基于湖心水庫的洞庭湖治理新理念

劉虎英,蔣昌波,楊樹清,劉易莊,陳 杰,隆院男,鄧 斌

(1. 長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410114;2.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司,湖南 長沙 410008; 3.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114)

洞庭湖是我國第二大淡水湖,是長江流域最重要的調蓄湖泊。由于洞庭湖位于長江上游山地與中下游平原的銜接地帶,近年來特別是三峽工程及“四水”(湘江、資水、沅水、澧水)上游控制性水庫運行后,攔截了“三口”(松滋口、太平口、藕池口)、“四水”上游的來水來沙,改變了洞庭湖入湖水流的時空關系,從而破壞了洞庭湖水沙關系的平衡。與此同時,由于洪澇災害頻發(fā)、季節(jié)性缺水突顯、生態(tài)環(huán)境失衡等,對環(huán)洞庭湖經濟帶人民的生產生活產生極其嚴重的后果,并嚴重威脅到生態(tài)用水安全。因此,如何綜合開發(fā)和科學治理洞庭湖現(xiàn)有資源,已成為亟待解決的重大科學問題。

1993年余奕昌等[1]提出在長江上流干支流和“四水”上游修建水庫統(tǒng)一調度的洞庭湖治理方案;1995年盧承志[2]提出在“三口”分別修建節(jié)制閘,并在“四水”上游修建水庫以控制湖區(qū)來洪實行水庫聯(lián)合調度的洞庭湖治理建議。三峽工程建成運行后,長江-洞庭湖之間的江湖關系發(fā)生了變化,2009年馬新忠[3]提出了“四水”中上游建設防洪水庫、平原水庫的治理建議;2011年沈新平[4]提出了建設平原水庫、松滋口建閘的想法;朱幸平等[5]提出了建設松滋新江口綜合樞紐的設想;2015年仲志余等[6]提出通過建設城陵磯水利樞紐工程,可以改善洞庭湖和長江的江湖關系,促進湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán),改善湖區(qū)枯期水質,緩解長江上游干支流控制性水庫運行對中下游水資源綜合利用和水生態(tài)環(huán)境的影響;2016年鈕新強[7]提出“洞庭湖大水脈”方案,“洞庭湖大水脈”由一條主脈、兩座控制閘和七條支脈構成,形成“一主、兩閘、七支”的格局,工程可暢通江湖聯(lián)系、解決水資源短缺問題、提高區(qū)域防洪能力和江湖防洪調度的靈活性、增強水資源綜合調配能力、改善航運條件、擴大水生態(tài)環(huán)境容量。

現(xiàn)階段對于洞庭湖綜合治理的建議主要為:①長江建庫、“四水”建庫、“三口”建閘、荊江分洪水道;②建設平原水庫,通過水庫來蓄洪補枯,保障供水,維護生態(tài);③城陵磯建閘,建設洞庭湖水利綜合樞紐。但是眾多學者們對以上三種方案均有各自的看法,即使是比較推崇的城陵磯建閘方案,也具有一定的爭議。楊樹清等[8-10]提出了“湖心水庫”的新思想,為解決洞庭湖所面臨的防汛、補水、水環(huán)境和濕地保護等問題提供了全新的思路,因而筆者嘗試將它運用在洞庭湖的治理中。

1 洞庭湖治理新理念

圖1 基于湖心水庫的洞庭湖治理新理念

筆者基于楊樹清等[8-10]提出的“湖心水庫”思想,針對洞庭湖的基本情況,提出“變湖為庫、清污分流、蓄洪排污、流水不腐”的洞庭湖全新治湖理念(圖1)，即:①建造環(huán)湖導洪堤,形成環(huán)湖導洪道,將河湖分離,同時在導洪堤上設置若干個閘門,協(xié)調河湖水位;②根據(jù)“三口”、“四水”來流的水質,判斷來流是否進入湖心水庫,已被污染的水體沿河道流走,未被污染的水體進入湖心水庫,保證湖心水庫內水體的水質;③根據(jù)河道的行洪能力,將“三口”、“四水”的洪水分為安全洪水和災害洪水,只有出現(xiàn)災害洪水時開閘蓄洪,當水位下降至安全水平,閘門關閉,第二個洪峰到達時再打開,直至洞庭湖湖心水庫蓄滿;④枯水期或河道內水體被污染時,從湖心水庫向河道補水,加快污染水體流動,增強水體的自凈能力。

