城陵磯建閘對洞庭湖主要航道影響分析

劉虎英

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，湖南 長沙　410008； 2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室， 湖南 長沙　410114；3.長沙理工大學(xué) 水科學(xué)與環(huán)境工程國際研究中心，湖南 長沙　410114)

洞庭湖是中國第二大淡水湖，是長江流域最重要的調(diào)蓄湖泊。由于洞庭湖位于長江上游山地與中下游平原的銜接地帶，特別是三峽工程投入運行以來，洞庭湖區(qū)內(nèi)由長江流入的水量日益減少，經(jīng)常性出現(xiàn)湖區(qū)及四水各水文控制站枯水期提前、水位下降及蓄水量銳減的現(xiàn)象[1]。為了消減三峽水庫調(diào)度運行對環(huán)洞庭湖區(qū)水域產(chǎn)生消極影響，改善環(huán)洞庭湖區(qū)枯水期的水環(huán)境，確保湘江等湖區(qū)主要航道的高效暢通，許多學(xué)者[2-3]提出了城陵磯建閘(即在洞庭湖出口城陵磯河段建設(shè)洞庭湖岳陽綜合樞紐工程)的洞庭湖治理方案。周北達(dá)[4-5]等人從防洪、水環(huán)境、水資源、生態(tài)及漁業(yè)等方面分析了修建洞庭湖岳陽綜合樞紐工程的影響。2011年中國頒布了《關(guān)于加快長江等內(nèi)河水運發(fā)展的意見》，標(biāo)志著內(nèi)河航運尤其是長江黃金水道的開發(fā)建設(shè)已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略。洞庭湖連接長江與湖南四水干流，是湖南水運通江達(dá)海及連接全省各地的紐帶。其地理位置重要，對于湖南航運事業(yè)及湖南經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響重大。因此，作者擬采用數(shù)學(xué)模型，分析城陵磯建閘對洞庭湖主要航道的影響，以期為其航運的規(guī)劃及洞庭湖岳陽綜合樞紐工程建設(shè)規(guī)劃等提供參考。

1　數(shù)學(xué)模型的建立與驗證

洞庭湖區(qū)水系眾多，河網(wǎng)復(fù)雜，直接匯入洞庭湖且河長5 km以上的河流共有403條。相比于一、二維耦合模型而言，整體二維水動力模型采用的非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格能夠更好地適應(yīng)洞庭湖區(qū)復(fù)雜的邊界形狀，同時，可以靈活地劃分網(wǎng)格，以便對重點研究區(qū)域進(jìn)行局部加密。

參考河道二維水流數(shù)值模擬[6]，基于笛卡爾坐標(biāo)系，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，建立洞庭湖二維水動力數(shù)學(xué)模型。

水流連續(xù)方程：

(1)

x方向運動方程：

(2)

y方向運動方程：

(3)

采用有限體積法，以控制方程離散。采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格模型，對洞庭湖內(nèi)的主要航道進(jìn)行加密處理。為了保證模型計算的精度，根據(jù)湖泊和河道不同的地形特征，選擇網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如：河道尺度較小，則其網(wǎng)格劃分尺寸為30～50 m。而對于湖區(qū)內(nèi)，則根據(jù)地形坡降，選擇網(wǎng)格尺寸(如圖1所示)。地形坡降大時，則網(wǎng)格劃分尺寸較小(最小為30 m)。地形較平坦則網(wǎng)格劃分尺寸較大(最大為500 m)。整個模型的三角形網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為204 716個，三角單元網(wǎng)格數(shù)為462 082個。

圖1　洞庭湖計算網(wǎng)格和水位站點分布Fig. 1　Computational grid in Dongting Lake and the distribution of gauging stations

洞庭湖的水量來自四水(湘、資、沅、澧)和三口(松滋口(沙道觀和新江口)、太平口及藕池口)，并在岳陽城陵磯注入長江。因此，模型共設(shè)置了8個進(jìn)口，出口位于城陵磯。模型中地形采用2003年以后的測量數(shù)據(jù)，選擇2004年洞庭湖的豐水期(7月18日～7月28日)、平水期(3月19日～4月21日)和枯水期(12月4日～12月31日)作為率定的依據(jù)。此外，還選擇了1996年洞庭湖的豐水期(7月14日～8月7日)、平水期(3月19日～4月21日)和枯水期(12月4日～12月31日)進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。

