（水文学及水资源专业论文）平原地区河流洪水资源利用研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 我国水资源短缺与洪水频发的现象同时存在，而洪水占据我国水资源总量的2 3 ， 研究表明洪水资源利用是解决这一矛盾的有效举措。由于洪水是资源与灾害的双重载 体，因此如何建立适当的洪水资源利用方式，并使其安全运行成为洪水资源利用研究的 主要内容。当前洪水资源利用研究主要集中在抬高水库汛限水位，通过水库风险管理增 蓄洪水，利用浃水资源，而对于河流中下游平原地区的洪水资源利用研究相对较少。本 文以嫩江中下游的白城地区为研究背景，对平原地区河流洪水资源利用中涉及的利用方 式、水文预报的应用、风险与效益分析、洪水水量优化分配与系统开发策略进行了探讨， 主要的研究内容如下： n 1 平原地区河流洪水资源利用措施研究：基于我国水资源时空分布不均衡的背景， 研究河流中下游地区存在的时间与区域水文补偿特性，并运用这些区域内的水利工程、 天然蓄水设施等，对洪水资源进行综合的利用。研究中以吉林省白城市为例，探索改变 以往的区域水资源配鼍方式，尝试将嫩江与洮儿河的交汇水库的主体水源改为嫩江干 流，并借助水库、泡沼、湿地、草原等资源分蓄洮儿河的中小洪水，以弥补该区域的水 资源不足。 ( 2 ) 水文预报在平原地区河流洪水资源利用中的应用：洪水发生时间与水量的不确定 性与洪水资源利用过程的复杂性降低了洪水资源利用的效率，为减小这些不利因素的影 响，本文对中长期水文预报与短期洪水预报成果在洪水资源利用中的综合应用问题进行 了探讨。径流中长期预报可应用于洪水资源利用方案的准备工作中，根据预报得到的洪 峰流量与峰现时问可以较为合理的安排引蓄洪水和防御洪灾预备方案；而短期洪水预报 可应用于洪水资源利用系统的实际运行管理中，洪水资源利用系统中各弓l 蓄节点高精度 的洪水过程预报可以为精确控制、安全引蓄洪水提供帮助。本文以白城市为例，建立了 基于物理成因概念的多元线性回归径流中长期预报模型与水文控制站点之间的短期洪 水统计预报模型，并将其应用于白城市洪水资源利用方案建立与运行管理中。 ( 3 ) 平原地区河流洪水资源利用的风险与效益分析：基于洪水资源利用中风险、效益 并存与风险附加性明显的特点，对研究中涉及的洪水资源利用措施的风险与效益进行了 分析。分析中，首先识别河流洪水资源利用的主要风险源；由于实施洪水资源利用措施 的时间和蓄水设施的蓄水量与后期风险有直接关系，在不同时间利用不同洪量时取得的 效益、面临的风险损失与风险概率不同，因此本文对洪水资源利用的风险与效益迸行了 时、空二维分析，得出汛期不同时间段各蓄水单元引蓄不同洪量的风险概率与损失，为 平原地区河流洪水资源利用研究 洪水资源利用预案制定与决策提供依据。文中以吉林省白城市洪水资源利用系统为研究 对象，对当地泡沼、水库等设施引蓄洪水所带来的风险与效益进行了分析。 ( 4 ) 平原地区河流洪水资源水量优化分配研究：洪水的历时、洪量与洪水资源利用的 风险性制约了洪水资源利用的效率，为提高效率，本文初步探讨了河流洪水资源优化分 配模式，并建立了综合考虑区域经济效益目标、社会效益目标、生态环境效益目标的洪 水资源优化分配模型。综合考虑不同运行方案下各单元的风险与效益，力求在可接受风 险下取得最大的效益，并据此目标提出洪水利用优化方案。本文以白城市洪水资源利用 系统为例进行计算。 ( 5 ) 平原地区河流洪水资源开发利用策略研究：提出在规划、预案与运行管理相互配 合下对洪水资源进行开发利用。洪水资源利用规划基于对区域水资源需求、洪水特点、 水利工程与天然设施蓄水防洪能力的分析，分别建立适用于不同频率洪水情况下的洪水 资源利用对策；洪水资源利用预案通过中长期预报得到汛期洪水的主要特性数据，并分 析水资源系统现状，最后通过优化分配计算得出相应的洪水资源优化分配方案与应急措 施集合：洪水资源利用实时管理借助先进的实时预报与信息传输技术，在及时得到水情、 工情资料的前提下，选择预案中建立的分配方案能动地进行实时管理。 最后对全文作了总结，并对有待于进一步研究的问题进行了展望。 关键词：平原地区；河流洪水资源利用；水文预报；风险分析；优化分配；开发策略 大连理工大学博士学位论文 s t u d yo nr i v e rf l o o d w a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o ni np l a i na r e a a b s t r a c t 1 1 圮c o n f l i c tb e t w e e nw a t e rs h o r t a g ea n df l o o dd i s a s t e re x i s t si nm a n ya 郫o fc h i n a n o o dl * a 3 0 u r c eu t i l i z a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e a s u r e st or e s o l v et h ep r o b l e m h o w e v e r , f l o o d