王宗志，劉克琳，程 亮，齊春三，譚樂(lè)彥

（1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013）

1 研究背景

中國(guó)水資源時(shí)空分布高度不均、與人類社會(huì)需求顯著不匹配，這使得水資源開發(fā)利用就是通過(guò)興建水利工程以及優(yōu)化其調(diào)度方式等工程和非工程措施來(lái)提高水資源調(diào)控利用能力，從而盡可能多地將汛期洪水轉(zhuǎn)化為常規(guī)水資源的過(guò)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(shí)踐早已有之且長(zhǎng)期存在，但這一概念的明確提出則肇始于21世紀(jì)初［3］。2002年國(guó)家防辦組織南京水利科學(xué)研究院、大連理工大學(xué)和武漢大學(xué)等單位開展了涵蓋設(shè)計(jì)洪水計(jì)算、汛限水位分期設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)控制專題研究，拉開了國(guó)內(nèi)水庫(kù)洪水資源利用研究序幕［4-5］。之后，圍繞水庫(kù)洪水資源利用技術(shù)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(diào)整及綜合論證的技術(shù)方法，研發(fā)了防洪系統(tǒng)洪水資源利用技術(shù)，研究成果在潘家口水庫(kù)、密云水庫(kù)以及北三河水系、灤河水系得到成功應(yīng)用。郭生練等［4，7-9］評(píng)價(jià)了國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)洪水計(jì)算進(jìn)展，以三峽等大型水庫(kù)為對(duì)象開展了水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方式研究；王本德等［5，10］評(píng)價(jià)了降雨、洪水預(yù)報(bào)信息和調(diào)度人員經(jīng)驗(yàn)在水庫(kù)實(shí)時(shí)調(diào)度中的可用性，提出了基于預(yù)蓄預(yù)泄和綜合信息模糊推理模式的動(dòng)態(tài)汛限水位控制方法，并在大伙房、葠窩、于橋等水庫(kù)得到成功應(yīng)用；Yun等［11］探討了汛限水位分期運(yùn)用和動(dòng)態(tài)控制對(duì)供水的影響；Chou等［12］研究了基于期望缺水量最小的水庫(kù)防洪預(yù)泄策略；鐘平安等［13］探索了梯級(jí)水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域的計(jì)算問(wèn)題，王忠靜等［14］對(duì)洪水資源利用的適度性進(jìn)行了分析；Ding等［15］提出了考慮預(yù)報(bào)不確定性和可接受風(fēng)險(xiǎn)的水庫(kù)洪水資源利用的分析框架。上述成果：（1）主要集中在水庫(kù)上，鮮見如何從整個(gè)流域系統(tǒng)出發(fā)，探討實(shí)施洪水資源利用的系統(tǒng)公開報(bào)道；（2）主要集中在技術(shù)方法層面，尚未建立其完備的理論方法體系和系統(tǒng)的應(yīng)用模式。這在一定程度上阻礙了洪水資源利用的具體實(shí)踐。為此，本文將文獻(xiàn)［1］建立的集潛力評(píng)價(jià)、利用方式選擇和風(fēng)險(xiǎn)效益綜合評(píng)價(jià)于一體的流域洪水資源利用模式，系統(tǒng)應(yīng)用于南四湖流域，驗(yàn)證應(yīng)用模式的合理性和有效性，力圖為類似研究和實(shí)踐提供借鑒與參考。

