海河流域洪水资源安全利用关键技术研究

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一、研究目标　　“十五”国家科技攻关计划将水安全保障问题列为重大项目。海河流域洪水资源安全利用关键技术研究是这一重大项目“水安全保障技术研究”的第三课题。 　　本课题以研究海河流域洪水资源化问题为先导，着重解决海河流域洪水资源安全利用的关键性技术难题，并为海河流域水资源可持续利用提供重要科学依据和技术支撑。当前迫切需要系统阐明在人类开发活动影响下，海河流域洪水资源的主要过程和演化特征，揭示暴雨洪水发生的季节特性和分期规律，摸清洪水资源量的时空分布和可利用潜力，提出洪水资源安全利用的原则、前提条件、利用模式以及工程技术选择，在典型水库分期汛限水位调控洪水资源的应用研究和典型蓄滞洪区引洪回灌的示范研究基础上，形成海河流域洪水资源安全利用的理论体系和先进适用的核心技术。该攻关研究不仅可以提高洪水资源利用的科技水平，丰富水资源评价和规划、防洪兴利预报调度、洪水风险管理等领域的基础理论和分析方法，而且将为解决海河流域水资源开发利用的实际问题，建立面向21世纪的海河流域洪水资源安全利用的技术体系奠定科学技术基础。 　　二、研究路线和主要研究内容 　　本课题设立三个专题，通过海河流域洪水资源化潜力、利用水库分期汛限水位调控洪水资源技术研究和利用蓄滞洪区进行引洪回灌示范研究，解决洪水资源安全利用的一系列关键难题，形成集资源评价、合理配置、工程调控、风险管理于一体的海河流域洪水资源安全利用的技术体系和技术方案。 　　本课题由南京水利科学研究院、中国水利水电科学研究院、海河水利委员会、清华大学水利系四家单位组成联合攻关课题组。专题一“海河流域洪水资源化潜力研究”由清华大学和海河水利委员会承担；专题二“利用水库分期汛限水位调控洪水资源研究”由南京水利科学研究院和海河水利委员会承担；专题三“海河流域蓄滞洪区洪水资源化的示范研究”由中国水利水电科学研究院和海河水利委员会承担。 　　本课题的总体技术路线是通过对变化条件下的洪水资源特性、水利工程功能和运行特征的分析与再评估研究，摸清海河流域可供利用的洪水资源潜力，提出海河流域洪水资源利用模式及合理配置方案；通过利用水库分期汛限水位调控洪水资源的2个典型水库示例研究，改进和完善合理调整水库分期汛限水位的分析方法，提出基于预报调度的汛期防洪蓄水实时调度方案，并对水库的蓄水效益和防洪风险进行评价；通过1个蓄滞洪区的示范研究，探讨在不同洪水情况下利用洪水回灌地下水的合理调度方案，解决以洪水资源化为目的的基于洪水风险管理思想的平原区洪水利用的一系列关键技术，建立海河流域中下游平原区洪水资源化利用模式和风险管理体系。 　　本课题着力从以下三个方面来研究海河流域洪水资源安全利用的关键技术。 　　1．确定海河流域洪水资源的可利用潜力 　　通过对海河流域产流条件变化及规律分析，研究变化条件下的洪水资源特性、变化条件下的水利工程功能及运行特性；通过对水利工程功能的再评估及运行方式研究，提出洪水资源安全利用的理论、计算方法以及配置模式；通过对流域分区洪水资源特性的分析，评价海河流域洪水资源量及其可利用潜力。 　　2．解决洪水资源安全利用的调控手段 　　充分发挥水库的蓄水作用和利用蓄滞洪区蓄洪回补地下水是实现洪水资源安全利用的主要调控手段。