w a t e ru t i l i z a t i o nw i l lr e s u l ti nb o t hr i s k sa n db e n e f i t ss i n c ef l o o dh a st h e c l m r a c t e r i s t i c so f h a z a r d sa n dr e 翻) l 嬲t h e r e f o r e r i s ka n a l y s i si sa n e c e s s a r yw o r kt oa l l b u l e t h a tf l o o d w a t e ri su s e du n d e rl o wr i s k sa n dh i 吐e 伍c i e n c y t h cp a p e rh a sf o c u s e do nt h ep l a i n8 1 e 8f l o o d w a t e ru t i l i z a t i o na c c o r d i n gt os e v e r a l f l o o d w a t e ru t i l i z a t i o np a t t e r n si nt h em i d d i e - d o w m t r e a mo fn e n j i a n gr i v e r 1 h em a i n c o n t e n t sa n dr e s e a r c hp r o g r e s s 黜a sf o l l o w s ： r 1 ) m e t h o do ff l o o d w a t e ru t i l i z a t i o ni np l a i n8 a e a ：s t u d yt h ec o n d i t i o no fr u n o f f c o m p e n s a t i o nb a s e do nt h eu n e q u a ld i s t r i b u t i o no f 、】i 啊毫c fr e s o l r 。e si nt i m ea n ds p a c e a n d m a k ef u l lu s eo f h y d r a u l i ce n g i n e e a n gt or e l o c a t et h ef l o o d w a t e ri nt h ew h o l ef i v e rb a s i n t r y t oi m p o r tt h ef l o o do f m a i nb r a n c ho f n e n j i a n gr i v e rt om o o n - l a k er e s e r v o i ra n di m p o r tt h e t a o e rr i v e rf l o o dt os w a m p r e s e r v o i r , g r a s s l a n da n ds oo nt ow e a kt h eb a di n f l u e n c eo ft h e s h o r t a g eo f d o w n s t r e a mt a o e rr i v e r ( 2 ) h y d r o l o g i c a lf o r e c a s t i n ga p p l i c a t i o ni nf l o o d w a t e ru t i l i z a t i o n ：t i m ea n da m o u n to f f l o o da 弛u n c e r t a i n , a n df l o o d w a t e ru t i l i z a t i o ni sac o m p l i c a t e dp r o c e s s s of l o o d w a t e r m m 盈d o nc i r c u l a t e di nl o we 伍c i e n c yf o rt h er i s k sb r o u g h tb yt h e m t or e d u c et h er i s k s h y d r o l o g i c a lf o r e c a s t i n gw a sr e s e a r c h e da n da p p l i e di nc o l l r o f f l o o d w a t e ru t i l i z a t i o ni nt h i s d i s s e r t a t i o ml o n g - t e r mr u n o f ff o r e c a s t i n gw a sa p p l i e di nu t i l i z a t i o np r e p l a nm a l , j 1 1 9 b a s e d o nt h ef l o o dp e a l 【f l o wa n dt i m ef o r e c a s t e d , f l o o d w a t e