洞庭湖區(qū)典型水系連通工程優(yōu)化分析

柳 恒，李志威，胡旭躍，李凱軒，陳 幫，王贊成

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；3.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007； 4.湖南百舸水利建設(shè)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

受自然與人為因素的影響，自1950年荊江-洞庭湖關(guān)系發(fā)生重大變化，導(dǎo)致部分河道斷流天數(shù)增加，而河道斷流加劇了沿岸地區(qū)農(nóng)田灌溉、生活用水短缺的問題[1-2]。枯水期由于來流量減少，內(nèi)湖水體交換能力明顯下降，水質(zhì)惡化、水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問題日益突出，因此水環(huán)境問題逐漸成為阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在洞庭湖區(qū)實(shí)施河湖連通工程是實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源調(diào)配、水質(zhì)改善和生態(tài)修復(fù)的有效措施，可有效提高該區(qū)域應(yīng)對(duì)極端水旱災(zāi)害的能力。

目前水系連通性的評(píng)價(jià)方法主要分為圖論法、景觀學(xué)法、綜合指標(biāo)法、生物法和水文水力學(xué)法[3-8]。圖論法通過點(diǎn)與線組成的圖形建立頂點(diǎn)間的鄰接矩陣，根據(jù)判定準(zhǔn)則計(jì)算河網(wǎng)連通度，但計(jì)算結(jié)果無法反映流域水量分配的過程。綜合指標(biāo)法能夠綜合社會(huì)、自然等多方面的屬性進(jìn)行綜合評(píng)判，但人為主觀因素大。水文水力學(xué)法采用過流能力和阻力特性來反映河網(wǎng)水系的連通性，無法適應(yīng)源頭區(qū)中小河流的連通性評(píng)價(jià)。生物法依據(jù)生物的遷徙與擴(kuò)散來反映河流的生態(tài)連通性，因此易受生物種類及其習(xí)性的影響。景觀學(xué)法基于影像數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠較為客觀地評(píng)價(jià)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)水系的分布格局和結(jié)構(gòu)連通性，是城市水系規(guī)劃、評(píng)價(jià)和優(yōu)化的重要方法，但是依賴影像資料的分辨率。

在對(duì)洞庭湖區(qū)水系連通工程評(píng)價(jià)中，黃草等[4]基于景觀學(xué)中網(wǎng)絡(luò)連通度方法評(píng)價(jià)洞庭湖區(qū)現(xiàn)狀水系以及規(guī)劃水系，提出優(yōu)化方案;李景保等[5]運(yùn)用集對(duì)分析以及相關(guān)分析的方法評(píng)價(jià)水工建筑物對(duì)自然河流水系連通的影響;陳葉華等[9]通過水動(dòng)力模型建立芭蕉湖-南湖水系連通定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。以往水系連通規(guī)劃工程的評(píng)價(jià)主要考慮水系的結(jié)構(gòu)連通性，對(duì)于優(yōu)化方案的功能連通性評(píng)價(jià)方法有待進(jìn)一步研究?？菟诙赐ズ^(qū)藕池河段河床常年淤積，藕池河中西支常年處于斷流狀態(tài)，沿岸地區(qū)水資源短缺。本文依據(jù)前人對(duì)洞庭湖規(guī)劃片區(qū)水系格局以及連通性差異的合理性分析[4]，按照泵站抽水流量控制和水位自流驅(qū)動(dòng)兩種水動(dòng)力條件，以南縣西水東調(diào)工程和華洪運(yùn)河連通工程為典型案例，基于景觀學(xué)中網(wǎng)絡(luò)連通度方法進(jìn)行優(yōu)化分析與評(píng)價(jià)。

