岸堤水库流域洪水资源利用潜力计算方法研究

闫成山，董凤军，王君诺，周伟凯，徐嘉璐，刘春彤

(1. 山东省淮河流域水利管理局规划设计院，济南 250100；2. 临沂市岸堤水库管理处，山东 临沂 276217)

受温带季风气候的影响，我国北方地区降水上时空分布不均，且年内、年际变化较大，大部分年份水资源量集中于汛期少数几场降水过程，因此对汛期水资源的有效利用显得尤为重要。洪水资源利用是指通过修建水利工程、优化其调度运行方式来提高流域洪水调控利用能力，尽可能地将汛期洪水转化为可利用的水资源的过程[1]。洪水资源利用是一个十分广泛的范畴，但近年来，随着人们对洪水利害两重性认识的不断深入，“洪水资源化”[2,3]概念已逐步成为学界共识。在不影响流域防洪度汛、保证水利工程及防护对象安全的前提下，通过工程和非工程措施，科学合理地利用洪水资源，尽可能实现“洪水资源化”，既减少了洪涝灾害，又缓解了区域水资源短缺的状况。国内学者对黄河[4,5]、海河[6,7]、南四湖[8,9]、长江[10]、太湖[11]以及鄱阳湖[12]等流域已开展了不同程度的洪水资源化利用研究，并提出了洪水资源现状可利用量、规划可利用量、理论可利用量及现状利用潜力、规划利用潜力、理论利用潜力、洪水资源利用约束条件[11]、经济适度性[8]等相关概念及研究方法，取得了丰富的研究成果。为此，本文以岸堤水库流域为例，在以往研究基础上，根据岸堤水库流域洪水资源调控实践与需求，综合极限分析研究方法，提出岸堤水库流域洪水资源利用潜力评估方法，为岸堤水库流域洪水资源利用提供决策依据，同时为其他地区的水库洪水资源利用提供借鉴和参考。

1 概 述

岸堤水库是山东省第二大水库，位于沂河一级支流东汶河中游，是一座以防洪、灌溉和供水为主，兼顾发电、水产养殖等综合利用的大型水利工程，控制流域面积1 693.3 km2，见图1。岸堤水库流域建有中型水库3座、小型水库96座，总库容7.494 亿m3，调洪库容4.325 亿m3，兴利库容4.508 6 亿m3，防洪标准为100年一遇。岸堤水库以上干流长度66.6 km，流域形状呈扇形，主河道平均坡度0.263%，汛期(6-9月)的降水量一般占全年的70%以上。

岸堤水库建成于1960年，枢纽工程主要包括大坝(主、副坝)、电站、输水洞、溢洪道(闸)及工程管理设施等。水库自建成运行以来，在防洪、灌溉、供水及发电等方面发挥了巨大的作用，极大地带动了当地经济发展。但因受财力、物力、技术诸多因素影响，水库长期处于限制运行状态，制约了流域洪水资源的利用。近年来，当地水资源短缺问题日益突出，而流域每年汛期却有大量的弃水，造成了结构性浪费，区域水资源整体调控能力不足，改进水库现有调度方式是提高水库水资源调控能力的有效途径。在汛期，可根据流域实时雨、水情信息，结合降雨径流、洪水预报等非工程措施，以现有水利工程为基础，在不影响水库本身防洪标准及其上下游地区防洪安全的前提下，最大限度发挥水库的防洪作用，通过水库的优化调度来挖掘流域的洪水资源利用潜力。

2 洪水资源化及安全利用

2.1 洪水资源利用

洪水资源利用，其本质是通过对流域汛期大流量、高水位河川径流进行调控，使部分洪水转化为可利用的水资源量的过程[13]，实现从“灾害水”向“资源水”及“生态水”的转化，提高流域水资源的利用率。洪水资源利用与流域具体情况密切相关，受现有水利工程调控能力及生态环境安全的制约，洪水资源利用可以分为“洪水资源可利用量”及“不可利用量”两部分[14]。

