基于河流水资源结构分解的河网调蓄能力研究

王兴菊，逄晓腾，张衍福，赵华青，刘 凯

（1.山东大学土建与水利学院，济南250061；2.山东省水利综合事业服务中心，济南250014；3.北京水务咨询有限公司，北京100038）

0 引言

河网调蓄是将河道水系作为天然的雨水调蓄池，利用调蓄容积对雨水进行蓄渗和缓释［1］的一种相对经济而有效的调蓄措施［2］，是影响其水资源承载力以及洪涝灾害空间分布的重要因素［3］。汛期河网调蓄能力的发挥可以削减洪峰，迟滞洪水过程，缓解城市排水排涝压力；非汛期，河网蓄水则补给地下水，调节河川径流［2］，同时能满足城市生态需水及城市景观的需要［3］。尤其在平原河网地区，河流密集，因而其调蓄能力对流域水系的生态补水及防洪排涝具有更加重要的意义。

河网调蓄能力是一个与河网特征水位相关的阈值区间［4］，杨柳等［3］采用常水位及警戒水位为河网调蓄特征水位，对1960s-2010s 苏州水网区的河网槽蓄容量、可调蓄容量、单位面积槽蓄容量及单位面积可调蓄容量进行分析计算，得到研究区河网调蓄能力阈值区间，为分析研究区河网对不同暴雨洪水的调蓄功能承受能力提供依据。

而目前国内外对河网调蓄能力的研究多局限于计算某一水位下的河网调蓄能力。王腊春等［5］采用河道非恒定流方法，模拟计算了太湖流域1991年最高水位下的槽蓄容量。王跃峰等［6］以旬平均水位为例，研究了1960-2010年太湖流域武澄锡虞地区的水系演变与河网调蓄能力变化，探讨了河网调蓄与河网结构参数的关系。袁雯等［7］分析计算了常水位情景下上海市河网的单位面积槽蓄容量及可调蓄总量，并探究了河流结构对河网调蓄能力的可能影响。李景保等［8］选取河网槽蓄容量、可调蓄容量、单位面积槽蓄容量、单位面积可调蓄容量，对长江荆南三口水系常水位下的调蓄能力进行分析计算，并剖析了水系结构与调蓄能力的关系。

河流水资源结构分解［9］是将宏观河流水资源规划利用和微观河流水资源结构分析相结合的一种水量分解方法，是使河流实现定量分解、微观调控的一种重要手段。李文义等［9］从生态、利用、防洪的角度出发，以生态水位、平滩水位、警戒水位为特征水位，将河流水量划分为生态水量、安全水量、风险水量和灾害水量四部分。根据各类水量的功能和特点，确定了不同特征水量的量化方法，并对嫩江下游的江桥和大赉断面河流水资源结构进行分析计算。许士国等［10］综合考虑生态保护、兴利运用和防洪减灾等因素，将河流水资源划分为生态水量、安全水量、风险水量和灾害水量，并对松花江哈尔滨水文断面的水资源结构进行划分，对其各类水量分配规律进行分析计算。

桓台县地势平坦，河流纵横，却仍存在河道干涸、水资源供需矛盾突出、客水资源利用率低的问题，因此，本文提出了基于河流水资源结构分解的河网调蓄能力计算方法。通过对桓台县河流水资源进行结构分解，并以此为基础提出桓台县河网调蓄特征水位，对其进行不同特征水位下河网调蓄能力计算，为桓台县河网水资源科学调控及涵养地下水提供基础支撑。

