張修宇,康金鴿,陳 思
(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046;2.河南省豫北水利勘測設(shè)計院有限公司,河南 鄭州 450002)
流域暴雨頻發(fā)成為制約社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展的瓶頸[1]。河南省衛(wèi)河流域地處豫北地區(qū),歷史上頻繁的洪澇、干旱等自然災(zāi)害給豫北人民帶來了深重災(zāi)難。2021年7月17—22日,衛(wèi)河流域局地發(fā)生特大暴雨,衛(wèi)河發(fā)生超歷史最高水位洪水(汲縣站水位超歷史極值1.84 m);自7月19日開始,河南省先后啟用境內(nèi)9處蓄滯洪區(qū)中的7處,截至23日總蓄水量約1.9億m3,轉(zhuǎn)移人口21.9萬。衛(wèi)河是半懸式河床[2],兩岸有很多洼地,用作蓄滯洪區(qū)。蓄滯洪區(qū)對于流域防洪減災(zāi)十分重要,其與河道、水庫聯(lián)合運(yùn)用可以削減洪峰、存蓄過量洪水,提高流域抵抗洪水的能力。計算和評價衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力具有重要意義。
對于雨洪資源利用,國內(nèi)外均有很多研究,例如:Islam等[3]構(gòu)建了孟加拉國相關(guān)流域模型框架,計算了研究區(qū)的雨水資源化潛力;Sharma等[4]根據(jù)印度225個主要降水區(qū)的作物在生長期的氣候水量平衡關(guān)系,計算了604個地區(qū)的雨水資源利用潛力;孟凡香等[5]從雨水的自然屬性和社會屬性入手,采用分布式水文模型SWAT計算了研究區(qū)的雨水資源化潛力;王銀堂等[6]對流域?qū)用娴挠晁Y源利用模式進(jìn)行了探討,并對北京市區(qū)及海河流域的雨洪資源利用潛力進(jìn)行了定量評價;張光輝等[7]研究了暴雨洪水對地下水的補(bǔ)給作用;王宗志等[8]采用極限分析理論,評價了南四湖流域洪水資源利用現(xiàn)狀和利用潛力;楊小柳等[9]研究了大黃堡洼蓄滯洪區(qū)洪水資源化的收益和損失;趙飛等[10]利用多年平均降水量法計算出了城市雨洪資源利用潛力。
從上述分析可以看出,國內(nèi)外雨洪資源利用潛力多以計算為主,很少將計算與評價模型結(jié)合起來進(jìn)行評價。筆者利用不同下墊面分析法[11]和評價模型相結(jié)合的方法,對衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源的利用潛力進(jìn)行評價分析。
雨洪資源利用潛力[12]指在特定區(qū)域的一段時間內(nèi),經(jīng)過規(guī)劃設(shè)計采取與之對應(yīng)的技術(shù)并實(shí)施相應(yīng)的工程措施后,可以開發(fā)利用的最大雨洪資源量。當(dāng)不考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力時可以被全部利用的雨水稱為雨洪資源利用理論潛力;但是不論采用何種技術(shù)和方法、建設(shè)什么設(shè)施,雨水資源都不可能被全部利用,其中能夠被利用的這部分雨洪稱為雨洪資源利用實(shí)際潛力[13]。
不同下墊面分析法是基于研究區(qū)域不同的下墊面面積進(jìn)行計算的一種方法,利用已知的降水資料對研究區(qū)域進(jìn)行雨洪資源利用潛力計算分析,其結(jié)果比較準(zhǔn)確。雖然衛(wèi)河流域的下墊面種類比較多但易于區(qū)分,所以選取不同下墊面分析法對衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力進(jìn)行計算。
利用不同下墊面分析法時,為使計算簡便,參照有關(guān)研究[14]將衛(wèi)河流域下墊面分為3類:一是不透水下墊面,主要包括城鎮(zhèn)、工礦和居民用地,其透水性能較差,計算時不包括降水損失量和棄流量;二是透水下墊面,包括耕地、林地等,其透水性較好,計算時不包括植被截留量;三是河、湖、池塘等可以直接將雨水轉(zhuǎn)化為資源的水域。衛(wèi)河流域雨洪資源利用潛力計算公式為
式中:A0為蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用的理論潛力,m3;A1為不透水下墊面雨洪資源量,m3;A2為透水下墊面雨洪資源量,m3;A3為水域雨洪資源量,m3;Ae為蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用的實(shí)際潛力,m3;At為臨界雨洪資源量,即超出防洪承載力的雨洪資源量,m3。其中
式中:m為降水場次;Ri為第i場降水的降水量,mm;RK為降水損失量和初期棄流量,兩者分別取1.6 mm和4.0 mm,即RK取5.6 mm;Ra為植被截留量,取0.3 mm;Rt為臨界降水量,取50 mm;S1為蓄滯洪區(qū)不透水地面的總面積,m2;S2為蓄滯洪區(qū)透水地面的總面積,m2;S3為蓄滯洪區(qū)水域總面積,m2;St為蓄滯洪區(qū)總面積,即St=S1+S2+S3,m2。
