海島雨洪資源高效利用技術(shù)系統(tǒng)研究

吳 澤 華

(福建水利水電科學(xué)研究院，福州 350001)

海島是海洋的重要組成部分，有巨大的經(jīng)濟、軍事、科學(xué)和生態(tài)價值[1]。我國500 m2以上的海島有6 500個以上，總面積6 600 多萬m2，其中有常住居民的455 個，人口470多萬。海島開發(fā)對于建設(shè)海洋經(jīng)濟強國有重大意義。但由于海島與同緯度大陸地區(qū)相比，存在降水量少，蒸發(fā)量大，地形地貌特殊等條件，導(dǎo)致可利用的地表水資源量較少，再加上地下水賦存條件差等問題，致使海島上淡水資源極度缺乏，對海島可持續(xù)開發(fā)利用構(gòu)成根本制約。大陸引水、海水淡化、中水回用以及雨洪資源利用都是提升水資源供應(yīng)能力的有效措施，但大陸引水方案僅適宜鄰近大陸的海島，而中水回用和海水淡化成本高、水質(zhì)差，因此海島雨洪資源高效利用研究具有重要的意義。

國內(nèi)外專家學(xué)者針對海島雨洪利用開展了一系列研究，新加坡將河流改為蓄水池并設(shè)置中央集水區(qū)自然保護(hù)區(qū)[2]；丹麥以開采地下水為主，同時執(zhí)行嚴(yán)格的地下水保護(hù)策略；臺灣島采取大型滯洪池研究或小型入滲設(shè)施；浙江省舟山島開展“六水”聯(lián)動措施開發(fā)利用雨洪資源[3-6]；山東長島建設(shè)了蓄水池和環(huán)山渠道等；俞孔堅提出了海島雨洪管理系統(tǒng)[7]。但是已有研究未能從系統(tǒng)管理角度把握海島水資源的利用程度和利用效率，未將海島水資源統(tǒng)籌宏觀調(diào)配和管理。

1 海島雨洪利用的難點和關(guān)鍵點

研究通過對海島地區(qū)地形地貌、水文氣象、地質(zhì)形態(tài)等分析研究，認(rèn)為海島雨洪利用存在以下難點和關(guān)鍵點。

(1)海島雨洪資源量精確估算難。海島雨洪資源的開發(fā)利用，首先要對海島雨洪資源量進(jìn)行評估，明確海島水資源總量。然而，海島與大陸脫離，為獨立系統(tǒng)，海島地區(qū)一般沒有設(shè)立水文站點，尚屬無資料地區(qū)，如何在無資料的前提下對海島雨洪資源量評估，是海島雨洪開發(fā)利用的難題。

(2)徑流短小，快速入海，海島雨洪資源收集難。海島地區(qū)地域狹小，徑流短而分散，快速獨流入海，雨水在島內(nèi)下滲和蓄滯不足，是導(dǎo)致海島水資源缺乏的關(guān)鍵因素。因此，如何利用海島短小的徑流，延長徑流在陸地的滯留時間，有利于雨洪收集,是解決海島雨洪資源利用的又一難點。

(3)構(gòu)建海島雨洪儲存體系是關(guān)鍵。海島降雨時空差異性大，主要為季風(fēng)雨、臺風(fēng)雨，將季風(fēng)期的雨洪資源貯蓄起來，調(diào)配至冬春枯水期進(jìn)行利用是海島雨洪利用的主要途徑。但海島陸域面積有限、地形地貌大多以平原為主，僅有小部分山地丘陵，可建的地面水庫庫容往往規(guī)模過小，調(diào)節(jié)能力不足，再加上多數(shù)海島蒸發(fā)量大于降雨量，地面庫水蒸發(fā)損失大。因此要打破單純依賴傳統(tǒng)水庫蓄水的固定思維,構(gòu)建好雨洪資源的地表、地下、蓄淡水庫構(gòu)成的多維存儲體系十分關(guān)鍵。