2 南四湖流域洪水資源利用實(shí)例分析

2.1 南四湖流域簡(jiǎn)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(nèi)最大的蓄水體——南四湖是中國(guó)第六大淡水湖，湖面面積1 266 km2。據(jù)近45年的實(shí)測(cè)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(gè)縣（市、區(qū)）來(lái)水，匯集大小河流共有53條，湖東28條，湖西25條，來(lái)水經(jīng)南四湖調(diào)蓄后，經(jīng)韓莊運(yùn)河和不牢河下泄入中運(yùn)河，再下排駱馬湖。經(jīng)過(guò)新中國(guó)成立以來(lái)60余年的工程建設(shè)，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(kù)、湖西平原河網(wǎng)閘壩群和流域中央大型湖泊（南四湖）構(gòu)成的河湖庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用的防洪系統(tǒng)（如圖1所示），流域防洪標(biāo)準(zhǔn)總體達(dá)到50年一遇，局部達(dá)100年一遇?？梢姡纤暮饔蚓邆淞藢?shí)施洪水資源利用的資源條件和工程基礎(chǔ)［3］。

2.2 潛力評(píng)價(jià)

2.2.1 資料收集及處理 本文收集了南四湖流域后營(yíng)、滕縣和薛城等10個(gè)入湖水文控制站1974—2008年的逐日流量資料，湖區(qū)南陽(yáng)、二級(jí)湖閘、微山等3個(gè)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(píng)價(jià)時(shí)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(shè)始于20世紀(jì)60年代，到20世紀(jì)70年代初期，流域工程布局就基本穩(wěn)定，因此可認(rèn)為流域20世紀(jì)70年代以來(lái)的洪水資源利用情況，基本可代表洪水資源利用現(xiàn)狀?；诖?，由入湖控制站的逐日流量過(guò)程和湖區(qū)降雨蒸發(fā)資料，經(jīng)面積比修正以后，計(jì)算得到河川徑流量，并以此作為汛期天然洪水資源量。同時(shí)由出湖控制站的實(shí)測(cè)流量資料計(jì)算得到的出境水量，作為對(duì)應(yīng)現(xiàn)狀洪水調(diào)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(chǎn)用水，由于目前尚未有水量或水權(quán)分配方案，同時(shí)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(jí)的生態(tài)環(huán)境需水量來(lái)代替。

