大清河流域文安洼雨洪资源可利用量分析

杜 强 ，聂 睿 ,2，李国强 ，诸葛亦斯 ，李双双 ，石浩洋 ,2，陈一迪 ,2

（1.中国水利水电科学研究院水生态环境研究所，100038，北京；2.三峡大学水利与环境学院，443002，宜昌）

文安洼蓄滞洪区是海河流域面积最大的蓄滞洪区。 随着上游山区大型水库陆续建成、堤防工程不断优化升级、流域防洪能力不断增强，文安洼蓄滞洪区启用频率大大降低。 同时，经济社会快速发展对水资源消耗不断加剧， 文安洼内水资源严重紧缺。 随着居民生活水平日益提高、京津冀协同发展加快推进、雄安新区建设等，文安洼内生态环境面临更高要求。 在水源严重短缺、生态恢复需求突出的背景下，需要合理挖掘、充分利用区域内雨洪资源， 修复文安洼湿地，建设绿色、健康、美丽的生态环境。

对雨洪资源利用潜力的精确计算，是实现雨洪资源利用的基础和前提。 目前关于雨洪资源利用潜力研究，主要使用模型计算且针对城市区域，如夏军等在总结城市雨洪产汇流计算方法以及城市雨洪模型发展历程的基础上，对国内外常用的城市雨洪模型进行对比； 常晓栋等基于SWMM 模型对城市雨洪情况进行模拟； 赵飞等利用多年平均降水量法，计算了多个城市的雨洪资源利用潜力。 而针对蓄滞洪区计算雨洪资源量潜力的研究较少。 考虑文安洼蓄滞洪区 1990 年 、1995 年 、2000 年 、2005年、2010 年、2015 年和 2018 年土地利用情况，分析得到下垫面情况，因文安洼蓄滞洪区区域范围涉及河北省文安县、任丘市、大城县和天津市静海县4 个县区， 区域面积达1 556.5 km2，使用模型计算较为困难，因此选用不同下垫面类型分析法，计算文安洼蓄滞洪区雨洪资源利用潜力。

一、数据来源

文安洼土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心，选取 1990 年、1995 年、2000 年、2005年 、2010 年 、2015 年 、2018 年 中 国 土地利用现状遥感监测数据， 利用ArcGIS10.6 将文安洼蓄滞洪区内的土地利用类型进行了识别和统计。 基于全球县级气象数据调用界面， 获取了1979—2020 年文安洼蓄滞洪区所涉及的河北省文安县、任丘市、大城县和天津市静海县的降雨数据。

其中，任丘市和大城县的年均降雨过程具有一致的趋势。 因此本文选取大城县的降雨过程作为文安洼降雨过程的代表数据进行计算。

二、研究方法与结果分析

1.不同下垫面类型分析法

下垫面类型不同，对应的可利用雨洪资源量也不同。 文安洼区域的下垫面类型有多种。 余卫东等根据城市下垫面性质不同，将城市建成区划分为不透水区、 园林绿地区和水域区3种类型。 为方便计算，本文在识别文安洼土地利用情况的基础上，将其下垫面类型大致分为3 种：一是不透水下垫面，主要包括城镇、工矿和居民用地，其透水性较差，计算时应除去降雨损失和前期弃流；二是透水下垫面，包括耕地、林地和草地，其透水性较好， 计算时应注意扣除植被截留量；三是河流、湖泊、坑塘等可直接将雨洪资源转化为水资源的水域。 由此，可得文安洼雨洪资源量利用潜力的计算模型如下：

式中Qe为城市雨洪资源利用的现实潜力，m3；Q1为不透水下垫面的雨洪资源量，m3；Q2为透水下垫面的雨洪资源量，m3；Q3为水域的雨洪资源量，m3；Qt为临界雨洪资源量， 即超出城市防洪承载力的雨洪资源量，m3。 其中，城市临界降水量的确定对雨水资源化潜力非常重要， 需进一步验证。

2.结果与分析

识别和分析文安洼1990 年、1995 年 、2000 年 、2005 年 、2010 年 、2015 年、2018 年土地利用情况，计算不同年份文安洼各类型下垫面面积，如图1 所示。 综合不同年份耕地、林地、草地、水域等各类型下垫面面积统计结果和对应的降雨条件，计算得到下垫面变化情形下文安洼雨洪资源可利用量，如表1 所示。

图1 不同年份文安洼各类型下垫面面积统计

表1 下垫面变化情形下雨洪资源可利用量计算 （单位：m3）

三、讨 论

从1990—2018 年土地利用的情况来看，近几十年，文安洼蓄滞洪区内城镇化速度加快，原有的农田、湿地、林地、 草地甚至水域等不断被围垦开发利用变成住宅、商业或工业用地，下垫面情况不断改变，不透水面积增加，水资源天然循环过程和分配方式发生改变， 因而区域可利用的雨洪资源量也发生改变。 文安洼内透水下垫面所占比重呈逐步下降趋势，由1990 年的90.76%下降到 2018 年的 80.22%；不透水下垫面所占比重呈逐步上升趋势，由1990 年的6.83%上升至2018 年的16.34%。 近30 年来我国经济社会快速发展，作为蓄滞洪区，文安洼为保证防洪安全土地开垦和基本建设受到一定的制约和限制， 但从土地开发利用程度和类型来看， 区内仍旧经历了较快发展， 下垫面类型改变对于土壤水分条件和径流过程均有较大影响。河湖池塘等水域面积近30 年来变化不大，2015 年后有一定幅度的明显增长， 这与党的十八大以来加大河湖保护力度、 自然水域受人为破坏程度降低等因素密切相关。

从降雨量变化看， 近40 年来文安洼内降雨量呈线性上升趋势，上升斜率为0.248 5。因此在不透水下垫面面积显著上升且降雨量也增加的情况下，文安洼内可利用雨洪资源量有所提升。从降雨量年内分布来看，降水主要分布在6—8 月，月均降水量最高可达到160 mm，但枯水期几乎没有降水。随着蓄滞洪区内经济社会发展，城镇化进程不断加快， 下垫面条件及暴雨洪水特性发生了较大变化， 如不透水面积增加， 相同量级降雨情况下产流量增加，径流系数加大，加重了城市防洪、排水的负担，从而可能影响蓄滞洪区蓄滞洪能力的有效发挥。

四、结论与展望

在文安洼蓄滞洪区启用频率大大降低，京津冀一体化、雄安新区建设对区域生态建设提出更高要求，且文安洼内水资源极度短缺的背景下，需要充分挖掘利用区域雨洪资源进行湿地恢复和生态建设，而准确计算区域可利用雨洪资源量是进行雨洪资源利用的前提。 本文使用不同下垫面类型分析法，计算文安洼雨洪资源可利用量。 结果表明：文安洼内不透水下垫面面积显著增长，雨洪资源可利用量显著增大，控制利用雨洪资源的意识和技术水平不断提高，目前来看，充分利用区域雨洪资源恢复洼内湿地是可行的。

目前我国大多数城市的雨洪资源利用设施数量较少且控制面积小，难以对雨洪资源进行较大规模的开发利用。 对于面积广袤的文安洼蓄滞洪区，其主要土地利用类型为耕地，难以铺设广泛的蓄滞设施， 因此在下一步利用雨洪资源修复湿地的过程中，应先着重以文安县、大城县、任丘市和静海县城区内的雨洪水利用为主。