洪水资源可利用量是一个动态的概念，具有两方面含义[15,16]：即“能够利用”和“允许利用”，它是相对于一定的工程调控能力、科学技术发展水平、区域经济条件及河道功能目标而言；在不同发展阶段，洪水资源可利用量是随流域工程调控能力和河道内必要生态环境需水量的变化而变化的。同样，洪水资源不可利用量也具有两方面含义：即“不能够利用”和“不允许利用”，分别对应洪水期不可控洪水径流量及洪水期河道内生态等必要需水量。其中不可控洪水径流量是指在可预见期内超过流域水利工程调控能力而“不能够”被利用的洪水径流量；河道内生态等必要需水量则是相对于河流功能目标而言，维持河流汛期生态环境安全、保障生产功能而“不允许利用”的水量；两者的确定是评估流域洪水资源可利用量的关键步骤。

2.2 洪水资源利用潜力

“洪水资源(开发)利用潜力”是目前水文水资源研究领域一个较多使用而未统一定义的概念。不同文献[17-20]中所采用的洪水资源利用潜力的定义、参照标准和计算方法差别甚大。

本研究认为，洪水资源利用潜力的概念与洪水资源可利用量之间具有一致性，应综合考虑流域洪水资源利用的约束因素，由此提出岸堤水库流域洪水资源潜力可定义为：在保证流域防洪度汛安全和下游必要需水的基础上，以资源利用为目的，综合利用已建水利工程，并采取经济合理、技术可行的手段及管理措施，主动拦蓄和滞留流域内洪水，在除去流域洪水资源现状利用量之后，还可以进一步开发利用的最大洪水径流量。

洪水资源利用潜力评价是对流域洪水资源可利用量更深入的划分，其目的是寻找抬高洪水资源可利用过程线的途径和方式。洪水资源现状利用过程是依托现有水利工程，现行的调度水平，对一场天然洪水所能控制利用的水量过程，代表了一个流域的洪水资源现状利用能力；洪水可利用过程则是指在经济可行、技术合理、保障流域生态环境安全的基础上，对一场天然洪水进行最大限度的开发所能利用的水量过程。洪水资源现状利用过程与洪水可利用过程之间的区域即为本次洪水资源的利用潜力，见图2。

图2 洪水资源利用潜力示意图Fig.2 Schematic diagram of flood resources utilization potential

3 岸堤水库流域洪水资源利用潜力计算

岸堤水库流域出口衔接下一个流域，非入海口，结合岸堤水库流域洪水资源潜力的定义，本次以岸堤水库流域汛期洪水资源总量、洪水资源可利用量、岸堤水库流域出境水量(水库汛期出库水量)等作为本次洪水资源评估指标。

3.1 洪水资源潜力评估方法

通过前述可知，基于现状流域调控利用能力，流域洪水资源可划分为“可利用量”和“不可利用量”两部分。其中不可利用量又可分为为满足下游基本的“三生”用水所“不允许利用”和受流域调控能力限制而“不能够利用”两部分[21,22]。假定洪水资源可利用量能够表示为流域调控利用能力的函数，则调控利用能力为x的流域洪水资源可利用量采用公式(1)计算。

(1)

对于岸堤水库流域现状工程调控利用能力x0下的洪水资源实际利用量，采用公式(2)计算，相应的流域洪水资源利用率采用公式(3)计算。

(2)

(3)

同理，基于现状工程调控利用能力x0下的洪水资源现状可利用量，采用公式(4)计算。

(4)

(5)

W(i)-We(i)

(6)

式中：Wa(i)为流域洪水资源理论利用潜力。

根据对洪水资源量、可利用量、不可利用量及洪水资源利用潜力、洪水资源评估方法指标等的论述，进一步归纳提出了岸堤水库流域洪水资源可利用量和利用潜力计算的基本流程，见图3，该图概括了岸堤水库流域洪水资源可利用量和利用潜力所涉及的相关概念的联系及计算流程。

