流域洪水资源利用的理论框架探讨Ⅱ：应用实例

王宗志，刘克琳，程 亮，齐春三，谭乐彦

（1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013）

1 研究背景

中国水资源时空分布高度不均、与人类社会需求显著不匹配，这使得水资源开发利用就是通过兴建水利工程以及优化其调度方式等工程和非工程措施来提高水资源调控利用能力，从而尽可能多地将汛期洪水转化为常规水资源的过程［1-2］。从这一意义上讲，“洪水资源利用”或“洪水资源化”的具体实践早已有之且长期存在，但这一概念的明确提出则肇始于21世纪初［3］。2002年国家防办组织南京水利科学研究院、大连理工大学和武汉大学等单位开展了涵盖设计洪水计算、汛限水位分期设计与动态控制专题研究，拉开了国内水库洪水资源利用研究序幕［4-5］。之后，围绕水库洪水资源利用技术开展了大量研究，比较有代表性的成果有：胡四一等［2，6］提出了汛限水位分期调整及综合论证的技术方法，研发了防洪系统洪水资源利用技术，研究成果在潘家口水库、密云水库以及北三河水系、滦河水系得到成功应用。郭生练等［4，7-9］评价了国内外设计洪水计算进展，以三峡等大型水库为对象开展了水库汛限水位动态控制方式研究；王本德等［5，10］评价了降雨、洪水预报信息和调度人员经验在水库实时调度中的可用性，提出了基于预蓄预泄和综合信息模糊推理模式的动态汛限水位控制方法，并在大伙房、葠窝、于桥等水库得到成功应用；Yun等［11］探讨了汛限水位分期运用和动态控制对供水的影响；Chou等［12］研究了基于期望缺水量最小的水库防洪预泄策略；钟平安等［13］探索了梯级水库汛限水位动态控制域的计算问题，王忠静等［14］对洪水资源利用的适度性进行了分析；Ding等［15］提出了考虑预报不确定性和可接受风险的水库洪水资源利用的分析框架。上述成果：（1）主要集中在水库上，鲜见如何从整个流域系统出发，探讨实施洪水资源利用的系统公开报道；（2）主要集中在技术方法层面，尚未建立其完备的理论方法体系和系统的应用模式。这在一定程度上阻碍了洪水资源利用的具体实践。为此，本文将文献［1］建立的集潜力评价、利用方式选择和风险效益综合评价于一体的流域洪水资源利用模式，系统应用于南四湖流域，验证应用模式的合理性和有效性，力图为类似研究和实践提供借鉴与参考。

2 南四湖流域洪水资源利用实例分析

2.1 南四湖流域简介 南四湖流域位于淮河流域沂沭泗水系，流域面积31 700 km2，多年平均水资源量53亿m3，多年平均降雨量684 mm。降水分布季节性差异大，汛期6—9月降水占全年的75%以上，其中7、8两月约占全年的57%。流域内最大的蓄水体——南四湖是中国第六大淡水湖，湖面面积1 266 km2。据近45年的实测资料分析，南四湖多年平均入湖水量27.13亿m3，其中汛期入湖21.28亿m3，占全年的78.4%；多年平均出湖水量（出境水量）16.57亿m3，其中汛期出湖水量11.58亿m3，占全年的69.9%。湖区承接苏、鲁、豫、皖4省32个县（市、区）来水，汇集大小河流共有53条，湖东28条，湖西25条，来水经南四湖调蓄后，经韩庄运河和不牢河下泄入中运河，再下排骆马湖。经过新中国成立以来60余年的工程建设，南四湖流域防洪能力显著提高，目前已基本建成由湖东山丘区水库、湖西平原河网闸坝群和流域中央大型湖泊（南四湖）构成的河湖库联合运用的防洪系统（如图1所示），流域防洪标准总体达到50年一遇，局部达100年一遇。可见，南四湖流域具备了实施洪水资源利用的资源条件和工程基础［3］。

