變化環(huán)境下七里山水域高洪水位研究

周柏林，欒震宇，劉曉群，陳莫非，金 秋

（1.湖南省水利廳，湖南 長沙 410007； 2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；3.湖南省洞庭湖水利工程管理局，湖南 長沙 410007；4.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430000）

1 研究背景

七里山水域是洞庭湖匯入長江的江湖交匯區(qū)，是長江中游洪水匯集調(diào)蓄和下泄的關(guān)鍵通道，包括城陵磯出口、下荊江出口及其匯合的城陵磯至螺山河段（圖1），其高洪水位反映洞庭湖調(diào)蓄長江洪水的特征。長江上游洪水出三峽入荊江，經(jīng)三口分泄入洞庭湖，與洞庭湖四水洪水交匯后經(jīng)城陵磯七里山再匯入長江，近130萬km2巨大的集水面積內(nèi)分布了眾多的河流湖泊，因降水充沛、洪水來源多且組合復(fù)雜，致使該水域附近成為歷史上洪災(zāi)最嚴(yán)重的區(qū)域，自1860年荊江南岸沖決藕池河以來約160年，平均不到十年就有一次較大的洪災(zāi)，損失巨大的包括1870年、1931年、1935年、1954年、1980年、1981年、1991年、1996年、1998年、1999年等［1］，其中發(fā)生在1949年解放以后的1954年大水成為長江中下游防洪的目標(biāo)洪水［2］，洪水量級略次之的1998年洪水，因江湖圍墾變遷導(dǎo)致城陵磯最高洪水位超過1954年1.85 m［3］，長江兩岸數(shù)千公里堤防超標(biāo)準(zhǔn)運用，集結(jié)百萬大軍防汛搶險近百日。在三峽工程2003年正式運用后，即使加上進一步開發(fā)的向家壩、溪洛渡等長江上游梯級調(diào)節(jié)，根據(jù)最新的長江流域綜合規(guī)劃、長江流域防洪規(guī)劃和正在修編的洞庭湖區(qū)綜合規(guī)劃，該地區(qū)仍有大量的超額洪量需要安排。

為此在洞庭湖區(qū)布置了24個蓄洪垸，蓄洪容積162億m3，常住人口超過150萬。1998年大水后，澧南、西官、圍堤湖3個蓄洪垸（以下簡稱“三小垸”）約9億m3蓄洪容積，已完成堤防加固、移民安置、分洪閘建設(shè)等安全工程建設(shè)及移民，基本達(dá)到“空垸待蓄”條件；錢糧湖、共雙茶及大通湖東等3個蓄洪垸（以下簡稱“三大垸”）蓄洪容積52億m3，屬98大水后中央決定先期興建城陵磯附近蓄洪100億m3的江南部分，目前正在建設(shè)。另外18垸僅完成堤防加固。

圖1 七里山水域示意圖

2003年以來三峽工程及其上游梯級水庫陸續(xù)投入運用，三峽及其上游梯級水庫攔蓄了90%以上上游來沙量，三峽“清水下泄”，壩下長江干流河床發(fā)生長程沖刷，2003—2015年，荊江河段沖刷8.32億m3，城陵磯至漢口河段沖刷2.01億m3，螺山枯水水位下降0.69～0.98 m，三口分流比減小至12%，分沙比略有增大；2016、2017年，長江中游發(fā)生較大洪水，蓮花塘水位超過34.0 m，對應(yīng)螺山泄流能力無明顯變化；2003年以來，荊江三口和湖南四水入湖沙量分別減少86%和48%，洞庭湖湖區(qū)泥沙淤積量呈明顯減小趨勢；近年來，洞庭湖區(qū)先后開展了錢糧湖、共雙茶、大通湖東（共50億m3蓄洪容積）蓄滯洪區(qū)建設(shè)，為洞庭湖區(qū)納蓄七里山水域超額洪量提供了分蓄洪調(diào)度基礎(chǔ)。因此，七里山水域面臨包括河床、河勢、水位流量關(guān)系、槽蓄能力、泄流能力、水利工程等新的變化環(huán)境，城陵磯出口河段泄流能力的變化也必將對長江中游防洪格局產(chǎn)生影響。由于這些水庫群、堤防、分蓄洪工程及河流湖泊空間分布的廣泛性，以及降水的不均勻性和洪水遭遇組合的復(fù)雜性，城陵磯附近特別是洞庭湖區(qū)應(yīng)對特大洪水的對策極具多樣性，決策調(diào)度非常困難。因此采用水力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)，針對不同的控制水位條件進行分蓄洪情景模擬具有非常強的現(xiàn)實意義。

