%、26.3%,缺水形势严峻,开发利用雨洪资源是聊城市解决缺水问题的重要选择。

2 入境河流与市内雨洪丰枯遭遇分析

聊城市雨洪资源主要分布于市内徒骇河、马颊河及边界河流漳卫河、金堤河、黄河上,黄河分水指标固定,不做雨洪开发分析。为分析边界河流雨洪资源利用的可行性,对漳卫河、金堤河入境径流和聊城市降水之间的丰枯遭遇进行分析。

2.1 漳卫河实测入境径流与聊城市降水丰枯遭遇

漳卫河入境径流采用反映现状下垫面条件的临清站1980—2013年共34 a的径流资料,聊城市降水采用聊城站、阳谷站、临清站和茌平站的平均雨量,遭遇分析按照年和汛期两个时段分别进行。不同频率下漳卫河径流和聊城市降水分析结果见表1。

表1 不同频率下漳卫河径流和聊城市降水分析结果

根据旱涝等级资料和分级标准,按频率可分为丰、平、枯、特枯4级,其分级标准见表2。

表2 丰、平、枯、特枯分级标准

按照以上分级标准,漳卫河1980—2013年34 a中丰水年为15 a,占44%；平水年为14 a,占41%；枯水年为4 a,占12%；特枯水年为1 a,占3%。聊城市1980—2013年34 a中丰水年为16 a,占47%；平水年为12 a,占35%；枯水年为4 a,占12%；特枯水年为2 a,占6%。

为标示边界河流与聊城市降水之间丰枯组合情况,按照聊城市是否有利于漳卫河引水、利用漳卫河雨洪资源,将两者之间丰枯遭遇的16种可能情况分为有利、尚可、不利组合遭遇三大类,分别包括：①丰-特枯、丰-枯、丰-平、平-特枯、平-枯；②平-丰、平-平、枯-丰、特枯-丰；③丰-丰、枯-平、枯-枯、枯-特枯、特枯-平、特枯-枯、特枯-特枯。经分析,漳卫河年径流量与聊城市年降水量“有利”组合年数为12 a,占35%；“尚可”组合为9 a,占27%；“不利”组合为13 a,占38%。漳卫河年径流量与聊城市年降水量丰枯遭遇情况见表3。

表3 漳卫河年径流量与聊城市年降水量丰枯遭遇情况

漳卫河汛期径流量与聊城市汛期降水“有利”组合为7 a,占21%；“尚可”组合为10 a,占29%；“不利”组合为17 a,占50%。漳卫河汛期径流量与聊城市汛期降水量丰枯遭遇情况见表4。

表4 漳卫河汛期径流量与聊城市汛期降水丰枯遭遇情况

2.2 金堤河实测入境径流量与聊城市降水量丰枯遭遇

按上述方法对金堤河实测入境径流量与聊城市降水丰枯遭遇进行分析。金堤河年径流量与聊城市年降水量“有利”组合为6 a,占18%；“尚可”组合为10 a,占29%；“不利”组合为18 a,占53%。金堤河汛期径流量与聊城市汛期降水量“有利”组合为6 a,占18%；“尚可”组合为 9 a,占 26%；“不利”组合为 19 a,占56%。

2.3 边界河流雨洪资源利用可行性分析

根据漳卫河径流量和聊城市降水量之间丰枯遭遇分析结果,漳卫河年径流量与聊城市年降水量“有利”和“尚可”组合共计61%,汛期“有利”和“尚可”组合共计50%,可知一半以上年份有相对较好的丰枯遭遇,漳卫河引水资源条件较好。根据金堤河径流量和聊城市降水量之间丰枯遭遇分析结果,金堤河年径流量与聊城市年降水量“有利”和“尚可”组合共计47%,汛期“有利”和“尚可”组合共计44%,可知接近一半年份有相对较好的丰枯遭遇,金堤河引水资源条件较好。总体而言,聊城市具有相对较好的漳卫河、金堤河相机引水条件,开发利用漳卫河、金堤河雨洪资源切实可行。

3 雨洪资源量和雨洪资源利用潜力分析

目前,关于雨洪资源利用的概念国内外尚无统一定义,为便于分析,本文对雨洪资源利用的相关概念进行统一界定（见图1)。

图1 雨洪资源利用相关概念示意

（1)洪水：指河道内超过一定基准流量的大流量径流。

（2)雨洪资源量：指由降雨形成的河道雨洪径流总量［5-6］,其数值为扣除基流量后的河道径流量（图1中L5与L1之间的部分)：

式中：Wr为雨洪资源量；Rr为河流径流总量；Rb为河流基流量。

本文河道径流量Rr按照河道断面实测水文数据计算,河流基流量Rb按照多年平均最枯月径流量计算。

（3)雨洪资源已利用量（现状利用量［7］)：指在现状水资源开发利用能力下,一个流域或区域利用、损耗、蓄滞在区域内的雨洪资源总量（图1中L3与L1之间的部分)。

（4)雨洪资源利用潜力：指一定时期内,在保障河流健康和生态环境的前提下,对现有水利工程和非工程措施尚未能控制的那部分雨洪资源实施开发利用,最大可能利用的洪水资源量。该部分水量可根据河流现状实测径流量,在满足下游河流生态用水前提下,扣除汛期难以控制利用的峰量洪水,尚可开发利用的洪水资源量（图1中L4与L3之间的部分)。雨洪资源潜力计算公式为

