城陵磯綜合樞紐對洞庭湖區(qū)水位的抬高作用

姜 恒，錢 湛，張雙虎，黃 兵，黎昔春

(1. 湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 洞庭湖研究中心，長沙 410007；2. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100044)

河湖建閘目的是為了控制水位以滿足航運(yùn)、防洪、發(fā)電、灌溉、生態(tài)保護(hù)等[1,2]。三峽水庫汛后蓄水，長江干流水位下降，洞庭湖出湖水量增加，影響洞庭湖汛后蓄水量[3-5]，從而使得洞庭湖濕地環(huán)境發(fā)生變化[6-8]，加重了洞庭湖季節(jié)性干旱問題[9-11]。對此，湖南省和湖北省政府提出了建設(shè)城陵磯綜合樞紐工程的設(shè)想(位置示意圖如圖1所示)。許多專家學(xué)者[12, 13]也提出了城陵磯建閘的洞庭湖治理方案，周北達(dá)[9,14]等人從水環(huán)境、水資源、防洪、生態(tài)及漁業(yè)等方面探討了修建城陵磯綜合樞紐的影響。本文旨在通過模型計算得出建設(shè)城陵磯樞紐對洞庭湖水位的抬升高度以及影響范圍為樞紐的建設(shè)提供參考意見。

1 城陵磯綜合樞紐運(yùn)行調(diào)度方式

城陵磯綜合樞紐工程壩址擬選定湖南省岳陽市洞庭湖第一大橋下游約1.8 km處，位于洞庭湖入江水道。綜合考慮供水、灌溉、水生態(tài)環(huán)境、航運(yùn)等不同要求，城陵磯綜合樞紐工程采用“控枯不控洪”的調(diào)度方式運(yùn)行，其初步調(diào)度方案[15,16]如下：①4月1日-8月31日，閘門全部敞開，江湖連通；②9月1日-9月10日，當(dāng)閘上水位高于27.5 m時，閘門全開；當(dāng)閘上水位降到27.5 m時，減少閘門開啟孔數(shù)，按四水、洞庭湖區(qū)及區(qū)間來水下泄，水位維持27.5 m；當(dāng)閘上水位低于27.5 m時，在泄放滿足航運(yùn)、生態(tài)流量的前提下，減少下泄量使水位至升至27.5 m；③9月11日-10月31日，逐漸加大泄量，閘上水位降至調(diào)控水位24 m；據(jù)1961-2002年實測資料統(tǒng)計，9月末-10月初(9月29-10月2日)城陵磯七里山站平均水位25.96 m、10月上旬末、中旬末和10月末該站日平均水位分別為25.44、24.80和23.65 m。據(jù)此，城陵磯建閘后，洞庭湖10月1日、10月11日、10月21日和10月31日閘前水位分別按27、26、25和24 m考慮。④11月末閘上水位消落至23.5 m；12月1日-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23.0～23.5 m之間波動；在此期間，若外江水位高于閘上水位，則閘門全開。

2 城陵磯綜合樞紐對洞庭湖區(qū)水位的抬升作用

采用中國水利水電科學(xué)研究院的“長江中下游一江兩湖水動力模型”[17-19]模擬分析城陵磯綜合樞紐對湖區(qū)水位的抬高作用。水動力模型的紊流方程采用二階紊流閉合模型以計算垂向渦黏系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，采用Smagorinsky方法以計算水平渦黏系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，模型控制方程求解采用交錯網(wǎng)格上的內(nèi)-外模式分裂方法，求解精度達(dá)到二階，其中外模式采用半隱式差分格式，內(nèi)模式采用隱式差分格式，內(nèi)-外模型的運(yùn)用使模型在保證垂向高分辨率的前提下大大提供了計算效率。模型上邊界為實測枝城站來水；洞庭湖四水、鄱陽湖五河以及長江中游各主要入江河流按旁側(cè)入流考慮，取實測的流量；模型下邊界輸入為大通水文站水位流量關(guān)系曲線。模型的參數(shù)率定和驗證時期選取2001年11月1日-2002年7月31日間的9個月，該時段包含洞庭湖的豐水期和枯水期，這有利于提高參數(shù)率定過程中模型對高水位和低水位的模擬效果及模型參數(shù)率定的效率。

