东山岛雨洪资源综合利用模式研究

焦佳敏，李旺林，霍 云，卢雪云，于士卿

（1.深圳市水务规划设计院股份有限公司，518001，深圳；2.济南大学水利与环境学院，250022，济南；3.山东商业职业技术学院，250100，济南）

降雨是沿海岛屿的重要淡水来源。我国东南沿海地区多年平均年降雨量1128.2 mm，但多集中于汛期，难以存储利用，水资源匮乏。20世纪60年代起，各国家和地区陆续开始对海岛雨洪资源利用开展研究和实践。新加坡将土地划分集雨区，设置专门的集雨和蓄水系统，把河流改造成蓄水池和水库，并将雨水经过专门的管道输送到水库储存。丹麦主要收集屋顶雨水，处理后用于冲洗厕所和洗衣。美国学者利用植物渗透浅沟、植被缓冲带以及湿地等与生态设计相结合的措施，增加雨洪资源的天然入渗。台湾地区不断改进雨洪滞蓄系统，规划设计了雨水储留供水系统、渗透侧沟系统、生态池系统等串联的雨洪滞蓄系统。浙江省舟山群岛的雨水利用主要以屋顶、地面集流为主，通过将雨水停留在供水系统进行人工截取储存；增加路面集雨系统和绿地集雨系统，提高了雨水收集利用率。山东省长岛县植树造林、涵养水源，建设了屋顶雨水集流与屋底低温蓄水工程。张兴奇等以拦沙坝式山溪取水工程措施为手段，研究小流域雨洪资源有效利用新途径。杨芳等提出了山丘区坡面及沟道的雨洪资源利用技术和模式。

本文基于福建省东山岛水文及地理特点，分析了水资源开发利用中存在的问题，研究适用于岛屿的雨洪资源汇集、储存和调度利用方式，提出了东山岛雨洪资源利用模式和技术体系，以期为海岛雨洪资源高效利用提供参考。

一、东山岛加强雨洪资源利用的必要性

1.东山岛自然地理概况

东山岛隶属福建省东山县，陆地面积188 km2，占东山县陆地面积的97%，是福建省第二大海岛、东山县第一大海岛。东山岛全年湿润暖热，夏季降雨量较大，冬季相对干燥，气象灾害发生频繁，年均气温20.8 ℃。岛上多年平均年降雨量1113.3 mm，年蒸发量1400 mm。东山岛降雨多集中于汛期台风暴雨期间，分配极为不均；海岛陆地面积有限，岛内径流分散而短小，缺乏雨洪存储、调蓄的库容，降雨径流难以存储利用，大量雨洪水流失入海。东山岛无外来客水，降雨为岛上地表水的唯一来源，再加上岛内赋存地下水的条件也相对较差，使得岛上淡水资源极度缺乏，枯水期间更为严重，严重制约东山岛经济社会可持续发展。

2.东山岛水资源开发利用现状

东山岛内无大型河流，仅有几条小溪沟，集雨面积小，流程短，多为间歇性河流；岛内无大型湖泊，有小型水库28座，总集水面积21.4 km2，总库容952.21万m3。根据东山岛多年平均年降雨量，可求出雨水资源量为2.76亿m3/a，经面积和雨量修正后折合计算的地表水资源量达0.906亿m3/a。

东山岛地下水主要为孔隙水，可开采资源量为4146万m3/a，极易受到污染。2016年东山岛地下水开采量为823.40万m3。

3.东山岛供水现状

东山岛的供水无法自给，主要依靠福建省云霄县向东渠和诏安县龙潭水库引水。红旗水库为全岛生活用水和工业用水的主要水源地，据实际引水情况调查，通过向东渠补给红旗水库的水量为1219万m3/a。

东山岛供水严重依赖外调，但引用外调水时会出现跨岛输水漏损严重、供水能力低、水质差、管道老化破损严重等问题，供水安全性有待提升。目前，东山岛内天然水资源利用率仅为26%，如何加强利用当地雨洪资源是保障岛内供水安全的重要课题。

