洞庭湖樞紐調(diào)度方案比對(duì)分析

向 鋒， 施 勇， 金 秋, 3， 欒震宇， 張慶梓

(1. 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 湖北 武漢 430010； 2. 南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210029； 3. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 4. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

洞庭湖出口城陵磯站多年平均(三峽工程運(yùn)行前)徑流量為2 573億m3，約占螺山站多年平均徑流量(6 451億m3)的39.88%[1]。從時(shí)間分布來(lái)看，2—6月由于洞庭湖區(qū)來(lái)水相對(duì)較大，城陵磯站的徑流量占同期螺山站徑流量的43.79%～54.09%，是螺山站徑流量的主要來(lái)源之一，其中徑流量最大出現(xiàn)在4月，占長(zhǎng)江干流徑流量的54.09%；9—12月洞庭湖區(qū)汛期結(jié)束，洞庭湖區(qū)匯入長(zhǎng)江的水量也相應(yīng)減少，徑流同期比例小于35%，其中10月份的徑流量最小，只占長(zhǎng)江干流的31.37%[2]。

近年來(lái)，河道、湖泊的綜合治理已經(jīng)日漸凸顯其重要性。目前國(guó)內(nèi)外典型河湖建閘目標(biāo)各有不同，通常包括航運(yùn)、防洪、發(fā)電、灌溉，生態(tài)保護(hù)等各種功能[3]。三峽水庫(kù)汛后蓄水，長(zhǎng)江干流水位下降，洞庭湖出湖水量增加，影響洞庭湖汛后蓄水量，從而使得洞庭湖水位下降、濕地環(huán)境發(fā)生變化。受流域降雨量偏枯以及三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行等綜合影響，洞庭湖季節(jié)性干旱等問(wèn)題日益突出。因此湖南和湖北省政府提出了建設(shè)城陵磯綜合樞紐工程[4]。

1 城陵磯綜合樞紐初步調(diào)度方案

城陵磯綜合樞紐實(shí)施后，在每年9月上中旬長(zhǎng)江水位比較高的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)閘門開度控制出流，使湖區(qū)水位維持在三峽工程運(yùn)行前多年平均水位；在三峽水庫(kù)開始蓄水后的9，10月份逐步降低湖區(qū)水位，避免三峽水庫(kù)枯水期對(duì)洞庭湖水量的影響，對(duì)枯水期下游補(bǔ)水預(yù)留一定水量。根據(jù)洞庭湖樞紐相關(guān)規(guī)劃，初步擬定了城陵磯綜合樞紐5個(gè)比選調(diào)度方案。從泥沙沖淤和防洪安全的角度，對(duì)比分析影響最小的最優(yōu)調(diào)度方案。

方案1：9月11日至10月31日，閘上水位按閘址天然水位節(jié)律消落至26.0 m；在消落過(guò)程中若外江水位達(dá)到閘上水位，則閘門全開；至11月底，閘上水位消落至24.5 m；12月底，閘上水位消落至23.5 m；1月1日至3月上中旬，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在23.0～23.5 m之間波動(dòng)，在此期間，若外江水位達(dá)到23.5 m，則閘門全開；4月上中旬若外江水位達(dá)到枯季樞紐控制水位，閘門全部敞開，直至8月31日，江湖連通。

方案2：9月11日至10月31日，閘上水位按閘址天然水位節(jié)律消落至26.0 m；在消落過(guò)程中若外江水位達(dá)到閘上水位，則閘門全開；至11月底，閘上水位消落至25.0 m；12月底，閘上水位消落至24.5 m；1月1日至3月底，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在24.0～24.5 m之間波動(dòng)，在此期間，若外江水位達(dá)到24.5 m，則閘門全開；4月初若外江水位達(dá)到枯季樞紐控制水位，閘門全部敞開，直至8月31日，江湖連通。