針對城陵磯附近七里山的高洪水位和超額洪量問題，長江委設(shè)計院［4］、長江委水文局等通過大湖模型，胡四一、施勇等［5］通過長江中游洪水演進模型，葛守西、王俊等［6］通過MIKE11水力學(xué)模型分析研究了相關(guān)的成因，其中大湖水文模型還是長江中下游防洪蓄洪規(guī)劃的主要技術(shù)手段?！熬盼濉逼陂g，中國水科院、武漢大學(xué)和長江科學(xué)院等多家科研單位均建立了荊江-洞庭湖一維水沙數(shù)學(xué)模型；“九五”之后，長江科學(xué)院［7-8］進一步在一維恒定河網(wǎng)水沙數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，運用四點偏心隱格式和河網(wǎng)三級解法建立了一維非恒定河網(wǎng)水沙數(shù)學(xué)模型。吳作平等［9］也建立了荊江洞庭湖區(qū)一維非恒定水沙數(shù)學(xué)模型。方春明等［10-12］采用Visual C++語言建立了荊江三口洪道可視化一維河網(wǎng)恒定水流泥沙數(shù)學(xué)模型。南京水利科學(xué)研究院［13-14］建立了長江干流和洞庭湖區(qū)一、二維混合非恒定水沙數(shù)學(xué)模型，模型計算范圍上始長江干流宜昌下至大通，包括洞庭湖區(qū)、漢江中下游、鄱陽湖區(qū)和注入長江干流的重要支流，模型以一維河網(wǎng)模型為主體，對東洞庭湖區(qū)、南洞庭湖區(qū)和西洞庭湖區(qū)采用平面二維模型模擬，其中一維河網(wǎng)模型基于四點偏心隱格式和河網(wǎng)三級解法建立，平面二維模型基于有限體積法建立，這也是本次研究擴充的基礎(chǔ)。考慮到長江上游梯級水庫群逐步投入運用，基于近期長江干流長程沖刷后的地形和新的水沙環(huán)境，本文著重研究了現(xiàn)有防洪體系下七里山水域的防洪能力和現(xiàn)有蓄洪工程運用條件下的七里山（城陵磯）水位變化，并提出相應(yīng)防洪對策。

2 分蓄洪數(shù)值模擬

2.1 模型算法 長江中游水沙模型算法的基本方程包括水流運動方程［15］和泥沙連續(xù)方程。其算法為二維有限控制體積高性能水沙算法［16］，包括二維有限控制體積高性能水流差分算法、二維泥沙顯式逆風(fēng)算法和河床沖淤平衡計算。

七里山水域有長江、洞庭湖水沙分合交織變化，其高洪水位受長江上游梯級水庫群調(diào)度、河道沖淤與蓄泄變化、堤防約束和蓄洪區(qū)分蓄洪等諸多因素影響，因此，這一區(qū)域的洪水模擬需以長江中下游整體防洪系統(tǒng)為背景，以三峽及其上游水庫群運用后泄水泄沙為上游來流條件，包括洞庭四水經(jīng)過上游干支流水庫調(diào)蓄后的水沙入湖過程，七里山水域長江干流監(jiān)利-螺山河段、城陵磯出口河段采用二維有限體積法水流泥沙算法進行模擬，并納入長江中下游水沙模擬整體數(shù)學(xué)模型［14］（圖2）。蓄滯洪區(qū)主要考慮洪湖分蓄洪區(qū)、洞庭湖24垸、武漢附近分蓄洪區(qū)、湖口附近分蓄洪區(qū)。其中，錢糧湖、共雙茶、大通湖東蓄滯洪區(qū)分洪閘運用按照分洪閘過流能力分泄洪水。

圖2 七里山水域二維數(shù)值模擬一維河網(wǎng)及二維網(wǎng)格圖

蓄滯洪區(qū)分洪數(shù)值模擬方法有水文學(xué)法、水力學(xué)法［17］，分洪后垸內(nèi)洪水模擬計算模式有零維、一維、二維和三維。根據(jù)模型計算工作量和蓄滯洪區(qū)分洪研究的實際需要，本文在七里山水域和洞庭湖區(qū)采用二維水力學(xué)模擬，蓄滯洪區(qū)內(nèi)采用零維水文學(xué)模擬，分洪口門流量計算采用側(cè)堰公式，能夠較為實際地反映洞庭湖區(qū)河道的行洪能力和各蓄滯洪區(qū)垸的納洪能力。