rd i v e r t i n gp l a na n de m e r g e n c yc o u n t e r p l a nw e r em a d ec o r r e c t l y a p p l i c a t i o no ff l o o df o r e c a s t i n gi nf l o o d w a t e ru t i l i z a t i o nr e a lt i m e m a n a g e m e n ti se f f e c t i v e l y b a s e do nt h ee x a c tr e s u l t so ff l o o df o r e c a s t i n g , f l o o d w a t e rw 私 s t o r e di nd i f f e r e n ta r e as a f e l y i nt h i sp a ：p e r ，as u c c e s s i v em u l t i v a r i a ml i n e a rr e g r e s s i o nm o d e l f i l lc o n c e p to f p h y s i c a lc a l l s eo f f o r m a t i o nf o rl o n g - t e r mr u n o f f f o r e c a s tw a ss e tu pa n df l o o d f o r e c a s tm o d e l w e r es 既u pa n da p p l i e di nb a c h i n gf l o o d w a t e ru t i l i z a t i o ns y s t e m ( 3 ) r i s k sa n db e n e f i t sa n a l y s i so ff l o o d w a t e ru t i l i z a t i o ni np l a i na r e a ：f l o o d w a t e r u 础z a t i o nw i l lr e s u l ti nb o t hr i s k sa n db e n e f i t s 萄雠f l o o dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh a z a r d s a n dr e s o u r c e s t h e r e f o r e ，t h ep a p e rh a ss t u d i e dr i s k sa n db e n e f i t sb r o u g h tb yd i f f e r e n ts i z eo f f l o o d f i r s t t h er i s k 矗k 螂a 托m a d ec l e a r 碰e rf u l l yu n d e r s t a n d i n gt h ef l o o d w a t e ru t i l i z a t i o n s y s t e m s i n c ed i f f e r e n tf l o o d w a t e ru t i l i z a t i o nw a y sc 叭d i f f e r e n tr i s k s t h e ns e c o n d l y t h e p o t e n t i a lb e n e f i t sa n dl o s s e sb r o u g h tb yd i f f e r e n tf l o o da m o u n ti nd i f f e r e mc a l c d m e du n i t s i i i 平原地区河流洪水资源利用研究 a 托d i s c u s s e d , w h i c ha 肥h e l p f u lt oc o n d u c tt h ef l o o d w a t e ru t i l i z a t i o n a tl a s t , t h ep a p e rh a s s t u d i e dt h er i s ko fi m p o r t i n gf l o o d w a t e ri n t os w a m p ，r e s e r v o i r ，a n dg r a s s l a n di nb a i e h e n g c i t r ( 4 ) o p t i m a ld e c i s i o no ff l o o d w a t e ru t i l i z a t i o ni np l a i na r e a ：f l o o d w a t e rl l t i l i z a 瞳i o ni s r e s t r i c t e db yf l o o dp r o c e s s ，f l o o dp e a ka n dt h er i s k i no r d e rt or i s e 叩t h