海岛雨洪资源高效利用技术系统研究

吴 泽 华

(福建水利水电科学研究院，福州 350001)

海岛是海洋的重要组成部分，有巨大的经济、军事、科学和生态价值[1]。我国500 m2以上的海岛有6 500个以上，总面积6 600 多万m2，其中有常住居民的455 个，人口470多万。海岛开发对于建设海洋经济强国有重大意义。但由于海岛与同纬度大陆地区相比，存在降水量少，蒸发量大，地形地貌特殊等条件，导致可利用的地表水资源量较少，再加上地下水赋存条件差等问题，致使海岛上淡水资源极度缺乏，对海岛可持续开发利用构成根本制约。大陆引水、海水淡化、中水回用以及雨洪资源利用都是提升水资源供应能力的有效措施，但大陆引水方案仅适宜邻近大陆的海岛，而中水回用和海水淡化成本高、水质差，因此海岛雨洪资源高效利用研究具有重要的意义。

国内外专家学者针对海岛雨洪利用开展了一系列研究，新加坡将河流改为蓄水池并设置中央集水区自然保护区[2]；丹麦以开采地下水为主，同时执行严格的地下水保护策略；台湾岛采取大型滞洪池研究或小型入渗设施；浙江省舟山岛开展“六水”联动措施开发利用雨洪资源[3-6]；山东长岛建设了蓄水池和环山渠道等；俞孔坚提出了海岛雨洪管理系统[7]。但是已有研究未能从系统管理角度把握海岛水资源的利用程度和利用效率，未将海岛水资源统筹宏观调配和管理。

1 海岛雨洪利用的难点和关键点

研究通过对海岛地区地形地貌、水文气象、地质形态等分析研究，认为海岛雨洪利用存在以下难点和关键点。

(1)海岛雨洪资源量精确估算难。海岛雨洪资源的开发利用，首先要对海岛雨洪资源量进行评估，明确海岛水资源总量。然而，海岛与大陆脱离，为独立系统，海岛地区一般没有设立水文站点，尚属无资料地区，如何在无资料的前提下对海岛雨洪资源量评估，是海岛雨洪开发利用的难题。

(2)径流短小，快速入海，海岛雨洪资源收集难。海岛地区地域狭小，径流短而分散，快速独流入海，雨水在岛内下渗和蓄滞不足，是导致海岛水资源缺乏的关键因素。因此，如何利用海岛短小的径流，延长径流在陆地的滞留时间，有利于雨洪收集,是解决海岛雨洪资源利用的又一难点。

(3)构建海岛雨洪储存体系是关键。海岛降雨时空差异性大，主要为季风雨、台风雨，将季风期的雨洪资源贮蓄起来，调配至冬春枯水期进行利用是海岛雨洪利用的主要途径。但海岛陆域面积有限、地形地貌大多以平原为主，仅有小部分山地丘陵，可建的地面水库库容往往规模过小，调节能力不足，再加上多数海岛蒸发量大于降雨量，地面库水蒸发损失大。因此要打破单纯依赖传统水库蓄水的固定思维,构建好雨洪资源的地表、地下、蓄淡水库构成的多维存储体系十分关键。

(4)全岛雨洪资源调度管理与利用是关键。雨洪资源由于收集区域和途径的不同，水质差异明显，针对岛内雨洪资源的来源情况，分途径收集、分区存储，进而分质利用，是平海岛雨洪资源科学、高效的综合利用的基础。将全岛水资源纳入综合系统，以进行海岛水资源统筹宏观调配和管理，是保证海岛雨洪资源高效利用的关键问题。

2 海岛雨洪资源高效利用技术系统

针对海岛雨洪利用的难点和关键点，研究构建了集合雨洪资源评估、雨洪资源迟滞和收集、雨洪资源存储、雨洪资源调度利用于一体的海岛雨洪资源高效利用系统，为海岛雨洪资源高效开发利用提供技术支撑。

2.1 海岛雨洪资源评估技术

由于大多数海岛缺少长期水文站点,无法支持传统水文计算方法评估海岛雨洪资源量。研究选用有物理机制的HIMS(HydroInformatic Modeling System)分布式水文模型与传统水资源评价方法相结合，对稀缺资料岛屿水资源进行科学地评估计算。HIMS水循环综合模拟系统可针对水资源、水环境、水生态、水灾害和水管理等问题进行多时空尺度的综合模拟，目前已在黄河流域、海河流域、黑河流域、青藏高原等多个流域以及澳大利亚、美国的部分流域得到成功应用和验证[8-10]。该模型兼顾了超渗产流与蓄满产流的主要因素，适用性强，在稀缺资料地区的水文模拟中具有较好的精度[11, 12]。