(4)全島雨洪資源調(diào)度管理與利用是關(guān)鍵。雨洪資源由于收集區(qū)域和途徑的不同，水質(zhì)差異明顯，針對島內(nèi)雨洪資源的來源情況，分途徑收集、分區(qū)存儲，進(jìn)而分質(zhì)利用，是平海島雨洪資源科學(xué)、高效的綜合利用的基礎(chǔ)。將全島水資源納入綜合系統(tǒng)，以進(jìn)行海島水資源統(tǒng)籌宏觀調(diào)配和管理，是保證海島雨洪資源高效利用的關(guān)鍵問題。

2 海島雨洪資源高效利用技術(shù)系統(tǒng)

針對海島雨洪利用的難點和關(guān)鍵點，研究構(gòu)建了集合雨洪資源評估、雨洪資源遲滯和收集、雨洪資源存儲、雨洪資源調(diào)度利用于一體的海島雨洪資源高效利用系統(tǒng)，為海島雨洪資源高效開發(fā)利用提供技術(shù)支撐。

2.1 海島雨洪資源評估技術(shù)

由于大多數(shù)海島缺少長期水文站點,無法支持傳統(tǒng)水文計算方法評估海島雨洪資源量。研究選用有物理機制的HIMS(HydroInformatic Modeling System)分布式水文模型與傳統(tǒng)水資源評價方法相結(jié)合，對稀缺資料島嶼水資源進(jìn)行科學(xué)地評估計算。HIMS水循環(huán)綜合模擬系統(tǒng)可針對水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水災(zāi)害和水管理等問題進(jìn)行多時空尺度的綜合模擬，目前已在黃河流域、海河流域、黑河流域、青藏高原等多個流域以及澳大利亞、美國的部分流域得到成功應(yīng)用和驗證[8-10]。該模型兼顧了超滲產(chǎn)流與蓄滿產(chǎn)流的主要因素，適用性強，在稀缺資料地區(qū)的水文模擬中具有較好的精度[11, 12]。

HIMS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，產(chǎn)流發(fā)生在每個子流域上，產(chǎn)流模型在垂直方向上劃分為3層，分別為地表產(chǎn)流、壤中流和地下徑流。地表徑流采用超滲產(chǎn)流模式，地下又劃分為兩層，即上層和下層，上層土壤的含水率影響蒸散發(fā)，上層土壤產(chǎn)生壤中流，同時下滲補給下層，向下滲透到地下潛水面或深層地下水，產(chǎn)生地下徑流。地表徑流、壤中流和地下徑流全部匯入河道，為總徑流量。

圖1 HIMS 模型結(jié)構(gòu)圖

基于河網(wǎng)空間拓?fù)潢P(guān)系，將研究區(qū)域離散為若干個子流域，構(gòu)建分布式HIMS型。在分布式HIMS模型中，每個子流域包含一條匯流河段，子流域之間通過河網(wǎng)空間拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行連接；逐級利用馬斯京根方程進(jìn)行河段匯流演算，從低一級河流逐步匯入高一級河流，最后匯集到流域出口斷面。

研究采用子流域與網(wǎng)格相結(jié)合方式，構(gòu)建海島HIMS分布式水文模型，重建島內(nèi)長時間序列的日過程徑流、蒸發(fā)、土壤水等水量平衡要素時空變化過程；將分布式水循環(huán)過程模擬與傳統(tǒng)的水資源評估計算相結(jié)合，引入土壤水資源可利用量的估算，從而更為全面的評價研究區(qū)的可利用水資源量，獲得具有較高時空分辨率的稀缺資料島嶼水資源評價結(jié)果；繪制海島水資源可利用量的空間分布圖，揭示了其淡水資源的時空變化特征。研究結(jié)果表明，將具有物理機制的分布式水文模型與傳統(tǒng)水資源評價方法相結(jié)合，是實現(xiàn)稀缺資料島嶼水資源科學(xué)評估計算一個重要途徑與發(fā)展方向。

