王宗志，劉克琳，程 亮，齊春三，譚樂彥

（1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013）

1 研究背景

中國水資源時空分布高度不均、與人類社會需求顯著不匹配，這使得水資源開發(fā)利用就是通過興建水利工程以及優(yōu)化其調度方式等工程和非工程措施來提高水資源調控利用能力，從而盡可能多地將汛期洪水轉化為常規(guī)水資源的過程［1-2］。從這一意義上講，“洪水資源利用”或“洪水資源化”的具體實踐早已有之且長期存在，但這一概念的明確提出則肇始于21世紀初［3］。2002年國家防辦組織南京水利科學研究院、大連理工大學和武漢大學等單位開展了涵蓋設計洪水計算、汛限水位分期設計與動態(tài)控制專題研究，拉開了國內水庫洪水資源利用研究序幕［4-5］。之后，圍繞水庫洪水資源利用技術開展了大量研究，比較有代表性的成果有：胡四一等［2，6］提出了汛限水位分期調整及綜合論證的技術方法，研發(fā)了防洪系統(tǒng)洪水資源利用技術，研究成果在潘家口水庫、密云水庫以及北三河水系、灤河水系得到成功應用。郭生練等［4，7-9］評價了國內外設計洪水計算進展，以三峽等大型水庫為對象開展了水庫汛限水位動態(tài)控制方式研究；王本德等［5，10］評價了降雨、洪水預報信息和調度人員經驗在水庫實時調度中的可用性，提出了基于預蓄預泄和綜合信息模糊推理模式的動態(tài)汛限水位控制方法，并在大伙房、葠窩、于橋等水庫得到成功應用；Yun等［11］探討了汛限水位分期運用和動態(tài)控制對供水的影響；Chou等［12］研究了基于期望缺水量最小的水庫防洪預泄策略；鐘平安等［13］探索了梯級水庫汛限水位動態(tài)控制域的計算問題，王忠靜等［14］對洪水資源利用的適度性進行了分析；Ding等［15］提出了考慮預報不確定性和可接受風險的水庫洪水資源利用的分析框架。上述成果：（1）主要集中在水庫上，鮮見如何從整個流域系統(tǒng)出發(fā)，探討實施洪水資源利用的系統(tǒng)公開報道；（2）主要集中在技術方法層面，尚未建立其完備的理論方法體系和系統(tǒng)的應用模式。這在一定程度上阻礙了洪水資源利用的具體實踐。為此，本文將文獻［1］建立的集潛力評價、利用方式選擇和風險效益綜合評價于一體的流域洪水資源利用模式，系統(tǒng)應用于南四湖流域，驗證應用模式的合理性和有效性，力圖為類似研究和實踐提供借鑒與參考。

2 南四湖流域洪水資源利用實例分析

2.1 南四湖流域簡介 南四湖流域位于淮河流域沂沭泗水系，流域面積31 700 km2，多年平均水資源量53億m3，多年平均降雨量684 mm。降水分布季節(jié)性差異大，汛期6—9月降水占全年的75%以上，其中7、8兩月約占全年的57%。流域內最大的蓄水體——南四湖是中國第六大淡水湖，湖面面積1 266 km2。據近45年的實測資料分析，南四湖多年平均入湖水量27.13億m3，其中汛期入湖21.28億m3，占全年的78.4%；多年平均出湖水量（出境水量）16.57億m3，其中汛期出湖水量11.58億m3，占全年的69.9%。湖區(qū)承接蘇、魯、豫、皖4省32個縣（市、區(qū)）來水，匯集大小河流共有53條，湖東28條，湖西25條，來水經南四湖調蓄后，經韓莊運河和不牢河下泄入中運河，再下排駱馬湖。經過新中國成立以來60余年的工程建設，南四湖流域防洪能力顯著提高，目前已基本建成由湖東山丘區(qū)水庫、湖西平原河網閘壩群和流域中央大型湖泊（南四湖）構成的河湖庫聯(lián)合運用的防洪系統(tǒng)（如圖1所示），流域防洪標準總體達到50年一遇，局部達100年一遇?？梢姡纤暮饔蚓邆淞藢嵤┖樗Y源利用的資源條件和工程基礎［3］。