HIMS系统的基本结构如图1所示，产流发生在每个子流域上，产流模型在垂直方向上划分为3层，分别为地表产流、壤中流和地下径流。地表径流采用超渗产流模式，地下又划分为两层，即上层和下层，上层土壤的含水率影响蒸散发，上层土壤产生壤中流，同时下渗补给下层，向下渗透到地下潜水面或深层地下水，产生地下径流。地表径流、壤中流和地下径流全部汇入河道，为总径流量。

图1 HIMS 模型结构图

基于河网空间拓扑关系，将研究区域离散为若干个子流域，构建分布式HIMS型。在分布式HIMS模型中，每个子流域包含一条汇流河段，子流域之间通过河网空间拓扑关系进行连接；逐级利用马斯京根方程进行河段汇流演算，从低一级河流逐步汇入高一级河流，最后汇集到流域出口断面。

研究采用子流域与网格相结合方式，构建海岛HIMS分布式水文模型，重建岛内长时间序列的日过程径流、蒸发、土壤水等水量平衡要素时空变化过程；将分布式水循环过程模拟与传统的水资源评估计算相结合，引入土壤水资源可利用量的估算，从而更为全面的评价研究区的可利用水资源量，获得具有较高时空分辨率的稀缺资料岛屿水资源评价结果；绘制海岛水资源可利用量的空间分布图，揭示了其淡水资源的时空变化特征。研究结果表明，将具有物理机制的分布式水文模型与传统水资源评价方法相结合，是实现稀缺资料岛屿水资源科学评估计算一个重要途径与发展方向。

2.2 海岛雨洪迟滞技术

雨洪迟滞技术围绕增强雨水下渗和利用地形地貌蓄滞，在山区小流域、平原区的城市、乡村针对性采用分类雨洪迟滞技术包，延长雨洪资源在岛内的滞留时间，增加拦蓄量，同时增强下渗补充地下水，充分高效利用雨洪资源，见图2。

图2 海岛雨洪资源高效利用技术系统

(1)海岛山区小流域。海岛山区小流域雨洪迟滞技术主要包含水源涵养植保措施和工程措施进行小流域综合治理，研究分析表明，针对海岛山区小流域的雨洪收集措施，宜按面向内侧、流向岛内的小流域和面向外侧、直流入海的小流域采取不同的雨洪迟滞措施。对于内侧小流域，宜采用种植树木、草皮增加雨水入渗为主植保措施、以沟谷滞洪为主的小流域工程治理措施进行综合处理；对于直流面海的外侧小流域，宜采用种植树木、草皮增加雨水入渗为主植保措施和环外侧山坡采用截流沟导入内侧流域或水库的小流域工程治理措施进行综合处理。同时，项目组研究分析了海岛小流域的地形地质特点，对于部分为岩盘出露的区域，研究采用植物网垫种草来改造，可以很好的起到水源涵养效果。

(2)海岛平原城市区。海岛城市区雨洪迟滞主要结合“海绵城市”的建设理念[13, 14]，统筹低影响开发雨水系统(Low Impact Development，LID)[15]、城市雨水管渠系统及超标雨水径流排放系统，增强城市区内雨洪资源的下渗和收集。新开发海岛的城市区建设应按“海绵城市”的绿地、道路、小区标准进行，并进行城市地下综合管廊的建设。

(3)海岛平原乡村区。海岛平原乡村区雨洪迟滞收集，应因地制宜，一进行绿色屋顶-家庭自来水供水系统改造；二改造和利用地势低平的沟渠、坑塘蓄水；三在平原乡村区的局部不透水地坪和距离地下水位较高的地面，为有利于雨洪资源的下渗回灌，应适度增设下渗回灌管井；四采用井灌工程抽取地下水以促进雨洪资源的下渗[16, 17]。

2.3 建立海岛雨洪存储体系

海岛雨洪存储要建立三大储水体系，一是合理调度既有水库群，充分利用水库间的库容差异以及水文差异，发挥库群的联合补偿作用，使有限的水资源得到更合理、更有效地利用[18]；二是结合海岛天然含水层、砂矿层集蓄地下水，建立地下储水空间[19, 20]；三是利用海岛天然海湾形成对外与咸水隔离，对内淡水长期置换库底，最终形成蓄淡水库。最终形成已有系列水库、地下水库和蓄淡水库综合利用调配的雨洪资源贮蓄系统，大幅提升雨洪资源贮蓄能力。