1.1 洪水期調洪分析

由于受到季風氣候的影響,我國降雨帶由南向北推進,長江中下游一般在每年的3—6月進入初汛,而全流域性的大洪水主要發(fā)生在6—9月。天然情況下,盡管在枯水期湖泊可能“底朝天”,但是湖區(qū)一旦進入雨季,中小洪水將大幅度抬高湖區(qū)水位,從而使得在特大洪水期間,湖泊的可調節(jié)庫容變得非常有限。也就是在初汛期間,中小洪水占據(jù)了非常大的死庫容,從而限制了湖泊對于洪水的調控作用。以1998年為例,洞庭湖最高水位(35.94 m)時蓄水約330億m3,而在警戒水位32 m以下湖區(qū)已形成180億m3的死庫容,因此超過一半的庫容為死庫容,大大降低了洞庭湖的調洪能力。

湖心水庫建成以后,由于在初汛之前環(huán)湖導洪堤上的閘門關閉,中小安全洪水將通過環(huán)湖水道進入下游,不占用寶貴的洞庭湖庫容,只有災害洪水才被允許進入湖心水庫。因此,湖心水庫方案挖掘了湖泊的防洪潛能,將中小洪水占據(jù)的死庫容轉變?yōu)榈钟蠛樗挠行烊?因此洞庭湖區(qū)防洪壓力將得到緩解。

1.2 枯水期補水分析

隨著枯水期的到來,天然情況下的河道水位急速回落,從而導致湖區(qū)水位迅速回落,因而呈現(xiàn)出湖區(qū)枯水一條線的現(xiàn)象。隨著三峽工程清水下泄沖刷和對中小洪水的調節(jié),使得“三口”分流入湖徑流量急劇降低。2013年10月,“三口”入湖流量為298.4 m3/s,入湖水量共計約8億m3,僅為10月多年平均入湖徑流量的5.5%。由于荊江河段沖刷嚴重,造成城陵磯出流能力不斷加大,導致江河湖泊中低水位不斷下降,低水位導致湖區(qū)及長江沿線工農業(yè)生產和生活取水用水出現(xiàn)困難。通常情況下,當城陵磯水位低于25 m時,湖區(qū)涵閘正常引水出現(xiàn)困難。但在2011年從3月下旬至6月上旬80多天里,城陵磯水位一直低于25 m,其中有60 d低于23 m,致使岳陽市沿江沿湖61處機埠無法正常引水。

湖心水庫建設后,洪水期大量的淡水資源被保存在湖心水庫內,當河道水位回落之后,由于所有環(huán)湖導洪堤上的閘門關閉,使得湖心水庫仍儲有大量寶貴的水資源,從而使其具備了補水能力。湖心水庫內所儲的水資源既可為下游河道補水,又可向湖區(qū)周邊供水。湖心水庫可有效利用洪水資源在枯水期補水,能夠使得湖泊具備一定的補水能力,可緩解干旱期湖區(qū)缺水問題。

1.3 水環(huán)境防治理論分析

在天然情況下,由于清潔水源地并未受到有效的保護,全流域所產生的工業(yè)、農業(yè)及生活廢水最后都將進入湖泊,從而使得湖區(qū)水質受到較大影響。據(jù)統(tǒng)計,2000年后,洞庭湖內Ⅲ類水質斷面基本消失,各監(jiān)測斷面主要為Ⅳ類(62%)或Ⅴ類(37%)水質;而在2004年和2008年間甚至出現(xiàn)了劣Ⅴ類水質斷面,全湖水質狀況為中度污染。相關研究表明[11],2013年東洞庭湖濕地核心腹地大小西湖水域水華暴發(fā)面積達66.5 km2。特別是在9月,水華發(fā)生區(qū)域持續(xù)擴展,約占東洞庭湖1/3的水域(約400 km2)。此外,洞庭湖區(qū)內總氮、總磷濃度自2009年開始陡增,到2014年日均總氮及總磷的納污量已分別約為1 606 t/d和64.5 t/d,遠超洞庭湖總氮、總磷的環(huán)境容量(464.4 t/d和26 t/d)?，F(xiàn)階段提出的城陵磯建閘方案,建閘運行后洞庭湖部分支流尾閭回水變動區(qū)段,受枯水期蓄水影響,導致流速降低,這可能影響湖區(qū)內的水體交換,加劇回水變動區(qū)內水質惡化問題。