2.2 海島雨洪遲滯技術(shù)

雨洪遲滯技術(shù)圍繞增強雨水下滲和利用地形地貌蓄滯，在山區(qū)小流域、平原區(qū)的城市、鄉(xiāng)村針對性采用分類雨洪遲滯技術(shù)包，延長雨洪資源在島內(nèi)的滯留時間，增加攔蓄量，同時增強下滲補充地下水，充分高效利用雨洪資源，見圖2。

圖2 海島雨洪資源高效利用技術(shù)系統(tǒng)

(1)海島山區(qū)小流域。海島山區(qū)小流域雨洪遲滯技術(shù)主要包含水源涵養(yǎng)植保措施和工程措施進(jìn)行小流域綜合治理，研究分析表明，針對海島山區(qū)小流域的雨洪收集措施，宜按面向內(nèi)側(cè)、流向島內(nèi)的小流域和面向外側(cè)、直流入海的小流域采取不同的雨洪遲滯措施。對于內(nèi)側(cè)小流域，宜采用種植樹木、草皮增加雨水入滲為主植保措施、以溝谷滯洪為主的小流域工程治理措施進(jìn)行綜合處理；對于直流面海的外側(cè)小流域，宜采用種植樹木、草皮增加雨水入滲為主植保措施和環(huán)外側(cè)山坡采用截流溝導(dǎo)入內(nèi)側(cè)流域或水庫的小流域工程治理措施進(jìn)行綜合處理。同時，項目組研究分析了海島小流域的地形地質(zhì)特點，對于部分為巖盤出露的區(qū)域，研究采用植物網(wǎng)墊種草來改造，可以很好的起到水源涵養(yǎng)效果。

(2)海島平原城市區(qū)。海島城市區(qū)雨洪遲滯主要結(jié)合“海綿城市”的建設(shè)理念[13, 14]，統(tǒng)籌低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)(Low Impact Development，LID)[15]、城市雨水管渠系統(tǒng)及超標(biāo)雨水徑流排放系統(tǒng)，增強城市區(qū)內(nèi)雨洪資源的下滲和收集。新開發(fā)海島的城市區(qū)建設(shè)應(yīng)按“海綿城市”的綠地、道路、小區(qū)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，并進(jìn)行城市地下綜合管廊的建設(shè)。

(3)海島平原鄉(xiāng)村區(qū)。海島平原鄉(xiāng)村區(qū)雨洪遲滯收集，應(yīng)因地制宜，一進(jìn)行綠色屋頂-家庭自來水供水系統(tǒng)改造；二改造和利用地勢低平的溝渠、坑塘蓄水；三在平原鄉(xiāng)村區(qū)的局部不透水地坪和距離地下水位較高的地面，為有利于雨洪資源的下滲回灌，應(yīng)適度增設(shè)下滲回灌管井；四采用井灌工程抽取地下水以促進(jìn)雨洪資源的下滲[16, 17]。

2.3 建立海島雨洪存儲體系

海島雨洪存儲要建立三大儲水體系，一是合理調(diào)度既有水庫群，充分利用水庫間的庫容差異以及水文差異，發(fā)揮庫群的聯(lián)合補償作用，使有限的水資源得到更合理、更有效地利用[18]；二是結(jié)合海島天然含水層、砂礦層集蓄地下水，建立地下儲水空間[19, 20]；三是利用海島天然海灣形成對外與咸水隔離，對內(nèi)淡水長期置換庫底，最終形成蓄淡水庫。最終形成已有系列水庫、地下水庫和蓄淡水庫綜合利用調(diào)配的雨洪資源貯蓄系統(tǒng)，大幅提升雨洪資源貯蓄能力。

2.4 建立基于分質(zhì)利用的全島雨洪調(diào)度利用系統(tǒng)

