中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州

收稿日期：2021年6月5日；录用日期：2021年6月22日；发布日期：2021年6月30日

摘要

厦门市是资源型缺水和工程型缺水并存的城市，为破解水资源紧缺形势，充分利用雨洪资源迫在眉睫。应用Mike Basin建立雨洪资源利用模拟模型，对九龙江北溪流域和厦门市全域进行不同尺度的水资源模拟分析，辅以水库径流调节计算，研究雨洪利用工程引洪和蓄洪规模。通过多方案综合比选论证，推荐新建15 m³/s引洪管道和9525万m³雨洪调蓄水库。推荐方案下，2030年雨洪工程多年平均引水量12,028万m³，特枯年引水量19,813万m³，基本满足厦门市远期水资源需求。本文构建的雨洪资源利用模拟模型，是对雨洪利用精细化模拟和水资源中尺度配置的有机耦合的有益探索。

关键词

雨洪工程，径流调节，Mike Basin，水资源配置，厦门市

Study of the Stormwater Resources Utilization in the Xiamen City Based on Mike Basin

Jinhua Liu, Jin Guo, Fahong Zhang, Bin Zhu, Changxiang Cao

Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou Zhejiang

Received: Jun. 5^th, 2021; accepted: Jun. 22^nd, 2021; published: Jun. 30^th, 2021

ABSTRACT

Xiamen City is a city where resource-based water shortages and engineering-based water shortages coexist. In order to solve the water shortage situation, it is urgent to make full use of stormwater resources. This paper uses Mike Basin to simulate and analyze the process of water resources at different scales in the Beixi basin and the entire Xiamen City. Supplemented by reservoir runoff adjustment calculations, the scale of flood diversion and flood storage capacity of stormwater utilization projects are studied. Through comprehensive comparison and selection of multiple options, it is demonstrated that a diversion project with 15 m³/s and a rainwater storage reservoir of 95 million m³ are recommended. Under the recommended plan, in 2030, the average water diversion volume of the storm flood project is 12,028 million m³, and the water diversion volume of extremely dry water is 19,183 million m³, which basically meets the long-term water resources needs of Xiamen City. The flood utilization project has significance in increasing the supply of resources and alleviating the contradiction between supply and demand. The technical route proposed in the article is also a useful exploration of the organic coupling of the fine simulation of flood utilization and the mesoscale allocation of water resources.

Keywords:Flood Utilization Project, Runoff Regulation, Mike Basin, Water Resources Allocation, Xiamen City

Copyright © 2021 by author(s) and Wuhan University.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

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1. 引言

水资源系统模拟是水资源配置和调度的一个重要环节，主要研究水资源系统内各种水利工程、用水户和渠道/河道，在某种给定决策偏好和调度规则等条件下的运行情况 [1]。水资源系统模拟的核心是水资源供需平衡，由于水资源系统模拟服务的目标是水资源配置，也称为水资源配置模拟，一直是研究的热点及重点 [2]。由于实际水资源系统的高度复杂性，现实中存在大量复杂、非结构化的调度方式，因此很难用优化模型来精细地描述水资源系统。而模拟模型可通过合理设计复杂的规则来实现对水资源系统的抽象概化，具有很强的灵活性。如国外应用较为广泛的为美国的WMS (Watershed Modeling System)及HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran)模型、奥地利的Waterware [3]。国内应用较为广泛的是新安江模型、“三次平衡”配置方法 [4] 及中国水科院的WROOM [5] 等，但目前多停留在课题或项目研究阶段，并未广泛进行商业应用。相对而言，丹麦的Mike Basin [6] 以其基于调度方式的配置原理受到国内科研和工程人员的推崇，在吉林 [7]、大凌河 [8]、汉江流域 [9]、红河流域 [4] 等地区取得了良好的应用实践。Mike Basin模型是一个综合性水资源数学模型软件 [10] [11]，它基于ArcView平台，与ArcGIS的空间分析、地图显示及数据操作紧密结合，操作便捷，易于直观展示，可用于解决流域内河网模拟、地表产汇流计算、水资源供需平衡及农田灌溉用水合理性分配等一系列问题 [12]。