1 研究区概况

桓台县位于山东半岛中部，地处鲁中山区和鲁北平原结合地带，全县总面积509.43 km2。境内地形和缓，起伏微小。南部、中部为山前倾斜洪积平原，北部为黄泛平原，地势南高北低，同时自西南向东北缓倾，比降在1/8 000～1/3 000之间。桓台县属暖温带季风型大陆性气候，降水年际、年内分配不均。丰枯年降雨量相差悬殊，年内降雨量集中在夏秋两季，春旱秋涝是本地区的气候特点。境内水系发达，水网密布，河流均属于小清河水系。水系包括行洪河道、湖泊（锦秋湖、马踏湖）、沟渠和排灌两用渠道。其中，小清河、杏花河、孝妇河、预备河等主要行洪河道自西向东流向，在县境北部排泄河水，乌河、东猪龙河、西猪龙河、胜利河及涝淄河受地势影响均为由南向北流向，汇入小清河后流入渤海。桓台县水系图如图1所示。

桓台县人均占有可利用水资源量为234 m3/人，低于全省平均水平（334 m3/人），仅占全国人均占有量的10%，属于严重缺水地区。桓台县水资源利用主要以地下水资源为主，地下水资源利用占到全县用水量的60%以上，客水和非常规水资源没有得到充分利用。2012年引黄最大量约0.66亿m3，利用率仅占引黄指标的82.02%，其余年份引黄利用率更低，究其原因是桓台县对水资源没有足够的调蓄能力。桓台县地下水源包括浅层地下水和深层地下水，浅层地下水主要用于农业灌溉，深层地下水因水质较好，长期以来一直作为城乡生产生活的主要供水水源。近年来，随着需水量的增加，地下水资源开采量逐年增加，导致水源地及周边地下水位持续下降，形成大面积地下水漏斗区。根据地下水资源现状监测，浅层地下水年均下降速度为0.4 m/a，深层地下水下降速度最大已达4.23 m/a。地下水位持续下降，导致地下水环境不断恶化，产生地面裂缝、沉降等环境地质问题，并引发楼房裂缝甚至倒塌等次生灾害，同时也对周边农村生活及生产用水产生不利影响。为了有效扼制这种状况持续发展，2015年山东省利用亚行（Asian Development Bank—ADB）贷款地下水漏斗区域综合治理示范项目对桓台县地下水漏斗区进行综合整治。通过项目的实施，形成了由28条主要行洪河道组成的“三横四纵”的区域水网，水系的连通有利于水文调蓄、生态保护等河流功能的发挥［11］，为引用客水资源进行生态补水和利用雨洪水资源涵养地下水提供了良好的条件。

然而，桓台县区域河网尚缺少生态补水及合理调蓄雨洪水资源的依据，非汛期河道干涸，汛末由于惧怕暴雨洪水再次侵袭，出现“想蓄而不敢蓄”最终无水可蓄的尴尬局面。2018年“温比亚”与2019年“利奇马”两次超常规台风暴雨，给桓台县带来严重的洪涝灾害，但暴雨过后河道无水存蓄。

2 研究方法

2.1 研究思路

首先，按照行洪等效性原则［12］将研究区河网概化成28条主要行洪河道；其次，依据河流水资源结构分解思想，从生态、经济、防洪的角度出发，分别采用生态水位、除涝水位、防洪设计水位、堤顶高程为特征水位，将河道分解为生态水量、安全水量、风险水量、灾害水量四种特征水量，建立桓台县河流水资源结构分解模型。相应地，上述特征水位即生态水位、安全水位、风险水位、灾害水位。采用Tennant 法［13］计算概化后河道的生态水量；采用断面地形法［14］，依据各河道治理工程横断面设计图，利用SOLIDWORKS 建立河道三维立体模型，并计算概化后河道的安全水量、风险水量、灾害水量。最后，将生态水位、安全水位、风险水位作为河网调蓄特征水位，并选取河网槽蓄容量、可调蓄容量、单位面积槽蓄容量、单位面积可调蓄容量为河网调蓄能力指标，分别将生态水位、安全水位、风险水位作为桓台县生态调度、资源调度、防洪调度的控制目标水位，计算上述三种调度情景下4 个河网调蓄能力指标参数值，得到桓台县河网调蓄能力阈值区间。

