典型蓄滞洪区洪水资源利用潜力评估方法研究

王 静 李娜 林炜洁

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心（水旱灾害防御中心），北京 100038）

0 引 言

蓄滞洪区洪水资源化利用一直是国内外学者研究的热点之一。在“十五”国家科技攻关计划期间，我国以海河流域为研究区，建立了蓄滞洪区洪水资源化适宜性评价指标体系，运用蓄滞洪区洪水资源化风险调度模型对大黄堡洼开展了示范研究[1]。于翚等[2]将海河流域蓄滞洪区的洪水资源利用方式划分为分区利用、常年利用、区内沟渠蓄洪利用、建设滞洪水库利用和淹没利用5 类。王艳艳等[3]提出在大黄堡洼兴建滞洪水库，与主洼形成分区运用，可使蓄滞洪区的年均可资源化洪水量达到850万～2 000万m3。美国、日本和德国等[4]均从法律和规划层面约束蓄滞洪区的土地开发，一般将蓄滞洪区作为公园、湿地或自然保护区，并通过防洪工程调度实现对洪水资源的综合利用。

出于不同的研究角度和目的，我国学者对“洪水资源利用潜力”的定义也存在较大差别。主要可归纳为以下3 类：第1 类是指当前条件下的最大可利用洪水资源量，具体定义为在当前政策、规范、工程、技术和管理等条件下，以保证生产、生活和生态环境用水为前提，综合运用各种措施，可安全开发利用的最大洪水资源量[5]。第2 类是扣除当前洪水资源实际利用量之后，在经济合理、技术可行、不破坏河流基本功能的前提下，在现状基础上流域洪水资源中还能够进一步增加利用的最大洪水径流量[6-7]，属于当前条件下的最大可利用洪水资源增量。第3 类则按未来条件下的最大增量考虑，如刘德东等[8]认为该潜力是指一定时期内，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。李晓英等[9]定义为在可能的预见期内，保障河流生态功能和流域防洪安全的前提下，洪水资源可利用量减去洪水资源实际利用量之后，洪水资源中还能够进一步开发利用的量。王宗志等[10]进一步提出了洪水资源理论利用潜力和现状利用潜力的概念，以区分现有水利工程体系能力和无限提高流域洪水调控利用能力两种情景下的潜力挖掘能力（增量）。

本文从便于蓄滞洪区管理应用角度出发，采用第1 类定义，在分析蓄滞洪区洪水资源利用方式的基础上，考虑不同重现期标准运用工况和汛期雨洪水资源利用两方面，提出洪水资源利用潜力评估方法，并以海河流域永年洼为典型案例，进行了现状工程和下垫面条件下的洪水资源利用潜力评估。该方法对其他类似蓄滞洪区的洪水资源利用潜力定量计算具有一定的参考价值。

1 国内外蓄滞洪区洪水资源利用现状

国内对蓄滞洪区的洪水资源利用类型主要分为3 种，结合水库湖泊等地表空间蓄水、回补地下水、生态湿地建设[11]，利用方式可分为主动利用和被动利用。海河流域“1996.8”洪水期间，白洋淀、宁晋泊、大陆泽、献县泛区和东淀等蓄滞洪区启用，被动滞洪的同时客观上使相关区域地下水普遍回升。据河北省统计，省内地下水补给水量（含蓄滞洪区内补给）达80 多亿m3[12]，且补给具有长期性的、跨年度的调节作用。2000 年淮河流域沙颍河启用了杨庄、泥河洼、老王坡蓄滞洪区，在发挥防洪作用的同时，也对地下水进行了有效的回补。2003 年，淮河流域启用了蒙洼等9 个行蓄洪区，蓄滞的雨洪水起到了地下水回补、湿地保护等作用。

日本的渡良濑滞洪区采用分区运用模式，在实现分蓄洪水的同时，兼具生态修复、城市供水、河道流量维持、景观旅游等多目标功能[13]。莱茵河两岸滞洪区在不需启用的情况下，每3～5 a 也对蓄滞洪区充水一次，以维持蓄滞洪区的生态功能[14]。