eu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y , t h eo p t i m a ld e c i s i o no ff l o o d w a t e ru t i l i z a t i o ni ss t u d i e d t h ep a p e rh a ss e tu pa n o p t i m a lm o d e lo ff l o o d w a t e ru t i l i z a t i o nt a k i n ga c c o u n to ft h eo b j e c t i v e so fe c o n o m y ，s o c i e t y a n de n v i r o n m e n t t h er i s k sa n dl o s s e si ne a c hc a l c u l a t e du n i t sa l ed e t e r m i n 咄a n dt h eb e s t a l l o c a t i o np l a no fb a i c h e n gc i t yi sg i v e nw i t ht h em f l x i m mb e n e f i tu n d e rp r o p e rr i s k ( 5 ) s t r a t e g yo fp l a i na 鼢f l o o d w a t e ru t i l i z a t i o n ：t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ff l o o d w a t e r u t i l i z a t i o nt y p i c a l l yc o n s i s t so f t h r e es t a g e s ，p l a n ，a n du t i l i z a t i o np r e p l a nm a k i n ga n dr e a lt i m e m a n a g e m e n t f l o o d w a t e ru t i l i z a t i o np l a nm a i n l yf o c u s e so nt h ea n a l y s i so ft h el o c a lw a t e r d e m a n d ，t h ef l o o dc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ef l o o dc o n t r o lp a t t e r n so ft h eh y d r a u l i cp r o j e c t s d i f f e r e n tf l o o d w a t e ru t i l i z a t i o nm e t h o ds h o u l db ec o n d u c t e da c c o r d i n gt od i f f e r e n ts i z eo f f l o o d i nt h eu t i l i z a t i o np r e p l a nm a k i n gs t e p ，t h ed a t ao ff l o o dc a l lb eg a i nb ym i d d l ea n d l o n g - t e r mf l o o df o r e c a s t s ，a n dt h ew a t e rs y s t e ms h o u l db ea n a l y z e d b yo p t i m a lc a l c u l a t i o n , t h eo p t i m a ld e c i s i o no ff l o o d w a t e ru t i l i z a t i o na n dt h ee m e r g e n c yt l e a t m e n tc a nb ek n o w n r e a lt i m em a n a g e m e n ti st os e l e c tt h ea l l o c a t i o np l a no ff l o o d w a t e rr c s o l l r c e $ a n dr i mi t p r o p e r l y ，b a s e do n t h ea d v a n c e dr e a lt i m ep r e d i c ta n di n f o r m a t i o nt r a n s f e r r i n g a tl a s t , t h ep a p e rh a sg i v e ns o m ec o n c l u s i o n s , a sw e l l 雒t h eq u e s t i o n sw h i c hs t i l ln e e da f u r t h e rs t u d y k e yw o r d s zp l a i na r e a ：r i v e rf l o o d w a t e rr e s o t t r c e $ u t i l i z a t i o mh y d r o l o g yf o r e c a s t ；l h s k a n a l y s i s ；o p t i m a d e e i s i o md e v e l o p m e n ts t r a t e g y i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 一虹 导师签名缉兰固 兰卫年_ 旦月上日 、 一口f 年沙月6 日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 时空分布不均衡与需求的不断增长使我国水资源短缺现象愈演愈烈，与此同时我国 的各主要江河存在着洪水频发的现象。随着研究的发展，洪水的资源特性逐步被认识， 由此利用洪水资源缓解我国水资源短缺危机的研究与实践逐渐开展起来。为了对当前研 究中涉及较少的平原地区河流洪水资源利用问题进行研究，本文依托国家自然基金重点 资助项目松嫩平原洪水资源利用与湿地生态环境管理的研究与国家自然科学基金面 上项目河流洪水资源优化利用理论与方法研究对其进行了一些相应的探讨。 1 1 研究背景与研究意义 1 1 1 我国水资源现状 我国水资源具有明显的特点：人均水资源占有量偏少；水资源在地区上分布不均匀； 水资源补给年内与年际变化大；水资源区域分布与生产力分布极不相匹配。“1 做为世界上严重缺水的国家之一，虽然我国水资源量占全球总量的6 ，但由于人 口占全球的2 3 左右，人均水资源量仅有2 2 0 0 m 3 ，仅为世界人均水资源量的1 4 ，在联 合国可持续发展委员会统计的1 5 3 个国家和地区中，排在第1 2 1 位，并且还被列为了世 界1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一瞳3 1 。到2 0 3 0 年，我国的人口将达到1 6 亿，人均 水资源量将下降到1 7 0 0 m 3 ，接近国际公认的警戒线。 受季风气候影响，我国降水量年内分配极不均匀，大部分地区年内连续4 个月降水 量占全年的6 0 8 0 0 ，也就是说水资源中大约2 3 是洪水径流量【”。我国降水量年际之间 变化也很大，南方地区最大年降水量一般是最小降水量的2 _ 4 倍，北方地区为3 - 8 倍， 并且经常出现连续丰水年或连续枯水年情况。由此，造成了水害灾害频繁发生、农业生 产不稳定和水资源供需矛盾十分尖锐的局面。 我国水资源空间分布不均匀、南多北少、相差悬殊，且与人口、耕地和生产力的分 布不相适应。南方片水资源量占全国的8 0 4 ，而该地区人口占全国的5 3 6 ，耕地占 3 5 2 ，g d p 占全国的5 5 5 。人均水资源量3 4 8 1m 3 ，属于人多地少，经济发达、水资 源量相对丰富的地区；北方片人口占全国总人口的4 6 4 ，耕地占6 4 8 ，g d p 占全国 的4 4 5 ，但水资源只占全国的1 9 6 ，人均水资源量7 4 7m 3 ，黄淮海流域水资源量仅占 7 7 ，人均水资源量不足5 0 0m 3 ，是我国水资源最为缺乏的地区。 本文研究的主要区域为我国东北地区，该地区人口众多，全区人均拥有水资源量只 有世界人均占有量的1 8 ，全国人均占有量的1 2 。时空分布极不均匀，人口、资源、生 平原地区河流洪水资源利用研究 产力布局严重失衡，也造成局部地区严重缺水，水资源的不合理开发利用产生了一系列 环境地质问题。 东北地区由南到北，由东向西气候具有明显的差异，自然降雨时空分布极不均匀， 空间分布上，年降水量变化在3 0 0 1 2 0 0 m m 之间，自东向西逐减；时间分布上，高度集 中于汛期7 - 9 月，约占全年降雨量的7 0 。该地区洪涝灾害频繁，是全国主要的洪涝灾 害发生区之一，近几十年的资料表明，由于降雨的时空分布不均，东北区持续性暴雨洪 涝等气候灾害发生频繁，严重洪涝灾害的发生频次在全国位于前列，给当地国民经济特 别是农业生产以及生态环境等带来很多不利影响。仅1 9 9 5 年松辽流域和1 9 9 8 年松嫩流 域发生的特大洪涝灾害所造成的直接经济损失就高达千亿元人民币【8 】。 人均水资源量少、时空分布的不均衡、资源与生产力分布不匹配加重了我国各地区 水资源供需矛盾。快速的经济发展需要的水资源量很难得到满足，水旱灾害频繁，区域 分配的不均衡成为我国水资源面临的主要问题。 社会、经济的发展、人口增长使我国水的需求量大幅度增加，1 9 4 9 2 0 0 6 年，我国 人口增加约1 4 倍，用水总量增加4 倍多。而2 0 世纪后期，我国人口的剧增、经济的飞 速发展、不注意可持续发展的水资源开发与我国时空分配非常不均匀的降水共同作用， 导致了我国水多( 洪灾) 、水少( 干旱) 、水脏( 水污染) 等问题的出现。水资源问题 已成为影响我国区域经济、社会发展的瓶颈“1 ，主要表现在：于旱缺水，水资源供需矛 盾尖锐；水污染严重，导致水质型缺水；生态环境恶化；洪涝灾害频繁等几个方面。 