洞庭湖河湖疏浚对洪水位影响分析
摘要：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。
关键词：洞庭湖 疏浚 洪水位 影响
1 问题的提出
洞庭湖作为长江中游的调蓄湖泊，不仅是长江中下游体系中的重要组成部份。它不但具有调蓄江河径流、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；? Va——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 年份 宜昌洪峰流量 （m3/s） 最大一日洪量 (亿m3) 最大三日洪量 (亿m3) 最大七日洪量 (亿m3) 最大十五日洪量 (亿m3) 最大三十日洪量 (亿m3) 1996 61000 52.93 157.0 347.1 538.4 768.0 1998 63800 50.13 145.4 293.8 490.4 785.5 1999 61300 49.80 141.9 278.8 454.0 875.0 2.1.4 分析计算结果及原因分析 本次计算采用了3个典型年，上边界用典型年的入流过程，下边界选用典型年螺山站的水位，分别选择疏浚前后的地理资料计算三个典型河段影响区的水位，在疏浚区每隔500米，模型输出一个水位值。? 计算结果表明：在所选的典型河段中，澧水洪道的影响十分显著，南洞庭湖一带疏浚前后的影响次于澧水洪道。 这是因为澧水洪道为一狭窄性河道，洪水期间经常出现碍洪现象。疏浚后河道横断面面积增加，且主河槽深度加深，水流阻力减小，过流能力增加，洪水水位降低，经采用三个典型年分析，疏浚后洪水水位降低0.2～0.3米。而在南洞庭湖区，由于洪水期间水面宽广，疏挖增加的河道面积占整个断面面积的比重相对较小，虽然水流阻力也有所减小，但在影响湖区水流的复杂水力因素中，疏挖的影响仍不如澧水洪道。经采用三个典型年运用水力学模型计算，疏浚后可降低南洞庭湖洪水水位0.09～0.17米。各典型年计算情况见表2。 ? 表2 洞庭湖典型河段疏浚后降低洪水水位计算表? 年份 水位降低值(m) 澧水洪道 南洞庭湖 1996 0.22 0.09 1998 0.25 0.13 1999 0.31 0.17 模型计算中采用疏浚前后两种不同的地形资料条件下的水动力学计算结果的差值，作为疏浚对洪水水位的影响值，由于两种计算的上下边界条件相同，这样做有利于将两种计算结果统一到一致的基础上，便于比较。另外可以降低参数的敏感性带来的误差，因为在水力学模型中最重要的参数是糙率，而糙率的微小的改变，都将引起模型计算水位较大的改变，但对两种地形资料条件差值的计算，参数的敏感性就大大减低。在我们建立的SMS模型中，糙率每增加1%，可引起模型计算水位0.06米的变化，但对两种水力边界条件计算的差值的影响就降低到不足0.01米。 2.2 水文学方法 本次分析的二个典型河段位于澧水洪道和南洞庭湖区。在澧水洪道上有石龟山水文站实测水位和流量资料。南洞庭湖区有沅江水位站，仅有水位资料。根据两站不同的资料情况，分析中采用不同的分析方法。基本分析思路是：澧水洪道采用单值化水位流量关系法，通过分析河道疏浚前后的单值化水位流量关系来分析疏浚对洪水水位的影响；南洞庭湖的沅江站因其只有水位资料，所以通过分析疏浚前后南嘴～沅江水位相关关系来分析疏浚对洪水水位的影响。 2.2.1 澧水洪道疏浚前后石龟山站水位流量关系变化分析 天然河道中水位流量关系由于受洪水涨落，变动回水，断面冲淤等因素影响，水位流量关系并不是单值关系，而是呈现复杂的绳套关系，每次洪水的水位流量关系都不一样。因此，将各年份的水位流量关系直接比较，则比较的基础不一致，无法得出正确的结果。为此首先必须对观测的水位流量关系进行单值化处理，消除洪水涨落，变动回水等附加比降因素的影响，使水位流量关系的比较统一到一致的基础上来。石龟山站水位流量关系受澧水和长江淞兹口来水的影响，此外还受到南嘴站水位的顶托，水位流量关系更加复杂，呈多值绳套关系，因此必须进行单值化处理。?
石龟山站单值化水位流量关系公式为：
式中：q——单值化流量（或流量校正因素）；
△Z——综合落差，采用津市至石龟山落差△Z1和石龟山至南咀的落差△Z2的组合落差，其值为
△Z=0.6△Z1+0.4△Z2；
Q——实际流量。
用上上两式出校正流量后，再用三次幂函数与水位拟合得单值水位流量关系，各年单值关系按照国际标准ISO1100/2的要求进行了符号、适线和偏离数值检验，检验结果合理。各年的单值化流量计算系数见表4-3。其公式形式为?
q=a0+ a1 x1 + a2 x2 + a3 x3
式中，x1=Z-30、x2= x12、x3= x13。?