2 蓄滞洪区洪水资源利用潜力评估方法

蓄滞洪区在现状防洪工程、技术条件下，可利用的最大洪水资源量由两部分组成，一是因达到蓄滞洪区启用条件，从外河（江）分洪入蓄滞洪区的洪水量；另一部分是蓄滞洪区本地降雨产汇流形成的洪水量。本文采用年均（或期望）可利用洪水资源量表示蓄滞洪区洪水资源利用潜力，其计算公式为上述两方面洪水量之和，即：

式中：WD为某蓄滞洪区的洪水资源利用潜力；WU为该蓄滞洪区因所在水系发生满足启用条件的洪水而产生的洪水资源利用潜力；WR为该蓄滞洪区因降雨产汇流形成的洪水资源利用潜力。

2.1 启用工况下的洪水资源利用潜力评估方法

我国蓄滞洪区的启用标准一般在流域防洪规划和所在河流水系的洪水调度方案中明确，这也意味着蓄滞洪区分蓄洪水是具有一定概率的。在不考虑气候变化、人类活动等因素影响情况下，从历史长序列来看，其实际使用概率接近其启用标准。因此，适合采用期望洪水资源量来表征其潜力。计算公式如下：

式中：pi为某一洪水重现期，a；Wui为某蓄滞洪区对应pi的洪水淹没水量，m3；n为洪水重现期的个数，个；pi+1为比pi高一量级的洪水重现期，a；Wui+1为某蓄滞洪区对应pi+1的洪水淹没水量，m3。

为了使计算的期望值接近理论值，在利用式（2）计算时，起算频率（p1）应取蓄滞洪区启用标准对应频率，n取比蓄滞洪区围堤工程设计标准高一量级的重现期数量，当该重现期仍低于100 a 时，可直接取至100 a，其对应的淹没水量可根据蓄滞洪区水位—面积—容积曲线进行估算，或构建二维水力学模型计算。

2.2 本地降雨洪水资源利用潜力评估方法

根据长序列的降雨、径流资料，考虑蒸发和下渗，计算蓄滞洪区本地汇水范围内因降雨产生的洪水资源量。计算方法为根据蓄滞洪区水系、地形和防洪工程分布，划分汇水分区，根据不同土地利用分布计算区域综合径流系数，统计汛期降雨量，估算年均可利用的由降雨形成的洪水资源量。计算公式如下：

式中：m为长序列降雨资料的年份数，个；N为蓄滞洪区的汇水分区个数，个；Ri为第i年的汛期降雨量，mm；Aj为蓄滞洪区内第j个汇水分区的面积，km2；Cij为第j个汇水分区第i年的综合径流系数。

3 典型蓄滞洪区评估结果及分析

3.1 蓄滞洪区基本情况

永年洼蓄滞洪区位于海河流域子牙河水系的滏阳河左岸，为自然和历史寇乱下形成的洼淀。蓄滞洪区四周筑有围堤，总面积约18.5 km2。启用标准3 年一遇，新中国成立以来共运用11次[15]，在海河流域属于启用次数较多的蓄滞洪区之一。洼心海拔高程为40.3 m，10 年一遇蓄滞洪水位44.56 m，相应设计滞洪量0.54亿m3。其蓄滞洪水位—面积—水量对应关系见图1。

图1 永年洼蓄滞洪区蓄滞洪水位—面积—水量关系曲线

永年洼蓄滞洪区是子牙河防洪体系的重要组成部分，担负着莲花口以上滏阳河、支漳河分洪道、生产团结总干渠来水的滞洪缓沥任务，保护邯郸市防洪安全。当达到启用条件时，洪水由莲花口进洪闸通过引河排入留垒河。当进洪流量超过125 m3/s时，洪水进入滞洪区。遇超标准洪水时，可在莲花口进洪闸上游滏阳河左堤扒口分洪入永年洼，由借马庄泄洪闸泄洪（图2）。