三峽工程自2007年水庫試驗性蓄水到156 m，至2009年完成175 m試驗性蓄水，三峽水庫為達(dá)到試驗蓄水水位會控制下泄流量，營造出的不同來水狀況，故選取2007-2009年3個連續(xù)水文年份進(jìn)行計算分析。水文數(shù)據(jù)來源于長江水利委員會水文局和湖南省水文局，地形數(shù)據(jù)來源于湖南省洞庭湖水利工程管理局，為2011年洞庭湖實測地形數(shù)據(jù)，經(jīng)嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、一致性檢查及記錄訂正與復(fù)核。為保證斷面設(shè)置的合理性與代表性，從城陵磯綜合樞紐閘前逆洞庭湖水流方向每0～1 km設(shè)一個斷面。斷面編號與湖區(qū)主要站點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系見表1和圖1。通過控制城陵磯樞紐位置處的水位實現(xiàn)有樞紐情景下湖區(qū)各點(diǎn)水位的模擬計算。

圖1 洞庭湖主要水文站點(diǎn)及城陵磯綜合樞紐位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the main hydrological stations and Chenglingji Integrated Hub in Dongting Lake area

斷面編號對應(yīng)水文站點(diǎn)所在位置0七里山閘前16鹿角東洞庭湖28營田南洞庭湖54小河咀目平湖64沙灣目平湖87石龜山澧水洪道

2.1 2007年計算結(jié)果

圖2為2007年來水有、無城陵磯綜合樞紐情景下洞庭湖主要站點(diǎn)水位對比圖，表2為主要站點(diǎn)水位抬高值。

表2 興建城陵磯綜合樞紐后湖區(qū)水抬高值(2007年) m

圖2 有無城陵磯綜合樞紐不同時間湖區(qū)水位對比(2007年)Fig.2 Comparison of water levels in the lakes at different time points in the Chenglingji Integrated Hub (2007)

由圖2和表2可知：①10月1日，湖區(qū)0～75號斷面水位均有所抬高，城陵磯樞紐閘前抬高1.1 m，東洞庭湖鹿角水文站斷面抬高1.0 m，南洞庭湖營田水文站斷面抬高0.9 m，目平湖小河咀水文站斷面抬高0.14 m、目平湖沙灣水文站斷面抬高0.13 m；②10月11日，閘前、鹿角、營田、小河咀、沙灣水文站斷面水位分別抬高2.7、2.5、2.4、0.1和0.1 m；③10月21日，閘前、鹿角、營田水文站斷面水位分別抬高2.8、2.55和2.46 m；④10月31日，閘前、鹿角、營田水文站斷面水位分別抬高2.56、2.3和2.26 m。

2.2 2008年計算結(jié)果

圖3為2008來水年型，有、無城陵磯綜合樞紐情景下洞庭湖主要站點(diǎn)水位對比圖；表3為主要站點(diǎn)水位抬高值。

表3 興建城陵磯綜合樞紐后湖區(qū)水抬高值(2008年) m

由圖3和表3可知：①10月1日，閘前、鹿角、營田、小河咀、沙灣水文站斷面水位分別抬高0.81、0.76、0.71、0.13和0.10 m；②10月11日，上述各斷面水位分別抬高1.89、1.83、1.79、0.1和0.1 m；③10月21日，閘前、鹿角水文站、營田水文站斷面水位分別抬高2.69、2.27和2.18 m；④10月31日，閘前、鹿角水文站、營田水文站斷面水位分別抬高2.56、2.30、2.26 m。

2.3 2009年計算結(jié)果

遇2009年來水年型，9月1日城陵磯綜合樞紐下閘。由于2009年下閘較早，為保障下閘蓄水期湖區(qū)水位有一定的消落，設(shè)定到9月末水位消落至26 m，10月末水位消落至24 m。圖4為2009年來水，有、無城陵磯綜合樞紐情景下洞庭湖主要站點(diǎn)水位對比圖，表4為主要站點(diǎn)水位抬高值。

表4 興建城陵磯綜合樞紐后湖區(qū)水抬高值(2009年) m

圖3 有無城陵磯綜合樞紐不同時間湖區(qū)水位對比(2008年)Fig.3 Comparison of water levels in the lakes at different time points in the Chenglingji Integrated Hub (2008)

由圖4和表4可知：①9月11日，閘前、鹿角水文站、營田、小河咀、沙灣水文站斷面水位分別抬高2.1、2.0、1.9、0.47和0.43 m；②9月21日，上述斷面水位分別抬高2.74、2.69、2.61、0.27和0.26 m；③9月30日，上述斷面水位分別抬高3.39、3.18、3.10、0.11和0.11 m；④10月11日，閘前、鹿角水文站、營田水文站斷面水位分別抬高4.66、4.46和4.41 m；⑤10月21日，閘前、鹿角水文站、營田水文站斷面水位分別抬高4.28、4.06和4.0 m；⑥10月31日，閘前、鹿角水文站、營田水文站斷面水位分別抬高2.71、2.55和2.51 m。