湖心水庫建成后,只在初汛過后的洪水過程中蓄水。定義Qw為工業(yè)和生活污水流量,可認為在一年內基本保持不變?yōu)槌Ａ?Qa為面源污水流量,其峰值一般出現(xiàn)在汛初,這是由于全流域所產生的污水在枯水季節(jié)被累積,初汛時期的中、小洪水將攜帶枯水季節(jié)累積的污水流向下游,因而高濃度污水一般出現(xiàn)在汛初。天然條件下,湖泊納污總量V為

(1)

湖心水庫建成之后,只在災害洪水季節(jié)蓄水,因此所蓄的湖心水中的污水總量Vp為

(2)

式中:t為開閘蓄水的時間,一般小于10 d,這是由于湖心水庫只在較大洪峰出現(xiàn)時才開閘蓄水，而每個洪峰過程一般只持續(xù)3～4 d，所以Vp?V。

因此,湖心水庫內所蓄的基本為優(yōu)質的水資源。而對于環(huán)湖水道內的污水而言,基于流水不腐的原理,環(huán)湖水道內很難出現(xiàn)水環(huán)境問題,因而湖區(qū)水質有望得到改善。

2 洞庭湖治理新理念的可行性分析

2.1 數(shù)學模型的建立與驗證

洞庭湖區(qū)水系眾多,河網(wǎng)復雜。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構三角網(wǎng)格能夠更好地適應洞庭湖區(qū)復雜的邊界形狀,同時可以靈活地劃分網(wǎng)格,從而方便對重點研究區(qū)域進行局部加密。由于篇幅有限,數(shù)學模型的控制方程和數(shù)值解法見文獻[12]。模型采用三角網(wǎng)格的剖分方式,并對洞庭湖內的主要水道進行加密處理。為了保證模型計算的精度,網(wǎng)格劃分根據(jù)湖泊和河道不同的地形特征來選擇網(wǎng)格尺寸,比如河道尺度較小,則其網(wǎng)格尺寸約為30～50 m;而對于湖區(qū)內則根據(jù)地形坡降選擇網(wǎng)格尺寸,地形坡降大則網(wǎng)格尺寸較小(最小為30 m),地形較平坦則網(wǎng)格尺寸較大(最大為500 m),如圖2所示。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2 數(shù)學模型計算范圍和網(wǎng)格劃分

洞庭湖的水量主要來自湘江、資水、沅水、澧水四水和松滋口(沙道觀和新江口)、太平口、藕池口三口,并在岳陽城陵磯注入長江。因此,模型共設置了8個進口,出口位于城陵磯。模型中地形數(shù)據(jù)均為2003年的測量值,選擇2004年洞庭湖的洪水期(7月18日至8月1日)、平水期(3月19日至4月21日)和枯水期(12月4日至12月31日)資料對模型進行率定。此外,還選擇了1996年洞庭湖的洪水期(7月14日至8月1日)、平水期(3月19日至4月21日)和枯水期(12月4日至12月31日)資料對模型進行進一步驗證。

由于計算區(qū)域內洞庭湖不同湖區(qū)及不同河道的底部具體形態(tài)及河床底質組成成分不盡相同,因此本文模型中將洞庭湖分為“三口”水系、西洞庭湖、南洞庭湖及東洞庭湖4大塊,分別對各區(qū)域進行糙率率定。在對河道及湖泊特性分析的基礎上,利用岳陽、鹿角、營田、湘陰、南咀及小河咀6個水文站的水位數(shù)據(jù)對模型進行率定和驗證,圖3和圖4分別為2004年和1996年洪水期典型水文站水位變化過程線。驗證結果表明構建的二維模型對“三口”、“四水”及洞庭湖區(qū)研究范圍內的水動力情況的模擬具有較高的精度,可用于后續(xù)研究工作。

圖3 2004年洪水期典型水文站水位變化過程線

圖4 1996年洪水期典型水文站水位變化過程線

2.2 洞庭湖湖心水庫治理方案的確定

由于本文僅是理念研究,因而在設置湖心水庫時,沒有考慮洞庭湖具體地形,僅僅把其設置在洞庭湖中間的位置,湖心水庫的大小也僅考慮了兩個原則:①建設湖心水庫不影響湖區(qū)行洪,同時不對湖內水動力條件產生較大的改變;②湖心水庫的庫容應盡可能大,以便枯水期有更好的補水功能。本文首先嘗試在西洞庭湖建設湖心水庫(見圖5),探討其運用的可行性。設計了3種湖心水庫方案,來探討湖心水庫的合理尺寸。3種湖心水庫面積分別為S=3.50 km2、S=4.37 km2及S=5.24 km2。以洞庭湖2004年洪水過程為例,通過分析湖心水庫對西洞庭湖內主要防洪控制站點(南咀站和小河咀站)水位及西洞庭湖內流速的影響,探討湖心水庫的合理尺寸及其運用的可行性。