图2 永年洼蓄滞洪区进退洪控制工程示意图

3.2 历史典型年份运用情况

自1957 年永年洼蓄滞洪区建成后，分别在1959 年、1960 年、1961 年、1962 年、1963 年、1964 年、1971 年、1976 年、1982 年、2016 年和2021 年先后11 次滞洪，历史典型运用年份启用情况统计见表1。“1963.8”洪水期间，永年洼蓄滞洪区内最大水深4.47 m，广府古城四门全部堵封，南北关、裴屯村全部上水，洼内蓄水达3 个月之久，蓄滞洪区内耕地荒废1 a。2016 年7 月19 日，永年洼蓄滞洪区上游地区遭遇了特大暴雨洪水的袭击，支漳河分洪道、滏阳河水位暴涨。20 日5 时，永年洼蓄滞洪区内引河流量超过125 m3/s，达到启用标准，20—22 日累计滞洪0.068 亿m3，确保了滏阳河、留垒河安全，减轻了下游防洪压力。

表1 永年洼蓄滞洪区历史典型年份启用情况统计表

3.3 评估结果分析

（1）启用工况下的洪水资源利用潜力评估。蓄滞洪区不同启用工况下的洪水淹没分布及水量一般根据区内的水系、地形特点和防洪工程复杂情况，采用一维、二维水力学模型或水文与空间地形分析结合的方法获取[16]。本文针对永年洼蓄滞洪区3 年一遇到20 年一遇的洪水最大淹没水量根据洪水风险图编制成果估算。100 年一遇洪水淹没水量取堤顶高程45 m 对应的淹没水量，并扣除底水（按常年积水面积4.5 km2，水量0.018 亿m3），永年洼蓄滞洪区不同洪水重现期下的淹没水量见表2。综合各重现期洪水量计算得出其启用工况下的洪水资源利用潜力期望值为870 万m3，相当于1 座小（1）型水库的库容。表1 中根据近40 年的实际启用情况计算的年均值小于期望值的主要原因是海河流域自1980年后总体上处于枯水期和平水期[17]，发生流域性大洪水的年份偏少。

表2 永年洼蓄滞洪区不同洪水重现期下的淹没水量及洪水资源利用潜力期望值

（2）本地降雨洪水资源利用潜力评估。统计永年洼蓄滞洪区附近的雨量站2000—2022年汛期降雨量数据，汛期（6—8月）降雨量最大值、最小值和平均值分别为562.0 mm（2021年），124.0 mm（2014年）和337.9 mm；利用式（3）计算的可利用雨洪资源量最大、最小和均值分别为499.1万m³、110.1 万m³和305.2 万m³。综合径流系数根据2000 年和2018年的土地利用数据计算取值，分别为0.48和0.50。

综上，永年洼蓄滞洪区的年均洪水资源利用潜力约1 174.9万m3。根据研究，永年洼蓄滞洪区湿地生态需水量[18]最小为1 256万m3，适宜值为2 944万～4 192万m3，最大为6 576万m3。这些洪水资源量虽然远低于湿地生态蓄水量，但可以作为维持其湿地功能的水源之一，在满足蓄滞洪区防洪功能的同时，充分发挥其综合效益。尤其是大水年份，可以适度减少退水量，未达到启用条件的年份，建议适当引水入蓄滞洪区内，以达到调节和修复其生态湿地功能的效果。

4 结 语

据不完全统计，我国98处蓄滞洪区内的水面面积超过5 200 km2，有68 处存在面积在1 km2及以上的天然或人工湖泊。蓄滞洪区的总设计蓄洪容积超过1 000亿m3[13]。在首要发挥防洪功能，保障流域防洪体系安全的同时，有必要依托不断发展完善的“四预”措施技术，将蓄滞洪区的洪水资源化利用纳入防洪规划、建设和调度运用中综合考虑。本文提出的蓄滞洪区洪水资源利用潜力评估方法是对蓄滞洪区启用工况下的年均可利用外来洪水资源量和由本地降雨产汇流形成的洪水资源量的定量估算，可以为推动部分蓄滞洪区向湿地生态型蓄滞洪区改造和多目标可持续发展模式的应用提供技术支撑。