2.4 建立基于分质利用的全岛雨洪调度利用系统

全岛调度利用是将城市、乡村、山区蓄滞流以及已有地面水库-地下水库-蓄淡水库、岛内河流勾连起来，统筹管理、优化调度，并辅以试验、监控、模拟预测等功能，构成一个综合的调度管理系统。建设包括沿环岛路输水管线、取水泵站、加压泵站、供水水厂的河库联通、库库联通、管网联通、库网联通的全岛水资源调度系统，增加了全岛水资源调控能力和用水安全。利用“智慧水利”平台进行水资源分质利用，对不同汇流介质和不同的储水设施集蓄雨洪资源，采取分途径收集、分区存储、分质利用。

2.5 海岛雨洪资源高效利用技术系统的有机联系

海岛雨洪资源高效利用技术系统是个有机联系的整体。海岛雨洪资源科学评估技术是整个系统运行的基础，有了精准量化的海岛雨洪资源利用量和利用效率，方可精确跟踪整个系统运作的持续改善。海岛雨洪迟滞技术是关键，解决了海岛雨洪资源收集难的问题，才能考虑后续雨洪资源的储存和高效利用。海岛雨洪储存体系是整个系统有效运行的保障，地表、地下、蓄淡水库构成的多维存储体系库容越大，则海岛雨洪资源利用效率越高。基于分质利用的全岛雨洪调度利用系统是统领，在全岛雨洪资源得到有效收集和存储的基础上，在全岛利用层面, 水资源通过调度管理管好用好，优水优用、分质利用，用储结合、供需平衡，才能使整个系统发挥最佳效益。

3 实例应用

平潭岛是福建省第一大岛、我国第五大岛，地处福建省东部海域，东临台湾海峡，是大陆距离台湾最近的地区，特殊的地理位置使其成为海峡西岸经济区建设的先行先试综合实验区，也是“一带一路”国家战略中“21世纪海上丝绸之路”的起点之一[21]，具有极其重要的战略地位。

平潭主岛海坛岛面积274.3 km2，地势南北高、中部低，南部和北部绝大部分为起伏的丘陵与低山，中部为海积平原。海坛岛多年平均降雨量1 128.2 mm，由于地形地貌原因，并无江河水系，只有46条时令溪，溪流短、流量小，均独流入海，且呈间歇性。三十六脚湖是全岛最大的天坛淡水湖，集水面积13.4 km2。海坛岛具有典型的海岛水文气象和地理条件特征，降雨充沛，但汛期台风暴雨集中；径流分散而短，雨洪资源收集和存储设施有限。岛内雨洪资源利用率低，仅26%左右；原有居民40万，人均水资源量仅500 m3/a。

随着平潭岛综合实验区大开发政策的实施，全岛大部分区域处于快速城市化发展期。平潭综合实验区近期将重点推进六大区域建设：产业发展区、国际旅游发展区、商贸合作区、现代物流港区、科技文化产业区、城市发展区。远期规划岛内居民将达到150万，水资源保障支撑任务极重。

3.1 平潭岛雨洪资源量模拟

研究根据影响平潭岛降雨产流的关键下垫面因子(土壤类型、坡度、土地利用类型)并结合实地调研提取出了主要的下垫面类型，开展野外人工降雨入渗产流实验，得到平潭岛降雨产流关系的空间分布，以此为基础结合实地调研和专家知识经验知识，基于HIMS平台构建了平潭岛日尺度分布式水文模型。模型将全岛划分为286个子流域单元，共119个入海口流域(如图3,所示)，模拟包括径流量、蒸发、土壤水储量在内的多个水循环要素，最小时间尺度为日尺度。研究设立了冠山村君山小流域参证站点、五一村、冠山村两个雨量径流自动测报站并率定参数和验证参数。

图3 研究区范围、高程、气象雨量站点示意

将分布式水循环过程模拟与传统的水资源评估计算相结合，研究获得了具有较高时空分辨率的稀缺资料岛屿水资源评价结果，并绘制了福建平潭岛水资源可利用量的空间分布图，图4-图6，揭示了其淡水资源的时空变化特征。