2.2.2 流域下游河道生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算 南四湖流域的下游出口河流是韓莊運(yùn)河和不牢河，其下泄流量分別由韓莊閘和藺家壩閘控制。運(yùn)用Tennant法對(duì)南四湖流域下游河流的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行計(jì)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(dāng)于Tennant法“中等”水平對(duì)應(yīng)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(píng)價(jià) 根據(jù)文獻(xiàn)［1］式（8）計(jì)算得到南四湖流域逐年洪水資源實(shí)際利用量，發(fā)現(xiàn)近10年（1998—2008年）來(lái)，1998、2003、2004和2005年均發(fā)生了一定量級(jí)的洪水，經(jīng)綜合比較，選擇南四湖流域現(xiàn)階段（近期）2005年的實(shí)際利用量24.89億m3為現(xiàn)狀工程條件下的洪水資源調(diào)控利用能力。南四湖流域1974—2008年多年平均實(shí)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(jīng)計(jì)算多年平均洪水資源實(shí)際利用率為64.9%，有些年份達(dá)到了100%。此外，從多年平均角度來(lái)看，現(xiàn)狀可利用量大于實(shí)際利用量，但是有18年實(shí)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(jì)80年代初和90年代末，或多或少出現(xiàn)了洪水資源過(guò)度利用，擠占下游生態(tài)需水的現(xiàn)象。經(jīng)與年降水對(duì)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(yuǎn)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(shí)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(guān)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(lái)看，20世紀(jì)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(dá)到了9.33億m3，但中間除少數(shù)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(jīng)常決口漫溢，積水成災(zāi)。為治理洪澇問(wèn)題，1949年以來(lái)，南四湖流域?qū)嵤┙y(tǒng)一規(guī)劃與管理，以“高水高排、低水低排”為理念對(duì)原有水系進(jìn)行大規(guī)模調(diào)整，對(duì)原有的諸多天然河流截?cái)?、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(jì)運(yùn)河、洙趙新河、東魚河、復(fù)新河、大沙河和新（老）萬(wàn)福河等主要河流都是當(dāng)時(shí)開挖的人工河道。水系經(jīng)過(guò)調(diào)整后，河道行洪速度加快，濱湖地區(qū)的洪澇問(wèn)題得到了有效緩解。但是隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，河道外用水大幅度增加，但由于南四湖調(diào)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(lái)。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(diào)的水網(wǎng)體系，是實(shí)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(zhǎng)，西北—東南走向，南北長(zhǎng)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(diào)蓄和平原河道行洪功能。1960年在湖腰處開始建設(shè)二級(jí)壩（1975年建成），將南四湖分成上級(jí)湖和下級(jí)湖兩部分。上級(jí)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(kù)容5.8億m3，死庫(kù)容1.9億m3。下級(jí)湖正常蓄水位32.5 m，死水位31.5 m，興利庫(kù)容4.6億m3，死庫(kù)容3.1億m3。二級(jí)壩東起?？诶线\(yùn)河西堤，西至東丁官屯村東南順堤河?xùn)|堤，全長(zhǎng)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(yùn)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(shì)。但是，當(dāng)前二級(jí)壩汛限水位仍按照全汛期單值運(yùn)行。因此，優(yōu)化南四湖上級(jí)湖（二級(jí)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(kù)。巖馬水庫(kù)控制流域面積357 km2，總庫(kù)容2.03億m3，興利庫(kù)容1.04億m3，是一座以防洪為主結(jié)合灌溉、發(fā)電和養(yǎng)殖等綜合利用的大（II）型水庫(kù)；馬河水庫(kù)控制流域面積94 km2，總庫(kù)容1.26億m3，興利庫(kù)容0.245億m3；尼山水庫(kù)控制流域面積264.1 km2，總庫(kù)容1.13億m3，興利庫(kù)容0.61億m3；西葦水庫(kù)流域面積為113.6 km2，總庫(kù)容1.07億m3，興利庫(kù)容0.41億m3。這4座水庫(kù)雖然屬于大型水庫(kù)，但總體上興利庫(kù)容不大，加之入庫(kù)洪水源短流急，當(dāng)前預(yù)報(bào)水平總體偏低，水雨情自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺乏。因此，目前湖東地區(qū)利用水庫(kù)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(bǔ)償調(diào)控和南四湖上級(jí)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(diǎn)”，實(shí)施“面”方式可有效降低入湖洪水集中程度，為“點(diǎn)”方式騰出更多空間。

2.4 南四湖汛限水位分期運(yùn)用 考慮到當(dāng)前南四湖流域的降水和洪水預(yù)報(bào)水平總體不高，因此南四湖上級(jí)湖采取汛限水位分期運(yùn)用更為符合實(shí)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(diào)整技術(shù)，改變過(guò)去整個(gè)汛期汛限水位恒定不變的做法，進(jìn)行分期運(yùn)用，最大限度地?cái)r蓄當(dāng)?shù)氐乇硭刂评煤樗Y源。

南四湖汛限水位分期運(yùn)用包括汛期合理性劃分、分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算、分期汛限水位推求三部分。根據(jù)1960—2008年南四湖上級(jí)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(jì)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(shù)、旬最大3日徑流量、年最大3日徑流量出現(xiàn)次數(shù)、旬最大1日降水量、年最大1日降水量出現(xiàn)次數(shù)、旬最大3日降水量和年最大3日降水量出現(xiàn)次數(shù)等8個(gè)指標(biāo)，建立行數(shù)為9、列數(shù)為8的高維時(shí)序矩陣，進(jìn)而采用系統(tǒng)聚類、K均值、變點(diǎn)分析和Fisher最優(yōu)分割等方法對(duì)汛期進(jìn)行合理性劃分［6］。通過(guò)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(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果（南四湖入湖設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果見表1。表1中W7表示7日洪量，依此類推）［18］。