2.2 数据来源

（1）水系数据。基本图件资料来源于桓台县1∶125 000 电子水系图（350 dpi）、桓台县1∶100 000 电子洪水调度图（350 dpi）及空间分辨率1.19 m卫星遥感影像。

（2）水文、气象资料。水文、气象资料来源于《山东省水文图集》，包括收集的研究区多年平均径流量和多年平均蒸发量数据。

（3）河道数据。来源于桓台县水务局提供的河道治理工程设计报告。

2.3 河网概化

首先，将空间分辨率1.19 m 卫星遥感影像图作为底图，在ArcGIS10.2的支持下分别对电子水系图及洪水调度图进行地理配准，其中，水系图及洪水调度图精度均高于300 dpi，确保能分辨最细小的河流［15］。随后，根据行洪等效性原则［12］，结合桓台县自然现状及资料情况对桓台县河网进行概化，增补、移动、删除部分水系，包括连通性、代表性较差及行洪能力不足的河流，最终将桓台县河网概化成28 条主要行洪河道。河网概化并未改变原河道结构特征，因此可采用原有河道特征水位计算各特征蓄水量。桓台县河网概化图如图2所示。

图2 桓台县河网概化图Fig.2 The figure of the simplified river network in Huantai County

2.4 河流水资源结构分解方法

河流水资源结构分解的基本思想是：按照河流水资源承担的不同功能和作用将其划分为不同组成部分，为河流水资源合理调配提供理论依据。

为方便合理地计算桓台县河网调蓄能力阈值区间，为其生态补水、合理存蓄客水及雨洪水资源、防洪减灾提供理论依据，本文从河道不同水量的天然属性出发，以生态水位、河道设计水位中的除涝水位及防洪设计水位、堤顶高程为特征水位，将河流水量划分为生态水量、安全水量、风险水量、灾害水量四部分，同时，除涝水位、防洪设计水位、堤顶高程分别也可称为安全水位、风险水位、灾害水位。显然，安全水量和风险水量即为河网调蓄水量。河流水资源结构分解模型如图3所示。

图3 河流水资源结构分解模型Fig.3 The river water division model

2.5 河网调蓄能力计算方法

基于河网调蓄能力的内涵，同时考虑桓台县河道特征资料的可取性，选取槽蓄容量、可调蓄容量、单位面积槽蓄容量和单位面积可调蓄容量4个指标，并进行量化，用其值表征桓台县河网调蓄能力［8］。

（1）槽蓄容量（C）。槽蓄容量是指河流水位在一般情景下，河道所承载的水体的总容量［8］，其数字的变化直接反映该研究区容蓄水资源量的大小。在生态补水即生态调度、合理存蓄客水及雨洪水资源即资源调度、防洪减灾即防洪调度背景下，槽蓄容量在本文中分别是桓台县的河流水位在生态水位、安全水位、风险水位时河道所承载的水体总容量。由于概化后河道为梯形断面，因此槽蓄容量的计算公式为：

化简得：

式中：在生态调度、资源调度、防洪调度中，Ah分别为生态水位、安全水位、风险水位，m；Dg为河底的相对高程，m；L代表河道长度，m；W代表河流的对应宽度，m；m代表河道断面边坡系数，无量纲。

（2）可调蓄容量（AC）。可调蓄容量是指河流在一般情况下，可以连续地最大限度承载的水体的总容量［8］，或者说是河道水位由一定水位上升到一定水位时这一段梯形河道所承载的水体的总容量，是评价地区是否易发生洪涝灾害的重要指标［3］。为满足桓台县河网生态、资源及防洪需求，本文将可调蓄容量定义为河道水位分别由生态水位、安全水位到风险水位时这一段梯形河道所承载的水体的总容量，其计算公式为：

式中：Cj为河流在风险水位时河流的槽蓄容量；在生态调度、资源调度、防洪调度中，Ci分别为河流在生态水位、安全水位、风险水位时河流的槽蓄容量。

（3）单位面积槽蓄容量（SR）。单位面积槽蓄容量是指水位在一般条件下，河网槽蓄容量和区域水系面积之比。该比值表示研究区域河网的蓄水能力，比值的大小能直观地反映出研究区域河网蓄水能力的相对强弱。其计算公式为：