1 1 2 利用洪水资源缓解水资源短缺压力 面对日益严峻的水资源问题，我国制定了一些相应的对策：坚持“适水发展”，建立 节水型社会；严格执行水污染防治法规，保证水质和水环境安全；大力开发利用非常规 水资源；加强水文水资源科学应用基础研究；建立政府与市场相结合的水资源配置机制； 完善水事决策机制1 5 。9 1 。近年来的研究与实践表明，应用“加强水文水资源科学应用基 础研究，大力发展非常规水资源”的思想，进行洪水资源化，利用我国丰富的洪水资源 成为解决我国水资源供需矛盾的重要措施。 洪水是可利用的资源，我国水资源中有2 3 左右是洪水径流量。虽然人们一般的认 识是：洪水是一种自然灾害，会带来淹没、侵蚀、冲刷等物理性的灾害，给人们带来生 命财产的损失，还会带来许多潜在的危险。但是洪水除了灾害性，还有其资源性的一面： 洪水是一种自然水体，是一种大的流量过程，在防洪安全范围内并无危害性，而且还可 能带来了上游的大量营养元素【1 0 1 。 大_ i 奎理工大学博士学位论文 我国有利用洪水资源的悠久历史。虽然人们认为洪水是一种灾害，但是在未成灾的 情况下，对其利用却由来已久。作为一个古老的农业国家，引洪水进行灌溉，发展灌溉 农业有很长的历史，解放前，在水利设施落后的背景下，汛期水量几乎是唯一的灌溉水 源。雨热同期的特点，使得我国可以用夏季水量支持农业发展，养活1 3 亿人口。如今 我国3 0 万亩以上的灌溉农业区有2 0 0 多个，多是采用河流自流或水库引水灌溉【l l 】，其 水量来源实质是直接引用的汛期洪水，或者水库蓄积的洪水。灌溉面积的粮食产量占全 国粮食总产量的7 5 ，由此可见洪水资源在农业上的作用是举足轻重的。 洪水可以作为动力资源：输沙、发电和改善河道。洪水期间洪水搬运泥沙的能力是 很强大的，在世界上的很多河流，一年中输沙量的8 0 以上是通过最高的1 0 的水流输 送的，黄河下游8 5 以上的泥沙都是通过洪水输送的【1 2 1 。 由于洪水从来源地的坡面、农田等带来大量的营养元素，随洪水流走。若能加以利用， 可以提供大量的肥力资源。减少化学肥料的施用，起到肥田增产的作用。2 0 世纪五、六十 年代大跃进期间，群众的生产热情很高，总结了许多巧妙利用洪水肥力资源，变害为利的 经验。据化验，在内蒙古引洪灌区，洪水淤泥中含氮0 2 4 5 ，有机质3 5 4 ，速效磷l 速效钾7 ，淤土后一般可提高产量2 0 5 0 。洪水养分还与洪水携带的泥沙颗粒有 关，泥沙颗粒越细，养分越高t 1 3 】。 洪水一般水质较好，可以利用洪水过程的大流量特性，稀释被污染的河流、湖泊和水 库实现水体交换，减轻污染程度，提高水质，改善流域生态环境。洪水在近海海域还可以起 到淡化海水的作用。洪水在汇流过程中从源地携带大量的营养物质，可为水生生物资源 提供饵料，提高水生生物资源的产量。例如由美国陆军工程兵团( u s a c e ) 、鱼类与野生 物保护局( f w s ) 和五个州联合组织的机构，密西西比河上游水系水生资源长期监控计划 ( l r r m p ) 办公室，利用最近发明的搜寻洞法对1 9 9 3 年洪水后鱼类的繁殖情况进行了抽 样检查，结果表明，1 9 9 3 年美国大洪水与鱼类天然繁殖期相吻合，使水生资源迅速繁殖。 这个例子表明，洪水作为生态资源效应可以得到很好的利用【1 3 1 。 由以上所述可知，洪水是一种具有多种优点的资源，我国历史和现今对其某些方面 的利用从未间断过，如今随着人类对于自然认识的提高，洪水的各项资源特性也逐渐被 认识和开发利用。所以说在我国洪水资源化是可行的。 1 1 3 洪水资源利用研究的主要问题 在社会不断发展，人口处于上升阶段的中国，水资源需求量不断增加，科学地开发 利用多种水资源将是一项必行的措施。洪水资源具有量大的优势，利用洪水资源是解决 我国水资源矛盾的重要措施。国内外对于洪水的资源特性已经有明确的认识，对其利用 平原地区河流洪水资源利用研究 也逐渐开展起来，但是当前我国对于洪水资源利用的研究与实践主要集中于如何提高水 库的利用效率，而对于江河下游无控制性工程的广大平原地区的河流洪水资源利用研究 与实践较少。 当前洪水资源利用面i 临得主要问题有：尚未形成完整的措施体系；洪水的骤发性使 其具有资源与灾害双重特性；洪水资源利用效率不高；各项研究与实践发展较晚，没有 完整的理论体系支持。面对这些问题应开展以下研究： ( 1 ) 洪水资源利用措施研究 由于洪水资源利用还处于起步阶段，而且利用难度较大，具有很高的风险，因此我 国虽然有一些潜意识的利用方式，但主动开发利用却不多，洪水资源利用的方式还较为 单一，针对不同区域、气候、自然条件特点的洪水资源利用系统还未形成。现在主要的 利用途径，多是水资源量的利用，主流是对洪水存蓄后加以利用，针对洪水资源多重特 性的开发利用较少。针对我国水资源时间、空间分配差异，如何建立丰富的洪水资源利 用措施系统，利用洪水的多种资源特性是洪水资源利用研究面临的一个重点问题。 ( 2 ) 洪水资源利用风险分析与避减措旖研究 鉴于洪水资源的资源灾害双重特性，在对其利用的过程中要承担一定的风险，且要 取得更大的经济、社会与生态效益，就要面临更大的风险。而风险的客观性是各项洪水 资源利用措施推广实践的最大阻力，只有在对其有较为明确的认识与准确的把握后才能 有的放矢地利用洪水资源以取得更大的效益。 