全島調(diào)度利用是將城市、鄉(xiāng)村、山區(qū)蓄滯流以及已有地面水庫-地下水庫-蓄淡水庫、島內(nèi)河流勾連起來，統(tǒng)籌管理、優(yōu)化調(diào)度，并輔以試驗、監(jiān)控、模擬預(yù)測等功能，構(gòu)成一個綜合的調(diào)度管理系統(tǒng)。建設(shè)包括沿環(huán)島路輸水管線、取水泵站、加壓泵站、供水水廠的河庫聯(lián)通、庫庫聯(lián)通、管網(wǎng)聯(lián)通、庫網(wǎng)聯(lián)通的全島水資源調(diào)度系統(tǒng)，增加了全島水資源調(diào)控能力和用水安全。利用“智慧水利”平臺進(jìn)行水資源分質(zhì)利用，對不同匯流介質(zhì)和不同的儲水設(shè)施集蓄雨洪資源，采取分途徑收集、分區(qū)存儲、分質(zhì)利用。

2.5 海島雨洪資源高效利用技術(shù)系統(tǒng)的有機聯(lián)系

海島雨洪資源高效利用技術(shù)系統(tǒng)是個有機聯(lián)系的整體。海島雨洪資源科學(xué)評估技術(shù)是整個系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，有了精準(zhǔn)量化的海島雨洪資源利用量和利用效率，方可精確跟蹤整個系統(tǒng)運作的持續(xù)改善。海島雨洪遲滯技術(shù)是關(guān)鍵，解決了海島雨洪資源收集難的問題，才能考慮后續(xù)雨洪資源的儲存和高效利用。海島雨洪儲存體系是整個系統(tǒng)有效運行的保障，地表、地下、蓄淡水庫構(gòu)成的多維存儲體系庫容越大，則海島雨洪資源利用效率越高?；诜仲|(zhì)利用的全島雨洪調(diào)度利用系統(tǒng)是統(tǒng)領(lǐng)，在全島雨洪資源得到有效收集和存儲的基礎(chǔ)上，在全島利用層面, 水資源通過調(diào)度管理管好用好，優(yōu)水優(yōu)用、分質(zhì)利用，用儲結(jié)合、供需平衡，才能使整個系統(tǒng)發(fā)揮最佳效益。

3 實例應(yīng)用

平潭島是福建省第一大島、我國第五大島，地處福建省東部海域，東臨臺灣海峽，是大陸距離臺灣最近的地區(qū)，特殊的地理位置使其成為海峽西岸經(jīng)濟區(qū)建設(shè)的先行先試綜合實驗區(qū)，也是“一帶一路”國家戰(zhàn)略中“21世紀(jì)海上絲綢之路”的起點之一[21]，具有極其重要的戰(zhàn)略地位。

平潭主島海壇島面積274.3 km2，地勢南北高、中部低，南部和北部絕大部分為起伏的丘陵與低山，中部為海積平原。海壇島多年平均降雨量1 128.2 mm，由于地形地貌原因，并無江河水系，只有46條時令溪，溪流短、流量小，均獨流入海，且呈間歇性。三十六腳湖是全島最大的天壇淡水湖，集水面積13.4 km2。海壇島具有典型的海島水文氣象和地理條件特征，降雨充沛，但汛期臺風(fēng)暴雨集中；徑流分散而短，雨洪資源收集和存儲設(shè)施有限。島內(nèi)雨洪資源利用率低，僅26%左右；原有居民40萬，人均水資源量僅500 m3/a。

隨著平潭島綜合實驗區(qū)大開發(fā)政策的實施，全島大部分區(qū)域處于快速城市化發(fā)展期。平潭綜合實驗區(qū)近期將重點推進(jìn)六大區(qū)域建設(shè)：產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)、國際旅游發(fā)展區(qū)、商貿(mào)合作區(qū)、現(xiàn)代物流港區(qū)、科技文化產(chǎn)業(yè)區(qū)、城市發(fā)展區(qū)。遠(yuǎn)期規(guī)劃島內(nèi)居民將達(dá)到150萬，水資源保障支撐任務(wù)極重。