2.2 潜力评价

2.2.1 资料收集及处理 本文收集了南四湖流域后营、滕县和薛城等10个入湖水文控制站1974—2008年的逐日流量资料，湖区南阳、二级湖闸、微山等3个水文站1974—2008年的逐日降雨和蒸发资料，以及流域出口断面韩庄闸、蔺家坝闸站1974—2008年的逐月出湖流量资料。由于出湖控制站未能收集到逐日流量资料，只有逐月径流资料，评价时把汛期（6—9月）界定为“洪水期”。南四湖流域大规模工程建设始于20世纪60年代，到20世纪70年代初期，流域工程布局就基本稳定，因此可认为流域20世纪70年代以来的洪水资源利用情况，基本可代表洪水资源利用现状。基于此，由入湖控制站的逐日流量过程和湖区降雨蒸发资料，经面积比修正以后，计算得到河川径流量，并以此作为汛期天然洪水资源量。同时由出湖控制站的实测流量资料计算得到的出境水量，作为对应现状洪水调控利用能力的出境水量。此外，流域下游需由本流域下泄提供的生活和生产用水，由于目前尚未有水量或水权分配方案，同时考虑区域水资源禀赋条件，连同下游河道生态用水，本文用处于“中等”水平量级的生态环境需水量来代替。

2.2.2 流域下游河道生态环境需水计算 南四湖流域的下游出口河流是韩庄运河和不牢河，其下泄流量分别由韩庄闸和蔺家坝闸控制。运用Tennant法对南四湖流域下游河流的生态环境需水量进行计算［16］，这两条河流的最小生态需水量确定为：非汛期（10月—翌年5月）取同期多年平均径流量的10%，汛期（6—9月）取同期多年平均径流量的15%（相当于Tennant法“中等”水平对应的需水量），见表1。

（单位：亿m3）表1 南四湖流域下游生态环境需水量

由表1可以看出，南四湖流域下游河流汛期的最小生态环境需水量为1.045亿m3。

2.2.3 洪水资源利用潜力评价 根据文献［1］式（8）计算得到南四湖流域逐年洪水资源实际利用量，发现近10年（1998—2008年）来，1998、2003、2004和2005年均发生了一定量级的洪水，经综合比较，选择南四湖流域现阶段（近期）2005年的实际利用量24.89亿m3为现状工程条件下的洪水资源调控利用能力。南四湖流域1974—2008年多年平均实际可利用量为14.67亿m3，最大值为28.28亿m3，发生在2003年，最小值发生在2002年为0.0亿m3。经计算多年平均洪水资源实际利用率为64.9%，有些年份达到了100%。此外，从多年平均角度来看，现状可利用量大于实际利用量，但是有18年实际利用量大于可利用量（如图2所示），占到总年份的51.4%，这些年份集中出现在20世纪80年代初和90年代末，或多或少出现了洪水资源过度利用，挤占下游生态需水的现象。经与年降水对比发现，1980—2002年为历史上的枯水年份，汛期降水均值425 mm远低于汛期多年平均492 mm，自2003年以后降水量才逐步趋于正常。

图2 南四湖流域洪水资源实际利用量与现状可利用量

图3 南四湖流域洪水资源总量与利用潜力关系

南四湖流域多年平均现状利用潜力为2.88亿m3，最大值为2008年12.70亿m3，最小值为零。从年际分布来看，20世纪80年代中期以前及自2003年以后利用潜力较大，其中近几年（2005—2008年）年均达到了9.33亿m3，但中间除少数年份外，现状利用潜力为零。南四湖流域多年平均（1974—2008年）洪水资源理论利用潜力为7.33亿m3，最大值发生在2004年为32.92亿m3，最小值为零，年际分布规律同现状利用潜力。洪水资源量与洪水资源理论/现状利用潜力的关系如图3所示。

2.3 利用方式选择 南四湖湖西地区为古黄河冲积扇前缘，自西向东倾斜，地面高程34.00～39.00 m（废黄河高程系统，下同）、坡降1/3000-1/10000，沿湖周围多为滨湖洼地。1949年以前，水系紊乱，标准偏低，坡水不能入河，河水难以入湖，汛期河湖水位壅高不下，堤防经常决口漫溢，积水成灾。为治理洪涝问题，1949年以来，南四湖流域实施统一规划与管理，以“高水高排、低水低排”为理念对原有水系进行大规模调整，对原有的诸多天然河流截断、废弃，以近似于垂直南四湖中弘线的方向开挖新河道。目前湖西包括梁济运河、洙赵新河、东鱼河、复新河、大沙河和新（老）万福河等主要河流都是当时开挖的人工河道。水系经过调整后，河道行洪速度加快，滨湖地区的洪涝问题得到了有效缓解。但是随着经济社会的快速发展，河道外用水大幅度增加，但由于南四湖调蓄能力不高，洪水一旦入湖便可迅速以弃水形式下泄排走，现有水系格局的不足逐步显现出来。因此，沟通原有的天然废弃河流与现在的人工河道，形成可控可调的水网体系，是实施洪水资源利用的重要方式之一［17］。