洪水资源利用是我国独特水资源分配条件与水资源需求共同作用产生的，国外相关 研究与实践较少，缺乏可借鉴的实践经验与研究成果。而且洪水资源化利用的研究处于 起步阶段，已有的一些研究成果还很难应用到实践中。洪水资源利用风险、效益分析， 避免或减少洪水资源利用风险的措施也较少。 因此，风险效益的分析、评估与相应的避减措施研究是河流洪水资源利用研究的 重点问题。 ( 3 ) 洪水资源优化分配研究 洪水作为水资源，供水保证率较低，对其开发利用的难度和面临的风险比常规水资 源开发利用大，如果措施不当甚至会造成灾害。鉴于其开发利用的特殊性，开展优化分 配研究成为必要工作。 洪水资源优化分配是指在一个特定流域或区域内，工程与非工程措施并举，对不同 类型的洪水进行科学合理的分配，其最终目的就是实现洪水资源的安全、可持续利用， 保证社会经济、资源、生态环境的协调发展。洪水资源优化利用研究的主要内容是如何 一4 一 大连理工大学博士学位论文 对不同出现时间、不同频率的洪水进行合理分配，目的是使其在较低风险下发挥最佳效 益。研究中应统筹考虑洪水的资源与风险双重特性，使其在较低风险下被有效利用。 ( 4 ) 洪水资源开发利用策略研究 在研究洪水资源利用措施系统、风险效益分析的同时，还应开展洪水资源开发利用 策略的研究。正确的开发策略可有效地降低或避免洪水资源利用的灾害风险，使洪水发 挥更大的资源特性。洪水资源开发利用策略应包括：区域或河流洪水利用的规划，洪水 资源利用预案与洪水资源利用实时管理。 洪水资源利用策略研究是对前述内容的总结，使其形成具有普适性的指导规范，对 其研究将是一个长期的工作。 综上所述，当前洪水资源利用研究的主要问题有：丰富洪水资源利用措施，并使其 形成体系；关注风险，开展识别、评估与处理对策研究：洪水资源优化分配研究；洪水 资源开发利用策略研究。 1 1 4 平原地区河流洪水资源利用的特点 ( 1 ) 可开展多种措施综合应用 在河流中下游的平原地区，除修建了一些水库设施外，还分布着众多的湖泊、湿地、 灌区等。因此，在平原地区可开展多种措施综合应用的洪水资源利用体系，补充水源、 冲刷污染、恢复环境等多重资源特性可被广泛应用。 ( 2 ) 风险问题突出 ， 由于洪水资源与灾害特性共存，且损失风险随着所追求效益的增大不断增大。河流 中下游地区地势平坦，水利工程与天然设施一旦失事，洪水将迅速漫延，波及范围广泛， 由于人口集中、工农业发达，损失将十分巨大，由此在平原地区开展洪水资源利用，风 险问题十分突出。 ( 3 ) 急需开展洪水的优化利用 由于，河流中下游地区需水量大，蓄水单元众多，中小洪水利用的效益问题也十分 突出，将相对较少的洪量进行合理分配，才能取得更大的经济、社会与生态效益。因此 开展洪水资源的优化利用十分必要。如何应用多种洪水资源利用措施，将洪水资源合理 分配，使其在较低风险下取得更大的综合效益是平原地区河流洪水资源优化利用研究的 关键问题。 5 平原地区河流洪水资源利用研究 1 。1 5 本文研究的意义 洪水资源利用是解决我国水资源短缺现状的有效措施。当前洪水资源利用研究主要 集中于如何提高水库利用效率，使其在安全条件下多蓄水，而对于河流中下游平原地区 的洪水资源利用研究相对较少。 河流中下游地区的平原地区，由于人口较为集中，开发程度较高，一般需水量较大。 如我国七大江河的中下游平原地区，人口、耕地、粮食产量均占全国的8 0 左右，工农 业总产值占全国9 0 以上，水资源需求量巨大。 由于中上游用水量的增大与气候的恶化，河流中下游地区断流现象频繁出现，我国 北方的黄河、海河、淮河、辽河等均出现过干流断流现象，支流断流现象更是频繁发生， 其中海河下游平原河流已长期干枯断流，变成季节性洪水河流。由此产生的地下水超采 现象不断出现，全国由于地下水超量开采，许多地区地下水位持续下降，据统计，全国 已经出现区域性地下水降落漏斗5 6 个，总面积大于8 2 万k m 2 。随着地下水位大幅度下 降，不但造成大批机井、机泵报废，提水成本越来越高，而且引发一系列环境问题。 面对如此严峻的局面，除进行河流水量统一调配外，还可通过调剂年内、年际、区 域间的洪水资源，增加各流域内的可用水资源量。在区域内采用多种措施，使以往白白 流过的洪水成为流域内的可用水资源；引蓄其它区域的洪水也可增加流域可用水资源 量。利用洪水这一非常规水资源，在不降低流域内工农业、人口对水资源需求的情况下， 增大了各流域的水资源可用量，从而提高区域内的水资源承载能力，进而提高区域内的 水资源安全。这一措施对于补充河流中下游地区不足的水资源量，补充地下水，缓解日 益恶化的环境问题均有明显的作用。洪水资源利用是一项利国利民的重要举措。 洪水资源利用的风险是这一措施实施的主要阻力，如何认识洪水资源利用中面临的 风险，对其进行量化评估，提出有效的避降风险措施，实现安全利用洪水资源的目标是 洪水资源利用的重要问题。本文对河流洪水资源利用的风险与效益进行识别与评价研 究，并对洪水资源利用开发利用策略进行探讨，这些策略是有效的风险避降措施，可对 洪水资源利用实践提供有效的帮助。 