圖4 有無城陵磯綜合樞紐不同時間湖區(qū)水位對比(2009年)Fig.4 Comparison of water levels in the lakes at different time points in the Chenglingji Integrated Hub (2009)

2.4 綜合分析

從計算結(jié)果看，若城陵磯綜合樞紐最高蓄水位、調(diào)控高水位分別按27.5 m和23～24 m考慮，回水影響范圍最遠(yuǎn)北至華容縣城和南縣縣城，西至目平湖。

表5為城陵磯閘前水位抬高與湖區(qū)各水文站水位抬高的關(guān)系結(jié)果。由表5可知：①城陵磯水位抬高與東洞庭湖鹿角、營田站水位的雍高呈線性相關(guān)，見圖5和圖6。城陵磯水位抬高1 m，鹿角站水位雍高約0.93 m、營田站水位雍高約0.90 m；②當(dāng)城陵磯水位低于25.5 m時，城陵磯水位由25.5 m抬高至26 m、26 m抬高至26.5 m、26.5 m抬高至27 m、27 m抬高至27.5 m，相應(yīng)楊柳潭站水位分別抬高0.17、0.22、0.3和0.4 m，小河咀站水位分別抬高0.06、0.09、0.12和0.20 m，對南洞庭湖楊柳潭站和西洞庭湖南咀站水位影響不明顯。

表5 城陵磯水位抬高對湖區(qū)水位的影響 m

圖5 城陵磯水位抬高與鹿角站水位雍高相關(guān)關(guān)系圖Fig.5 Correlation between the water level elevation of Chenglingji and the water level of the antler station

圖6 城陵磯水位抬高與營田站水位雍高相關(guān)關(guān)系圖Fig.6 Correlation between the water level elevation of Chenglingji and the water level of Yingtian Station

3 結(jié) 語

若城陵磯綜合樞紐最高蓄水位、調(diào)控高水位分別按27.5 m和23～24 m進(jìn)行建設(shè)，回水影響范圍包括華容縣、南縣縣城以及目平湖；若城陵磯閘前水位低于26 m時，回水影響區(qū)域主要集中在閘前至南洞庭湖營田水文站附近。城陵磯水位每抬高1 m、鹿角站水位雍高約0.93 m、營田站水位雍高約0.90 m；城陵磯水位由25.5 m抬高至26.5 m、26.5 m抬高至27.5 m，與之相應(yīng)楊柳潭站水位分別抬高0.39和0.7 m，小河咀站水位分別抬高0.15和0.32 m；對南洞庭湖楊柳潭站和西洞庭湖南咀站水位影響不明顯。

興建城陵磯綜合樞紐以及進(jìn)行科學(xué)合理的運(yùn)行調(diào)度，可有效緩解九十月份湖區(qū)水位過低造成的水資源供需矛盾，可恢復(fù)洞庭湖區(qū)水位消落過程至三峽水庫蓄水運(yùn)用前水平，改善湖區(qū)水位消落過快的局面， 尤其是枯水年型，枯水期的水位抬升在某種程度上可以解決湖泊出現(xiàn)的枯水時間提前、水位偏低、持續(xù)時間延長等問題，從而緩解湖泊旱情；此外，樞紐對長江中下游具有補(bǔ)水的作用，枯水期根據(jù)下游需水、生態(tài)需求及最小通航等調(diào)控閘上水位，使洞庭湖持續(xù)向長江中下游補(bǔ)水，專家初步估計補(bǔ)水量可達(dá)51.29 億m3，較現(xiàn)狀無城陵磯綜合樞紐多向長江中下游補(bǔ)水47.14 億m3[15]。根據(jù)學(xué)者研究成果表明[15, 20]，城陵磯綜合樞紐建成后，汛期樞紐閘門將全開敞泄，江湖連通；在不同情景下，通過數(shù)學(xué)模型計算可知各典型年長江干流河段洪峰稍有降低(最大降低幅度僅2～4 cm)，水位變化不大，因此，樞紐運(yùn)行將對長江防洪無影響。湖泊水位抬升、庫容增加，導(dǎo)致流速相對減小，換水周期的增長，對湖泊水質(zhì)可能會帶來一定影響[14, 21]，因此，樞紐工程對湖泊換水周期所造成的影響，最終給湖泊水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)帶來何種程度的影響，有待進(jìn)一步的研究。