基于數(shù)據(jù)的可獲得性[15],選取對蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用影響較大的指標(biāo)。在查閱大量文獻(xiàn)并參考專家意見的基礎(chǔ)上,采用層次分析法,構(gòu)建衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力綜合評價指標(biāo)體系(見表1)。
表1 衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力綜合評價指標(biāo)體系
(1)確定評價指標(biāo)權(quán)重。利用層次分析法計算各指標(biāo)權(quán)重,首先需要一些相關(guān)專家依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和地區(qū)性質(zhì),對準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的指標(biāo)作出重要性判斷;然后構(gòu)建判斷矩陣,進(jìn)行歸一化處理,得出指標(biāo)相對權(quán)重;最后對其進(jìn)行一致性檢驗(yàn),符合一致性檢驗(yàn)的權(quán)重即為所求。
(2)模糊綜合評價法。模糊綜合評價法是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論,將定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價,評價思路清晰、系統(tǒng)性強(qiáng),可使模糊的、難以量化的問題得到很好解決。蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力評價指標(biāo)眾多且存在模糊性和不確定性,因此把層次分析法與模糊綜合評價法相結(jié)合,先用層次分析法計算出各指標(biāo)權(quán)重,再用模糊綜合評價法對衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力進(jìn)行評價。
衛(wèi)河全長394 km,流域面積為15 229 km2,其中河南省境內(nèi)河長286.5 km,流域面積12 921 km2,約占全流域面積的85%[2]。流域內(nèi)有9處蓄滯洪區(qū),分別是良相坡、白寺坡、共渠西、長虹渠、任固坡、小灘坡、廣潤坡、崔家橋和柳圍坡,涉及3個地級市(新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽)7個縣(浚縣、湯陰、衛(wèi)輝、滑縣、內(nèi)黃、淇縣、安陽縣),蓄滯洪區(qū)內(nèi)有397個行政村50.75萬人和9.84萬hm2耕地[2]。設(shè)計蓄滯洪總量10.87億m3,蓄滯洪區(qū)淹沒面積849.5 km2。衛(wèi)河流域呈西南—東北向,地勢總體為西高東低、南高北低。
選取新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽3個地級市的降水?dāng)?shù)據(jù)作為衛(wèi)河流域的降水?dāng)?shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于2001—2020年《河南省水資源公報》。土地利用數(shù)據(jù)來源于各縣的土地利用總體規(guī)劃。
將新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽3個市2001—2020年逐月降水量的平均值進(jìn)行加權(quán)平均,得出衛(wèi)河流域的年均降水量為612.5 mm。依據(jù)對蓄滯洪區(qū)下墊面類型的分析,由式(1)~式(6)計算得出衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力的計算結(jié)果(見表2)。
表2 不同下墊面分析計算結(jié)果 億m3
(1)利用層次分析法計算指標(biāo)權(quán)重。借助Yaahp軟件進(jìn)行層次分析法與模糊綜合評價法計算分析?;谝牙L制好的層次結(jié)構(gòu)模型和構(gòu)造的判斷矩陣,利用軟件對判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn),生成層次分析法測評表并分發(fā)給專家進(jìn)行打分。測評表收回后,將其導(dǎo)入Yaahp軟件,將專家們反饋的權(quán)重利用Yaahp軟件的群決策面板將數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均,即為所求指標(biāo)權(quán)重。