3.1 平潭島雨洪資源量模擬

研究根據(jù)影響平潭島降雨產(chǎn)流的關(guān)鍵下墊面因子(土壤類型、坡度、土地利用類型)并結(jié)合實地調(diào)研提取出了主要的下墊面類型，開展野外人工降雨入滲產(chǎn)流實驗，得到平潭島降雨產(chǎn)流關(guān)系的空間分布，以此為基礎(chǔ)結(jié)合實地調(diào)研和專家知識經(jīng)驗知識，基于HIMS平臺構(gòu)建了平潭島日尺度分布式水文模型。模型將全島劃分為286個子流域單元，共119個入?？诹饔?如圖3,所示)，模擬包括徑流量、蒸發(fā)、土壤水儲量在內(nèi)的多個水循環(huán)要素，最小時間尺度為日尺度。研究設(shè)立了冠山村君山小流域參證站點、五一村、冠山村兩個雨量徑流自動測報站并率定參數(shù)和驗證參數(shù)。

圖3 研究區(qū)范圍、高程、氣象雨量站點示意

將分布式水循環(huán)過程模擬與傳統(tǒng)的水資源評估計算相結(jié)合，研究獲得了具有較高時空分辨率的稀缺資料島嶼水資源評價結(jié)果，并繪制了福建平潭島水資源可利用量的空間分布圖，圖4-圖6，揭示了其淡水資源的時空變化特征。

圖4 子流域單元及入海口分布圖

圖5 平潭島多年平均月尺度、季節(jié)尺度、年尺度的水資源可利用量

圖6 平潭島多年平均傳統(tǒng)水資源可利用量、水資源可利用總量分布

結(jié)果顯示，平潭島多年平均傳統(tǒng)水資源量為1.41 億m3，傳統(tǒng)水資源可利用量0.97 億m3，考慮了土壤水資源后，多年平均水資源可利用總量為1.70 億m3，接近傳統(tǒng)水資源可利用量的兩倍?？梢姡绻麑ν寥浪Y源量給予足夠的重視，并合理開發(fā)利用，將有效緩解島內(nèi)淡水資源缺乏的問題。年內(nèi)分配上，6月份的水資源可利用量比例最大，在傳統(tǒng)水資源可利用量和水資源可利用總量的比例分別為22.2%和19.3%；汛期(4-9月)分別占全年的78.0%和73.5%；考慮了土壤水資源后，非汛期的水資源可利用總量比例比傳統(tǒng)的水資源可利用量比例有所上升。從空間分布來看，水資源可利用量較高的區(qū)域集中在中部平原以及島內(nèi)側(cè)的山間盆地，溝道短小、分散獨流入海的環(huán)島周邊子流域徑流量小，且不容易收集利用，因而水資源可利用量較小。

3.2 海島雨洪徑流遲滯技術(shù)效果分析

在山區(qū)小流域、平原區(qū)的城市、鄉(xiāng)村采用不同措施，延長雨洪地表水資源在島內(nèi)的滯留時間，特別是針對海島小流域外側(cè)雨洪資源直接流失入海的雨洪資源收集，建立了覆蓋全島的雨洪資源遲滯和收集技術(shù)體系，并且通過HIMS模型分析取得良好的實施效果，見表1。

表1 平潭島雨洪資源遲滯技術(shù)工具包效果分析

3.3 海島雨洪資源儲存技術(shù)的原理分析和效果

(1)通過地表水庫互聯(lián)互通技術(shù)，建設(shè)水庫與河道的庫庫聯(lián)網(wǎng)、庫河聯(lián)網(wǎng)和河河聯(lián)水工程，將現(xiàn)狀廢棄的小型水庫山塘充分利用起來，可增加水資源存儲庫容約600 萬m3，是現(xiàn)狀全島庫容總量的20%。