2.2 潛力評價

2.2.1 資料收集及處理 本文收集了南四湖流域后營、滕縣和薛城等10個入湖水文控制站1974—2008年的逐日流量資料，湖區(qū)南陽、二級湖閘、微山等3個水文站1974—2008年的逐日降雨和蒸發(fā)資料，以及流域出口斷面韓莊閘、藺家壩閘站1974—2008年的逐月出湖流量資料。由于出湖控制站未能收集到逐日流量資料，只有逐月徑流資料，評價時把汛期（6—9月）界定為“洪水期”。南四湖流域大規(guī)模工程建設始于20世紀60年代，到20世紀70年代初期，流域工程布局就基本穩(wěn)定，因此可認為流域20世紀70年代以來的洪水資源利用情況，基本可代表洪水資源利用現(xiàn)狀。基于此，由入湖控制站的逐日流量過程和湖區(qū)降雨蒸發(fā)資料，經面積比修正以后，計算得到河川徑流量，并以此作為汛期天然洪水資源量。同時由出湖控制站的實測流量資料計算得到的出境水量，作為對應現(xiàn)狀洪水調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產用水，由于目前尚未有水量或水權分配方案，同時考慮區(qū)域水資源稟賦條件，連同下游河道生態(tài)用水，本文用處于“中等”水平量級的生態(tài)環(huán)境需水量來代替。

2.2.2 流域下游河道生態(tài)環(huán)境需水計算 南四湖流域的下游出口河流是韓莊運河和不牢河，其下泄流量分別由韓莊閘和藺家壩閘控制。運用Tennant法對南四湖流域下游河流的生態(tài)環(huán)境需水量進行計算［16］，這兩條河流的最小生態(tài)需水量確定為：非汛期（10月—翌年5月）取同期多年平均徑流量的10%，汛期（6—9月）取同期多年平均徑流量的15%（相當于Tennant法“中等”水平對應的需水量），見表1。

（單位：億m3）表1 南四湖流域下游生態(tài)環(huán)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態(tài)環(huán)境需水量為1.045億m3。

2.2.3 洪水資源利用潛力評價 根據文獻［1］式（8）計算得到南四湖流域逐年洪水資源實際利用量，發(fā)現(xiàn)近10年（1998—2008年）來，1998、2003、2004和2005年均發(fā)生了一定量級的洪水，經綜合比較，選擇南四湖流域現(xiàn)階段（近期）2005年的實際利用量24.89億m3為現(xiàn)狀工程條件下的洪水資源調控利用能力。南四湖流域1974—2008年多年平均實際可利用量為14.67億m3，最大值為28.28億m3，發(fā)生在2003年，最小值發(fā)生在2002年為0.0億m3。經計算多年平均洪水資源實際利用率為64.9%，有些年份達到了100%。此外，從多年平均角度來看，現(xiàn)狀可利用量大于實際利用量，但是有18年實際利用量大于可利用量（如圖2所示），占到總年份的51.4%，這些年份集中出現(xiàn)在20世紀80年代初和90年代末，或多或少出現(xiàn)了洪水資源過度利用，擠占下游生態(tài)需水的現(xiàn)象。經與年降水對比發(fā)現(xiàn)，1980—2002年為歷史上的枯水年份，汛期降水均值425 mm遠低于汛期多年平均492 mm，自2003年以后降水量才逐步趨于正常。

圖2 南四湖流域洪水資源實際利用量與現(xiàn)狀可利用量

圖3 南四湖流域洪水資源總量與利用潛力關系

南四湖流域多年平均現(xiàn)狀利用潛力為2.88億m3，最大值為2008年12.70億m3，最小值為零。從年際分布來看，20世紀80年代中期以前及自2003年以后利用潛力較大，其中近幾年（2005—2008年）年均達到了9.33億m3，但中間除少數年份外，現(xiàn)狀利用潛力為零。南四湖流域多年平均（1974—2008年）洪水資源理論利用潛力為7.33億m3，最大值發(fā)生在2004年為32.92億m3，最小值為零，年際分布規(guī)律同現(xiàn)狀利用潛力。洪水資源量與洪水資源理論/現(xiàn)狀利用潛力的關系如圖3所示。