(2)利用模糊綜合評價法進(jìn)行評價。參照2001—2020年《河南省水資源公報》《豫北地區(qū)水利工程管理手冊》及相關(guān)研究成果,確定衛(wèi)河流域雨洪資源利用潛力評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn),見表3。Ⅰ級(優(yōu))表示雨洪資源充沛且容易利用,雨洪資源利用潛力大;Ⅱ級(中)表示雨洪資源適配性比較好,雨洪資源利用潛力中等;Ⅲ級(差)表示雨洪資源匱乏且不容易利用,雨洪資源利用潛力小。
表3 衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)
結(jié)合層次分析法計算出的權(quán)重,建立模糊綜合評價測評表,并確定評價等級:2.4~3.0分為Ⅰ級(優(yōu))、1.5~2.4分為Ⅱ級(中)、1.5分以下為Ⅲ級(差)。隨后生成測評表發(fā)送給專家進(jìn)行測評,將收回的測評表導(dǎo)入Yaahp軟件自動進(jìn)行矩陣構(gòu)造和計算,最終的評價結(jié)果見表4。
表4 衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力指標(biāo)權(quán)重及模糊綜合評價結(jié)果
由表4可知:衛(wèi)河流域水資源基礎(chǔ)條件(B1)的評價結(jié)果為Ⅰ級(優(yōu)),其指標(biāo)層中設(shè)計蓄滯洪量(C2)、淹沒面積(C3)評價結(jié)果均為Ⅰ級(優(yōu)),表明其蓄滯洪區(qū)蓄水能力較為突出,能夠很好地蓄滯洪水;多年平均降水量(C1)的評價結(jié)果為Ⅱ級(中),原因是當(dāng)?shù)啬昃邓坎淮螅邓话慵性谘雌?,容易形成暴雨,給雨洪資源利用帶來較大壓力。實(shí)施條件(B2)評價結(jié)果為Ⅱ級(中),其指標(biāo)層中只有蓄滯洪區(qū)堤防長度(C4)的評價結(jié)果為Ⅰ級(優(yōu)),可見蓄滯洪區(qū)堤防的建設(shè)比較完善;蓄滯洪區(qū)使用概率(C5)和人口數(shù)量(C6)評價結(jié)果為Ⅱ級(中),原因是蓄滯洪區(qū)的人口數(shù)量比較多,啟用時會對人民生命財產(chǎn)安全造成威脅,只有發(fā)生特大暴雨時蓄滯洪區(qū)才會啟用,這在一定程度上影響了對雨洪資源的利用程度。社會經(jīng)濟(jì)(B3)的評價結(jié)果為Ⅰ級(優(yōu)),說明當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展能夠?yàn)樗Y源利用提供一定的經(jīng)濟(jì)支撐,這與河南是農(nóng)業(yè)大省、當(dāng)?shù)胤浅V匾曓r(nóng)業(yè)發(fā)展有著密不可分的聯(lián)系,雨洪資源利用有堅實(shí)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。耗水量(B4)的評價結(jié)果為Ⅱ級(中),其指標(biāo)層中農(nóng)業(yè)耗水量(C10)、工業(yè)耗水量(C11)、生活耗水量(C12)均為Ⅱ級(中),說明農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水量較大,用水效率還有待提高,還有進(jìn)一步增大水資源利用潛力的可能。
衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力(A)的評價結(jié)果為Ⅰ級(優(yōu)),說明其雨洪資源充沛且容易利用,雨洪資源利用潛力大。通過不同下墊面分析法計算出衛(wèi)河流域的理論雨洪資源利用量為39.63億m3、實(shí)際雨洪資源利用量為38.80億m3,二者相差不大,原因主要是蓄滯洪區(qū)的耕地面積較大且耕地涵養(yǎng)水的能力較強(qiáng)。衛(wèi)河流域?qū)儆谌彼貐^(qū),同時汛期暴雨集中容易發(fā)生洪澇災(zāi)害,嚴(yán)重影響人民的生命財產(chǎn)安全,應(yīng)該在保障安全的情況下合理利用雨洪資源,將風(fēng)險轉(zhuǎn)化為效益。
本文從水資源基礎(chǔ)條件、實(shí)施條件、社會經(jīng)濟(jì)、耗水量4個方面選取12個指標(biāo),構(gòu)建河南省衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力評價指標(biāo)體系,結(jié)果表明研究區(qū)雨洪資源利用潛力大。但是從評價結(jié)果看出,實(shí)施條件和用水效率還有待改善與提高。比如,蓄滯洪區(qū)內(nèi)的人口數(shù)量評價等級為Ⅱ級(中),說明蓄滯洪區(qū)的人口數(shù)量較多,蓄滯洪區(qū)啟用時損失較大,應(yīng)該設(shè)法減少蓄滯洪區(qū)內(nèi)的人口數(shù)量;耗水量的評價結(jié)果為Ⅱ級(中),說明蓄滯洪區(qū)的用水效率不高,應(yīng)該引進(jìn)節(jié)水技術(shù)和設(shè)施,提高用水效率,減少耗水量。
層次分析法帶有較強(qiáng)的主觀性,會對研究結(jié)果帶來一定的影響,另外滯洪區(qū)數(shù)據(jù)收集的局限性也會對分析結(jié)果帶來影響。下一步應(yīng)結(jié)合客觀分析法,完善衛(wèi)河流域蓄滯洪區(qū)雨洪資源利用潛力評價方法。