在對河道和湖泊特性分析后，分別對岳陽、鹿角、營田、湘陰、南咀及小河咀6個水位驗證點進(jìn)行了率定。洞庭湖整體二維數(shù)學(xué)模型率定結(jié)果見表1。由表1可知，洞庭湖各區(qū)域內(nèi)糙率隨著洪水期到枯水期轉(zhuǎn)變而不斷減小，表明枯水期水流回歸阻力小于其他湖區(qū)阻力，而河槽阻力小于湖區(qū)其他地方阻力。

洞庭湖豐、中、枯水期數(shù)學(xué)模型水位的計算值與實測值對比分別如圖2～4所示。從圖2～4中可以看出，該模型水位的計算值與實測值吻合良好，表明構(gòu)建的二維模型對三口、四水及洞庭湖區(qū)研究范圍內(nèi)水動力情況的模擬具有較高的精度。

表1　數(shù)學(xué)模型糙率率定Table 1　Calibration of the roughness coefficientin mathematical model

圖2　洪水期水位的計算值與實測值對比Fig. 2　The comparison of calculated results with measured data in flood period

2　研究工況的確定

洞庭湖岳陽綜合樞紐工程選址為東洞庭湖君山至城陵磯出口河段。根據(jù)《洞庭湖岳陽綜合樞紐工程預(yù)可行性研究報告》，洞庭湖岳陽綜合樞紐擬定的汛末最高控制水位25.0～27.0 m，初步推薦27.0 m；最低控制水位22.0～23.0 m，初步推薦22.0 m。推薦水庫調(diào)度方案：9月10日枯期調(diào)控水位為27.0 m，10月31日枯期調(diào)控水位為24.0 m，

圖3　平水期水位的計算值與實測值對比Fig. 3　The comparison of calculated results with measured data in median water period

圖4　枯水期水位的計算值與實測值對比Fig. 4　The comparison of calculated results with measured data in dry period

11月30日枯期調(diào)控水位為23.5 m，2月28日枯期調(diào)控水位為23.0 m，3月31日和4月1日枯期調(diào)控水位為22.0 m。汛末按最高調(diào)控水位 27.0 m、 枯期按最低控制水位22.0 m，枯期調(diào)控水位段為22.0～27.0 m。

以天然保證率98%水位(出口水位18.15 m)為基礎(chǔ)，計算分析洞庭湖岳陽綜合樞紐4種蓄水位時的湖區(qū)航道條件變化情況，計算工況：A1的模型出口水位為18.15 m，A2的模型出口水位為22.0 m，A3的模型出口水位為24.0 m，A4的模型出口水位為25.0 m, A5的模型出口水位為27.0 m。由于枯水期洞庭湖區(qū)內(nèi)主要航道(開湖航道和湘江尾閭航道)水位下降明顯，使該航道的通航條件嚴(yán)重惡化，因此，只對開湖航道和湘江尾閭航道水位變化進(jìn)行了分析。

3　對開湖航道影響分析

各計算工況下，開湖航道沿程水位和航道底高程的計算結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，湖區(qū)在枯水天然條件下(城陵磯水位18.15 m)，草尾至漉湖段航道水位雖呈小幅下降趨勢，水面坡降沿程變化較小，而漉湖至鯰魚口河段沿程水位下降較為明顯，水面坡降較大，不利于船舶航行。當(dāng)壩前蓄水水位達(dá)到22 m時，草尾至漉湖段的水面線變化不大，而漉湖至鯰魚口段水位則出現(xiàn)大幅抬升，從而大大降低了該航段的水面坡降。而當(dāng)壩前蓄水水位達(dá)到24 m和25 m時，草尾至新河河口附近水位出現(xiàn)小幅抬升，而新河口至鲇魚口河段水位出現(xiàn)較大的雍高，從而使得整個河段水面坡降大幅減小。而當(dāng)壩前蓄水水位達(dá)27 m時，整個河段水位維持在27.0 m左右。