1 工程規(guī)劃概況

以骨干河道為邊界，工程規(guī)劃區(qū)域共劃分為六大片區(qū)，分別為洞庭湖北部地區(qū)連通區(qū)、松澧地區(qū)連通區(qū)、沅澧地區(qū)連通區(qū)、沅江市連通區(qū)、湘-資水尾閭連通區(qū)和岳陽市連通區(qū)(圖1)，擬通過合理的水系規(guī)劃增強(qiáng)水系抗旱、抗?jié)衬芰ΓＷC用水安全，同時(shí)依靠生態(tài)濕地公園、景觀帶建設(shè)發(fā)揮娛樂功能，改善人們的生活品質(zhì)。

圖1 洞庭湖區(qū)水系連通工程規(guī)劃片區(qū)

按照不同的規(guī)劃功能對(duì)水系連通工程進(jìn)行分類，各工程具體功能如表1所示。北部地區(qū)連通區(qū)主要滿足城鎮(zhèn)和農(nóng)田灌溉用水需要。由于藕池河中西支、鲇魚須河的斷流期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，故南縣和華容縣的缺水量遠(yuǎn)高于其他水系連通工程。岳陽市連通區(qū)、沅江市連通區(qū)規(guī)劃工程主要以水質(zhì)改善、生態(tài)修復(fù)和景觀修復(fù)為目標(biāo)，著重改善城市居民的生活環(huán)境。湘-資水尾閭連通區(qū)由于地處湘水、資水交界處，防洪壓力較大，以洪水防御為主。沅澧地區(qū)和松澧地區(qū)連通區(qū)由于灌區(qū)面積廣闊，且有松滋河、沅水和澧水的水系交織，防洪壓力更大，規(guī)劃功能為綜合治理型。這六大片區(qū)規(guī)劃工程根據(jù)本地的實(shí)際情況，依據(jù)不同的規(guī)劃功能相互協(xié)同，推動(dòng)洞庭湖區(qū)水環(huán)境綜合治理，提升內(nèi)湖和垸內(nèi)水體自凈，提高水環(huán)境容量。

表1 洞庭湖區(qū)水系連通工程分類

2 研究方法

2.1 水系格局及連通性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《洞庭湖區(qū)河湖水系連通整體方案》[10]，結(jié)合Google Earth對(duì)規(guī)劃廊道矢量化繪制出各工程的水系有向圖，基于景觀學(xué)中網(wǎng)絡(luò)連通度方法，以河網(wǎng)密度Rd、水系環(huán)度α、節(jié)點(diǎn)連接率β、水系網(wǎng)絡(luò)連通度γ等指標(biāo)來評(píng)價(jià)水系連通性[4]。參照SL 431—2008《城市水系規(guī)劃導(dǎo)則》及相關(guān)文獻(xiàn)[4,11]，建立適合洞庭湖區(qū)連通工程的水系連通性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 洞庭湖區(qū)水系連通性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

河網(wǎng)密度反映區(qū)域內(nèi)水系通達(dá)程度和發(fā)育水平，計(jì)算公式為

(1)

式中：Li為單條水系長(zhǎng)度；Ar為區(qū)域面積；m為水系數(shù)量。

水系環(huán)度反映河網(wǎng)水系中節(jié)點(diǎn)成環(huán)的水平，計(jì)算公式為

(2)

式中：M為連接的廊道數(shù)量；V為水系節(jié)點(diǎn)數(shù)量，V≥3。

節(jié)點(diǎn)連接率反映河網(wǎng)水系中每個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)連接的難易程度，計(jì)算公式為

(3)

水系網(wǎng)絡(luò)連通度γ為河網(wǎng)水系中相互連接的廊道數(shù)量與最大可能廊道連接數(shù)Mmax之比，計(jì)算公式為

(4)

2.2 功能連通性評(píng)價(jià)方法

優(yōu)化效果通過換水周期和河網(wǎng)連通度指標(biāo)進(jìn)行量化。按照功能不同，河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)主要分為自然輸入節(jié)點(diǎn)、水量分配節(jié)點(diǎn)、排泄節(jié)點(diǎn)3種。本文以相鄰節(jié)點(diǎn)之間的廊道分流量為權(quán)值，通過MATLAB中的最大流算法建立節(jié)點(diǎn)之間的流量鄰接矩陣E，計(jì)算公式為