流域中央为南四湖，是全流域31 700 km2汇水面积的唯一承泄区，湖盆浅平，北高南低，形状狭长，西北—东南走向，南北长约125 km，东西宽约5～25 km，最窄处仅5 km，正常蓄水位条件下湖泊平均水深1.5 m左右，兼具一般湖泊调蓄和平原河道行洪功能。1960年在湖腰处开始建设二级坝（1975年建成），将南四湖分成上级湖和下级湖两部分。上级湖汇水面积27 500 km2，占流域总面积的87%，汛期限制水位34.2 m，正常蓄水位34.5 m，兴利库容5.8亿m3，死库容1.9亿m3。下级湖正常蓄水位32.5 m，死水位31.5 m，兴利库容4.6亿m3，死库容3.1亿m3。二级坝东起常口老运河西堤，西至东丁官屯村东南顺堤河东堤，全长7 360 m，由拦湖土坝，第一、二、三、四节制闸，船闸，溢洪道等组成，是南四湖流域最大的枢纽控制工程，其运行方式直接决定了湖泊的蓄水状态和全流域的水资源短缺形势。但是，当前二级坝汛限水位仍按照全汛期单值运行。因此，优化南四湖上级湖（二级坝）汛限水位可能是洪水资源利用的有效方式之一。

湖东地区为低山丘陵区和山前冲积平原，地面高程35.00～60.00 m、坡降1/1000～1/3000，建有尼山、西苇、岩马、马河等4座大型水库。岩马水库控制流域面积357 km2，总库容2.03亿m3，兴利库容1.04亿m3，是一座以防洪为主结合灌溉、发电和养殖等综合利用的大（II）型水库；马河水库控制流域面积94 km2，总库容1.26亿m3，兴利库容0.245亿m3；尼山水库控制流域面积264.1 km2，总库容1.13亿m3，兴利库容0.61亿m3；西苇水库流域面积为113.6 km2，总库容1.07亿m3，兴利库容0.41亿m3。这4座水库虽然属于大型水库，但总体上兴利库容不大，加之入库洪水源短流急，当前预报水平总体偏低，水雨情自动化监测系统缺乏。因此，目前湖东地区利用水库挖掘洪水资源的潜力不大。

综上所述，南四湖流域比较有效的洪水资源利用方式主要有［17］：湖西地区水系连通补偿调控和南四湖上级湖汛限水位优化控制两种方式。从尺度上看，前者为“面”，后者为“点”，实施“面”方式可有效降低入湖洪水集中程度，为“点”方式腾出更多空间。

2.4 南四湖汛限水位分期运用 考虑到当前南四湖流域的降水和洪水预报水平总体不高，因此南四湖上级湖采取汛限水位分期运用更为符合实际情况。即在防洪除涝安全的前提下，研究南四湖控制水位汛后期调整技术，改变过去整个汛期汛限水位恒定不变的做法，进行分期运用，最大限度地拦蓄当地地表水，控制利用洪水资源。

南四湖汛限水位分期运用包括汛期合理性划分、分期设计洪水计算、分期汛限水位推求三部分。根据1960—2008年南四湖上级湖逐日入湖流量资料及南四湖流域面平均降雨量资料，统计出汛期（6月1日—9月30日）逐旬最大入湖流量、年最大入湖量出现次数、旬最大3日径流量、年最大3日径流量出现次数、旬最大1日降水量、年最大1日降水量出现次数、旬最大3日降水量和年最大3日降水量出现次数等8个指标，建立行数为9、列数为8的高维时序矩阵，进而采用系统聚类、K均值、变点分析和Fisher最优分割等方法对汛期进行合理性划分［6］。通过多方法综合分析表明，南四湖流域划分为三期较为合理，6月1—30日为前汛期、7月1日—8月20日为主汛期、8月21日—9月30日为后汛期。依据相关规范进行分期设计洪水计算成果（南四湖入湖设计洪水计算结果见表1。表1中W7表示7日洪量，依此类推）［18］。

将设计洪水成果代入南四湖“三湖两河模型”进行模拟计算。“三湖两河模型”是南四湖调洪演算模型［19］，其名字来源于湖泊地形形状。南四湖是自上而下南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖等四个湖的统称。从地形来看，独山湖与昭阳湖互相沟通，水位相平为一个湖，简称独昭湖。这样将南四湖分成3个湖，南阳湖为A湖、独昭湖为B湖、微山湖为C湖，A、B、C三个湖之间湖面较窄，形似河道，这样南四湖就在形状上表现为“三湖两河”了。早在20世纪60年代，山东省勘测设计院的专家采用辅助线法建立了“三湖两河”洪水演算模型，几经改进，被广泛认可并应用于规划设计工作中［19］。