图4 子流域单元及入海口分布图

图5 平潭岛多年平均月尺度、季节尺度、年尺度的水资源可利用量

图6 平潭岛多年平均传统水资源可利用量、水资源可利用总量分布

结果显示，平潭岛多年平均传统水资源量为1.41 亿m3，传统水资源可利用量0.97 亿m3，考虑了土壤水资源后，多年平均水资源可利用总量为1.70 亿m3，接近传统水资源可利用量的两倍。可见，如果对土壤水资源量给予足够的重视，并合理开发利用，将有效缓解岛内淡水资源缺乏的问题。年内分配上，6月份的水资源可利用量比例最大，在传统水资源可利用量和水资源可利用总量的比例分别为22.2%和19.3%；汛期(4-9月)分别占全年的78.0%和73.5%；考虑了土壤水资源后，非汛期的水资源可利用总量比例比传统的水资源可利用量比例有所上升。从空间分布来看，水资源可利用量较高的区域集中在中部平原以及岛内侧的山间盆地，沟道短小、分散独流入海的环岛周边子流域径流量小，且不容易收集利用，因而水资源可利用量较小。

3.2 海岛雨洪径流迟滞技术效果分析

在山区小流域、平原区的城市、乡村采用不同措施，延长雨洪地表水资源在岛内的滞留时间，特别是针对海岛小流域外侧雨洪资源直接流失入海的雨洪资源收集，建立了覆盖全岛的雨洪资源迟滞和收集技术体系，并且通过HIMS模型分析取得良好的实施效果，见表1。

表1 平潭岛雨洪资源迟滞技术工具包效果分析

3.3 海岛雨洪资源储存技术的原理分析和效果

(1)通过地表水库互联互通技术，建设水库与河道的库库联网、库河联网和河河联水工程，将现状废弃的小型水库山塘充分利用起来，可增加水资源存储库容约600 万m3，是现状全岛库容总量的20%。

(2)通过实施地下储水空间利用和雨洪资源回补工程技术，在芦洋埔、七里铺等地区利用海岛地层中的天然含水层、砂矿层，采集和利用地下水，将海岛现状地形有利的地下储水空间充分利用起来，可增加水资源存储库容约2 700 万m3，是现状全岛库容总量的90%。

(3)通过实施蓄淡水库技术，利用海岛海湾狭窄处设海堤和水闸，形成对外与海水隔离、对内蓄滞雨洪的库容，可增加水资源存储库容约2 400 万m3，是现状全岛库容总量的80%。

总体而言，通过建立地表水库——地下储水空间利用——河海口蓄淡水库三大存储体且互联互通的雨洪资源存储技术体系，平潭岛水资源存储库容可大幅提升190%左右。

3.4 基于分质利用的全岛雨洪资源调度利用技术系统

构建包括沿环岛路输水管线、取水泵站、加压泵站、供水水厂的河库联通、库库联通、管网联通、库网联通的全岛水资源调度系统，增加了全岛水资源调控能力和用水安全。根据雨洪资源的来源分途径收集、分区存储，进而分质利用的思想体系，按照水质分类等级和用水供需平衡条件，将良好水源地、小水库和地下水库的水质较好的水可用于生活用水，而蓄淡水库、“海绵城市”和乡村区贮蓄水用于工业用水、农业用水、景观水、生态水等。

研究建立了平潭岛雨洪资源分区域迟滞和收集，地表水库、蓄淡水库和地下储水空间共同存储、联合调度、分质利用的平潭岛雨洪资源综合利用系统。根据数学模型模拟和全岛雨洪资源调度利用分析，实施平潭岛雨洪资源综合利用可收集小流域雨洪资源量约3 600 万m3，远大于现状供水总量约1 450 万m3；十八村森林公园地下储水空间利用1 180 万m3，供应于生活用水，比现状年供水量255 万m3提高约925 万m3；通过绿色屋顶，透水铺砖和沉淀过滤措施进行海绵城市雨洪收集3 716 万m3，用于工业用水；平原乡村区采用分散式绿色屋顶收集约127 万m3农村生活用水，采用水井坑塘收集利用农业灌溉用水1 373 万m3。综合计算各类用水利用量达到9 996 万m3，雨洪资源利用率由现状的约26%提升至约59%，真正实现平潭岛雨洪资源的高效利用。

4 结 语

研究以实现海岛雨洪资源高效利用为目标，根据海岛特有的水文地质条件结合海岛开发的不同功能区域规划，从海岛水资源综合利用和保护海岛生态系统的角度出发，提出全面的、适用面更广同时对海岛生态系统破坏更少的雨洪资源高效利用系统，有助于利用好本地雨洪资源，增强海岛水资源调控力，形成良好水资源水生态循环，可应用于海岛及沿海半岛地区雨洪资源可持续开发利用。