(5)

式中：Qij為由節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j的流量；Qi為節(jié)點(diǎn)i的總出流量；N為節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

換水周期T是自然界水文循環(huán)的反映，用以表征水體之間的連通程度，計(jì)算公式[9]為

(6)

式中：W為湖泊增蓄水量；Q為入湖流量。

3 典型水系連通工程的連通性及優(yōu)化分析

3.1 南縣西水東調(diào)工程

3.1.1規(guī)劃方案

南縣位于洞庭湖區(qū)中部，被藕池河中西支和沱江分割為5個(gè)堤垸，藕池河中西支常年斷流，僅松澧洪道過流。為解決枯水期藕池河中西支斷流造成沿岸農(nóng)田灌溉、生活用水短缺的問題，規(guī)劃工程新建白蚌口提水泵站，枯水期以松澧水為水源，通過新修和改建原有廊道向藕池河、沱江、大通湖供水(圖2)。規(guī)劃工程橫跨南漢垸、和康垸、育樂大垸和南鼎垸，區(qū)域面積達(dá)722 km2，規(guī)劃區(qū)內(nèi)自然廊道為15條，占總廊道數(shù)的62.5%，其中人工廊道為9條，占廊道總數(shù)的37.5%。由于僅增加1條廊道，規(guī)劃條件下的河網(wǎng)密度由0.43增加至0.44，總體變化不大。工程水動(dòng)力重構(gòu)條件為泵站抽水流量控制。

圖2 南縣西水東調(diào)工程規(guī)劃水系有向圖及優(yōu)化廊道

規(guī)劃后，α、β、γ分別為0.714、2.08和0.82，各指標(biāo)均有所下降，但規(guī)劃區(qū)整體的水系連通性處于較高的水平(表3)。由于蓄水工程不足，枯水期農(nóng)田灌溉保障率較低。規(guī)劃工程可改善唐家灣、鐘家嘴灌區(qū)灌溉面積1.85萬hm2，同時(shí)解決34.23萬人的安全飲水問題。

表3 南縣西水東調(diào)工程規(guī)劃前后水系連通性變化

3.1.2優(yōu)化方案

規(guī)劃方案以藕池河中西支為平原水庫(kù)，庫(kù)區(qū)水流交換的渠道僅有6、10號(hào)廊道，水量平衡時(shí)庫(kù)區(qū)內(nèi)水流流速很小，優(yōu)化方案通過增加水體流動(dòng)性來改善庫(kù)區(qū)內(nèi)水質(zhì)。在規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上新增27、30號(hào)廊道，優(yōu)化后α、β、γ分別為0.740、2.14和0.83，相對(duì)規(guī)劃后分別上升3.64%、2.88%和1.22%(表3)。

白蚌口泵站抽水流量根據(jù)生態(tài)基流量和供需平衡下的工程補(bǔ)水量來確定，藕池河西支、中支的汛期集中在每年的6—9月份，其他月份河流基本處于斷流狀態(tài)，因此工程補(bǔ)水期應(yīng)設(shè)在每年10月至次年5月。依據(jù)2003—2014年康家崗、管家鋪和羅文窯站實(shí)測(cè)水文資料，基于最小月平均流量法和Tennant法計(jì)算藕池河中、西支的最小生態(tài)流量?？紤]河床滲流以及灌溉引水造成的損失，生態(tài)基流量取兩種結(jié)果中的較大值。

Tennant法取多年平均徑流量的10%或30%作為河道的生態(tài)基流量，由于藕池河西支、中支常年斷流河段的水生生物種類較少，水流僅需維持河道基本形態(tài)，生態(tài)基流量取年均徑流量的10%。最小月平均流量法以每年最小月平均流量的平均值作為生態(tài)環(huán)境的需水量，計(jì)算方法見文獻(xiàn)[12]。