圖5 西洞庭湖心水庫示意圖

圖6給出了西洞庭湖內主要防洪控制站點(南咀站和小河咀站)在不同湖心水庫方案下洪水歷時變化曲線。由圖6可以看出,在S=3.50 km2及S=4.37 km2情況下,南咀站和小河咀站洪水過程線基本與自然條件下的洪水過程線重合,這說明在這兩種面積情況下,湖心水庫對西洞庭湖行洪影響較小。而當湖心水庫面積增大至5.24 km2時,在洪水上漲及回落時段水位基本與自然條件下水位過程線重合;但在洪峰時段,湖心水庫的存在大幅壅高了南咀及小河咀站點水位。

圖6 西洞庭湖內主要防洪站點2004年洪水過程線

表1 湖心水庫蓄水對各特殊水位站點2004年洪峰水位的影響 m

2.3 行洪影響分析

選取了8個站點作為特征水位站點(圖7),以2004年洪水為例分析湖心建庫后對西洞庭湖區(qū)水位的影響。圖8給出了湖心水庫不蓄水情況下，湖心水庫修建對西洞庭湖主要特征水位站點2004年洪水過程的影響。由圖8可見,湖心水庫的修建使得特征水位站點最高水位出現(xiàn)不同程度的變化,南咀站和湖心水庫周圍3號站點的最高水位均出現(xiàn)一定程度的下降，下降范圍為0.01～0.02 m。由于湖心水庫的存在減小了西洞庭湖南部過水斷面面積,在靠近湖心水庫上游的沅水站及湖庫周圍的1號、2號站點則出現(xiàn)壅水現(xiàn)象,最高水位壅高范圍為0.13～0.24 m。

圖7 西洞庭湖特征水位站點

圖8 湖心水庫修建對西洞庭湖主要特征站點2004年洪水過程的影響

圖9給出湖心水庫不蓄水情況下,湖心水庫修建對洞庭湖2004年洪水過程的流速的影響。可以看出湖心水庫周圍小范圍內流速出現(xiàn)不同程度的增加,但增幅不大,而洞庭湖區(qū)其他地方流速并未受到影響。

圖9 湖心水庫修建對洞庭湖2004年洪水過程的流速的影響

表1給出湖心水庫蓄水對各特征水位站點2004年洪峰水位的影響。可以看出采用湖心水庫方案,可明顯削減各站點洪峰水位,且隨著湖心水庫設計水深h的增加,各站點洪峰水位下降幅度更大。湖心水庫上游沅水站、1號及2號站點水位受湖心水庫影響較小;而位于西洞庭北部的澧水站及南咀站、湖心水庫下游的4號及小河咀站受湖心水庫的影響較大。

圖10給出湖心水庫蓄水對西洞庭湖主要特征站點2004年洪水過程的影響。由圖10可以看出4種湖心水庫設計水深情況下南咀站的洪水變化趨勢基本一致,但洪峰水位消減值隨著設計水深的增大而增大。與天然情況相比,在7月21日至25日大洪峰期間,湖心水庫設計水深為8 m、10 m、12 m、14 m情況下南咀站洪水水位平均分別下降0.23 m、0.25 m、0.27 m、0.30 m;同時其最大洪峰水位分別下降0.27 m、0.33 m、0.39 m、0.40 m。小河咀站點水位變化與南咀站類似,在7月21日至25日大洪峰期間,洪水水位平均分別下降0.14 m、0.16 m、0.18 m、0.21 m;同時其最大洪峰水位分別下降0.19 m、0.22 m、0.28 m、0.29 m。

圖10 湖心水庫蓄水對西洞庭湖主要特征站點2004年洪水過程的影響

2.4 補水效果分析

在洪水期湖心水庫蓄滿后,閘門將關閉,使得湖心水庫儲有大量寶貴的水資源,從而使其具備了補水能力。在枯水期按30 d利用西洞庭湖湖心水庫對開湖航道進行補水,研究開湖航道水面線的變化。湖心水庫庫容及設計補水流量Qb如表2所示。