圖5　開湖航道水面線的計算結(jié)果Fig. 5　The result of the water surface in Kaihu channel

湖區(qū)在枯水天然條件下(城陵磯水位18.15 m)，草尾至漉湖河段水位為25.87～23.30 m，平均水面坡降為0.054‰；漉湖至鲇魚口段水位為23.30～18.94 m，平均水面坡降為0.37 ‰。當(dāng)樞紐壩前蓄水水位達(dá)到22 m時，草尾至漉湖河段水位為25.97～23.33 m，平均水面坡降為0.052‰；漉湖至鲇魚口段水位為23.33～22.05 m，平均水面坡降為0.104 ‰。壩前蓄水水位為24 m和25 m時，整個河段水面變化平緩，平均水面坡降分別為0.034‰和0.019‰。而當(dāng)壩前蓄水位為27.0 m時，整個河段水位沒有變化，維持在約27.0 m。表明：在枯水天然條件下，漉湖至鲇魚口13.5 km航段水面坡降較大，從而使得該段航道將有可能形成“坡陡流急”的礙航淺灘。但隨著樞紐壩前蓄水水位的增加，草尾至鲇魚口整個航線的水面坡降明顯有所下降，且隨著壩前水位的增加，水面沿程坡降的變化越來越不明顯，這將有利于該航道內(nèi)船舶的航行。

4　對湘江尾閭航道影響分析

各計算工況下，湘江尾閭航道沿程水位和航道底高程的計算結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，湖區(qū)枯水天然條件下(城陵磯水位18.15 m)，岳陽灘至銅官灘河段沿程水位呈明顯的上升趨勢；而當(dāng)壩前蓄水水位分別為22,24,25和27 m時，岳陽灘至銅官灘河段水位沿程沒有變化，維持在壩前水位，表明在枯水期洞庭湖出口水位對湘江尾閭航道水位起主導(dǎo)作用。

圖6　湘江尾閭航道水面線的計算結(jié)果Fig. 6　The result of the water surface in Xiangjiang River sink channel

湖區(qū)在枯水天然條件下(城陵磯水位18.15 m)，城陵磯水文站至蔡家洲水位為18.15～21.65 m，平均水面坡降為0.023‰。而當(dāng)城陵磯建閘蓄水時，整個湘江尾閭航道水面坡降約為0 m。表明：隨著樞紐壩前蓄水水位的增加，能明顯抬升湘江尾閭航道水位，降低航道的水面坡降，大幅改善通航條件。

岳陽綜合樞紐建成前、后湖區(qū)枯水期(以2004年10月16～10月26日為例)平均流速分布如圖7所示。從圖7中可以看出，自然條件下，除主洪道內(nèi)流速較大(>0.20 m/s)，整個湖區(qū)流速小于0.10 m/s，特別是東洞庭湖區(qū)水流流速小于 0.06 m/s。 樞紐運行后，西洞庭和南洞庭湖內(nèi)流速并未發(fā)生太大的改變，而東洞庭湖和洞庭湖出口段流速出現(xiàn)明顯的降低。樞紐蓄水運行后，東洞庭湖內(nèi)主要水域流速下降約0.04 m/s，相比自然條件下的流速降低了2/3。這將加速該區(qū)域內(nèi)泥沙的淤積，導(dǎo)致湖泊萎縮，并可能妨礙湖口處船舶航行。同時東洞庭湖區(qū)水華爆發(fā)頻繁，岳陽綜合樞紐運行后還將妨礙該區(qū)域內(nèi)的水體交換，對水環(huán)境不利。

圖7　樞紐建設(shè)前、后洞庭湖區(qū)平均流速分布Fig. 7　Flow velocity of Dongting Lake before and after Chenglingji project

5　結(jié)論

基于數(shù)學(xué)模型，開展城陵磯建閘對洞庭湖主要航道影響分析。研究結(jié)果表明：洞庭湖岳陽綜合樞紐枯期按最低控制水位22.0 m時，開湖航道上游草尾至漉湖航道水位并未得到明顯抬升，通航條件并未得到明顯改善，需要繼續(xù)提高蓄水位，才能有效改善開湖航道的通航條件。樞紐蓄水后能大幅改善湘江尾閭航道的通航條件，但同時使東洞庭湖區(qū)流速減小了，對水環(huán)境不利。兼顧洞庭湖防汛、抗旱、通航、水環(huán)境、水資源及濕地保護(hù)的綜合治理方案，還有待進(jìn)一步研究。

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