二、东山岛雨洪资源开发利用潜力分析

利用SWAT模型估算东山岛雨洪资源量。由于东山岛岛内未设气象站，因此选取与东山岛位置邻近、气候条件相仿的云霄气象站，以其观测数据代表东山岛的气温状况；降雨数据选取与东山岛水文条件相似的西埔雨量站的数据。将收集到的东山岛土地利用数据、DEM数据及土壤数据输入SWAT模型。利用东山岛数字高程数据提取河网，将全岛划分为34个子流域，设定下垫面因子的最小面积比率为20%、10%、10%，将子流域划分为513个HRUS（水文响应单元）。利用东赤港溪的月径流数据进行模型调参和验证，将1998—2008年作为模型模拟的率定期，将2009—2018年作为验证期。结果表明，率定期模拟值和实测值拟合度较好，Ens为0.80，R2为0.83。因此，该模型适用于东山岛。

利用SWAT模型得到不同典型年东山岛的雨洪资源量，如表1所示。结果显示，东山岛多年平均年雨洪资源量为0.907亿m3。近年，东山岛雨洪资源利用量为0.182亿m3/ a，利用率仅20%，远远小于当地地表水资源可开发利用率。

表1 东山岛雨洪资源量模拟估算成果

三、东山岛雨洪资源利用模式研究

结合东山岛存在较多废弃采砂坑的特殊情况，集海岛集雨入渗、集雨成涓、汇流入坑库和雨洪水联合优化调度利用于一体，构建了将废弃采砂坑改造为调蓄水库的海岛水资源利用“东山岛模式”，如图1所示。

图1 东山岛雨洪资源利用系统结构图

1.雨洪水汇集系统

东山岛径流较短，雨水分散独流入海，导致岛内雨洪资源滞蓄量偏少。结合东山岛地形地貌和建设开发特点，分别研究丘陵区、平原区的雨洪水汇集技术，以延长岛内雨洪的滞留、入渗时间，增加地表水、地下水的补给。

（1）丘陵区雨洪水汇集技术

对于丘陵区，东山岛采用工程和水土保持措施相结合的方式，通过集雨入渗、集雨成涓和集雨存洼等集雨技术，进行综合治理，延长雨洪水在岛内的滞留、入渗时间。通过提高小流域森林植被覆盖率，采取补植、退草还林等植物保护措施减少水土流失，增加饱水量；在坡度为10°～25°的丘陵荒坡地布设水平沟，通过横向切断坡面径流的路径，拦截坡面径流，提高土壤的蓄水入渗能力，防止坡面水土流失；在梯田、林果坡地、荒坡地的红壤，应用截水沟、排水沟进行坡面截流分流，集雨成涓；将小池塘、洼地和坡沟设置为滞洪低坝用于蓄水，实现集雨存洼，洪峰过后再将雨洪水储存至库区；对于外侧坡面较陡、直流面海的小型集水区，其岛内内侧坡面较缓，环外侧山坡建设水库或者河道取水工程，将径流导入内侧流域进行利用，如在大帽山沿海侧的小型集水区（即雨洪蓄滞带）外侧山坡增设雨洪收集沟，将雨水引流至陈城水库。

（2）平原区雨洪水汇集技术

平原区包括平原城区和平原乡村区，根据不同下垫面情况，分别采取集雨入渗、集雨成涓和集雨存洼等不同的集雨技术。

①平原城区。对于住宅小区等建筑物，可以结合东山岛建筑物特点，在屋顶采用屋面雨水集蓄模式，既可以截留雨洪资源，也可减轻热岛效应；在广场、人行道等硬化路面，采用透水铺装土壤入渗模式，增强雨水下渗土壤的能力，同时将小区的景观水体作为调蓄、净化与利用雨水的综合设施。对于城市公园与绿地，结合城市绿化，在地势较低位置建设下凹式绿地系统，既有利于雨水的储存下渗、减小径流峰值，又可以过滤杂质、缓解水土流失。由于绿地水质较好，可以采用雨水收集回用模式，连通绿地与景观水体系，同时还可将收集的雨水用于道路洒水及公厕冲洗。对于城市道路，可以在人行道、路面和停车场采用透水铺装，收集下渗雨水，既可用来补充地下水，也可用来浇灌绿地和景观植物。