方案3：9月11日至10月31日，閘上水位按閘址天然水位節(jié)律消落至26.0 m；在消落過(guò)程中若外江水位達(dá)到閘上水位，則閘門全開；至11月底，閘上水位消落至25.5 m；12月底，閘上水位消落至25.0 m；1月1日至4月上中旬，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在25.0～25.5 m之間波動(dòng)，在此期間，若外江水位達(dá)到25.5 m，則閘門全開；4月上中旬若外江水位達(dá)到枯季樞紐控制水位，閘門全部敞開，直至8月31日，江湖連通。

方案4：9月1日至9月10日，當(dāng)閘上水位高于29.5 m時(shí)，泄水閘門全開；當(dāng)閘上水位降到29.5 m時(shí)，減少閘門開啟孔數(shù)；9月11日至10月31日，閘上水位按閘址天然水位節(jié)律消落至26.5 m；在消落過(guò)程中若外江水位達(dá)到閘上水位，則閘門全開；11月1日至12月31日，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在26.0～26.5 m之間波動(dòng)，在此期間，若外江水位達(dá)到26.5 m，則閘門全開。1月1日至2月底，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在26.0～26.5 m之間波動(dòng)。3月1日至3月底，閘上水位逐步消落至25.0 m。在此期間，若外江水位達(dá)到25.0 m，則閘門全開。4月上中旬若外江水位達(dá)到枯季樞紐控制水位，閘門全部敞開，直至8月31日，江湖連通。

方案5：9月1日至9月10日，當(dāng)閘上水位高于29.5 m時(shí)，泄水閘門全開；當(dāng)閘上水位降到29.5 m時(shí)，減少閘門開啟孔數(shù)，9月11日至10月10日，閘上水位按閘址天然水位節(jié)律消落至27.5 m；若外江水位達(dá)到27.5 m，則閘門全開。10月10日至12月31日，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在27.0～27.5 m之間波動(dòng)，在此期間，若外江水位達(dá)到27.5 m，則閘門全開。1月1日至2月底，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在27.0～27.5 m之間波動(dòng)。3月1日至3月底，閘上水位逐步消落至26.0 m。在此期間，若外江水位達(dá)到26.0 m，則閘門全開。4月上中旬若外江水位達(dá)到枯季樞紐控制水位，閘門全部敞開，直至8月31日，江湖連通。

2 城陵磯建閘方案計(jì)算分析

城陵磯建閘后將可能對(duì)長(zhǎng)江中游地區(qū)的江湖關(guān)系產(chǎn)生影響，江湖關(guān)系涉及荊江三口分流、四口河系及四水尾閭河網(wǎng)區(qū)洪水演進(jìn)、江河湖泊泥沙淤積。城漢河段是沖積性河道，根據(jù)已有文獻(xiàn)資料[5-9]，結(jié)合長(zhǎng)江中游江湖水沙運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)及規(guī)律，在長(zhǎng)江中下游水沙模型基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)能適應(yīng)江湖分合、河網(wǎng)交錯(cuò)、分蓄滯泄、相互制約、堤垸潰決、吐納交替等復(fù)雜水流條件和閘門調(diào)度要求的一二維匯合非恒定流水沙模型[10-13]，重點(diǎn)針對(duì)城陵磯建閘及其調(diào)度后的影響開展深入研究。

長(zhǎng)江中游水沙模型算法的基本方程式為：(1)水流運(yùn)動(dòng)方程式；(2)水流連續(xù)方程式；(3)泥沙連續(xù)方程式。其算法為二維有限控制體積高性能水沙算法。

依托長(zhǎng)江中下游水沙模型，建立洞庭湖四口河系四水尾閭河網(wǎng)水沙數(shù)值模型。研究三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后四口河系四水尾閭河網(wǎng)水沙輸移、河道蓄泄關(guān)系和河勢(shì)演變趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，考慮城陵磯建閘對(duì)四口河系四水尾閭河網(wǎng)河道沖淤變化影響，綜合原型觀測(cè)、資料分析、數(shù)值模擬等方法，分析計(jì)算三峽工程及城陵磯建閘運(yùn)行后，四口河系四水尾閭河網(wǎng)的泄流能力、泄流量變化，枯季、汛期及其全年的水位、流量等變化。