图3 洪水资源可利用量和利用潜力计算流程Fig. 3 Calculation process of utilization and utilization potential of flood resources

3.2 岸堤水库流域洪水资源利用现状和潜力计算

3.2.1 基础资料及处理

本文收集了1970-2012年岸堤水库流域内傅旺庄、蒙阴、岸堤水库3处水文站的逐日流量资料及常路、臻子崖等15处雨量站逐日降雨量和蒸发量等资料。通过对天然径流量还原计算得到流域汛期洪水资源量。此外，至20世纪70年代初期，流域工程布局基本稳定，因此可认为70年代以后的洪水资源利用情况，基本可代表洪水资源利用现状。评价将汛期(6-9月)划定为“洪水期”，采用Tennant法计算流域河道必要需水量，并选取处于受灾临界状态的洪水资源现状利用量代表流域工程调控能力，在此基础上对岸堤水库流域洪水资源可利用量、利用潜力等进行评估计算。

3.2.2 下游河道生态环境需水计算

由于岸堤水库流域下游河流必要需水量主要是洪水期生态环境需水，参考相关文献[23]，沂河流域最小生态需水比例为12.5%，本次研究取本流域同期多年平均径流量的15%，大致相当于Tennant法“中等”水平[24,25]。经计算，岸堤水库流域下游河流汛期(6-9月)的必要需水量为0.6 亿m3。

3.2.3 流域现状洪水调控利用能力确定

从近10年(2003-2012年)流域洪水资源实际利用量可以看出，2003、2004、2005和2011年均发生了一定规模的洪水。通过调查了解，2011年岸堤水库流域局部区域发生洪涝灾害，且实际利用量3.23 亿m3为近十年次大值。经综合比较，认为2011年岸堤水库流域处于受灾临界状态，故选取2011年的实际利用量3.23 亿m3代表现状流域洪水资源调控利用能力。

根据岸堤水库流域汛期洪水资源总量、实际利用量、不可利用量及现状可利用量等计算结果，见表1。由表1可知，岸堤水库流域多年平均洪水资源现状可利用量为2.43 亿m3，且有多个年份发生最大值，尤其是2001-2005年、2007-2009年连续出现最大值3.23 亿m3；最小值为1989年，为0.11 亿m3，这一年降水量小，流域发生严重干旱。在岸堤水库流域当前工程调控能力和运行方式下，流域汛期(6-9月)多年平均不可控洪水径流量为1.35 亿m3，部分年份比较集中，个别年份为0 亿m3；流域多年平均出境水量为2.47 亿m3，现阶段可以挖掘的洪水资源利用潜力为0.87 亿m3。

3.2.4 评价结果及分析

(1)根据计算结果，岸堤水库流域1970-2012年多年平均洪水资源实际利用量为1.58 亿m3，平均利用率为38.9 %，利用率不高。从多年平均的角度看，洪水资源实际利用量小于现状可利用量，见图4。但有6个年份流域洪水资源实际利用量达到或超过了现状可利用量，占总年份的17.0%。这6个年份中，有3个年份是由于洪水期河道内必要需水量受到挤占，导致洪水资源实际利用量超过洪水资源可利用量，河道基本功能受到损害；另有3个年份(如1990年)，由于汛期来水较多，洪水资源实际利用量达到(超过了)流域洪水资源调控利用能力，对流域防洪安全保障造成了一定损害。因此一方面需加强对平水、枯水年份洪水资源的合理管理，做到适度利用，保障洪水期河道内必要生态环境需水量；另一方面需加强防洪工程体系建设，提高丰水年份流域防洪安全保障能力。此外，从图4可以看出，1970-2012年间，岸堤水库流域汛期洪水资源可利用量受不可控洪水径流量约束的年份多于受河道必要需水量约束的年份，此时不可控洪水径流量即为流域洪水资源不可利用量。