式中：A为研究区所对应的水系片区的面积。

（4）单位面积可调蓄容量（ASR）。单位面积可调蓄容量是指河道水位由一定水位上升到一定水位时这一段梯形河道所承载的水体的总容量与所研究区域水系面积之间的比值。该比值表示研究区域河网对洪水的调节能力。其计算公式为：

3 桓台县河网调蓄能力计算

基于2.2 所述水文气象资料、河道数据，利用Tennant 法及河流水资源结构分解方法得到概化河网的各河道生态水位、安全水位、风险水位及灾害水位4 个特征水位。利用SOLID⁃WORKS 对相应断面数据进行处理，并采用断面地形法计算各河道在4个特征水位下的特征水量。

3.1 桓台县河网调蓄能力计算结果

桓台县河网四种特征水量计算结果见表1。

表1 桓台县河网特征水量计算结果 万m3Tab.1 The calculation results of river network characteristic water quantity in Huantai County

运用式（2）～（5）分别计算该研究区在生态调度、资源调度、防洪调度背景下的河网调蓄能力指标，计算结果见表2。

表2 生态调度、资源调度、防洪调度背景下桓台县河网调蓄能力指标计算结果Tab.2 The calculation results of the storage and flood control capacity indexes of Huantai river network under the background of ecological operation，resource operation and flood control operation

3.2 结果分析与讨论

3.2.1 结果分析

（1）河流水资源结构分解方面：由表1 可知，随着桓台县河网特征水位的抬高，相邻两个特征水位之间的特征水量先增加后减少。其中，维持河网基本生态功能的生态水量最少，为24.53 万m3，保证河流安全和经济生活用水的安全水量最多，为1 694.73 万m3，风险水量及灾害水量差值相对不大，约为河道槽蓄量的30%。

（2）河网调蓄能力方面：由表2 可知，桓台县河网单位面积槽蓄容量阈值区间为［0.05，6.05］万m3/km2，单位面积可调蓄容量阈值区间为［0，6］万m3/km2，资源调度背景下河网对洪水资源的调蓄能力约为生态调度背景下的1/2。在防洪调度背景下河网已无任何调蓄空间，这是由于此时河网水位已达风险范围内最高限值，若继续存蓄水资源将对周边造成洪涝危害。

（3）河流水资源结构分解与河网调蓄能力阈值的关系方面：结合表1、2可知，不同调度情景下河网槽蓄容量均为该情景河网控制目标水位以下特征水量之和，河网可调蓄容量均为该情景河网控制目标水位与风险水位之间特征水量之和。由于安全水量和风险水量差值相对不大、防洪调度情景下河网控制特征水位即为风险水位，故资源调度背景下河网对洪水资源的调蓄能力约为生态调度背景下的1/2、防洪调度背景下河网对洪水资源无调蓄能力。

3.2.2 讨 论

（1）基于河流水资源结构分解的河网调蓄能力计算方法，相较于现有关于河网调蓄能力计算方面的文献，该方法体现了调蓄能力应具有的区间属性。桓台县存在地下水超采严重、河道干涸、客水资源利用率低及汛期洪涝灾害频发的问题，水量配置既要考虑通过水量调配合理调蓄水资源，实现客水及雨洪水资源高效利用，也要考虑生态补水和防洪减灾的要求。故将其河网按生态水位、安全水位、风险水位、灾害水位进行河流水资源结构划分，得到满足相应功能需求的河网调蓄能力阈值，方法灵活多变，推广性较强。