將設(shè)計(jì)洪水成果代入南四湖“三湖兩河模型”進(jìn)行模擬計(jì)算?！叭珊幽Ｐ汀笔悄纤暮{(diào)洪演算模型［19］，其名字來(lái)源于湖泊地形形狀。南四湖是自上而下南陽(yáng)湖、獨(dú)山湖、昭陽(yáng)湖和微山湖等四個(gè)湖的統(tǒng)稱。從地形來(lái)看，獨(dú)山湖與昭陽(yáng)湖互相溝通，水位相平為一個(gè)湖，簡(jiǎn)稱獨(dú)昭湖。這樣將南四湖分成3個(gè)湖，南陽(yáng)湖為A湖、獨(dú)昭湖為B湖、微山湖為C湖，A、B、C三個(gè)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(jì)60年代，山東省勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jīng)改進(jìn)，被廣泛認(rèn)可并應(yīng)用于規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中［19］。

同時(shí)建立興利調(diào)節(jié)模型分析統(tǒng)計(jì)效益指標(biāo)——非汛期蓄滿率，風(fēng)險(xiǎn)效益指標(biāo)如表2所示。

表2中方案0為汛限水位沒(méi)有抬高的方案，記為基本方案。方案1至方案6的風(fēng)險(xiǎn)（效益）指標(biāo)與基本方案的差，為因采用后汛期汛限水位抬高相應(yīng)洪水資源利用方案所增加的風(fēng)險(xiǎn)（效益）；進(jìn)而再采用式（1）和式（2）對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理［20］

表1 南四湖入庫(kù)洪量頻率計(jì)算成果 （單位：億m3）

表2 南四湖后汛期汛限水位不同方案風(fēng)險(xiǎn)-效益指標(biāo)

在同一個(gè)圖上，繪制蓄滿率增加、棄水減少標(biāo)準(zhǔn)化效益指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，見圖4。從圖4可以看出，隨著后汛期汛限水位的抬高，標(biāo)準(zhǔn)化的效益指標(biāo)隨著水位增高而增大，而標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)（可認(rèn)為是實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)倒數(shù)歸一化）隨著水位抬高而降低，且在34.35 m時(shí)存在明顯拐點(diǎn)。

圖4 后汛期汛限水位抬高與標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)險(xiǎn)-效益關(guān)系

利用多目標(biāo)模糊識(shí)別決策法對(duì)汛限水位調(diào)整方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［20］，得到南四湖后汛期汛限水位抬高至34.35 m時(shí)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(kù)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(fēng)險(xiǎn)非常有限。

2.5 湖西河系連通補(bǔ)償調(diào)節(jié) 湖西河系連通補(bǔ)償調(diào)節(jié)，考慮河系間洪水發(fā)生的不同步性和洪水調(diào)控能力的差異性，在廢棄河道拓寬疏浚連通的基礎(chǔ)上，通過(guò)閘壩群的聯(lián)合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)洪水在河系間的互濟(jì)調(diào)配，提高河網(wǎng)洪水的整體調(diào)控能力，挖掘洪水資源利用潛力。通過(guò)多次實(shí)地調(diào)研，確定了可以通過(guò)連通以往廢棄河道來(lái)優(yōu)化水系結(jié)構(gòu)的初步方案。溝通后湖西河網(wǎng)水系如圖5所示，圖5中虛線為需要簡(jiǎn)單疏浚溝通的河道。

首先采用一維恒定流方法分段評(píng)價(jià)河道行洪能力。洙趙新河、東魚河和梁濟(jì)運(yùn)河的河道行洪能力較大，且自上游向下游呈遞增趨勢(shì)；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(jì)河行洪能力非常低，例如洙水河-豐收河連通點(diǎn)處行洪能力目前不足5 m3/s，安濟(jì)河行洪能力不足8 m3/s、友誼河行洪能力不足15 m3/s。但經(jīng)分析，洙水河-豐收河河底較好，通過(guò)工程規(guī)模不大的局部堤防整理加固抬高，便可達(dá)到30 m3/s的過(guò)流能力；安濟(jì)河可通過(guò)提高加固與河底的平順治理，行洪能力便可較容易的達(dá)到60 m3/s。此外，通過(guò)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(shí)現(xiàn)湖西地區(qū)大河之間的互聯(lián)互通。根據(jù)河道行洪能力評(píng)價(jià)結(jié)果，考慮到經(jīng)濟(jì)可行等原則，提出的河道行洪能力的改善方案為：安濟(jì)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(jì)調(diào)控示意圖