本文应用Mike Basin雨洪资源利用模拟模型，对九龙江北溪流域、厦门市全域进行不同尺度的水资源模拟分析，辅以水库径流调节计算，研究雨洪利用工程的引洪规模和蓄洪库容，为厦门市雨洪资源开发利用提供参考依据。

2. 问题提出

厦门市位于福建省东南沿海，辖思明、湖里、集美、海沧、同安和翔安等6个区，市域土地面积1640 km²。全市多年平均水资源量12.34亿m³，人均水资源量324 m³，仅为福建省人均水资源量的10%，全国人均水资源量的16%，是一个资源型缺水城市。全市城市供水水源包括九龙江北溪、石兜–坂头水库、汀溪水库群，其中九龙江北溪供水量占比超过80%。随着厦门市城镇化水平的提高以及东部片区的快速崛起，厦门市水资源供需矛盾和空间不均衡问题将十分突出。

因流域内用水需求增加及水量分配的制约，北溪枯水期(“基荷”)已无进一步向厦门市供水的可能性，而汛期来水量约为非汛期的三倍，汛期大量的水资源直接排海。因此，加强北溪流域雨洪资源利用，将是解决厦门市水资源供需问题的重要方向，而利用北溪流域丰水期雨洪资源(峰腰荷)，兴建境内调蓄水库进行蓄丰补枯正是这一思路的具体体现。

北溪雨洪利用工程建设内容包括九龙江北溪取水工程、溪头水库扩建工程、北溪取水口–溪头水库–翔安北水厂输水工程，旨在新建输水通道与沿线水库的贯通，采用以蓄补引的方式增加原水供应，解决厦门市尤其是东部片区缺水问题。厦门市及九龙江北溪下游水系分布示意图见图1。

图1. 厦门市及九龙江北溪下游水系分布示意图

3. 雨洪资源利用模拟模型构建

Mike Basin是由丹麦水利与环境研究所研发的与GIS整合的集总式流域(区域)水资源规划决策支持系统，主要用于研究流域与区域内水资源配置和水资源供需平衡的数学模拟，已应用于国内外多个流域和区域水资源规划管理项目。其全部建模功能均在以地图为核心的模型架构中实现，能提供不同尺度的时空水资源模拟计算、数据交互及结果分析展示。应用Mike Basin构建厦门市雨洪资源利用模拟模型。

3.1. 模型模拟范围

雨洪资源利用模拟模型模拟设计范围包括厦门市湖里、思明、海沧、集美、同安和翔安区，主要供水对象为城镇市政用水，即居民生活、工业、建筑业、服务业等。同时供水水源涉及北溪流域，故而分析范围还包括北溪流域龙岩、漳平、漳州等。模型模拟时间范围为1959年4月至2015年3月，共计56年、672月、245,280天。

3.2. 河网概化

结合河网的水力联系，选取能够反映供用水特点的河道和重要的供水节点进行概化，具体包括：选取北溪流域内干流及重要支流万安溪、龙津溪等，以及具备年、多年调节性能的万安溪水库、白沙水库和长泰枋洋水利枢纽；选取厦门市境内的已建石兜–板头水库群、汀溪水库群(汀溪水库、溪东水库、小坪和竹坝水库)，在建的莲花水库和拟扩容蓄洪的溪头水库，各水库信息详见表1。同时按照厦门市行政分区和水厂规划情况，确定5大配水节点。概化后的河网见图2。

表1. 水库特性表

注：1、上存水库为长泰枋洋水利枢纽的调节水库；2、小坪水库含水洋引水5.1 km²。

3.3. 模型边界

1) 供水水源边界。供水水源包括厦门市境内石兜水库群、汀溪水库群、溪头水库及境外北溪流域。根据雨洪利用的特点，北溪流域采用历年逐日径流资料，厦门市供水水库采用历年逐月径流资料(注：模型按照日尺度进行模拟，当输入资料为月时则进项月内均化处理)。