城陵磯閘設(shè)置于網(wǎng)格單元邊上，網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)按照閘門寬度設(shè)置，利用堰流公式計(jì)算單元之間的水流通量，銜接閘上閘下網(wǎng)格單元。

對(duì)閘壩所在河段網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，閘壩河段的網(wǎng)格邊長(zhǎng)按照閘門寬度設(shè)置，按照閘壩出流計(jì)算式計(jì)算閘門水流通量，再將水流通量乘以閘門處的含沙量得到水沙通量，具體閘門過(guò)流量計(jì)算式如下：

閘壩自由出流：

(1)

式中：μ1為實(shí)用堰上閘孔的流量系數(shù)。

(2)

閘壩淹沒(méi)出流：

(3)

式中：μ1為實(shí)用堰上閘孔自由出流的流量系數(shù)；h1為下游單元水位超過(guò)堰頂?shù)母叨龋籅為閘門寬度；H為閘上水位；e為開度；hs為閘下水位；H0為閘上水頭。

2.1 實(shí)施建閘方案后長(zhǎng)江干流河段沖淤變化

在長(zhǎng)江干流2006年、四口河系2003年實(shí)測(cè)河道地形基礎(chǔ)上，采用經(jīng)三峽水庫(kù)調(diào)蓄后的90系列水沙過(guò)程作為長(zhǎng)江中下游水沙模型輸入條件，其他采用各河流尾閭水文站的實(shí)測(cè)水沙過(guò)程作為模型邊界。

三峽水庫(kù)運(yùn)行10，20和30年，按照建閘與不建閘兩類5個(gè)方案計(jì)算，河道泥沙沖淤變化結(jié)果表明：(見表1)(1)長(zhǎng)江干流荊江河段泥沙沖淤變化不大；(2)洞庭湖全湖區(qū)域泥沙淤積量隨著閘上運(yùn)用水位升高而增加；(3)閘前泥沙淤積量，隨著閘前控制水位的抬高，湖泊流速降低，湖泊泥沙進(jìn)入閘前的量減少，使得泥沙淤積量有所減少；由于湖泊泥沙淤積量增加使得城陵磯閘下河段泥沙淤積量減少甚至略有沖刷。洞庭湖及七里山區(qū)域沖淤變化計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 建閘10,20和30年后洞庭湖及七里山區(qū)域沖淤變化比較Tab.1 Comparison of erosion-deposition variation in Dongting Lake and Qilishan area 10,20,30 years after construction of sluice

上述計(jì)算成果是根據(jù)規(guī)劃的上游水庫(kù)建設(shè)進(jìn)程、理想的上游水庫(kù)與三峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度方式、中下游河湖沖淤的長(zhǎng)遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)成果以及中下游按理想的分洪效果調(diào)度運(yùn)用等條件而計(jì)算得出的。遠(yuǎn)期長(zhǎng)江中下游的實(shí)際超額洪量應(yīng)視屆時(shí)上游水庫(kù)建設(shè)情況、實(shí)際聯(lián)合調(diào)度情況、實(shí)測(cè)的中下游實(shí)際的河湖沖淤情況等進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2 建閘方案實(shí)施后四口河系、四水尾閭及湖泊水位流量變化

利用所建水沙模型，在城陵磯建閘運(yùn)行現(xiàn)狀(2006年地形)，10，20和30年地形上，采用經(jīng)過(guò)三峽水庫(kù)調(diào)度后的1954，1996，1998年典型洪水，進(jìn)行洪水演進(jìn)計(jì)算。