2.3 利用方式選擇 南四湖湖西地區(qū)為古黃河沖積扇前緣，自西向東傾斜，地面高程34.00～39.00 m（廢黃河高程系統(tǒng)，下同）、坡降1/3000-1/10000，沿湖周圍多為濱湖洼地。1949年以前，水系紊亂，標準偏低，坡水不能入河，河水難以入湖，汛期河湖水位壅高不下，堤防經常決口漫溢，積水成災。為治理洪澇問題，1949年以來，南四湖流域實施統(tǒng)一規(guī)劃與管理，以“高水高排、低水低排”為理念對原有水系進行大規(guī)模調整，對原有的諸多天然河流截斷、廢棄，以近似于垂直南四湖中弘線的方向開挖新河道。目前湖西包括梁濟運河、洙趙新河、東魚河、復新河、大沙河和新（老）萬福河等主要河流都是當時開挖的人工河道。水系經過調整后，河道行洪速度加快，濱湖地區(qū)的洪澇問題得到了有效緩解。但是隨著經濟社會的快速發(fā)展，河道外用水大幅度增加，但由于南四湖調蓄能力不高，洪水一旦入湖便可迅速以棄水形式下泄排走，現(xiàn)有水系格局的不足逐步顯現(xiàn)出來。因此，溝通原有的天然廢棄河流與現(xiàn)在的人工河道，形成可控可調的水網體系，是實施洪水資源利用的重要方式之一［17］。

流域中央為南四湖，是全流域31 700 km2匯水面積的唯一承泄區(qū)，湖盆淺平，北高南低，形狀狹長，西北—東南走向，南北長約125 km，東西寬約5～25 km，最窄處僅5 km，正常蓄水位條件下湖泊平均水深1.5 m左右，兼具一般湖泊調蓄和平原河道行洪功能。1960年在湖腰處開始建設二級壩（1975年建成），將南四湖分成上級湖和下級湖兩部分。上級湖匯水面積27 500 km2，占流域總面積的87%，汛期限制水位34.2 m，正常蓄水位34.5 m，興利庫容5.8億m3，死庫容1.9億m3。下級湖正常蓄水位32.5 m，死水位31.5 m，興利庫容4.6億m3，死庫容3.1億m3。二級壩東起?？诶线\河西堤，西至東丁官屯村東南順堤河東堤，全長7 360 m，由攔湖土壩，第一、二、三、四節(jié)制閘，船閘，溢洪道等組成，是南四湖流域最大的樞紐控制工程，其運行方式直接決定了湖泊的蓄水狀態(tài)和全流域的水資源短缺形勢。但是，當前二級壩汛限水位仍按照全汛期單值運行。因此，優(yōu)化南四湖上級湖（二級壩）汛限水位可能是洪水資源利用的有效方式之一。

湖東地區(qū)為低山丘陵區(qū)和山前沖積平原，地面高程35.00～60.00 m、坡降1/1000～1/3000，建有尼山、西葦、巖馬、馬河等4座大型水庫。巖馬水庫控制流域面積357 km2，總庫容2.03億m3，興利庫容1.04億m3，是一座以防洪為主結合灌溉、發(fā)電和養(yǎng)殖等綜合利用的大（II）型水庫；馬河水庫控制流域面積94 km2，總庫容1.26億m3，興利庫容0.245億m3；尼山水庫控制流域面積264.1 km2，總庫容1.13億m3，興利庫容0.61億m3；西葦水庫流域面積為113.6 km2，總庫容1.07億m3，興利庫容0.41億m3。這4座水庫雖然屬于大型水庫，但總體上興利庫容不大，加之入庫洪水源短流急，當前預報水平總體偏低，水雨情自動化監(jiān)測系統(tǒng)缺乏。因此，目前湖東地區(qū)利用水庫挖掘洪水資源的潛力不大。

綜上所述，南四湖流域比較有效的洪水資源利用方式主要有［17］：湖西地區(qū)水系連通補償調控和南四湖上級湖汛限水位優(yōu)化控制兩種方式。從尺度上看，前者為“面”，后者為“點”，實施“面”方式可有效降低入湖洪水集中程度，為“點”方式騰出更多空間。