表3 石龟山站各年单值化水位流量关系系数
年份 | a0 | a1 | a2 | a3 |
1991 | 1290.7 | -457.918 | 121.141 | -4.353 |
1995 | -2853.5 | 1858.0 | -267.4 | 15.933 |
1996 | 507.785 | 90.773 | 27.578 | 0.477 |
1998 | 557.54 | -198.3 | 89.62 | -2.5717 |
1999 | 5442.8 | -2374.6 | 393.71 | -16.233 |
将上述个年份的单值化水位流量关系点绘在一张图上（图略），可看出澧水洪道上水位流量关系在疏浚前后有较大变化。主要结果如下：?
（1）同流量级水位降低。澧水洪道疏浚前后石龟山站水位流量关系变化较大，在水位37.0米以下，历年单值化水位流量关系曲线有部分交错现象，但仍有较明显的变化趋势，疏浚前同级流量水位较高；水位在37.0米以上，与疏浚前1991年相比，均偏于该线的下方，表明同流量级水位降低。降低幅度一般位于0.2～0.5米之间。
（2）同水位级流量增加。与水位的变化一样，疏浚前后石龟山站在水位37米以下，单值化水位流量关系有部分交错现象，但仍有明显趋势；在水位37米以上，疏浚以后几年的关系线均偏于疏浚前1991年的右方，表明同水位级流量有增大的趋势。从图中得知，疏浚后同水位级下，过流能力增加200～500 m3/s。
2.2.2 南洞庭湖疏浚前后沅江站水位流量关系变化分析
沅江站是南洞庭湖的水位站，有水位资料但无流量资料，无法进行水位流量单值化分析。因此我们选用南咀沅江洪峰水位相关关系来进行分析。在假定南嘴不受疏浚影响的情况下，此相关关系的变化反映了沅江站水位的变化，实际上根据水力学模型计算的结果，南嘴水位也受到一定的影响，因此，此相关关系仅反映沅江与南嘴的落差变化。由于洪水过程受附加比降等因素的影响，而使相关关系复杂化。因此选用两站的洪峰水位做，建立两站的洪峰水位相关关系来分析疏浚对南洞庭洪水水位的影响。资料选样以1990年-1997年资料作为疏浚前资料，选用了29场洪水的南咀沅江洪峰水位资料；1997年~2002年资料作为疏浚后资料，共选用了21场洪水的南咀沅江洪峰水位资料。
将选用的资料点据系列绘于南咀沅江洪峰水位关系图上，分别拟订疏浚前后两条关系线(图略)，可以看出两条关系线仅有细微的差别,无显著变化，这说明南洞庭湖疏浚后，对南洞庭湖洪水水位的影响较澧水洪道而言影响较小。1997年以后在南洞庭湖莲花澳～廖洋口以及实洲岭河段进行了一定规模的疏浚工作，其中实洲岭河段靠近沅江站附近。南洞庭湖沅江站洪峰水位，疏浚前后在南嘴同等水位情况下，水位降低约0.07-0.15米，这说明沅江与南嘴的落差加大，水流速度加快。很显然，由于清淤疏浚，河床加深，过流能力得到一定程度的提高，对高洪水位的降低有一定作用，但是由于南洞庭湖区洪水期水面宽广，湖泊疏浚增加的过流面积影响有限，在影响南洞庭湖水流的复杂水力因数中，其作用较河道偏小，因而疏浚对南洞庭洪水水位的影响不如澧水洪道。
2.3 典型河段疏浚对澧水洪道及湖泊传播时间影响分析 澧水洪道疏浚于1994年开始，根据掌握的资料疏浚前选用1978～1994年资料，疏浚后选用1995～2002年资料。1995年至今9场洪水平均传播时间为18小时；而1978年至1994年27场洪水平均传播时间为26小时，洪水平均传播时间缩短8小时。很显然澧水洪道由于河道疏浚，行洪能力增强，水流速度加快，洪水传播时间已发生显著变化，在原来的基础上已缩短近三分之一。 南咀至营田河段疏浚时间起于1997年，故可将1997年及其以前的资料，作为疏浚前的资料，由于疏浚时间持续到2001年，因而疏浚后的资料十分有限，考虑到1998年已完成了相当一部分工作，故将1999年及其以后的资料作为疏浚后的资料进行分析。由于湖区来水组合复杂，在上述统计中尽量采用反映南洞庭湖来水的洪水为主，以便使统计值能反映实际情况。通过对1999年至今7场洪水统计，平均传播时间为22小时，而1978年至1994年25场洪水平均传播时间为24小时，两者相差2小时。由此可见在南洞庭湖进行疏浚，对南咀至营田洪水传播时间具有一定影响，但影响程度不如河道。 3 河湖疏浚对洞庭湖洪水位影响预测 根据洞庭湖河湖疏浚规划，疏挖、扩卡和扫障总土石方量33876.5×104m3。由于增加了行洪断面的面积和湖泊容量，相应增加了洪道的行洪能力，增强了湖泊的调蓄能力，对降低湖区高洪水位起积极作用。整个疏浚工程土石方量也就相当于洞庭湖增加了约3.4×108m3容积，约占洞庭湖总容积（城陵矶水位33.5米时容积167×108m3）的百分之二左右。 采用前面已经建立的水力学模型，经水力学模型模拟结果如下： （1）四水尾闾及淞滋河、藕池河及汨罗江疏浚段附近洪水水位的降低较明显。水位降低的程度与开挖的断面面积占总断面面积的比例及洪水级别有关。比例越大，水位降低愈明显。洪水级别越大，水位降低越小。