海河流域暴雨洪水具有典型的季节特性和分期规律，通过利用这种季节特性和分期规律，合理确定水库分期防洪库容，逐步抬高水库汛限水位，提高水库防洪与兴利库容的结合程度，同时在分析各种可利用的预测预报信息的基础上，进一步研究合理的水库防洪蓄水实时调度方式，实现安全有效的汛期蓄水。利用蓄滞洪区适时适地地蓄洪，可以充分利用流域内地下水含水层腾空的库容和丰水期可调用的洪水进行地下水回补，实现洪水资源安全利用。针对这种技术手段，研究蓄滞洪区不同频率洪水回补地下水的方式、回补量；分析洪水资源化引用可能引起的地表水环境风险及地下水水质污染，提出相应的水污染控制技术措施。 　　3．洪水资源化利用的风险及效益评价 　　由于洪水资源利用的主要调控手段是水库蓄水和蓄滞洪区引洪回补地下水，这样势必会在获得增加滞蓄水效益的同时可能会加大产生洪灾的风险。因此，从洪水资源安全利用的角度出发，需要对兼顾水库防洪蓄水效益和蓄滞洪区引洪回补地下水的防洪风险及其可能产生的后果进行综合评价，揭示调度方案实施过程中可能遇到的风险问题，为有效控制风险和妥善处理风险可能产生的后果提供科学依据。同时，为了增强蓄滞洪区洪水资源安全利用的风险管理手段，需要建立蓄滞洪区风险调度管理系统来保障在充分利用洪水资源的同时尽量减少由此可能带来的洪灾，以期获得最佳的洪水资源安全利用效益。 　　三、课题主要进展和解决的关键技术 　　1.课题主要进展 　　①在分析气候变迁和人类活动对流域水文情势影响的基础上，评价了海河流域洪水资源化的利用现状。通过对海河流域下垫面的历史变迁以及平原水库闸坝水利工程的运行调度的历史回顾，分析了海河流域水资源利用情势和水利工程运行功能的变化，结合流域社会经济发展趋势分析，重新提出了平原水利工程的功能定位，进一步明确了洪水资源化的利用方向，将单纯的被动的蓄滞洪区运用调整为集防洪、供水、景观、娱乐与生态恢复于一体的综合利用功能上来。 　　②本次研究对海河流域洪水资源利用现状进行了评价，评价结果表明，海河流域洪水资源的利用水平呈现三个明显阶段：第一阶段为1955-1964年，约80亿-90亿m3；第二阶段自“63·8”大水后，海河整治工程使洪水利用能力提高到120亿-130亿m3，这一阶段延续时间为1970-1985年；第三阶段是改革开放后，洪水资源利用能力进一步加强，洪水利用水平达到现状的140亿-150亿m3，这一时期从1990年开始一直延续到现在，并且可以代表海河流域现状的洪水资源利用能力。 　　③系统提出了海河流域洪水资源化利用方法及其实现途径，提出了洪水资源化潜力、效益和风险的计算与分析的理论分析方法，据此对海河流域分省区和流域的洪水资源化潜力进行了定量评价。流域或区域的洪水资源化潜力可定义为“以满足下游(包括人海)最基本用水(包括最基本的生活用水、生产用水和生态用水)为前提，根据当前科学发展水平和技术能力，人类可能调控的洪水资源总量”，可通过分析出境水量或人海水量予以估算。在目前水资源开发利用水平下，海河流域洪水资源化潜力在50%频率年的9.6亿m3到25%频率年的139亿m3间变化。在平水年时，洪水资源化潜力取决于天然资源量；在丰水年时，洪水资源化利用则受控于流域实际调蓄能力，需要在联合调度基础上优化配置，以提高洪水资源实际利用率。 　　④以岳城、潘家口水库为研究试点，从分析水库流域暴雨、洪水季节变化规律人手，找出已经发生的暴雨洪水的时空分布特性，结合影响流域降雨发生的天气系统和大气环流条件的气象成因分析，提出了不同水库控制流域暴雨洪水的季节分期规律。