2.4 南四湖汛限水位分期運用 考慮到當前南四湖流域的降水和洪水預報水平總體不高，因此南四湖上級湖采取汛限水位分期運用更為符合實際情況。即在防洪除澇安全的前提下，研究南四湖控制水位汛后期調整技術，改變過去整個汛期汛限水位恒定不變的做法，進行分期運用，最大限度地攔蓄當地地表水，控制利用洪水資源。

南四湖汛限水位分期運用包括汛期合理性劃分、分期設計洪水計算、分期汛限水位推求三部分。根據1960—2008年南四湖上級湖逐日入湖流量資料及南四湖流域面平均降雨量資料，統(tǒng)計出汛期（6月1日—9月30日）逐旬最大入湖流量、年最大入湖量出現(xiàn)次數、旬最大3日徑流量、年最大3日徑流量出現(xiàn)次數、旬最大1日降水量、年最大1日降水量出現(xiàn)次數、旬最大3日降水量和年最大3日降水量出現(xiàn)次數等8個指標，建立行數為9、列數為8的高維時序矩陣，進而采用系統(tǒng)聚類、K均值、變點分析和Fisher最優(yōu)分割等方法對汛期進行合理性劃分［6］。通過多方法綜合分析表明，南四湖流域劃分為三期較為合理，6月1—30日為前汛期、7月1日—8月20日為主汛期、8月21日—9月30日為后汛期。依據相關規(guī)范進行分期設計洪水計算成果（南四湖入湖設計洪水計算結果見表1。表1中W7表示7日洪量，依此類推）［18］。

將設計洪水成果代入南四湖“三湖兩河模型”進行模擬計算?！叭珊幽Ｐ汀笔悄纤暮{洪演算模型［19］，其名字來源于湖泊地形形狀。南四湖是自上而下南陽湖、獨山湖、昭陽湖和微山湖等四個湖的統(tǒng)稱。從地形來看，獨山湖與昭陽湖互相溝通，水位相平為一個湖，簡稱獨昭湖。這樣將南四湖分成3個湖，南陽湖為A湖、獨昭湖為B湖、微山湖為C湖，A、B、C三個湖之間湖面較窄，形似河道，這樣南四湖就在形狀上表現(xiàn)為“三湖兩河”了。早在20世紀60年代，山東省勘測設計院的專家采用輔助線法建立了“三湖兩河”洪水演算模型，幾經改進，被廣泛認可并應用于規(guī)劃設計工作中［19］。

同時建立興利調節(jié)模型分析統(tǒng)計效益指標——非汛期蓄滿率，風險效益指標如表2所示。

表2中方案0為汛限水位沒有抬高的方案，記為基本方案。方案1至方案6的風險（效益）指標與基本方案的差，為因采用后汛期汛限水位抬高相應洪水資源利用方案所增加的風險（效益）；進而再采用式（1）和式（2）對相應指標進行標準化處理［20］

表1 南四湖入庫洪量頻率計算成果 （單位：億m3）

表2 南四湖后汛期汛限水位不同方案風險-效益指標

在同一個圖上，繪制蓄滿率增加、棄水減少標準化效益指標和20年一遇洪水B湖高水位增幅、50年一遇B湖高水位增幅等標準化風險指標，見圖4。從圖4可以看出，隨著后汛期汛限水位的抬高，標準化的效益指標隨著水位增高而增大，而標準化的風險指標（可認為是實際風險指標倒數歸一化）隨著水位抬高而降低，且在34.35 m時存在明顯拐點。

圖4 后汛期汛限水位抬高與標準化風險-效益關系

利用多目標模糊識別決策法對汛限水位調整方案進行綜合評價［20］，得到南四湖后汛期汛限水位抬高至34.35 m時即方案3為所選。在該方案下，后汛期汛限水位較現(xiàn)狀抬高0.15 m，可增加興利庫容0.894億m3，20年和50年一遇洪水B湖高水位分別為0.026和0.020 m，可能增加的風險非常有限。