②平原乡村区。对于农村建筑物，雨水经屋面集蓄后，利用滤网处理杂质和污染物。当水质较好时，利用集雨樽进行初滤水回用；当水质较差时，过滤后再进行利用。对于农村街道，将农村道路修建成透水型混凝土路面，道路两旁的绿化带改造成下凹式绿地；将排水沟渠修建成植被浅沟，在其中种植大量本地品种的耐旱、耐涝草类，增强雨水下渗能力。此外，可选择雨洪收集条件较好的位置建设塘坝，增强水源保障能力，旱季保证有水可蓄，雨季保证涝水可排。

（3）东山岛集雨总量

经计算，通过利用上述雨洪水汇集技术，东山岛雨洪水年滞蓄下渗量可达3821.5万m3。其中，丘陵区利用水平沟、截洪沟、滞洪低坝以及雨洪收集沟等措施，可使雨洪水滞蓄下渗量增加至2357.0万m3；平原区绿地、屋顶和路面年滞蓄下渗雨洪水量为1339.0万m3，平原乡村区雨洪水滞蓄下渗水量为125.5万m3。

2.雨洪水储存系统

东山岛蓄水水库库容过小，调节能力严重不足，是导致雨洪资源利用困难的主要原因。因此，如何扩大雨洪水的储存空间至关重要。针对东山岛的实际情况，除了采取常规的水库扩容和增加小型蓄水设施等措施外，将废弃砂石坑改造为雨洪储水设施，能够有效提升东山岛雨洪资源调蓄能力。

（1）水库扩容和引流入库蓄水工程

红旗水库是东山岛最大的蓄水水库。经扩容，水库蓄水量从250万m3增至501万m3。为减少水土流失造成的库容损失，在库岸种植适合当地的木麻黄和厚颊相思，同时增设排水沟、水平沟等基础设施，汇集坡面径流，减小地表径流，防止地表水对坡面的冲刷，同时在红旗水库北侧汇水较多的下游沟道和西南侧人为活动频繁的地方布设拦沙坝和浆砌石挡墙，避免水土流失。

结合当地地理条件及蓄滞需要，通过增设大口井、坑塘等设施收集雨洪资源，可增加122万m3雨洪水储存空间。

（2）引流入坑和砂石坑、平原水库蓄水工程

东山岛高品质硅砂资源丰富，有多处因开采硅砂遗留的砂石坑。砂石坑具备储存和调蓄雨洪水的功能。通过对东山岛地形地貌、水文气象条件及生态现状分析，可以利用地势高差，通过专门的渠沟引水系统，将集雨入渗、集雨成涓和集雨汇洼收集的雨洪水引流入坑（砂石坑），利用砂石坑储存和调蓄雨洪水。据统计，东山岛目前有2500余亩（1亩=1/15 hm2，下同）废弃砂石坑，坑深4～6 m，总容积834万m3，如充分利用，可大大增加东山岛的雨洪水储存空间。如果在现有砂石坑的基础上，通过扩挖一部分取得筑坝土料，将砂石坑改造成坝高4～6 m的围坝型平原水库，则可建成总库容1668万m3的平原水库，可大幅度提高东山岛雨洪资源利用率，并可彻底改变东山岛雨洪水无库可蓄的困局。

沙石坑蓄水的关键建造技术为：在砂石坑四周建设地下防渗墙，截断砂石坑内外砂砾石地层的地下水联系通道，并根据坑底基岩的透水状况决定是否进行基岩灌浆，以截断砂石坑内外基岩的地下水联系通道，从而形成四周相对封闭、不透水的砂石坑储水空间。

围坝型平原水库蓄水的关键建造技术为：以砂石坑为基础建设围坝型平原水库，水库围坝筑坝材料可通过扩挖就地取材。水库库容由原砂石坑空间、开挖筑坝材料形成的新空间和围坝形成的地面以上空间组成。水库防渗可根据实际情况选用不同方式，围坝采用土工膜防渗，坝基和库盆采用垂直防渗或水平库盘防渗；对于采用土工膜水平库盘防渗的平原水库，可采用与地锚连接的抗浮土工膜。