从影响华北夏季的大气环流形势和天气系统的规律可知，形成华北盛夏暴雨的天气系统是以西风带系统为主，但热带气旋对海河流域大洪水，尤其是特大洪水的影响十分明显。华北夏季暴雨的特点为降水历时较短、暴雨发生次数较少，暴雨发生时间相对集中、年际变化大，暴雨强度大、持续时间较长，暴雨与华北地形密切相关。这些结论为暴雨洪水的季节特性和分期规律分析提供了气候和天气背景。 　　⑤通过对暴雨洪水特性的统计分析，提出了以暴雨日数、时段平均降水量、不同历时最大降水量、年最大洪峰流量与典型年最大时段洪量的时程分布、年最大洪峰流量散布图、描述汛期起讫特征的相对系数以及应用模糊统计方法计算的汛期隶属度函数等多项指标作为水库汛期分期划分的评定指标。通过综合分析，可将试点水库的汛期划分为两个汛期，即主汛期和后汛期。主汛期既是水库防洪也是保障水库汛后蓄满的关键时期。如何依托天气预报和洪水预报调度的技术进步实现水库安全有效的主汛期蓄水，是挖掘洪水资源潜力的关键所在。 　　⑥针对两个试点水库，采用跨期采样定期使用方法，提出了各分期设计洪水成果，作为水库防洪风险分析的输入和分期汛限水位调整综合分析论证的流程和框架。以试点水库为分析实例，从设计洪水、预报预泄、洪水预报防洪调度方式、上下游防洪设计标准、上游移民淹没及土地退赔线、水库长期运行的效益和风险分析等多个方面分析论证了汛限水位的合理调整方案。建立了水库防洪调度风险分析和防洪兴利调度模拟模型，对兼顾水库防洪蓄水的防洪调度风险和长期效益进行了综合评价。 　　⑦分析了两个试点水库现行防洪调度方案和相关研究的建议方案，对其应用于实时调度的可行性进行了综合评述。提出了改进面雨量估算、降雨预报、洪水预报预见期和精度的技术方案和汛期蓄水的控制策略与调控方法，建立了实时调度模型框架，形成了面向洪水资源安全利用的实时调度方案。提出了水库实时调度系统的总体设计，以实现向实时调度环境的过渡。 　　⑧分析了平原地区洪水资源化潜力的下限，建立了蓄滞洪区洪水资源化适宜性评价指标体系，将海河流域26处蓄滞洪区分为地下水回补型、中间型和蓄洪型三种洪水资源化利用类型。运用蓄滞洪区洪水资源化风险调度模型，对大黄铺洼蓄滞洪水库蓄洪型洪水资源化调度风险进行了分析，正常蓄洪和主动分洪两种形式，通过合理调度，既可有效地转化洪水资源，又基本上不会对全局的防洪安全造成影响。 　　⑨以大黄铺洼为示范蓄滞洪区，分析了滞洪水库的分(引)洪水的演进特征与水质状况。计算了滞洪水库建设前后不同频率洪水的演进过程和淹没状况，评估了洪水资源的可利用量和洪灾损失，据此提出了降低洪水风险、环境风险和改善水质的措施建议。建立了蓄滞洪区规划管理情景分析系统，综合考虑社会、经济、资源、生态、环境等因素，对延续传统、洪水资源化利用和可持续发展等三种模式进行了情景分析，为蓄滞洪区洪水资源化利用和可持续发展提供了决策支持依据。此外，以白洋淀为典型，对地下水回补型蓄滞洪区洪水资源化进行了定量分析。 　　2．解决的关键技术 　　①基于GIS和数据库平台，针对海河流域典型子流域，建立了具有物理基础的流域分布式水文模型，定量分析了人类活动所引起的流域下垫面变化对流域产流特性的影响，模拟了流域下垫面变化条件下的产流变化规律，揭示了土地利用变化、降水与产流之间的相互关系。 　　②明确给出了洪水资源化的定义，阐明了洪水资源化的内涵，系统地提出了洪水资源化利用的理论框架和分析方法。