通過水文數(shù)據(jù)分析，2003—2014年藕池河西支、中支的年平均徑流量分別為4.17億m3和27.00億m3，按照Tennant法計(jì)算出的藕池河西支、中支的最小生態(tài)流量分別為1.32 m3/s和8.56 m3/s。根據(jù)最小月平均流量法計(jì)算出的最小生態(tài)流量分別為3.08 m3/s和2.58 m3/s，最終確定西支、中支的生態(tài)基流量分別為3.08 m3/s和8.56 m3/s，渠道有效利用率取0.7，計(jì)算得到補(bǔ)水期白蚌口泵站總抽水量為5.55億m3。為減少水資源浪費(fèi)，工程補(bǔ)水集中在每年的10—12月和次年3—5月，生態(tài)補(bǔ)水則貫穿整個(gè)補(bǔ)水期，確定白蚌口泵站在灌溉期、非灌溉期引水流量分別為29.84 m3/s和15.91 m3/s。

水量平衡時(shí)廊道的分流量按動(dòng)量平衡法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式見文獻(xiàn)[13-15]。根據(jù)谷歌影像資料結(jié)合藕池河段實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算出連接節(jié)點(diǎn)的各廊道分流比，進(jìn)而計(jì)算出相鄰節(jié)點(diǎn)之間廊道分流量。計(jì)算結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，水網(wǎng)連通度總體變化不大；優(yōu)化條件下14、11節(jié)點(diǎn)的水文連通性分別增加至0.12和0.13，5、9節(jié)點(diǎn)的流量分配系數(shù)分別為0.18、0.02；優(yōu)化后有效增加了松澧水向鐘家嘴灌區(qū)的輸水量，藕池河西支、中支的流量分別增加至9.3 m3/s和5.3 m3/s，水動(dòng)力條件得到明顯改善，同時(shí)30號(hào)廊道增加了南縣北部地區(qū)的輸水量，可滿足鐘家嘴灌區(qū)的用水需要。

3.2 君山區(qū)華洪運(yùn)河連通工程

3.2.1規(guī)劃方案

為實(shí)現(xiàn)水網(wǎng)連通和分流滯洪，君山區(qū)河湖連通以華洪運(yùn)河為主水源，將長(zhǎng)江、華容河、洞庭湖、藕池河相互連通，在主水道境內(nèi)形成一張完備的渠道網(wǎng)(圖3)。君山區(qū)跨錢糧湖垸、建設(shè)垸以及君山垸區(qū)域面積達(dá)718 km2，規(guī)劃區(qū)內(nèi)自然渠道總長(zhǎng)為101.7 km，占總廊道長(zhǎng)度的45.9%，工程實(shí)施后河網(wǎng)密度為0.35，工程水動(dòng)力重構(gòu)條件為水位自流驅(qū)動(dòng)。

圖3 君山區(qū)華洪運(yùn)河連通工程規(guī)劃水系有向圖及優(yōu)化廊道

規(guī)劃后α、β和γ分別為0.418、1.795和0.615，與規(guī)劃前相比分別下降了10.9%、4.6%和2.5%(表4)。水系連通性的3個(gè)指標(biāo)都下降的主要原因?yàn)樯成?、七星湖、良心堡水?kù)周圍湖泊間連通渠道少，導(dǎo)致廊道節(jié)點(diǎn)眾多，總體水系連通性一般。通過內(nèi)湖清淤擴(kuò)容、岸堤加高，湖區(qū)容積增加了2 990萬m3，在年平均徑流量不變的條件下洪水防御能力顯著提升。