在此基礎(chǔ)上，建立考慮河道下滲的南四湖湖西河網(wǎng)洪水調(diào)控模型［21］進(jìn)一步獲取閘壩群優(yōu)化調(diào)控方案，該模型中含有6座水閘，假設(shè)每座水閘存在n種可調(diào)方式，那么就有n6種聯(lián)合調(diào)度方案。即使每座閘壩調(diào)整方案僅有4種，那么也存在46（4096）個(gè)可選擇方案，該數(shù)字對(duì)于水力學(xué)計(jì)算而言依然是非常龐大的。因此，在大量模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)了4組可行的運(yùn)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(yùn)行方案設(shè)計(jì) （單位：m）

利用1998年洪水（8月21日—8月29日，以下簡(jiǎn)稱199808洪水）和2004年洪水（8月27日—9月2日）對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證（限于篇幅率定和驗(yàn)證的結(jié)果對(duì)比圖略去），結(jié)果表明，模型滿足使用要求。

科學(xué)調(diào)度河網(wǎng)閘壩群，既可以適當(dāng)轉(zhuǎn)移局部地區(qū)的防洪風(fēng)險(xiǎn)，提高流域整體的防洪能力，還可以通過(guò)增加洪水與河網(wǎng)（陸面）的接觸時(shí)間，減少河道斷流，增加有效水資源量，補(bǔ)給地下水［21］。但是調(diào)度不當(dāng)，則可能會(huì)出現(xiàn)人造洪峰，出現(xiàn)洪水漫堤和潰決風(fēng)險(xiǎn)。為此，本文從風(fēng)險(xiǎn)和效益兩個(gè)方面，建立可以描述河網(wǎng)洪水運(yùn)行效果的指標(biāo)，進(jìn)而評(píng)價(jià)優(yōu)選閘壩群優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行方案。具體指標(biāo)如下：

（1）所有斷面計(jì)算水位超過(guò)設(shè)計(jì)水位的平均時(shí)間TWz

式中：Δt為模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)；T為洪水模擬歷時(shí)；sgn（*）為符號(hào)函數(shù)，如果*大于零，其值為1，否則其值為0；Ncs為河網(wǎng)斷面數(shù)目；為斷面n時(shí)刻t的計(jì)算水位；表示斷面n超出設(shè)計(jì)水位的時(shí)間。

（2）系統(tǒng)中超過(guò)設(shè)計(jì)水位斷面的最長(zhǎng)超過(guò)時(shí)間TWmax

（3）系統(tǒng)中超過(guò)設(shè)計(jì)水位的所有斷面數(shù)目NWz

（4）系統(tǒng)中所有斷面低于臨界水深的平均滯蓄時(shí)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(biāo)的一個(gè)重要概念，它表示河流健康狀況的一個(gè)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(gè)斷面有一個(gè)特定值，但是本文只重視其相對(duì)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(zhǎng)時(shí)間TCmax

（6）系統(tǒng)中低于臨界水深的斷面數(shù)目NCz

（7）河道入滲水量。河道滲漏補(bǔ)給量的計(jì)算參考達(dá)西定律，其計(jì)算公式為：

式中：Wg為河道滲漏補(bǔ)給量，m3；Ki為第i個(gè)計(jì)算河段剖面位置的滲透系數(shù)，m/s；Ji為第i個(gè)河段垂直于剖面的水力坡度（無(wú)因次）；Ai為第i個(gè)計(jì)算河段單位長(zhǎng)度河道垂直于地下水流向的剖面面積，m2/m；Li為第i個(gè)計(jì)算河段的河段長(zhǎng)度，m；Ni計(jì)算河段數(shù)目；Δtt為第t計(jì)算時(shí)段的時(shí)段長(zhǎng)度，s。

