洞庭湖河湖疏浚对洪水位影响分析

简介： 洞庭湖是长江中游的重要调蓄湖泊，但由于接纳湘、资、沅、澧四水和长江三口洪水、泥沙，造成淤塞河道湖泊泥沙淤积，洪水位抬高，加重湖区的防洪负担、造成严重的洪涝灾害。根据洞庭湖河湖疏浚规划和典型河段疏挖竣工资料，运用水力学和水文学方法对疏浚前后洪水位的变化进行了分析。
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1 问题的提出
洞庭湖作为长江中游的调蓄湖泊，不仅是长江中下游防洪体系中的重要组成部份。它不但具有调蓄江河径流、发展航运、渔业和为工农业生产提供丰富水资源等多种用途，而且对调节湖区气候和生态平衡也起着重要作用。由于洞庭湖接纳湘、资、沅、澧四水和长江的松滋河、虎渡河、藕池河三口，每年有大量的泥沙进入洞庭湖，其中约四分之一左右的泥沙由城陵矶注入长江，四分之三则淤积在洞庭湖，1975年与1952年比较，七里湖平均淤积达4m以上，南洞庭湖淤积近2m，东洞庭湖淤积近1m。由于泥沙淤积，造成四口洪道多呈淤积萎缩态势，湖内洲滩滋长、芦柳丛生、滞流阻水严重，进而加速泥沙淤积，并有恶性循环之势。而且由于湖泊萎缩使得水系紊乱，相互顶托干扰。这些问题导致洞庭湖区调蓄容积减少、洪水位不断抬升、江湖关系改变，加重湖区的防洪负担、造成严重的洪涝灾害。因此，加强洞庭湖区河道整治、实施河湖疏浚工程、调整部分河段的河势、改善水流条件、稳定河床、减少泥沙淤积、延长河道寿命是非常迫切的[1~4]。目前洞庭湖河湖疏浚规划已经完成，包括湘、资、沅、澧四水尾闾和松滋河、藕池河、南洞庭湖、东洞庭湖、汩罗江等疏挖总工程量达33876.40×104m3，目前为止已经付诸实施的有约4067.91×104m3 。为了客观地反映河湖疏浚对洞庭湖防洪减灾实际效果和作用，必须准确分析疏浚后的洪水位降低效应。

2 河湖疏浚对典型河段的洪水水位影响分析

2.1 水力学方法?

　　水力学法的主要思路是运用洞庭湖水动力学模型，在同样的来水条件下，分别计算疏浚前后（地形和糙率不同）洞庭湖疏浚影响区的洪水水位，通过对水位差值的比较，得出疏浚对河湖洪水水位的影响。洞庭湖水系中，四水及长江三口控制断面以下无流量站控制，区间面积约占洞庭湖水系总面积的20%，与洞庭湖洪水的形成密切相关。本研究洪水演算采用SMS （地表水模拟系统）水力学模型，区间的产流计算采用SSARR（河流综合预报与水库调度模型）水文学模型[2]。

2.1.1 原理

SMS模型(Surface Water Modeling System)是美国陆军工程兵团开发的水力学模型。该模型通过求解二维完全圣维南方程组，求解出计算时间内整个研究区域的水位、流量及二维X、Y方向的水流速度。其显著优点是可以实现一二维水力学模型的结合，这使得我们在建模时可将河道概化为一维单元，湖泊等宽广水面概化为二维单元，实现一、二维水力学模型的有机结合。

SMS模型是一个二维浅水方程，方程形式为：

上式中：h——研究水体的水深(m)；?

u、v——水体在X、Y两个方向上的流速；?

ρ——水体密度；?

X、Y、T——分别为时间和空间上的坐标；?

E——水体涡度系数；E下标XX表示水面X方向的涡度系数；下标YY表示水面Y方向的涡度系数；下标XY、YX表示水面切变方向的涡度系数；

G——重力加速度；?

A——河底高程；?

N——满宁系数；?

ζ——分向切变系数；?

V_a——风向切变系数；?

Ψ——风向；?

ω——地球旋转的角速度；?

ø——所在地的纬度；??

SSARR模型是一种概念性河流系统水文预报数学模型，由美国陆军工程兵团河流预报中心20世纪70年代中期研制。它认为降雨径流模型实质上是一个扣损曲线流域模型，在流域内的降雨输入可以转化为径流、土壤含水量的增加和流域蒸散发损失三部分。某一计算时段的径流RGP为流域面平均降雨AWP的百分数ROP可表示为下式：

RGP=ROP×AWP?

考虑蒸散发的各月份变化规律和雨强对径流及蒸散发的影响。利用土壤水分指数SMI和径流百分数的关系，土壤含水量～蒸散发关系，确定土壤水分的最大值SMI，计算各个时段的径流量。根据水量平衡原理土壤含水量-径流关系可用下式表达：?

SMI₂=SMI₁+M₁+R₀-ET₁?

式中：SMI₂——时段末的土壤含水量指数；

SMI₁——时段末的土壤含水量指数；

M₁——时段内的土壤水分输入；

R₀——时段内的产生的径流；

ET₁——时段内的蒸散发指标。

对于某一时段来讲，土壤含水量除直接与径流产生有关外，其值的大小一定与时段内的蒸发指标有关，其关系可由下式描述：?