分洪后現(xiàn)狀地形條件下城陵磯、漢口洪峰水位、流量值及其變化計(jì)算結(jié)果見表2?？梢姡橇甏壗ㄩl運(yùn)行后，由于閘墩的阻水效應(yīng)，閘上洪峰水位略有升高(升高0.03～0.05 m)，洪峰流量減少142～330 m3/s；由于漢口站為分洪控制水位站，控制水位29.50 m，其水位變化不大，流量減少93～141 m3/s。

表2 現(xiàn)狀地形條件下各方案遭遇1954，1996，1998年型洪水各站洪峰水位和流量比較

2.3 水動(dòng)力學(xué)計(jì)算超額洪量

淤積會(huì)影響閘壩的行洪能力，而沖刷容易引起閘基不穩(wěn)。從表1可以看出，方案3城陵磯閘下淤積最少，且其閘控水位與三峽工程建成前枯水期多年平均實(shí)際水位較接近。

超過(guò)城陵磯河段安全泄量的水量稱為超額洪量，將潰口分洪流量計(jì)算模式嵌入河網(wǎng)方程,采用隱式耦合方式,形成河網(wǎng)洪水演進(jìn)分洪方程組進(jìn)行洪水河道演進(jìn)和潰口分洪計(jì)算[14]。

在城陵磯建閘運(yùn)行現(xiàn)狀(2006年地形)，10，20和30年地形條件下，采用1954年典型洪水經(jīng)三峽水庫(kù)調(diào)蓄后的泄流排沙條件，利用所建水沙模型，按照長(zhǎng)江中下游洪水調(diào)度規(guī)則，分析計(jì)算不建閘和建閘方案3條件下長(zhǎng)江中游各主要水文站的水位和各分洪區(qū)段的分洪量變化，由于各個(gè)建閘方案汛期調(diào)度規(guī)則一致，選用方案3進(jìn)行分洪量對(duì)比分析。其中，長(zhǎng)江中下游按沙市45.0 m，城陵磯34.4 m，漢口29.5 m和湖口22.5 m控制水位，分洪量計(jì)算結(jié)果見表3。

從表3可見，在現(xiàn)狀地形條件下，考慮三峽水庫(kù)調(diào)蓄，1954年典型洪水城陵磯附近分洪量為301億m3，建閘后由于閘的阻水效應(yīng)湖泊水位有所增高，導(dǎo)致洞庭湖24垸分洪量略有增加(增加0.10億m3)，但由于干流水位有所降低，使得洪湖分洪區(qū)分洪量減少了1.40億m3，武漢附近區(qū)和鄱陽(yáng)湖附近區(qū)分洪量分別減少了0.94億和0.75億m3。統(tǒng)計(jì)城陵磯附近區(qū)的分洪量減少1.30億m3。在運(yùn)行10年條件下，建閘后洞庭湖24垸分洪量增加0.21億m3，洪湖分洪區(qū)分洪量減少1.05億m3，使得城陵磯附近區(qū)分洪量減少0.84億m3，武漢附近區(qū)和鄱陽(yáng)湖附近區(qū)分洪量分別減少0.74億m3和0.42億m3。在運(yùn)行20年條件下，建閘后洞庭湖24垸分洪量增加0.80億m3，洪湖分洪區(qū)分洪量減少1.41億m3，使得城陵磯附近區(qū)分洪量減少0.88億m3，武漢附近區(qū)分洪量減少0.53億m3，鄱陽(yáng)湖附近區(qū)分洪量增加0.14億m3。在運(yùn)行30年條件下，建閘后洞庭湖24垸分洪量增加0.98億m3，洪湖分洪區(qū)分洪量減少0.76億m3，武漢附近區(qū)分洪量減少0.34億m3，鄱陽(yáng)湖附近區(qū)分洪量增加0.07億m3。同時(shí)，由表3可見，隨著三峽水庫(kù)運(yùn)行歷時(shí)增加，壩下河道的沖刷發(fā)展，干流水位進(jìn)一步降低，長(zhǎng)江中下游各區(qū)的分洪量都進(jìn)一步減少。