（8）河網(wǎng)滯蓄水量。根據(jù)水量平衡，時(shí)段T內(nèi)系統(tǒng)的蓄滯水量ΔW為：

式中：Δt為t到t+1時(shí)刻之間的時(shí)間步長(zhǎng)；為t時(shí)刻從外界i進(jìn)入系統(tǒng)的流量，m3/s；Qjl(t)為時(shí)刻t系統(tǒng)內(nèi)區(qū)間j自產(chǎn)水流量；為時(shí)刻t從下邊界k排出系統(tǒng)的流量；Nu為系統(tǒng)上邊界數(shù)目，Nj為系統(tǒng)側(cè)邊界數(shù)目，Nk為系統(tǒng)下邊界數(shù)目。

式（3）—式（5）是通過(guò)判斷“斷面水位是否超過(guò)設(shè)計(jì)水位”來(lái)刻畫防洪風(fēng)險(xiǎn)的3個(gè)指標(biāo)；式（6）—式（8）是通過(guò)判斷“斷面水位是否低于臨界水深”來(lái)刻畫生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的3個(gè)指標(biāo)；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(biāo)。

針對(duì)199808洪水，計(jì)算閘壩群不同聯(lián)合調(diào)度方案下的風(fēng)險(xiǎn)效益指標(biāo)值，如表4所示，其中方案0為現(xiàn)狀運(yùn)行方案。

經(jīng)投影尋蹤綜合評(píng)價(jià)［20］，方案3為優(yōu)選推薦的湖西平原水系連通補(bǔ)償調(diào)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(fēng)險(xiǎn)的前提下，增蓄水量1.358億m3，其中河網(wǎng)下滲增蓄水0.409億m3，河網(wǎng)增蓄水為0.949億m3。

表4 199808洪水湖西河網(wǎng)洪水閘壩群聯(lián)合調(diào)度方案評(píng)估指標(biāo)

3 結(jié)論

將文獻(xiàn)［1］建立的流域洪水資源利用模式系統(tǒng)應(yīng)用于南四湖流域，評(píng)價(jià)了洪水資源利用現(xiàn)狀和潛力；根據(jù)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(guò)程，指出二級(jí)壩汛限水位分期運(yùn)用、湖西平原河流連通補(bǔ)償調(diào)節(jié)是南四湖流域洪水資源利用方式的現(xiàn)實(shí)選擇和有效途徑，進(jìn)而詳細(xì)闡述了風(fēng)險(xiǎn)-效益因子識(shí)別、量化，以及通過(guò)綜合評(píng)價(jià)獲得最佳洪水資源利用方式的過(guò)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(jié)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(fēng)險(xiǎn)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(kù)容0.894億m3。（3）建立了定量描述河網(wǎng)洪水資源利用效果的風(fēng)險(xiǎn)效益指標(biāo)，提出了湖西河流補(bǔ)償調(diào)控方案，該方案（對(duì)于199808洪水情景）可在幾乎不增加防洪風(fēng)險(xiǎn)的前提下增蓄水量1.358億m3，其中河網(wǎng)下滲增蓄水量0.409億m3，河網(wǎng)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(chǔ)上，進(jìn)一步驗(yàn)證理論框架和應(yīng)用模式的合理性，限于篇幅關(guān)于洪水資源利用方式具體技術(shù)環(huán)節(jié)的描述或許是相對(duì)粗糙的，且這些技術(shù)均屬于規(guī)劃設(shè)計(jì)層面，加強(qiáng)實(shí)時(shí)條件下流域洪水資源利用的技術(shù)突破和應(yīng)用實(shí)踐是今后的努力方向。

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