在计算河段中澧水尾闾可降低高洪水位0.15～0.35m，其余河段一般可降低0.1～0.25m，但在扩卡的局部区域，有时可降低水位0.3m以上。 （2）东洞庭湖洪水水位可降低0.08～0.14m，南洞庭湖可降低0.1～0.18m。湖区水位降低幅度仍然少于河道，这种趋势同典型河段的计算结果一致。 4 结论与建议 4.1 结论 （1） 根据典型河段的水力学和水文学分析，河湖疏浚对洞庭湖区河道和湖泊高洪水位的降低均有一定的作用，其中河道洪水位降幅大于湖泊洪水位的降幅。疏浚工程的水位降低对洞庭湖的防洪作用相当于在四水干流修建一座防洪库容为4～5×108m3的水库，对四水尾闾疏浚段的防洪作用相当于在四水干流兴建一座防洪库容为10×108m3左右的水库。经分析测算洞庭湖河湖疏浚工程减免上游堤垸洪涝灾害损失、减少使用蓄洪垸来蓄洞庭湖区超额洪水而造成的蓄洪损失、可减免防汛抢险费用、减免电排排涝电费等四项合计约为4.57×108元/年。 （2） 通过河湖疏竣相当于洞庭湖增加了约3.4×108m3的容积，约占洞庭湖总容积的百分之二。疏浚后湖泊水流归槽，流速加大，水流挟沙力加大，便于泥沙输送，有效减缓洞庭湖的淤积，延长湖泊使用寿命。而且由于河湖疏浚工程实施以后，加高加固了防洪大堤，提高了大堤的防洪能力。由于大堤防洪能力提高，洞庭湖的寿命延长，为长江中下游地区的防洪保安将起到重大的作用，具有巨大的社会效益。 4.2 建议 （1）加强洞庭湖河湖疏浚与长江城汉河段综合整治关系的研究[5]。洞庭湖河湖疏浚工程对于疏通湖区洪道，增加湖泊容积，缓解洪水压力将起到重要作用，同时对于洞庭湖的水环境修复和生态系统的恢复也具有十分重要的意义。但是由于城陵矶至汉口河段上承长江干流荆江和洞庭湖水系来水，特别由于下荆江裁弯，城陵矶至汉口河段及洞庭湖淤积严重，城螺河段泄流能力下降，大量洪水滞留洞庭湖，目前三口四水的洪水仅靠一个小口渲泄，若湖口门槛不同步降低，城汉河段继续淤积，湖内的疏挖增加的湖容大部分会变成死湖容。同时降低出湖口门也有利于洞庭湖对长江中下游径流的补给。因此,必须认真研究并切实处理好洞庭湖河湖疏浚与长江城汉河段综合整治的关系, 切实研究并尽快实施城陵矶以下至汉口河段的综合整治工程。 （2）加强洞庭湖水沙、水质、底泥监测。洞庭湖河湖疏浚作为洞庭湖综合治理的主要工程措施，不仅具有扩大湖容、疏通航道等一般工程疏浚的技术特点，而且通过疏浚和清除湖泊水体中的污染底泥，为洞庭湖的自然生态系统恢复创造条件。在疏浚工程实施前、中、后期，要充分了解湖泊功能由于水沙条件变化、水质污染和生态破坏带来的危害和问题，加强湖泊水量、泥沙、水质、底泥和水生生物的调查和监测。但是目前洞庭湖水文、水质监测站点严重不足，底泥污染监测尚属空白，因此应在洞庭湖水文、水质监测站网充实和优化的基础上，特别加强洞庭湖的底泥监测。 ［1］ 《洞庭史鉴》编纂委员会． 洞庭史鉴——洞庭湖区域研究[M]． 长沙：湖南人民出版社，2002年12月． ［2］ 湖南省政协科技委员会．三峡工程与洞庭湖关系研究[M]．长沙：湖南技术出版社，2002年12月． ［3］ 窦鸿身，姜加虎．洞庭湖[M]．合肥：科学技术大学出版社，2000年5月． ［4］ 吴作平，杨国录，甘明辉．荆江—洞庭湖水沙关系及调整[J]．武汉大学学报（工科版），2002，35（3）． ［5］ 李正最, 汤喜春．论三峡工程建成后长江城汉河段的综合整治[J]．水电站设计，2002，18（4）． Effects on the Flood Elevation of Dongting Lake Dredgeing up Abstract: Dongting Lake is an important regulating lake in the middle reach of Yangtz River. It receives volume and sediment of flood from xiang River,zi River,yuan River,li River and Yangtz River, this lead to get level higher because of deposit, disaster of flood become serious and entironment worsened, capability of water self-cleanseing and water environment bearing become lower. This paper analyzes the effects on the Flood Elevation of Dongting Lake Dredgeing up according to the program of Dongting Lake dredgeing up and the complete data of typical reach dredged.Keyword: Dongting Lake; dredge up; flood elevation; effect.