厦门市自北溪调水工程包括：① 现状已建北溪引水左干渠、特区供水工程(合计供水规模约18 m³/s)，② 在建长泰枋洋工程(供水规模10 m³/s)和③ 规划建设北溪雨洪利用工程(供水规模15 m³/s，4~9月引洪水)，①和②工程引水量及过程受北溪引水分水协议(注：当北溪闸址断面来水保证率90% (闸址设计流量38 m³/s)及以上的枯水情况时，漳州和厦门按62:38的比例进行分配)限制，厦门市可分配水量14.4 m³/s。

2) 河道外需水边界。需水量包括厦门市城镇市政需水及北溪流域需水，其中厦门市城镇市政需水成果采用厦门市水资源综合规划成果，见表2。

图2. 厦门市水资源配置模型水资源系统网络图

表2. 厦门市需水量汇总表(万m³)

3) 河道内需水边界。莲花水库、汀溪水库、竹坝水库和石兜水库。莲花水库、汀溪水库、竹坝水库、石兜水库的生态需水量分别为0.60 m³/s、0.74 m³/s、0.05 m³/s、0.27 m³/s。其余河段生态下泄汛期按照多年平均径流量的30%考虑，非汛期按照多年平均径流量的10%考虑。

4) 水库蒸发渗漏。水库蒸发渗漏损失按照月内平均库容的1.5%考虑。水库蓄水期各月蒸发损失是库区由陆面变为水面所增加的蒸发量，其中蒸发数据采用同安气象站实测数据。

5) 管网工程输水损失。管网工程输水损失为进入管网的水量与管网出口水量的差值，其与管网材质、输水距离等有关，本阶段按照5%取值。

3.4. 调度原则

城市供水水源工程包括水库工程和引水工程，拟定联合调度运行原则见图3，具体包括：

图3. 厦门市水资源配置调度原则

1) 供水优先序方面，优先使用本地水资源，其次为北溪引水及雨洪工程进行补充，不足部分考虑非常规水源的利用，部分供水水库作为应急备用水源。

2) 引水调度时，① 优先使用长泰枋洋工程及北溪引水，不足时用雨洪工程引水；② 长泰枋洋工程引水至石兜水库再供给城镇用水；③ 外引水不能在厦门市产生弃水；④ 各引水工程均需考虑河道生态需水及本地需水。

3) 水库调度时，遵循以下原则：① 当雨洪工程引水量汛期引水至溪头水库，水库利用库容蓄水，非汛期由水库利用水库蓄水量供水；② 各供水水库调度运行时需满足下游河道最小生态流量要求。

4. 模型分析

4.1. 方案设计

九龙江北溪雨洪资源主要为丰水年或丰水期的富余水量，如将其引至厦门境内，并使之成为有效水量，必须配套相适应规模的备用库容。通常而言，相同的雨洪来水过程和相同的引洪时段，较小的引水规模需要配备较大的调蓄水库，而较大的引水规模则需要配备相对小的调蓄水库，本文在构建的模型基础上，采用如下工作步骤确定工程规模。

1) 基于雨洪资源利用模拟模型，对九龙江流域水资源供需进行逐日模拟，提出雨洪工程取水断面处的逐日径流过程；开展厦门市水资源供需月尺度分析，提出厦门市缺水月过程。

2) 根据来水、缺水特征，采用水库径流调节方式，拟定雨洪工程引水能力及相应的备用库容，形成雨洪工程规模可行方案组。

3) 结合引水工程和水库的建设条件，拟定并进行方案技术经济比选，提出雨洪工程的推荐方案。

4) 提出推荐引洪和蓄洪规模下的水资源供需成果。

受篇幅限制，本文仅就步骤2)和4)进行分析讨论。综合考虑万安溪水库和白沙水库综合调度(发电、供水、防洪等)要求以及下游漳州、厦门常规引水需求后的长系列逐日下泄流量等，仅水库径流调节分析，拟定雨洪工程规模方案组见表3。进一步考虑厦门市中型水库的建设条件以及水库蓄满率要求，提出引水规模15 m³/s，以及扩建溪头水库到正常蓄水位154 m、对应库容9525万m³，复核厦门市2030年水资源供需平衡成果见表4。同时为分析雨洪工程对厦门市供水系统的综合效果，增加有无雨洪工程水资源供需方案对比见表5。