七里山水域二維模型與長江中下游水沙整體模型通過采用邊界狀態(tài)量交換實現(xiàn)水沙輸移的銜接，其中，監(jiān)利、螺山斷面的二維網(wǎng)格單元與其相鄰的一維河段斷面公用邊的水沙狀態(tài)量銜接，即七里山水域二維模型監(jiān)利網(wǎng)格單元入流邊界值取用與此單元相鄰的一維監(jiān)利斷面流量值和泥沙狀態(tài)值，螺山網(wǎng)格單元水位值取用與此單元相鄰的一維螺山斷面水位值；七里山水域二維模型七里山河段采用單元邊界水沙通量與洞庭湖二維模塊銜接，即取用洞庭湖二維模塊出湖單元邊界流速、泥沙通量作為七里山河段入流水沙狀態(tài)量。

2.2 蓄滯洪區(qū)分洪過程數(shù)值模擬 蓄滯洪區(qū)分洪運用過程是河道與蓄滯洪區(qū)洪水水量吞吐及其水位交替變化過程［18］。在分蓄洪運用方式上，分為閘門控制和口門潰決兩種形式，其中口門潰決［19］有兩種模式，即瞬時潰決和逐漸潰決。瞬時潰決為堤防決口瞬間潰決到設(shè)定的寬度和深度；逐漸潰決為給定口門初始形態(tài)、最終形態(tài)（通常設(shè)為矩形或梯形）及潰口發(fā)展到最終形態(tài)所需時間，按照口門垂向和橫向隨時間均勻擴展計算口門發(fā)展過程。其中，洪湖分蓄洪區(qū)東分塊、三大垸和三小垸采用閘控方式分洪。分洪流量采用堰閘方式。分洪口門為閘控時，分洪流量為式中m為流量系數(shù)，B為口門寬度，h2為閘后水深，?z0為包括閘前行近流速水頭在內(nèi)的閘上下水頭差。分洪口門為潰決時，自由泄流時蓄滯洪區(qū)與河道交換流量為式中H0為有效水頭；淹沒泄流時，采用淹沒泄流公式，蓄滯洪區(qū)與河道交換流量為式中σ為淹沒系數(shù)。

由于洞庭湖24個蓄洪垸分別位于四口河系河道、四水河道和洞庭湖湖泊旁，其不同的位置對分洪效果影響不同。為此，建立各蓄滯洪區(qū)與一維河道斷面、二維湖泊網(wǎng)格之間的拓樸關(guān)系，即與一維河道相鄰的蓄滯洪區(qū)以（河段號，斷面號）來表示分洪口門與行洪河道的關(guān)系，以（單元號）來表示分洪口門與洞庭湖湖泊的關(guān)系，并嵌入數(shù)值模擬模型，建立蓄洪垸內(nèi)外的水位相關(guān)關(guān)系，并據(jù)此進行分洪流量計算。分泄入蓄滯洪區(qū)的水量從對應(yīng)河道斷面或湖泊單元扣除、再演算到城陵磯，模擬蓄滯洪區(qū)分洪對降低城陵磯水位的影響。

分洪預(yù)測計算包括啟用的蓄滯洪區(qū)的空間位置、數(shù)量和分洪流量的確定，模擬中，引入預(yù)測校正計算模式，即每計算時步分為預(yù)測和校正兩步進行。在預(yù)測時步內(nèi)首先按照各蓄滯洪區(qū)啟用規(guī)則和各蓄滯洪區(qū)內(nèi)外水位差計算分洪流量、預(yù)估總分洪量?W，再采用數(shù)值模型計算，得到預(yù)估城陵磯水位，并與城陵磯控制目標(biāo)水位進行比較。根據(jù)差值反饋校正分蓄洪量?W′，調(diào)整分洪流量和啟用的蓄滯洪區(qū)，以城陵磯站模擬水位與其防洪控制目標(biāo)水位之差值?Z=0作為校正目標(biāo)，進行數(shù)值模型水量的校正計算。