同时建立兴利调节模型分析统计效益指标——非汛期蓄满率，风险效益指标如表2所示。

表2中方案0为汛限水位没有抬高的方案，记为基本方案。方案1至方案6的风险（效益）指标与基本方案的差，为因采用后汛期汛限水位抬高相应洪水资源利用方案所增加的风险（效益）；进而再采用式（1）和式（2）对相应指标进行标准化处理［20］

表1 南四湖入库洪量频率计算成果 （单位：亿m3）

表2 南四湖后汛期汛限水位不同方案风险-效益指标

在同一个图上，绘制蓄满率增加、弃水减少标准化效益指标和20年一遇洪水B湖高水位增幅、50年一遇B湖高水位增幅等标准化风险指标，见图4。从图4可以看出，随着后汛期汛限水位的抬高，标准化的效益指标随着水位增高而增大，而标准化的风险指标（可认为是实际风险指标倒数归一化）随着水位抬高而降低，且在34.35 m时存在明显拐点。

图4 后汛期汛限水位抬高与标准化风险-效益关系

利用多目标模糊识别决策法对汛限水位调整方案进行综合评价［20］，得到南四湖后汛期汛限水位抬高至34.35 m时即方案3为所选。在该方案下，后汛期汛限水位较现状抬高0.15 m，可增加兴利库容0.894亿m3，20年和50年一遇洪水B湖高水位分别为0.026和0.020 m，可能增加的风险非常有限。

2.5 湖西河系连通补偿调节 湖西河系连通补偿调节，考虑河系间洪水发生的不同步性和洪水调控能力的差异性，在废弃河道拓宽疏浚连通的基础上，通过闸坝群的联合调控，实现洪水在河系间的互济调配，提高河网洪水的整体调控能力，挖掘洪水资源利用潜力。通过多次实地调研，确定了可以通过连通以往废弃河道来优化水系结构的初步方案。沟通后湖西河网水系如图5所示，图5中虚线为需要简单疏浚沟通的河道。

首先采用一维恒定流方法分段评价河道行洪能力。洙赵新河、东鱼河和梁济运河的河道行洪能力较大，且自上游向下游呈递增趋势；连接上述大河的南北向河流行洪能力偏低，特别是洙水河/丰收河、安济河行洪能力非常低，例如洙水河-丰收河连通点处行洪能力目前不足5 m3/s，安济河行洪能力不足8 m3/s、友谊河行洪能力不足15 m3/s。但经分析，洙水河-丰收河河底较好，通过工程规模不大的局部堤防整理加固抬高，便可达到30 m3/s的过流能力；安济河可通过提高加固与河底的平顺治理，行洪能力便可较容易的达到60 m3/s。此外，通过疏浚大沙河与东鱼河连接处河道、友谊河与洙赵新河连接处河道，便可实现湖西地区大河之间的互联互通。根据河道行洪能力评价结果，考虑到经济可行等原则，提出的河道行洪能力的改善方案为：安济河行洪能力由目前不足8 m3/s提高60 m3/s，洙水河-丰收河由目前的5 m3/s提高到30 m3/s。

图5 南四湖湖西水系间洪水互济调控示意图

在此基础上，建立考虑河道下渗的南四湖湖西河网洪水调控模型［21］进一步获取闸坝群优化调控方案，该模型中含有6座水闸，假设每座水闸存在n种可调方式，那么就有n6种联合调度方案。即使每座闸坝调整方案仅有4种，那么也存在46（4096）个可选择方案，该数字对于水力学计算而言依然是非常庞大的。因此，在大量模拟试验的基础上，经验性设计了4组可行的运行方案，如表3所示。

表3 南四湖湖西地区主要控制性水闸运行方案设计 （单位：m）

利用1998年洪水（8月21日—8月29日，以下简称199808洪水）和2004年洪水（8月27日—9月2日）对模型进行率定和验证（限于篇幅率定和验证的结果对比图略去），结果表明，模型满足使用要求。

科学调度河网闸坝群，既可以适当转移局部地区的防洪风险，提高流域整体的防洪能力，还可以通过增加洪水与河网（陆面）的接触时间，减少河道断流，增加有效水资源量，补给地下水［21］。但是调度不当，则可能会出现人造洪峰，出现洪水漫堤和溃决风险。为此，本文从风险和效益两个方面，建立可以描述河网洪水运行效果的指标，进而评价优选闸坝群优化调度运行方案。具体指标如下：