表2 湖心水庫庫容及補水流量

圖11給出了枯水期模擬計算期內(2004年12月14日至2005年1月14日)開湖航道沿程平均水位變化。由圖11可以看出,與自然條件相比,湖心水庫的補水作用對該河段水位影響起主導作用,湖心水庫補水能明顯抬升草尾水文站至漉湖航段的水位,而對漉湖至鲇魚口水位抬升并不明顯。以補水流量168.9 m3/s為例,草尾水文站至新河口水位抬升0.8～0.6 m;新河口至漉湖水位抬升0.6～0.27 m;漉湖至鲇魚口水位抬升0.27～0.09 m。同時,開湖航道水位抬升值隨著湖心水庫補水量的增大而增大,表明湖心水庫對洞庭湖枯水期的補水非常有利。

圖11 西洞庭湖心水庫補水情況下開湖航道水位分布

圖12分別給出天然枯水(自然條件)和湖心水庫補水流量為168.9 m3/s情況下的開湖航道水深情況。利用湖心水庫補水時,除了靈官咀位置以及上游兩處小型礙航淺灘總長約2.5 km外,開湖航道基本達到Ⅲ級航道通航水深,通航率達97%。因而湖心水庫對洞庭湖枯水期通航也是有利的。

圖12 湖心水庫補水與自然條件下開湖航道水位對比

2.5 水環(huán)境改善分析

選取草尾水文站、開湖航道中部新河口、開湖航道與東洞庭湖連接處泥灣及開湖航道出口鲇魚口4個站點,分析湖心水庫補水對開湖航道枯水期水流流速的影響。圖13給出西洞庭湖湖心水庫補水情況下各站點流速變化過程,從圖中可以看出,在枯水期模擬計算期內(2004年12月14日至2005年1月14日),天然情況下,草尾站流速變化基本呈先降低后增大再降低的趨勢,水流流速基本在0.1～0.2 m/s內波動。湖心水庫補水可顯著抬升草尾站點處水流流速,同時隨著補水量的增大,草尾站點平均流速增大0.09～0.14 m/s。在湖心水庫補水情況下,新河口站及泥灣站水流流速都出現(xiàn)明顯的增大。但是湖心水庫補水對鲇魚口站水流流速改變并不明顯,這主要是由于鲇魚口站位于開湖航道及湘江閭尾航道連接處受到多重水流影響造成的。因而在枯水期,湖心水庫補水能明顯增加開湖航道內水流流速,加速水體交換,有利于改善水環(huán)境。

圖13 西洞庭湖心水庫補水情況下各站點流速變化過程

3 結 語

洞庭湖的綜合治理方案是解決洞庭湖問題的關鍵,現(xiàn)有的綜合治理方案各家學者爭議不斷。本文基于楊樹清等提出的“湖心水庫”的基本思想,提出 “變湖為庫、清污分流、蓄洪排污、流水不腐”的洞庭湖全新治湖理念。利用成熟的二維水動力模型,在驗證的基礎上開展數(shù)值模擬研究,并嘗試在西洞庭湖建設湖心水庫,探討其運用的可行性。通過2004年典型大洪水過程的計算表明:西洞庭湖湖心水庫的修建在洪水期會造成湖心水庫周圍局部壅水以及局部流速增大,但增幅不大,對洞庭湖其他地方無影響;通過湖心水庫的分洪蓄水,能有效降低西洞庭湖內洪峰水位,緩解西洞庭湖區(qū)的防洪壓力。而在枯水期,湖心水庫的補水不僅能有效抬升開湖航道水位,改善開湖航道的通航條件，而且能增加開湖航道及湘江尾閭游航道內水流流速,加速水體交換,增強水體的自凈能力。本文僅從水動力學方面初步探討了湖心水庫在洞庭湖綜合治理方面的合理性及可行性,并探索性地分析了在西洞庭湖修建湖心水庫對洞庭湖行洪、補水、水環(huán)境的影響,但湖心水庫的具體實施方案以及如何實行各湖區(qū)(西洞庭湖、南洞庭湖及東洞庭)湖心水庫聯(lián)合調度從而達到最優(yōu)的調控效果,從根本上解決洞庭湖所面臨的防汛、抗旱、水環(huán)境和濕地保護等眾多復雜問題,還有待進一步深入研究。