SMI₂=SMI₁+(AWP-RGP)-(ETI×DKE×Δt／24)?

式中：WP——时段内流域平均降雨量；

RGP——时段内降雨产生的径流量；

ETI——日蒸发量；

DKE——日蒸发按降雨条件和土壤含水量的改正率；

Δt——计算时段长。

径流计算其实质即为ROP(径流百分数)的确定。模型认为ROP为SMI与雨强I的函数，即有：?

ROP=f(SMI，I)?

径流成分的划分及不同水源的演算根据土壤基流下渗强度指标BII确定基流百分数BFP。有下式

?BFP=f(SII)?

并认为BFP与BII成反比。利用这一关系可将径流划分为不同水源，采用不同的河段数和滞时进行演算，最后合成为河道流量过程。

由于洞庭湖区间大部分地区无流量观测资料，因此选择有流量资料的典型流域进行参数分析，再根据有关地理因数，将参数换算到无资料地区。根据水力学模型的需要将整个湖区区间划分为49个子块，每个子块单独计算产流过程。

2.1.2 边界条件

水力学模型必须给定一定的上下边界条件，才能对洞庭湖河网进行详细计算，上边界条件往往是流量过程，比较容易给定；下边界条件可以是水位过程或流量过程，也可以为水位流量关系。

(1) 模型上边界。SMS水力学模型的上边界条件包括四水入流控制站湘潭、桃江、桃源、石门、长江宜昌、长阳及湖区区间产流流量。四水、长阳、宜昌可采用典型年的实际入流过程；洞庭湖区沿湖区间面积的产流，使用SSARR水文学模型，该模型可根据降雨过程模拟出湖区区间流量过程，根据下垫面情况及对湖区的影响；将湖区区间概化分为49个入流点；分别计算每一边界点的入流过程。

(2) 模型下边界。洞庭湖水力学模型将长江与洞庭湖洞看成一个整体，因而模型的下边界选择长江螺山站。这样就构成了上至长江宜昌，涵盖四水及洞庭湖区间，下至长江螺山的水力学模型。洞庭湖出口至螺山河段水位流量关系不稳定，影响因素较多，年际间变化很大。而且受洪水涨落，下游回水顶托及河道冲淤等因素的影响，呈现出复杂的绳套关系。由于河湖疏浚对螺山站的水位影响甚微，因此可以认为疏浚前后螺山站水位基本保持不变。故可将典型年螺山站的实际水位过程作为模型的下边界。

2.1.3 洪水典型年的选择

考虑到河道自然演变因素，典型年主要选择近期的主要大水年，他们分别是1996、1998、1999年。这三个典型年有着不同的洪水特征、洪水组成，具有较好的代表性。主要情况如下：

(1)、1996洪水。造成该年暴雨洪水的主要天气系统集中在7月份，共有三次暴雨过程，主要集中在资、沅水及湖区，总降雨量分别为：460mm，486mm，383mm。7月初，澧水和沅水相继涨水，洪峰流量分别为11300m³/s和14000m³/s，先期抬高了洞庭湖底水。7月中旬资、沅水及湖区区间再次受暴雨袭击，造成资水桃江于7月16日出现洪峰流量11600m³/s，沅水桃源出现洪峰流量29000m³/s，湖区区间最大流量8200m³/s，与此同时长江宜昌流量维持40000m³/s左右，三口最大入湖流量11200 m³/s。最大入湖流量78.5%来自四水，三口仅占16.1%，比多年平均降低16.1%，属于四水遭遇型洪水。?

(2)、1998年洪水。1998年是1954年以后，长江流域又一次全域大洪水，仅次于1954年，但由于严防死守，没有出现大的堤垸溃决，加之湖区及河道泥沙淤积的影响，长江与湖区各站水位高于1954年。1998年长江干流出现了8次大的洪水过程，洞庭湖及长江下游也出现了5次洪水过程，可谓峰高、量大，四水洪水与长江洪水过程遭遇，入湖最大合成流量63800 m³/s，其中四水45000m³/s，三口为12200 m³/s ，湖区区间6630 m³/s，分别占最大入湖的70.5%，19.1%，10.4%，从6月11日8时—8月20日8时，洞庭湖总入湖水量1696亿m³，其中三口来水占38.2%，四水占48.3%，区别来水占13.5%，长江大水和四水洪水反复遭遇，造成了洞庭湖及长江干流均超历史洪水位。

(3)、1999洪水。1999洪水为洞庭湖建国以来的第二大洪水，属于四水，湖区区间及长江干流遭遇的最恶劣型洪水，主要降水进程分为两次，第一次6月26日暴雨集中在沅水、澧水及湖区区间，最大1、3、7、15日洪量几乎同步进入洞庭湖，加上长江干流20000 m³/s—47000 m³/s的维持量，日停留于洞庭湖的水量达30亿m³左右，城陵矶水位日平均涨幅1米左右。第二次7月13日，湘、资、沅、澧和长江同时涨水，湘、资水最大1日、3日、7日、15日洪量，沅水洪峰流量22000 m³/s ，澧水洪峰流量8110 m³/s，区间洪峰流量8000 m³/s ，长江干流50000 m³/s，同时汇于洞庭湖，虽然四水与长江干流不是大洪水，但四水与长江同时遭遇、汇入洞庭湖，非常罕见。

表1 1996、1998、1999年洞庭湖不同年份总入流统计表