2.3 率定與驗證 通過1991年至2000年水沙系列資料對糙率和泥沙恢復(fù)飽和參數(shù)進行了率定，利用2001年至2012年水沙系列資料和2002年至2006年、2006年至2011年壩下河道沖淤量對模型參數(shù)進行了驗證計算，模型計算時間步長為30s。1991—2012年洪峰水位率定驗證誤差均小于0.30 m，其中，長江中游主要控制站的水位誤差小于0.10 m，流量相對誤差小于5%（圖3），含沙量相對誤差小于20%。2003年三峽水庫運用后，上游來沙量大幅減少，模型計算結(jié)果模擬出了壩下河道沖刷變化。對比七里山水域水下地形實際監(jiān)測資料，2006—2010年河道地形沖淤量計算誤差在10%以內(nèi)，且沖淤分布與三峽運用后實測槽沖灘淤特征基本一致。

率定驗證結(jié)果表明長江中下游水沙整體模型和七里山水域二維水沙局部模擬模型的計算方法、參數(shù)的選取和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)處理基本合適，可用于典型洪水的分洪模擬。

圖3 七里山站水位流量計算值與實測值比較

3 典型洪水情景模擬

由于三峽工程及其上游溪洛渡、向家壩等梯級的開發(fā)和運用，三峽下泄的水沙條件出現(xiàn)較大的變化，加之清水下泄長江干流河道長程沖刷改變了河道地形，使得七里山水域高洪水位和超額洪量相應(yīng)發(fā)生變化。

當(dāng)前，長江中下游防洪蓄洪工程的關(guān)鍵控制水位主要為沙市45.00 m、城陵磯蓮花塘34.40 m、漢口29.73 m和鄱陽湖湖口22.50 m四個控制節(jié)點。在三峽運用前為防御1954年目標(biāo)洪水，在各控制站之間河段附近布置了可蓄納492億m3超額洪量的蓄滯洪區(qū)，其中城陵磯附近由江南洞庭湖24個蓄洪垸和江北洪湖蓄洪區(qū)各蓄洪160億m3即共蓄洪320億m3。

3.1 蓄洪運用模擬分析 1998年大水后，洞庭湖區(qū)澧南、西官、圍堤湖三小垸近9億m3蓄洪容積已完成“空垸待蓄”建設(shè)，錢糧湖、共雙茶及大通湖東等三大垸蓄洪容積52億m3正在興建。加上三峽工程及其上游水庫逐漸投入運用和長江干堤加固完成，城陵磯附近的防洪情勢出現(xiàn)新的變化。根據(jù)不同的工程運用條件和可能的江湖地形變化情況，即根據(jù)長江中下游江湖沖淤地形變化（1998年、2006年、三峽及上游水庫運用30年后的地形）和長江干流上游參與調(diào)度的水庫的不同（不考慮三峽調(diào)度、三峽單獨調(diào)度、三峽和溪洛渡、向家壩聯(lián)合調(diào)度），以及蓄滯洪區(qū)啟用的現(xiàn)有工程條件（完成蓄洪建設(shè)的蓄滯洪區(qū)），針對1954年、1996年、1998年、1999年等典型洪水，可模擬得到不同的分蓄洪結(jié)果（表1）。

表1 城陵磯最高水位和分蓄洪模擬分析

河道來水來沙條件對河湖河勢和泄流能力變化的影響具有長期性，三峽工程運用后清水下泄，壩下河道長程沖刷增加了河道過流斷面和槽蓄容積，相應(yīng)使得城陵磯附近超額洪量減少，如三峽工程運用前1998年和運用后2006年河道地形下，采用三峽水庫調(diào)蓄后的來水過程，對于1954年目標(biāo)洪水，按照控制城陵磯最高水位不超過34.4 m調(diào)度，城陵磯附近的超額洪量分別為339億m3、312億m3，結(jié)合三峽和溪洛渡、向家壩聯(lián)合調(diào)度，城陵磯附近減少分洪量27億m3，水庫群運用30年后，壩下河槽沖刷進一步加深，長江干流河道蓄泄能力增大，分洪量將進一步減少到215億m3，則通過城陵磯附近布置的320億m3蓄洪區(qū)可保證這一區(qū)域防洪安全。

1998年大水后，有關(guān)部門針對城陵磯地區(qū)防洪調(diào)度提出了抬高城陵磯水位0.5 m至34.9 m以增加防洪調(diào)度裕度的方式。相應(yīng)于這一控制條件，洞庭湖區(qū)間大洪水導(dǎo)致高洪水位的1996年資沅洪水，城陵磯實際水位達(dá)到35.01 m，通過三峽水庫調(diào)節(jié)長江上游來水，不分洪即可控制城陵磯水位在34.40 m以下；次于1954年的1998年流域性大水，實際水位達(dá)到35.8 m，通過三峽調(diào)節(jié)不分洪最高水位也低于34.90 m，其它如1999年、2002年等在城陵磯導(dǎo)致實際水位高于防洪控制水位的較大洪水，均在三峽水庫的調(diào)節(jié)下可達(dá)到控制水位而不分洪的目的。