式中：Wp为雨洪资源潜力；Re为河流生态水量；Ws为难以控制的大洪水量。

河流生态水量Re按照Tennant法进行分析［8］。根据聊城市河道径流特点,河道内6—10月生态需水量按照相应月份多年平均实测流量的30%计算,11月—次年5月生态需水量按照相应月份多年平均实测流量的10%计算。难以控制的大洪水量Ws根据实践经验,分析统计5 a一遇以上洪水水量作为难以利用水量。

根据上述计算方法,采用反映现状下垫面条件的1980年以来实测径流量资料进行分析,聊城市不同降水量年型各河流雨洪资源量、雨洪资源利用潜力分别见表5和表6。

表5 聊城市不同降水量年型各河流雨洪资源量 万m3

按市内、边界河流划分,聊城市雨洪资源利用潜力多年平均为54 067万m3,其中：市内河流为6 496万m3（占12%),边界河流为47 571万m3（占88%)。 丰、平、枯、特枯不同年型聊城市边界河流雨洪资源利用潜力占比为85%～91%,开发潜力大 。规划雨洪资源利用工程时,除了考虑当地河流雨洪资源的挖潜外,还应充分考虑边界河流雨洪的调引利用。

表6 聊城市不同降水量年型各河流雨洪资源利用潜力 万m3

4 聊城市雨洪资源利用总体思路和主要任务

4.1 雨洪资源利用措施

结合聊城市平原区的特性,雨洪资源利用措施可归纳为“蓄、调、渗”3个方面。

（1)“蓄”：指在时间上滞蓄洪水,以备充分利用雨洪资源,主要措施包括建设平原水库、拦河闸坝、坑塘等工程［11-14］。

（2)“调”：指在平面空间上调配洪水,分散利用雨洪资源,实现东西调配、南北互济、丰枯互补,措施主要为河渠湖库水系连通,通过引水、提水等工程措施将雨洪资源调入需水区［15-18］。

（3)“渗”：指在竖向空间上滞渗雨洪,通过沟渠拦渗、自然洼地或人工湿地滞渗、增加城市透水面积入渗、采取水保措施涵养地下水源等方式蓄渗雨洪资源,改善地下水生态环境［19-20］。

4.2 总体思路

按照“科学利用雨洪水,控制开采地下水,高效利用黄河水,积极引用长江水,鼓励采用非常规水”的水资源开发利用总思路,紧密结合聊城市当地市情水情特点,以提升水资源保障能力为目标,以“蓄、调、渗”为主要措施,构建“五横六纵,互连互通；库河同蓄,五水统筹”的雨洪资源利用工程总体格局,实现雨洪资源充分利用,为聊城市经济社会、生态环境的健康发展提供水资源支撑。其中：“五横六纵”指聊城市基本呈东西走向的5条主要河流（黄河、金堤河、徒骇河、马颊河、漳卫河)和6条南北走向的主干河渠（彭楼干渠、位山三干、位山二干、位山一干、南水北调干线以及规划建设的京杭运河干线)；“互连互通”指规划的连通工程,实现聊城市主要河渠的互连互通；“库河同蓄”指充分利用平原水库及河道槽蓄作用拦蓄雨洪水；“五水统筹”指通过水系连通工程、平原水库、河道拦蓄工程等,实现对黄河水、长江水、当地水、金堤河水、漳卫河水5大水源的统筹利用。

4.3 主要任务

根据雨洪资源利用的总体思路和主要措施,结合聊城市市情、水情、工情,确定聊城市雨洪资源利用主要工程建设任务,实现雨洪资源利用目标,为聊城市经济社会可持续发展提供坚实的供水安全支撑。

（1)建设运河开发工程,充分利用雨洪资源,实现灌溉、排水、旅游开发等综合效益。

（2)建设河道雨洪资源利用工程（包括河道拦河闸坝工程、河道扩挖工程及综合整治等),与生态河道、景观河道相结合,充分发挥河道拦蓄、蓄渗雨洪的作用。

（3)建设一批蓄水工程（包括平原水库工程、河道蓄水工程、沟渠拦蓄工程、坑塘蓄水工程等),发挥蓄水工程调蓄雨洪资源的作用。

（4)建设系列水系连通工程（包括河河连通、河湖连通、库渠连通、库河连通、塘渠连通等),发挥连通工程互通互济、优化调配的作用,为雨洪资源利用和防洪排涝提供顺畅通道。

5 结 论

（1)利用好雨洪资源,既能缓解水资源短缺危机、减少洪涝灾害又能改善水环境和水生态,既能提高水资源可利用量和利用率又能促进生态文明建设,是一项一举多得的水管理措施。

（2)将聊城市边界河流和市内降水丰枯遭遇的16种可能组合分为有利组合、尚可组合、不利组合三大类。经统计分析,年和汛期两个时间尺度漳卫河年径流量与聊城市降水量“尚可”和“有利”遭遇组合分别为61%、50%,金堤河径流量和聊城市降水量之间“尚可”和“有利”遭遇组合分别为47%、44%,总体而言,一半左右年份有相对较好的调引边界河流雨洪资源的气象水文条件。

（3)聊城市多年平均雨洪资源量约为9.8亿m3,多年平均雨洪资源利用潜力约为5.4亿m3。按市内、边界河流划分,市内河流雨洪资源利用潜力为6 496万m3（占12%),边界河流为47 571万m3（占88%)。不同年型聊城市边界河流雨洪资源利用潜力占比为85%～91%,开发潜力大。规划雨洪资源利用工程时,除了考虑当地河流雨洪资源的挖潜外,还应充分考虑边界河流雨洪的调引利用。

（4)雨洪资源开发利用应注重“蓄、调、渗”综合措施的应用,发挥各类工程在时间滞蓄、平面空间上调配、竖向空间上滞渗雨洪的作用。