2.5 湖西河系連通補償調節(jié) 湖西河系連通補償調節(jié)，考慮河系間洪水發(fā)生的不同步性和洪水調控能力的差異性，在廢棄河道拓寬疏浚連通的基礎上，通過閘壩群的聯(lián)合調控，實現(xiàn)洪水在河系間的互濟調配，提高河網洪水的整體調控能力，挖掘洪水資源利用潛力。通過多次實地調研，確定了可以通過連通以往廢棄河道來優(yōu)化水系結構的初步方案。溝通后湖西河網水系如圖5所示，圖5中虛線為需要簡單疏浚溝通的河道。

首先采用一維恒定流方法分段評價河道行洪能力。洙趙新河、東魚河和梁濟運河的河道行洪能力較大，且自上游向下游呈遞增趨勢；連接上述大河的南北向河流行洪能力偏低，特別是洙水河/豐收河、安濟河行洪能力非常低，例如洙水河-豐收河連通點處行洪能力目前不足5 m3/s，安濟河行洪能力不足8 m3/s、友誼河行洪能力不足15 m3/s。但經分析，洙水河-豐收河河底較好，通過工程規(guī)模不大的局部堤防整理加固抬高，便可達到30 m3/s的過流能力；安濟河可通過提高加固與河底的平順治理，行洪能力便可較容易的達到60 m3/s。此外，通過疏浚大沙河與東魚河連接處河道、友誼河與洙趙新河連接處河道，便可實現(xiàn)湖西地區(qū)大河之間的互聯(lián)互通。根據河道行洪能力評價結果，考慮到經濟可行等原則，提出的河道行洪能力的改善方案為：安濟河行洪能力由目前不足8 m3/s提高60 m3/s，洙水河-豐收河由目前的5 m3/s提高到30 m3/s。

圖5 南四湖湖西水系間洪水互濟調控示意圖

在此基礎上，建立考慮河道下滲的南四湖湖西河網洪水調控模型［21］進一步獲取閘壩群優(yōu)化調控方案，該模型中含有6座水閘，假設每座水閘存在n種可調方式，那么就有n6種聯(lián)合調度方案。即使每座閘壩調整方案僅有4種，那么也存在46（4096）個可選擇方案，該數字對于水力學計算而言依然是非常龐大的。因此，在大量模擬試驗的基礎上，經驗性設計了4組可行的運行方案，如表3所示。

表3 南四湖湖西地區(qū)主要控制性水閘運行方案設計 （單位：m）

利用1998年洪水（8月21日—8月29日，以下簡稱199808洪水）和2004年洪水（8月27日—9月2日）對模型進行率定和驗證（限于篇幅率定和驗證的結果對比圖略去），結果表明，模型滿足使用要求。

科學調度河網閘壩群，既可以適當轉移局部地區(qū)的防洪風險，提高流域整體的防洪能力，還可以通過增加洪水與河網（陸面）的接觸時間，減少河道斷流，增加有效水資源量，補給地下水［21］。但是調度不當，則可能會出現(xiàn)人造洪峰，出現(xiàn)洪水漫堤和潰決風險。為此，本文從風險和效益兩個方面，建立可以描述河網洪水運行效果的指標，進而評價優(yōu)選閘壩群優(yōu)化調度運行方案。具體指標如下：

（1）所有斷面計算水位超過設計水位的平均時間TWz

式中：Δt為模型計算時間步長；T為洪水模擬歷時；sgn（*）為符號函數，如果*大于零，其值為1，否則其值為0；Ncs為河網斷面數目；為斷面n時刻t的計算水位；表示斷面n超出設計水位的時間。

（2）系統(tǒng)中超過設計水位斷面的最長超過時間TWmax

（3）系統(tǒng)中超過設計水位的所有斷面數目NWz

（4）系統(tǒng)中所有斷面低于臨界水深的平均滯蓄時間TCz

式中Dc(n)為斷面n的臨界水深。

眾所周知，臨界水深作為效益指標的一個重要概念，它表示河流健康狀況的一個臨界值，如果河道水深低于該值意味著河流生態(tài)系統(tǒng)遭受到一定的破壞，理論上講每個斷面有一個特定值，但是本文只重視其相對性，為此在模型中統(tǒng)一取0.5 m作為臨界水深值。