表3. 雨洪工程规模方案设计

4.2. 结果分析

1) 关于雨洪工程规模方案组。表3结果表明，当引水能力从10 m³/s增加到15 m³/s时，调节库容减少了近20%；当引水能力增加到20 m³/s时，需要的调节库容仅减少2.2%，即当雨洪引水规模在15 m³/s或以上时，实际需要厦门市域内配套调蓄库容基本没有变化或变化不大。究其原因，由于厦门市缺水量主要集中在枯水时段，则实际解决厦门市缺水矛盾主要取决于配套调蓄库容(即取决于汛末配套库容的总蓄水量)，此时引水规模继续扩大则没有实质意义，因引水规模10~15 m³/s已可以满足在汛末将配套调蓄库容充满。

2) 关于雨洪工程直接供水量。表4结果表明：多年平均情况下，厦门市2030年需水量105,114万m³，各水源累计供水量104,831万m³，年均缺水量283万m³，缺水率不足0.26%，各类供水工程中，九龙江北溪雨洪工程多年平均引水量12,028万m³，其中汛期直接供水4006万m³；97%来水情况下，九龙江北溪雨洪利用工程引水量约为1.98亿m³，供水量占比达到18.9%，可见雨洪工程供水量十分可观。

3) 关于供水系统新增供水量。表5结果表明：无雨洪工程情景下，特枯年份，厦门市2030年缺水量24251万m³，缺水率23.1%，多年平均缺水量5301万m³，缺水率5.1%；有雨洪工程情景下，特枯年份，厦门市2030年缺水量154万m³，缺水率0.15%，多年平均缺水量283万m³，缺水率0.26%。通过有无雨洪工程的对比分析，受益于雨洪工程，特枯年份，厦门市新增供水量24,097万m³，其中雨洪工程引水量19,813万m³，原供水系统新增供水量4284万m³。后者主要由供水系统内部挖潜及本地径流的利用共同引起的。因此，雨洪工程的作用不仅在于从北溪新增引洪资源量，还在于与本地工程联合调度，进一步挖掘供水系统潜能。

表4. 2030年厦门市水资源供需分析成果表(万m³)

注：P = 97%为2009~2010年供需分析成果，下同。

表5. 2030年有无雨洪工程水资源供需对比表(万m³)

5. 结论

1) 通过对厦门市近十座水库、百余条供水管线、十余座水厂，以及上千个运行调度规则的梳理，构建了包含“蓄、引、提、调”和“供、用、耗、排”在内的雨洪资源利用联合调度模拟模型，可用于厦门市雨洪资源开发利用模拟研究。通过多方案综合比选论证，推荐新建15 m³/s引洪管道和9525万m³雨洪调蓄水库。特枯水年，设计保证率引水量约为1.98亿m³，规划雨洪过程供水量占比达到18.9%。

2) 通过有无雨洪工程的对比分析，特枯水年，厦门市新增供水量24,097万m³，其中雨洪工程引水量19,813万m³，原供水系统新增供水量4284万m³。雨洪工程之于厦门市供水系统而言，其作用不仅在于从北溪新增引洪资源量，还在于与本地工程联合调度，进一步挖掘供水系统潜能。

3) 本文利用Mike Basin雨洪资源利用模拟模型，对九龙江北溪流域、厦门市全域进行水资源不同尺度的模拟分析，辅以水库径流调节计算，研究了雨洪利用工程引洪规模和蓄洪库容，是对雨洪利用模拟和水资源中尺度配置的有机耦合的有益探索。

文章引用

刘金华,郭 靖,张发鸿,朱 斌,曹长相. 基于Mike Basin的厦门市雨洪资源利用研究
Study of the Stormwater Resources Utilization in the Xiamen City Based on Mike Basin[J]. 水资源研究, 2021, 10(03): 322-330. https://doi.org/10.12677/JWRR.2021.103035

参考文献