（2）基于河流水资源结构分解的河网调蓄能力与调蓄量。①结合河道断面资料及不同特征水位，桓台县河网水资源结构分解后，生态水量、安全水量、风险水量和灾害水量分别为24.53，1 694.73，1 361.48 和1 176.45 万m3。以上水量分别对应桓台县河网的生态水位、安全水位、风险水位等特征水位，其中生态水量是从保证河流最低限生态环境不被破坏的角度确定的，故量值最低。②考虑河流水资源结构分解与河网调度的关系，基于河网调蓄能力指标体系构建，研究不同调度情景下的河网调蓄能力。桓台县河网的槽蓄容量、可调蓄容量、单位面积槽蓄容量和单位面积可调蓄容量分别为［24.53，3 080.74］万m3，［0，3 056.21］万m3，［0.05，6.05］万m3/km2和［0，6］万m3/km2。由于生态水位、安全水位、风险水位值依次增大，其河网可蓄水空间依次减少，故河网在生态调度、资源调度、防洪调度下的调蓄能力依次降低，计算结果合理、可靠。

（3）基于河流水资源结构分解的不同季节河网的调控。当河网水位为安全水位即河网内为生态水量和安全水量时，河网水量能在保证区域安全的前提下，尽可能地满足区域生态环境保护及社会经济发展的需要。当河网水位为风险水位即河网内为生态水量、安全水量、风险水量时，河网能在其风险可控的前提下调蓄尽可能多的水量，从而提升地下水的涵养效益。因此，非汛期应采取闸坝调控措施，调引客水，在安全范围内，尽可能地保持较高水位，以实现地下水涵养与生态环境保护的效果；而在汛期，防汛部门应在暴雨来临前及时降水位，增大河道调蓄容积，提高排涝能力，以避免短历时强降雨的侵袭。

（4）依据各河道治理工程横断面设计图，应用SOLID⁃WORKS 建立的河道三维立体模型还原度较高，相较于其他编程拟合计算方法能更好地反映河道真实的槽蓄容量情况，计算结果更为准确。

（5）在计算生态水量时，本文未划分研究时段，未来的研究还应根据生态保护目标提出相应的研究时段划分方法。如季节的丰枯、鱼类产卵期等。

4 结论

本文分别采用生态水位、除涝水位、防洪设计水位、堤顶高程作为生态水位、安全水位、风险水位、灾害水位等四种特征水位，将桓台县河流水资源分解成生态水量、安全水量、风险水量、灾害水量等四种特征水量，建立了桓台县河流水资源结构分解模型，构建了河网调蓄能力指标体系，研究分析桓台县区域河网调蓄能力阈值区间。主要结论如下：

（1）基于河流水资源结构分解的河网调蓄能力计算方法，能计算河网满足不同功能需求的调蓄能力阈值区间，充分体现调蓄能力应具有的区间属性，且能根据各研究对象存在的问题，针对性地对其河流水资源提出不同的划分方法，得到满足相应功能需求的河网调蓄能力阈值，方法灵活多变，推广性较强。

（2）结合河道断面资料及不同特征水位，考虑河流水资源结构分解与河网调度的关系，基于河网调蓄能力指标体系构建，研究不同调度情景下的河网调蓄能力，为区域河网的水量调度提供参考。桓台县河网水资源结构分解后，生态水量、安全水量、风险水量和灾害水量分别为24.53，1 694.73，1 361.48和1 176.45 万m3；河网在生态调度、资源调度、防洪调度下的调蓄能力分别为［24.53，3 080.74］万m3，［0，3 056.21］万m3，［0.05，6.05］万m3/km2和［0，6］万m3/km2。

（3）桓台县河网在生态调度情景下河网可调蓄容量最大，此时河道内的水资源不仅能避免河道干涸，达到生态补水的效果，且能使客水资源得到较大程度的利用；资源调度情景下，河道内的水资源均为安全水量，在安全水位范围内，尽可能地保持较高水位，以实现地下水涵养与生态环境保护的效果；防洪调度情景下，充分发挥河网水系连通度较高的优势，通过闸坝调控使各河道尽可能保持在风险水位以下，达到防洪减灾的目的。□