表4 君山區(qū)華洪運(yùn)河連通工程規(guī)劃前后水系連通性變化

3.2.2優(yōu)化方案

在原規(guī)劃方案基礎(chǔ)上通過132、133、134號(hào)廊道增加方臺(tái)湖、團(tuán)湖、沙山湖的引水流量，提高換水效率并增強(qiáng)湖泊的自凈能力，優(yōu)化后α、β和γ分別為0.440、1.836和0.629，相對(duì)規(guī)劃方案分別提高5.26%、2.28%和2.28%，總體變化不大。

優(yōu)化效果通過內(nèi)湖換水周期指標(biāo)進(jìn)行量化。華洪運(yùn)河的平均水位維持在28 m，各內(nèi)湖水面高程數(shù)據(jù)依據(jù)Google Earth軟件獲得，規(guī)劃區(qū)內(nèi)引水渠道為土質(zhì)渠道，不沖條件下的允許流速u=(0.65～0.8)R0.225，本文取平均值0.73R0.225(R為渠道的水力半徑)，依據(jù)水力學(xué)公式計(jì)算出各廊道的設(shè)計(jì)水深，進(jìn)而計(jì)算出各廊道入內(nèi)湖流量。假定廊道糙率相同且均為矩形斷面，規(guī)劃廊道入內(nèi)湖流量按照明渠均勻流進(jìn)行計(jì)算：

(7)

式中：i0為渠道底坡(依據(jù)正常蓄水位下內(nèi)湖間的水位差與廊道長(zhǎng)度的比值確定)；b為人工渠道寬度；h為設(shè)計(jì)水深；n為糙率，取值0.025。

內(nèi)湖清淤后庫(kù)容增加，導(dǎo)致?lián)Q水周期延長(zhǎng)，規(guī)劃后七星、沙山、東北、污水和西北湖群(北湖群)增蓄水量為990萬m3，換水周期為11 d，采桑、大東哈、方臺(tái)和觀音湖群(南湖群)增蓄水量為1 200萬m3，換水周期為9 d。優(yōu)化后南、北湖群的換水周期分別減少至5 d和8 d，換水效率分別提高55.71%和12.26%。同時(shí)優(yōu)化廊道增加了華洪運(yùn)河向方臺(tái)湖和團(tuán)湖的泄流量，減輕了華容河汛期的防洪壓力，充分發(fā)揮了內(nèi)湖調(diào)蓄作用。

4 結(jié) 語

本文按照泵站抽水流量控制和水位自流驅(qū)動(dòng)兩種水動(dòng)力重構(gòu)條件，分別選取南縣西水東調(diào)工程和君山區(qū)華洪運(yùn)河連通工程作為洞庭湖區(qū)水系連通典型工程進(jìn)行優(yōu)化分析。與規(guī)劃前相比，規(guī)劃后連通性指標(biāo)均有所下降，因此存在較大優(yōu)化空間。南縣西水東調(diào)工程優(yōu)化以改善水質(zhì)為目標(biāo)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)連通性指標(biāo)提高1.22%～3.64%，水系連通性有所增加。最小設(shè)計(jì)流量下藕池河西支、中支的流量分別增至9.3 m3/s和5.3 m3/s，有效改善了水動(dòng)力條件，優(yōu)化廊道尾部節(jié)點(diǎn)的流量分配系數(shù)提高，有效增加了鐘家嘴灌區(qū)的輸水量。君山區(qū)華洪運(yùn)河連通工程優(yōu)化通過增加湖泊的引水流量，提高了水體自凈能力。優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)連通性指標(biāo)提高2.28%～5.56%，總體變化不大，南、北湖群增蓄水量的換水效率分別提高55.71%和12.26%，可進(jìn)一步增強(qiáng)湖泊的自凈能力。

由于洞庭湖區(qū)水系連通工程規(guī)劃尚未全部實(shí)施，而且功能連通性指標(biāo)是基于經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際存在差異，優(yōu)化方案應(yīng)根據(jù)規(guī)劃工程實(shí)施后的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。