（1）所有断面计算水位超过设计水位的平均时间TWz

式中：Δt为模型计算时间步长；T为洪水模拟历时；sgn（*）为符号函数，如果*大于零，其值为1，否则其值为0；Ncs为河网断面数目；为断面n时刻t的计算水位；表示断面n超出设计水位的时间。

（2）系统中超过设计水位断面的最长超过时间TWmax

（3）系统中超过设计水位的所有断面数目NWz

（4）系统中所有断面低于临界水深的平均滞蓄时间TCz

式中Dc(n)为断面n的临界水深。

众所周知，临界水深作为效益指标的一个重要概念，它表示河流健康状况的一个临界值，如果河道水深低于该值意味着河流生态系统遭受到一定的破坏，理论上讲每个断面有一个特定值，但是本文只重视其相对性，为此在模型中统一取0.5 m作为临界水深值。

（5）系统中低于临界水深断面的最长时间TCmax

（6）系统中低于临界水深的断面数目NCz

（7）河道入渗水量。河道渗漏补给量的计算参考达西定律，其计算公式为：

式中：Wg为河道渗漏补给量，m3；Ki为第i个计算河段剖面位置的渗透系数，m/s；Ji为第i个河段垂直于剖面的水力坡度（无因次）；Ai为第i个计算河段单位长度河道垂直于地下水流向的剖面面积，m2/m；Li为第i个计算河段的河段长度，m；Ni计算河段数目；Δtt为第t计算时段的时段长度，s。

（8）河网滞蓄水量。根据水量平衡，时段T内系统的蓄滞水量ΔW为：

式中：Δt为t到t+1时刻之间的时间步长；为t时刻从外界i进入系统的流量，m3/s；Qjl(t)为时刻t系统内区间j自产水流量；为时刻t从下边界k排出系统的流量；Nu为系统上边界数目，Nj为系统侧边界数目，Nk为系统下边界数目。

式（3）—式（5）是通过判断“断面水位是否超过设计水位”来刻画防洪风险的3个指标；式（6）—式（8）是通过判断“断面水位是否低于临界水深”来刻画生态风险的3个指标；式（9）和式（10）是直接用于描述系统蓄水状态的效益指标。

针对199808洪水，计算闸坝群不同联合调度方案下的风险效益指标值，如表4所示，其中方案0为现状运行方案。

经投影寻踪综合评价［20］，方案3为优选推荐的湖西平原水系连通补偿调控方案。从表4可知，采用方案3，199808洪水可在几乎不增加防洪风险的前提下，增蓄水量1.358亿m3，其中河网下渗增蓄水0.409亿m3，河网增蓄水为0.949亿m3。

表4 199808洪水湖西河网洪水闸坝群联合调度方案评估指标

3 结论

将文献［1］建立的流域洪水资源利用模式系统应用于南四湖流域，评价了洪水资源利用现状和潜力；根据南四湖流域防洪系统的组成，论述了洪水资源利用方式的选择过程，指出二级坝汛限水位分期运用、湖西平原河流连通补偿调节是南四湖流域洪水资源利用方式的现实选择和有效途径，进而详细阐述了风险-效益因子识别、量化，以及通过综合评价获得最佳洪水资源利用方式的过程，论述了流域洪水资源利用模式的普适性和合理性。南四湖流域洪水资源利用的主要结论如下：（1）流域多年平均（1974—2008年）现状和理论可利用量分别为16.29亿～18.08亿m3、20.50亿～21.55亿m3，现状和理论利用潜力分别为2.66亿～3.86亿m3和6.78亿～7.33亿m3。（2）流域汛期划分为三期最为合理，其中6月1日—30日为前汛期、7月1日—8月20日为主汛期、8月21日—9月30日为后汛期；后汛期汛限水位由现状34.2 m抬高0.15 m至34.35 m，可在不显著增加防洪风险的前提下（20年和50年一遇洪水高水位仅分别抬高0.026和0.020 m），增加兴利库容0.894亿m3。（3）建立了定量描述河网洪水资源利用效果的风险效益指标，提出了湖西河流补偿调控方案，该方案（对于199808洪水情景）可在几乎不增加防洪风险的前提下增蓄水量1.358亿m3，其中河网下渗增蓄水量0.409亿m3，河网增蓄水量为0.949亿m3。

需指出的是，本文旨在流域洪水资源利用理论框架的基础上，进一步验证理论框架和应用模式的合理性，限于篇幅关于洪水资源利用方式具体技术环节的描述或许是相对粗糙的，且这些技术均属于规划设计层面，加强实时条件下流域洪水资源利用的技术突破和应用实践是今后的努力方向。

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