（5）系統(tǒng)中低于臨界水深斷面的最長時間TCmax

（6）系統(tǒng)中低于臨界水深的斷面數目NCz

（7）河道入滲水量。河道滲漏補給量的計算參考達西定律，其計算公式為：

式中：Wg為河道滲漏補給量，m3；Ki為第i個計算河段剖面位置的滲透系數，m/s；Ji為第i個河段垂直于剖面的水力坡度（無因次）；Ai為第i個計算河段單位長度河道垂直于地下水流向的剖面面積，m2/m；Li為第i個計算河段的河段長度，m；Ni計算河段數目；Δtt為第t計算時段的時段長度，s。

（8）河網滯蓄水量。根據水量平衡，時段T內系統(tǒng)的蓄滯水量ΔW為：

式中：Δt為t到t+1時刻之間的時間步長；為t時刻從外界i進入系統(tǒng)的流量，m3/s；Qjl(t)為時刻t系統(tǒng)內區(qū)間j自產水流量；為時刻t從下邊界k排出系統(tǒng)的流量；Nu為系統(tǒng)上邊界數目，Nj為系統(tǒng)側邊界數目，Nk為系統(tǒng)下邊界數目。

式（3）—式（5）是通過判斷“斷面水位是否超過設計水位”來刻畫防洪風險的3個指標；式（6）—式（8）是通過判斷“斷面水位是否低于臨界水深”來刻畫生態(tài)風險的3個指標；式（9）和式（10）是直接用于描述系統(tǒng)蓄水狀態(tài)的效益指標。

針對199808洪水，計算閘壩群不同聯(lián)合調度方案下的風險效益指標值，如表4所示，其中方案0為現(xiàn)狀運行方案。

經投影尋蹤綜合評價［20］，方案3為優(yōu)選推薦的湖西平原水系連通補償調控方案。從表4可知，采用方案3，199808洪水可在幾乎不增加防洪風險的前提下，增蓄水量1.358億m3，其中河網下滲增蓄水0.409億m3，河網增蓄水為0.949億m3。

表4 199808洪水湖西河網洪水閘壩群聯(lián)合調度方案評估指標

3 結論

將文獻［1］建立的流域洪水資源利用模式系統(tǒng)應用于南四湖流域，評價了洪水資源利用現(xiàn)狀和潛力；根據南四湖流域防洪系統(tǒng)的組成，論述了洪水資源利用方式的選擇過程，指出二級壩汛限水位分期運用、湖西平原河流連通補償調節(jié)是南四湖流域洪水資源利用方式的現(xiàn)實選擇和有效途徑，進而詳細闡述了風險-效益因子識別、量化，以及通過綜合評價獲得最佳洪水資源利用方式的過程，論述了流域洪水資源利用模式的普適性和合理性。南四湖流域洪水資源利用的主要結論如下：（1）流域多年平均（1974—2008年）現(xiàn)狀和理論可利用量分別為16.29億～18.08億m3、20.50億～21.55億m3，現(xiàn)狀和理論利用潛力分別為2.66億～3.86億m3和6.78億～7.33億m3。（2）流域汛期劃分為三期最為合理，其中6月1日—30日為前汛期、7月1日—8月20日為主汛期、8月21日—9月30日為后汛期；后汛期汛限水位由現(xiàn)狀34.2 m抬高0.15 m至34.35 m，可在不顯著增加防洪風險的前提下（20年和50年一遇洪水高水位僅分別抬高0.026和0.020 m），增加興利庫容0.894億m3。（3）建立了定量描述河網洪水資源利用效果的風險效益指標，提出了湖西河流補償調控方案，該方案（對于199808洪水情景）可在幾乎不增加防洪風險的前提下增蓄水量1.358億m3，其中河網下滲增蓄水量0.409億m3，河網增蓄水量為0.949億m3。

需指出的是，本文旨在流域洪水資源利用理論框架的基礎上，進一步驗證理論框架和應用模式的合理性，限于篇幅關于洪水資源利用方式具體技術環(huán)節(jié)的描述或許是相對粗糙的，且這些技術均屬于規(guī)劃設計層面，加強實時條件下流域洪水資源利用的技術突破和應用實踐是今后的努力方向。

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