值得注意的是：隨著三峽水庫(kù)和閘門運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，建閘方案洞庭湖24垸分洪量相比不建閘方案洞庭湖24垸分洪量隨著運(yùn)行年份有所增加。分析原因?yàn)椋含F(xiàn)狀地形條件下，不建閘情形下城陵磯附近的洞庭湖蓄洪垸已蓄滿，建閘后洞庭湖水位有所升高，城陵磯閘上水位升高0.04 m，隨著三峽水庫(kù)和閘門運(yùn)用時(shí)間延長(zhǎng)，長(zhǎng)江中游超額洪量減少，不建閘情形下洞庭湖區(qū)附近城西垸、義合垸、民主垸等蓄洪垸蓄不滿，使得城陵磯建閘引起的湖泊水位升高增加超額洪量能夠蓄于洞庭湖附近蓄洪垸，相應(yīng)城陵磯閘上水位升高值有所下降，即升高為0.01～0.02 m。

表3 1954年洪水三峽水庫(kù)調(diào)度后中下游超額洪量

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)城陵磯建閘后，采用不同枯季控制水位，建閘10年、20年、30年，各建閘方案與不建閘方案相比，長(zhǎng)江干流荊江河段泥沙沖淤變化不大；洞庭湖全湖區(qū)域泥沙淤積量隨著各建閘方案閘上運(yùn)行水位升高而增加；城陵磯閘下河段泥沙淤積量減少，甚至略有沖刷。

(2)城陵磯建閘運(yùn)行后，由于閘墩的阻水效應(yīng)，城陵磯閘上洪峰水位略有升高(升高0.03～0.05 m)，洪峰流量減少142～330 m3/s。漢口站水位變化不大，流量減少93～141 m3/s。

(3)優(yōu)選調(diào)度方案3后，采用1954年典型洪水經(jīng)三峽水庫(kù)調(diào)蓄后的泄流排沙過(guò)程，分析計(jì)算建閘方案3條件下對(duì)長(zhǎng)江中下游各分洪區(qū)段的分洪量的影響，其中，長(zhǎng)江中下游按照沙市45.0 m、城陵磯34.4 m、漢口29.5 m和湖口22.5 m控制水位。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，1954年典型洪水城陵磯附近區(qū)分洪量為301億m3，建閘后由于閘的阻水效應(yīng)湖泊水位有所增高，導(dǎo)致洞庭湖24垸分洪量略有增加，增加0.10億m3，但由于干流水位有所降低，使得洪湖分洪區(qū)分洪量減少1.40億m3，武漢附近區(qū)和鄱陽(yáng)湖附近區(qū)分洪量分別減少0.94和0.75億m3。

(4)從泥沙沖淤和防洪安全的角度，對(duì)比分析得出方案3為影響最小的最優(yōu)調(diào)度方案。今后應(yīng)進(jìn)一步論證該建閘方案對(duì)水資源與生態(tài)環(huán)境等方面的影響。

參 考 文 獻(xiàn)：

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[13] 施勇, 欒震宇, 胡四一. 長(zhǎng)江中下游水沙數(shù)值模擬研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展， 2005, 16(6): 840- 848. (SHI Yong, LUAN Zhenyu, HU Siyi. Numerical modeling of flow-sediment transport in the middle-lower reach of the Yangtze River[J]. Advances in Water Science, 2005, 16(6): 840- 848. (in Chinese))

[14] 施勇, 欒震宇, 陳煉鋼, 等. 長(zhǎng)江中下游江湖蓄泄關(guān)系實(shí)時(shí)評(píng)估數(shù)值模擬[J]. 水科學(xué)進(jìn)展， 2010, 21(6): 840- 846. (SHI Yong, LUAN Zhenyu, CHEN Liangang, et al. Numerical study on the real-time evaluation of the storage-discharge relationship in the middle and lower reaches of the Yangtze River[J]. Advances in Water Science, 2010, 21(6): 840- 846. (in Chinese))