模擬分析表明，針對1954年目標(biāo)洪水，如果洪湖蓄滯洪區(qū)不啟用、僅洞庭湖錢糧湖等三大垸啟用分蓄洪50億m3時，七里山水位高達(dá)36.59 m，將超過34.40 m控制水位2.19 m；考慮洪湖東分塊啟用，按照“兩湖對等”分洪100億m3，水位為36.18 m，也會超出1998年歷史最高水位35.80 m，面臨的防洪問題仍然會十分突出。1998年洪水城陵磯控制水位抬高0.5 m時，可以減少46億m3分洪量，并不增加漢口段的分洪量或者影響其控制水位，長江河道泄流能力具有一定的裕度。

3.2 不利情景模擬分析 三峽以上集水面積約100萬km2，支流水系眾多，洪水來源復(fù)雜，長江上游各個梯級水庫到三峽大壩間的區(qū)間面積達(dá)74萬km2，且長江中游洞庭湖湘資沅澧有約26萬km2區(qū)間匯流，洪水傳播存在時間上的差異性，各種來源的洪水遭遇幾率大，組合情景極其復(fù)雜，長江中游地區(qū)洪水歷時長且洪量巨大。因此，假定三峽水庫防洪庫容在前期已發(fā)揮蓄滿作用時的最不利情景，研究七里山高洪水位特點，對其防洪決策不失為一種參考。即根據(jù)三峽壩下河道沖刷的實際和預(yù)測地形條件，模擬再現(xiàn)1954年典型洪水，不考慮水庫群的調(diào)節(jié)作用時，城陵磯附近出現(xiàn)的高洪水位或超額分洪量有下降的趨勢（表2），但應(yīng)用當(dāng)前的控制水位分蓄洪調(diào)度，城陵磯附近的超額分洪量仍然超過三峽運用前安排的320億m3的蓄洪能力10%以上；如果不分蓄洪，則長江中下游面臨的最高洪水位將全面超過防洪控制水位，超過控制水位的幅度0.93～3.57 m，僅依托堤防和河流湖泊的自然調(diào)節(jié)作用，長江中下游面臨的防洪風(fēng)險巨大。

4 結(jié)論與建議

模擬分析表明，一方面，隨著三峽及其上游水庫群發(fā)揮對大洪水的調(diào)節(jié)控制作用，堤防工程、分蓄洪區(qū)安全建設(shè)工程、退田還湖等工程建設(shè)完成，以及自1980年以來河流湖泊不再圍墾，洞庭湖區(qū)防洪已經(jīng)改變了遭遇大洪水難以控制的局面，基本上具備了應(yīng)對調(diào)度超額分洪量60億m3洪水量級的手段，考慮預(yù)報和監(jiān)測等高新技術(shù)的普及應(yīng)用，準(zhǔn)確把握洪水特征，適當(dāng)抬高防洪控制水位，可以在不分洪的條件下防御1998年型洪水；在進一步加大城陵磯附近蓄洪能力建設(shè)基礎(chǔ)上，通過適時適量分洪調(diào)度，可以防御長江1954年型洪水。

另一方面，七里山水域高洪水位和分蓄洪布置直接關(guān)系長江中游特別是洞庭湖區(qū)的防洪安全問題，直接影響湖區(qū)經(jīng)濟社會布局和可持續(xù)發(fā)展，目前這一區(qū)域僅約60億m3蓄滯洪區(qū)可以按計劃啟用，對于防御1954年目標(biāo)洪水防洪風(fēng)險明顯，是當(dāng)前長江中游防洪保安的薄弱環(huán)節(jié)。按照34.40 m水位控制，三峽水庫及上游溪洛渡、向家壩調(diào)節(jié)運用30年后，城陵磯附近仍有215億m3超額洪量；若僅蓄洪100億m3，則水位將達(dá)到36.18 m，高出控制水位1.78 m，且比歷史最高水位35.80 m高出0.38 m。因此，洞庭湖區(qū)防洪蓄洪建設(shè)仍需進一步推進。同時，因洞庭四水洪水峰高量大而歷時稍短，四水尾閭局部洪水損失仍可能存在，有必要制定相應(yīng)的預(yù)案。

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