水资源是基础自然资源,是生态环境的控制性因素之一,同时,又是战略性经济资源,是一个国家综合国力的有机组成部分。
缺水促使利用洪水
我国水资源总量为2.8万亿m3,按现在人口统计,人均水资源量不足2220m3。水资源短缺已成为社会经济发展和生态环境修复的重要制约因素。预测到2030年,我国人口增至16亿人时,人均水资源量将降到1760m3。按国际上的标准,人均水资源量少于1700m3为极度缺水的国家。特别是我国北方地区人均水资源量只有全国的1/3或更少,而水资源总量的70%~80%集中于7月和8月的主汛期,甚至就集中于主汛期的几场洪水。因此,对于我们这样极度缺水的国家,洪水具有灾害与资源的双重属性,我们必须在防洪减灾的同时,尽量提高洪水资源利用率,增加洪水资源化的总量,以缓解我国水资源紧缺的矛盾和改善流域生态环境。
可以说,长期以来修建水利工程调控洪水资源,就是洪水资源化的最主要工作内容。洪水资源化主要是针对多年来过于强调“入海为安”式的防洪安全,而不太兼顾多蓄水兴利的传统观念和做法而提出的。严格地讲,洪水资源化应该是在保证防洪安全的前提下提高洪水资源利用率,增加洪水资源化的总量。洪水资源化的前提是保证防洪安全,水利信息化的“龙头工程”——国家防汛抗旱指挥系统工程的建设,使水雨工灾情信息的采集、传输、存储实现了自动化,为信息服务、防洪形势分析、洪水预报与调度、防汛会商等业务分析系统提供了支撑平台,同时也为洪水资源利用奠定了信息化基础,使得洪水资源化成为可能。
动态控制汛限水位
具体来说,洪水资源化是综合应用现代的信息技术、管理技术、水文气象预报技术、水利工程联合调度技术,在保证防洪安全的前提下,利用水库、湖泊、拦河闸坝、自然洼地、水保工程、地下水库、蓄滞洪区等蓄滞水工程拦蓄和滞留洪水,利用引水工程引蓄和配置洪水,利用水库洪水开展水沙调控调度,从而提高供水工程的供水量及其保证率,增发水电站发电量,补充地下水,减轻水库与河道淤积,改善河流、湖泊、湿地的生态环境与人类居住环境。
尽管我国大部分地区都有洪涝、旱灾发生,但洪水资源化的重点应放在水资源紧缺地区,尤其是我国北方地区。北方地区多属资源型缺水,在当地修建新的蓄供水工程的可能性已很小。目前解决资源型缺水城市用水问题的主要措施有:在节水方面的经济手段调控、供水管网改造、节水洁具应用、节水灌溉等,在新水源方面的雨水收集利用、中水回用、海水淡化与直接利用、跨流域引水等。其中雨水收集利用属洪水资源化的建设内容,但大多都属于投资较大的工程措施。还有一类措施是依靠科技进步的非工程(软)措施来提高洪水资源利用率。它以信息化为基础和支撑条件,开展提高洪水资源利用率新方法的研究与应用。比如水库汛限水位的动态控制方法研究,它是在现有水库工程不变的条件下,通过利用多种预报与统计信息,研究缓解水库防洪与兴利间矛盾的方法。这种方法投资小,效益大,研究周期短,但需要有良好的降雨预报、洪水预报、洪水调度的信息化水平与技术水平作为支撑与保障。因此,应首先开展洪水资源化的软科学(非工程措施)研究与实施,即在现有的工程条件下提高洪水资源利用率,然后开展相应工程措施的研究与实施。
水库既是洪水调蓄的控制性工程,又是主要供水水源和发电基地。在以往的常规调度中,常常受单一汛限水位的约束,水库在汛期不得不弃水,而汛期过后在允许蓄水时却来水很少、无水可蓄,造成洪水资源浪费和供水短缺。这种状况在北方地区尤为突出。
水库汛限水位,是水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位。水库在调蓄洪水中根据调度规则确定放水决策,当发生较大洪水时,水库水位可能超过汛限水位,这是规则允许的,但在洪水过后要使水库水位尽快回落到汛限水位。汛限水位动态控制的基本理念是:要利用一切可利用的信息,如卫星云图、数值预报产品、降雨预报、洪水预报、补偿水库的实际库水位等,将未来某一时期的汛限水位控制在原设计汛限水位上下的一个约束域内。高于原设计汛限水位目的是充分利用洪水资源,且不降低原设计标准;低于原设计汛限水位的意图是提高水库及其上下游原设计的防洪标准,且不降低原设计供水保证率。
它打破了某一时刻单一汛限水位的传统理念,根据安全与经济的原则,将汛限水位确定为一个控制范围,有效地缓解了水库防洪与兴利间的矛盾。但这一方法与技术的应用,需要及时收集水雨情信息,需要洪水预报与调度模拟软件系统,只有在信息化建设的支持下才能得已实现。
水库汛限水位动态控制方法研究,在实施“汛限水位动态控制方法”的必要性与可行性分析的基础上,重点研究洪水预报和降雨预报信息的利用、汛限水位动态控制范围设计方法、实时确定汛限水位动态控制值的方法、汛水位动态控制的风险与效益分析。
水库汛限水位动态控制研究成果首先在大连市碧流河水库得到应用,创造了巨大的社会和经济效益。在碧流河水库2005和2006两年汛期的实际应用中,在确保水库防洪安全的前提下,增加兴利蓄水5000万m3和3000万m3,直接经济效益达到5000万元,为缓解大连市用水紧张局面、保障社会经济持续快速发展起到了重要支撑作用。
洪水资源化的主要形式包括:在水库调度中考虑洪水在河道中的滞留时间,以回补地下水和改善下游河道生态环境;利用湖泊、拦河闸坝、自然洼地、水保工程、蓄滞洪区、地下水库蓄滞洪水以回补地下水和改善生态环境;向湿地引蓄洪水以保持湿地生态环境和回补地下水;利用水库洪水开展水沙调控调度以减轻水库及其下游河道的泥沙淤积;充分利用汛期洪水以进行流域水量的配置和跨流域配置洪水资源等。
洪水资源化需加强研究
洪水资源化是一个新课题,是一个复杂的系统工程。尽管近年来已有一些成功的实践或试点,但仍缺乏较系统的应用基础理论的指导。因此,在进一步提高对洪水资源化认识、加强领导、统一规划和继续加快水利信息化建设的基础上,还必须要加大科研力度,组织科研院校开展洪水资源化基础理论、应用理论、管理调度体制机制等方面的研究。
依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》的优先主题,科技部在“十一五”国家科技支撑计划中设立了“雨洪资源利用技术研究及应用”重点项目,并委托水利部作为项目的组织部门。目前此项目已启动,将重点进行洪水资源评价体系研究及其在我国各大流域的应用、现有防洪工程洪水资源利用关键技术研究与示范、城市雨水资源利用模式研究与示范、地下储水空间雨洪资源利用模式研究与示范、雨洪资源利用的风险与效益评估方法研究、流域雨洪资源利用的技术集成化和保障体系研究。这些都是洪水资源化中的关键技术。有理由相信,理论与实践相结合,将为洪水资源化提供理论指导、技术支撑和体制保障。