主要包括：洪水资源化利用现状的评价方法、洪水资源的合理配置和利用模式、洪水资源化利用潜力的评价方法以及洪水资源化利用的效益和风险分析方法。 　　③提出了天气背景分析与水文统计分析相结合、定性分析和定量评定相结合的暴雨洪水季节特性和分期规律的综合分析方法。重点对试点水库控制流域的暴雨洪水特性，主要包括暴雨日数、旬平均降雨量、年最大洪峰流量等特征量的时程分布进行系统分析，再辅以基于模糊集分析的汛期起止时间的定量评定，综合划定分期洪水的起止时段，为水库分期汛限水位的合理确定提供了科学依据。 　　④采用水库防洪兴利调度仿真模型，针对不同类型汛限水位调整和运用方式，对各级防洪标准进行了风险评价，并对水库长系列调节的多年平均兴利效益进行了分析，所提出的针对水库汛限水位调整与运用的系统论证框架和分析方法为洪水资源安全利用提供了技术支撑。 　　⑤建立了蓄滞洪区洪水资源利用的评价指标体系，提出了洪水资源化适宜性分类。在此基础上建立了集河道洪水与蓄滞洪区洪水演进模型、地表水与地下水交换功能的洪水分析模型、蓄滞洪区洪水损失评估模型、蓄滞洪区水质分析模型、地下水回补分析数学模型和蓄滞洪区发展的多目标规划模型于一体的模型系统，为蓄滞洪区洪水资源利用的规划和设计提供了先进的定量分析工具。 　　⑥基于GIS平台，建立了蓄滞洪区面向洪水资源利用的规划管理情景分析系统。将蓄滞洪区洪水分析、水质分析、“回补型”及“蓄洪型”洪水资源化分析、生态、环境、资源和区域发展多目标规划等模型集成为一个有机的整体，为蓄滞洪区洪水资源化利用和规划管理提供了决策支持工具。 　　四、成果推广应用及二期滚动计划 　　目前本课题的主要攻关成果已在水利部、国家防办重大项目“水库汛限水位设计和运用”专题以及海河水利委员会海河流域水库防洪调度技术研究、海河流域蓄滞洪区风险管理系统研究、海河流域水资源规划等专题研究中得到应用。本课题研究成果对半干旱半湿润地区类似流域、类似问题亦具有推广应用价值。受科学技术部委托，水利部国际合作与科技司于2004年1月17日在北京主持召开了课题验收会，专家一致认为“该课题重点研究海河流域洪水资源安全利用的关键性难题，其成果将为海河流域水资源可持续利用提供重要的科学依据和技术支撑，对我国防洪减灾和水资源可持续利用具有重要的科学意义”，“鉴于这项研究成果对于缓解北方水资源短缺问题具有广泛的应用前景，建议在现有研究基础上，继续加大支持力度，滚动深入研究”。目前，该课题的二期滚动研究已开始启动，重点研究平原水系河道闸涵洪水资源利用关键技术，提出试点水系洪水资源综合利用的总体配置方案，建立试点水系集水库、河渠涵闸、蓄滞洪区于一体的实时联合调度系统，在此基础上提出海河流域洪水资源利用的总体实施策略。二期滚动研究将于2005年底完成。　■ 　　课题第一完成单位：水利部，交通部，原电力工业部，南京水利科学研究院 　　合作完成单位：中国水利水电科学研究院，水利部海河水利委员会，清华大学 　　课题负责人：胡四一(南科院)，程晓陶(中国水科院)，户作亮(海委) 　　专题一负责人：王忠静(清华大学)，郭书英(海委) 　　专题二负责人：邹鹰(南科院)，王银堂(南科院) 专题三负责人：向立云(中国水科院)，彭静(中国水科院)，张胜红(海委)

ymwatcher

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