(2)通過實施地下儲水空間利用和雨洪資源回補工程技術(shù)，在蘆洋埔、七里鋪等地區(qū)利用海島地層中的天然含水層、砂礦層，采集和利用地下水，將海島現(xiàn)狀地形有利的地下儲水空間充分利用起來，可增加水資源存儲庫容約2 700 萬m3，是現(xiàn)狀全島庫容總量的90%。

(3)通過實施蓄淡水庫技術(shù)，利用海島海灣狹窄處設(shè)海堤和水閘，形成對外與海水隔離、對內(nèi)蓄滯雨洪的庫容，可增加水資源存儲庫容約2 400 萬m3，是現(xiàn)狀全島庫容總量的80%。

總體而言，通過建立地表水庫——地下儲水空間利用——河?？谛畹畮烊蟠鎯w且互聯(lián)互通的雨洪資源存儲技術(shù)體系，平潭島水資源存儲庫容可大幅提升190%左右。

3.4 基于分質(zhì)利用的全島雨洪資源調(diào)度利用技術(shù)系統(tǒng)

構(gòu)建包括沿環(huán)島路輸水管線、取水泵站、加壓泵站、供水水廠的河庫聯(lián)通、庫庫聯(lián)通、管網(wǎng)聯(lián)通、庫網(wǎng)聯(lián)通的全島水資源調(diào)度系統(tǒng)，增加了全島水資源調(diào)控能力和用水安全。根據(jù)雨洪資源的來源分途徑收集、分區(qū)存儲，進(jìn)而分質(zhì)利用的思想體系，按照水質(zhì)分類等級和用水供需平衡條件，將良好水源地、小水庫和地下水庫的水質(zhì)較好的水可用于生活用水，而蓄淡水庫、“海綿城市”和鄉(xiāng)村區(qū)貯蓄水用于工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、景觀水、生態(tài)水等。

研究建立了平潭島雨洪資源分區(qū)域遲滯和收集，地表水庫、蓄淡水庫和地下儲水空間共同存儲、聯(lián)合調(diào)度、分質(zhì)利用的平潭島雨洪資源綜合利用系統(tǒng)。根據(jù)數(shù)學(xué)模型模擬和全島雨洪資源調(diào)度利用分析，實施平潭島雨洪資源綜合利用可收集小流域雨洪資源量約3 600 萬m3，遠(yuǎn)大于現(xiàn)狀供水總量約1 450 萬m3；十八村森林公園地下儲水空間利用1 180 萬m3，供應(yīng)于生活用水，比現(xiàn)狀年供水量255 萬m3提高約925 萬m3；通過綠色屋頂，透水鋪磚和沉淀過濾措施進(jìn)行海綿城市雨洪收集3 716 萬m3，用于工業(yè)用水；平原鄉(xiāng)村區(qū)采用分散式綠色屋頂收集約127 萬m3農(nóng)村生活用水，采用水井坑塘收集利用農(nóng)業(yè)灌溉用水1 373 萬m3。綜合計算各類用水利用量達(dá)到9 996 萬m3，雨洪資源利用率由現(xiàn)狀的約26%提升至約59%，真正實現(xiàn)平潭島雨洪資源的高效利用。

4 結(jié) 語

研究以實現(xiàn)海島雨洪資源高效利用為目標(biāo)，根據(jù)海島特有的水文地質(zhì)條件結(jié)合海島開發(fā)的不同功能區(qū)域規(guī)劃，從海島水資源綜合利用和保護(hù)海島生態(tài)系統(tǒng)的角度出發(fā)，提出全面的、適用面更廣同時對海島生態(tài)系統(tǒng)破壞更少的雨洪資源高效利用系統(tǒng)，有助于利用好本地雨洪資源，增強海島水資源調(diào)控力，形成良好水資源水生態(tài)循環(huán)，可應(yīng)用于海島及沿海半島地區(qū)雨洪資源可持續(xù)開發(fā)利用。