通过建立东赤港溪分洪闸，可将东赤港溪上游的洪水通过截洪沟汇入梧龙路砂石坑和大路口砂石坑；将砂石坑扩建为砂石坑平原水库可提高蓄滞洪量，测算梧龙路砂石坑平原水库最大蓄洪库容为393.09万m3，大路口砂石坑平原水库最大蓄洪库容为300.4万m3。

梧龙路、大路口砂石坑平原水库工程完成后，周围山体坡面雨洪资源可以汇流或通过泵站抽水至砂石坑平原水库，东英溪洪水也可通过新建的东英溪分洪闸引入砂石坑平原水库。蓄存在砂石坑平原水库的库水可通过调水管道进入东山岛水库联合调水系统。

3.东山岛雨洪水联合优化调度技术

为缓解目前东山岛过度依赖外调水的情况，建设东山岛地面小水库群与红旗水库、梧龙路砂石坑平原水库及大路口砂石坑平原水库的联合调度工程，在保障城镇供水的前提下，充分利用可拦蓄的雨洪水资源。

围绕红旗水库和砂石坑平原水库，考虑各子水库分布情况，将岛内的23座水库划分为3个水库群进行联合调度。建立若干输水工程，联合地表水库、砂石坑及水厂，做到区域用水由中心库统一调配。实施库群联合调度后，汛期来水较多时，可由输水管道将各子水库多余水量调至中心库，减少汛期弃水；城镇供水水库水量不足时，可由中心库或其他非城镇供水水库调水，保障城镇居民用水。

根据各水库的调蓄库容，按照联合调度方案推演典型年库群联合调度情况。结果显示：由牛仔林水库等各子水库组成的库群Ⅰ，每年可调入红旗水库的水量为293万m3；同时，可利用截水沟和排水沟等渠道将该区周边丘陵小流域雨洪资源引入红旗水库，水量为214.2万m3；红旗水库每年可供第一水厂、第三水厂水量为960万m3；梧龙路、大路口砂石坑平原水库建成后，可供水量为655.6万m3；由城南水库等各子水库组成的库群Ⅱ每年可调入梧龙路砂石坑水量100.2万m3；由陈城水库等各子水库组成的库群Ⅲ每年可调入大路口砂石坑水量82.5万m3；同时，可利用截水沟和排水沟等渠道将该区周边丘陵小流域雨洪资源引入砂石坑，水量为232万m3；梧龙路、大路口砂石坑平原水库每年可供第二水厂水量为912.5万m3。

依据现有水厂的分布位置及供水能力，规划基于红旗水库和砂石坑联合分区调度的雨洪资源利用方案，以满足各城镇需水要求。供水分区如下：一区包括前楼镇、西埔镇、杏陈镇，由第一水厂、第三水厂供水，每年可供水量802万m3，可满足一区生活用水和公共建筑用水需求；二区包括铜陵镇、康美镇、樟塘镇、陈城镇，由第二水厂供水，每年可供水量838.3万m3，可满足二区生活用水和公共建筑用水需求。

四、结 论

分析东山岛地形地貌及水文地质等条件，进行了海岛雨洪水汇集和储存方法研究，构建了海岛雨洪综合利用新模式，主要结论如下：

①东山岛储水潜力巨大，充分利用砂石坑可改变东山岛无库蓄水的困局。利用东山岛2500余亩的废弃砂石坑蓄水，可有效增加库容834万m3，若将砂石坑改造成围坝型平原水库，则可有效增加库容1668万m3。

②丘陵区通过采用水土保持措施和工程措施，每年可汇集新增雨洪蓄水量2357万m3；平原区针对城镇和乡村分别采取不同的雨洪水汇集措施，通过屋顶路面、城区绿地公园、农村塘坝等可汇集新增雨洪蓄水量1464.5万m3。

③充分挖掘现有雨洪水存储潜力，红旗水库扩容后蓄水能力达到501万m3。

④充分利用废弃砂石坑汇集和蓄存雨洪水，将砂石坑改造为平原调蓄水库，可增容693.49万m3。

⑤构建以红旗水库、砂石坑平原水库为蓄水中心，并与东山岛小水库群互联互通的雨洪资源调度系统，可实现雨洪资源整体性充分开发利用，提高全岛调控和储存水资源能力，缓解过度依赖外调水的现状，保障居民用水安全的可靠性。