本文基于洪水资源利用的积极作用，在总结当前洪水资源利用面临的一些主要问题 的基础上，对研究涉及较少的平原地区河流洪水资源利用开展了探索性研究，这些研究 所取得的成果对河流洪水资源利用措施研究、实践与管理的开展有实际的意义。 大连理工大学博士学位论文 1 2 洪水资源利用研究综述 1 2 1 国内外洪水资源利用研究与实践 近年来随着科技进步与认识提高，对于洪水资源利用的研究方兴未艾，与实践相结 合也促进了这项研究快速发展。洪水资源利用措施研究、风险管理研究、洪水预报研究、 水资源结构分析研究等相关研究逐步开展起来，且均已取得了一些成果，但是洪水资源 利用还处于起步阶段，定性研究较多，定量研究较少，可直接应用于实践的成果仍然较 少。 洪水资源利用的重要作用已经引起广泛的关注。田友( 2 0 0 2 ) 充分论述了洪水资源 化在海河流域水生态恢复的重要性，并提出了实施洪水资源化的方法与途径“”。胡四一 等( 2 0 0 2 ) 系统地论述了海河流域利用水库分期汛限水位调控洪水资源的研究思路和技 术框架，提出了基于预报调度的实时调度方式“埘。宋进喜等( 2 0 0 3 ) 介绍了雨水资源 化的多种途径，及其带来的较好的经济、环境效应“”。王健、冯浩等( 1 9 9 8 ，2 0 0 6 ) 研 究表明，集蓄雨水补灌农作物，可以大大提高产量，具有显著的经济效益“”。孙晓英 ( 2 0 0 1 ) 利用直接经济损失法对雨水回灌工程进行了效益计算，并采用层次分析法建立 指标体系来对城市雨水资源化效益分析。 由于我国蓄水工程仅能控制河川径流总量的2 2 9 6 ，且每年汛期水库不能蓄水，形成 汛期弃水，而汛期过后，因来水少而水库又蓄不上水的局面。提高水库的利用效率研究 成为洪水资源利用的重要方式。在预报科学提高的情况下，提高水库的汛限水位，并采 取分期动态汛限水位，在汛期采用多个汛限水位运行等措施。改变现行水库固定时间固 定汛限水位调节方式，实现防洪效益与兴利效益的转换，依托天气预报和洪水预报的技 术进步，挖掘水库预报调度的潜力，实现水库安全有效的汛期蓄水是洪水资源利用的有 效措施。近年来具体确定汛限水位的方法主要有模糊数学和随机数学两种。国内多位专 家学者致力于提高水库利用率方面研究，王本德、胡四一、郭生练、冯平啪删等各科研 团队，研究成果显著。其中王本德等采用模糊集分析方法确定水库分期汛限水位，以先 进的洪水预报科学为辅助提出了“水库预报调度”的水库汛限水位动态控制方法，对提 高水库效率有显著作用。随着预报技术和汛期水位确定方法研究的发展，水库的优化调 度将成为洪水资源利用最实际的方法。水库建设与水库的科学化管理相融并济，对于我 国洪水资源化利用影响重大。 跨区域的洪水资源利用方式也是洪水资源利用的重要措施。6 0 年代以来，全国各地 已先后实施一批跨流域调水工程。江苏省江水北调；引滦入津、入唐；广东省东深供水 7 平原地区河流洪水资源利用研究 工程，还修建了引碧入连、引松入长、引大入秦、引黄济青、引黄入卫、引黄入晋以及 西安黑河引水等一大批跨流域调水工程，产生了巨大的经济效益、社会效益和生态效益， 为缓解水资源供需矛盾发挥了巨大作用嘲4 】。而正在修建的南水北调工程是解决我国国 计民生的大工程，其内涵也就是人工控制水资源的再分配，洪水资源利用的再分配是其 中一个重要部分。 近年来国内在洪水资源化方面已经有了很多实践，可分为以下几种类型【3 0 】：1 1 充分 利用汛期洪水，进行流域水量的配置；2 ) 利用汛期发生洪水的时机从干流引水；3 ) 跨流域 配置洪水资源；4 ) 加强管理调度，调蓄洪水，丰水枯用；5 ) 有计划、主动运用蓄滞洪区分洪， 主观上是为减轻干流上洪水的压力，利于保障全局防洪安全，客观上起到了蓄滞、利用 洪水的作用。 综上所述目前我国对洪水资源利用的途径和措施有了较为深入的研究与实践舯1 。 各种利用措施如图1 1 所示。 图1 1 我国洪水资源利用的主要措施 f g 1 1 f l o o d w a t e ru t i l i z a t i o nm e a s u r e si nc h i n a 1 2 2 洪水资源利用风险一效益分析研究进展 洪水资源利用是工程措施和非工程措施联合实施以拦蓄洪水，延长洪水在陆地上的 停留时间，用于经济社会需水和生态环境需水，改善河流、湖泊、洼地的水面景观并补 充地下水，最大限度地发挥洪水的资源效益。具体而言，洪水资源利用是指在一定的区 域经济发展状况及水文特征条件下，以水资源利用的可持续发展为前提，以现有水利工 程为基础，通过现代化的水文气象预报和科学管理调度等手段，在保证水库及下游河道 安全的条件下，在生态环境允许的情况下，利用水库、湖泊、蓄滞洪区、地下水回补工 大连理工大学博士学位论文 程等工程措施调蓄洪水，减少洪水入海量，以提高洪水资源的利用率( 胡四一等，2 0 0 3 ) 【1 目0 1 2 2 1 洪水资源利用效益分析 一些学者对洪水资源利用效益分析进行了研究。周维博、李佩成( 2 0 0 3 ) 在研究干旱 半干旱地域灌区水资源综合效益评价体系时，建立了灌区水资源综合效益评价的数学模 型，并应用层次分析法( a h p ) 原理，对构建的模型进行了研究”。殷唆暹、侯召成( 2 0 0 4 ) 以大连市碧流河水库为例，根据大连市供水系统的风险及其变化过程，通过分析超