表1 岸堤水库流域洪水资源利用现状和利用潜力计算结果 亿m3

注：③=②-①；④=max[①-(W0，0)]；⑤=max[④，We(i)]；⑥=①-max(④，⑤)；⑦=①-We(i)；⑧=②-⑤；⑨=②-We(i)。

图4 岸堤水库流域洪水资源实际利用量与现状可利用量Fig.4 Actual utilization amount of flood resources and current available amount of embankment reservoir basin

(2)从多年平均来看，岸堤水库流域具有一定的洪水资源利用潜力，但年际分布不均匀，主要集中在丰水年份，部分枯水年份利用潜力为0 亿m3。20世纪70年代、90年代初期及2004年以后利用潜力较大，其中近几年(2004-2010年)均可达到1.14 亿m3。岸堤水库多年平均(1970-2012年)洪水资源理论利用潜力为1.90 亿m3，除个别年份利用潜力为0 亿m3外，大部分年份均具有一定的理论利用潜力，同样具有年际分布均的规律。其中最大值为1970年的5.38 亿m3，最小值为2006年的0.07 亿m3。

(3)通过绘制岸堤水库流域洪水资源总量与利用潜力关系、洪水资源总量与可利用量关系图，见图5与图6。根据图5

图5 岸堤水库流域洪水资源总量与利用潜力关系Fig.5 Relationship between flood resources and utilization potential of embankment reservoir basin

图6 岸堤水库流域洪水资源总量与可利用量Fig.6 The total amount of flood resources and the amount of benefit of embankment reservoir basin

和图6判断，岸堤水库现状洪水资源利用潜力具有较为显著的阈值条件，现状利用水平条件下汛期洪水资源利用的合理阈值在4.17～8.29 亿m3之间，利用对象大多为中小型洪水。而对于流域洪水资源理论利用潜力，则表现为当汛期洪水资源量超过4.17 亿m3时，岸堤水库流域理论利用潜力随流域洪水资源量增加而增大，此现象说明岸堤水库流域现状洪水资源利用潜力受流域洪水调控利用能力的制约。

(4)岸堤水库流域1970-2012年来水条件下，现状洪水资源可利用量多年平均为2.43 亿m3；理论可利用量最大值为1970年的7.80 亿m3，最小值为1989年的0.11 亿m3。根据图5分析，在岸堤水库流域现状洪水调控利用能力(3.23 亿m3)之内，流域的洪水资源现状可利用量与理论可利用量两者是相互重合的，当超过流域现状洪水调控利用能力(3.23 亿m3)时两者之间发生分离，具体表现为理论可利用量与洪水资源总量在数值上呈线性上升关系，而现状可利用量受现状洪水调控利用能力的约束，两者变化趋势保持一致且在数值上存在等同关系。

4 结 语

本文以岸堤水库流域为例，阐述了流域洪水资源利用潜力等相关概念及计算流程，根据岸堤水库流域洪水资源调控实践与需求，综合极限分析研究方法，提出了岸堤水库流域洪水资源利用潜力的一个阈值空间，以及现状可利用量与洪水调控利用能力的逻辑关系，对岸堤水库流域洪水资源利用以及水库的运行管理具有重要的指导意义。同时，有助于完善水库洪水资源利用、防洪安全保障及下游河道生态环境间的评价体系，也有益于进一步明确水资源安全利用的相关概念。

需要指出的是，洪水资源可利用量是一个动态的概念，受影响因素众多，在实际资源利用中具有很高的复杂性和不确定性。本文在洪水资源利用潜力的计算方法上，尤其是洪水资源调控能力的确定及生态环境需水计算上，还有进一步完善的空间。另外，在空间尺度上只研究了岸堤水库流域，应联合上下游工程，从整体防洪系统着手，深入开展大流域、多工程调控下的洪水资源利用潜力分析研究，建立更加完善的评估体系，完善流域水资源开发利用时间和空间格局，提高洪水资源利用水平。