湖疏浚洪水位影響管理論文

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1問題的提出

洞庭湖作為長江中游的調蓄湖泊，不僅是長江中下游防洪體系中的重要組成部份。它不但具有調蓄江河徑流、發展航運、漁業和為工農業生產提供豐富水資源等多種用途，而且對調節湖區氣候和生態平衡也起著重要作用。由于洞庭湖接納湘、資、沅、澧四水和長江的松滋河、虎渡河、藕池河三口，每年有大量的泥沙進入洞庭湖，其中約四分之一左右的泥沙由城陵磯注入長江，四分之三則淤積在洞庭湖，1975年與1952年比較，七里湖平均淤積達4m以上，南洞庭湖淤積近2m，東洞庭湖淤積近1m。由于泥沙淤積，造成四口洪道多呈淤積萎縮態勢，湖內洲灘滋長、蘆柳叢生、滯流阻水嚴重，進而加速泥沙淤積，并有惡性循環之勢。而且由于湖泊萎縮使得水系紊亂，相互頂托干擾。這些問題導致洞庭湖區調蓄容積減少、洪水位不斷抬升、江湖關系改變，加重湖區的防洪負擔、造成嚴重的洪澇災害。因此，加強洞庭湖區河道整治、實施河湖疏浚工程、調整部分河段的河勢、改善水流條件、穩定河床、減少泥沙淤積、延長河道壽命是非常迫切的[1~4]。目前洞庭湖河湖疏浚規劃已經完成，包括湘、資、沅、澧四水尾閭和松滋河、藕池河、南洞庭湖、東洞庭湖、汩羅江等疏挖總工程量達33876.40×104m3，目前為止已經付諸實施的有約4067.91×104m3。為了客觀地反映河湖疏浚對洞庭湖防洪減災實際效果和作用，必須準確分析疏浚后的洪水位降低效應。

2河湖疏浚對典型河段的洪水水位影響分析

2.1水力學方法

水力學法的主要思路是運用洞庭湖水動力學模型，在同樣的來水條件下，分別計算疏浚前后（地形和糙率不同）洞庭湖疏浚影響區的洪水水位，通過對水位差值的比較，得出疏浚對河湖洪水水位的影響。洞庭湖水系中，四水及長江三口控制斷面以下無流量站控制，區間面積約占洞庭湖水系總面積的20%，與洞庭湖洪水的形成密切相關。本研究洪水演算采用SMS（地表水模擬系統）水力學模型，區間的產流計算采用SSARR（河流綜合預報與水庫調度模型）水文學模型[2]。

2.1.1原理

SMS模型(SurfaceWaterModelingSystem)是美國陸軍工程兵團開發的水力學模型。該模型通過求解二維完全圣維南方程組，求解出計算時間內整個研究區域的水位、流量及二維X、Y方向的水流速度。其顯著優點是可以實現一二維水力學模型的結合，這使得我們在建模時可將河道概化為一維單元，湖泊等寬廣水面概化為二維單元，實現一、二維水力學模型的有機結合。

SMS模型是一個二維淺水方程，方程形式為：

上式中：h——研究水體的水深(m)；

u、v——水體在X、Y兩個方向上的流速；

ρ——水體密度；

X、Y、T——分別為時間和空間上的坐標；

E——水體渦度系數；E下標XX表示水面X方向的渦度系數；下標YY表示水面Y方向的渦度系數；下標XY、YX表示水面切變方向的渦度系數；

G——重力加速度；

A——河底高程；

N——滿寧系數；

ζ——分向切變系數；

Va——風向切變系數；

Ψ——風向；

ω——地球旋轉的角速度；

ø——所在地的緯度；

SSARR模型是一種概念性河流系統水文預報數學模型，由美國陸軍工程兵團河流預報中心20世紀70年代中期研制。它認為降雨徑流模型實質上是一個扣損曲線流域模型，在流域內的降雨輸入可以轉化為徑流、土壤含水量的增加和流域蒸散發損失三部分。某一計算時段的徑流RGP為流域面平均降雨AWP的百分數ROP可表示為下式：

RGP=ROP×AWP

考慮蒸散發的各月份變化規律和雨強對徑流及蒸散發的影響。利用土壤水分指數SMI和徑流百分數的關系，土壤含水量～蒸散發關系，確定土壤水分的最大值SMI，計算各個時段的徑流量。根據水量平衡原理土壤含水量-徑流關系可用下式表達：

SMI2=SMI1+M1+R0-ET1

式中：SMI2——時段末的土壤含水量指數；

SMI1——時段末的土壤含水量指數；

M1——時段內的土壤水分輸入；

R0——時段內的產生的徑流；

ET1——時段內的蒸散發指標。

對于某一時段來講，土壤含水量除直接與徑流產生有關外，其值的大小一定與時段內的蒸發指標有關，其關系可由下式描述：

SMI2=SMI1+(AWP-RGP)-(ETI×DKE×Δt／24)

式中：WP——時段內流域平均降雨量；

RGP——時段內降雨產生的徑流量；

ETI——日蒸發量；

DKE——日蒸發按降雨條件和土壤含水量的改正率；

Δt——計算時段長。

徑流計算其實質即為ROP(徑流百分數)的確定。模型認為ROP為SMI與雨強I的函數，即有：

ROP=f(SMI，I)

徑流成分的劃分及不同水源的演算根據土壤基流下滲強度指標BII確定基流百分數BFP。有下式

BFP=f(SII)

并認為BFP與BII成反比。利用這一關系可將徑流劃分為不同水源，采用不同的河段數和滯時進行演算，最后合成為河道流量過程。

由于洞庭湖區間大部分地區無流量觀測資料，因此選擇有流量資料的典型流域進行參數分析，再根據有關地理因數，將參數換算到無資料地區。根據水力學模型的需要將整個湖區區間劃分為49個子塊，每個子塊單獨計算產流過程。

2.1.2邊界條件

水力學模型必須給定一定的上下邊界條件，才能對洞庭湖河網進行詳細計算，上邊界條件往往是流量過程，比較容易給定；下邊界條件可以是水位過程或流量過程，也可以為水位流量關系。

(1)模型上邊界。SMS水力學模型的上邊界條件包括四水入流控制站湘潭、桃江、桃源、石門、長江宜昌、長陽及湖區區間產流流量。四水、長陽、宜昌可采用典型年的實際入流過程；洞庭湖區沿湖區間面積的產流，使用SSARR水文學模型，該模型可根據降雨過程模擬出湖區區間流量過程，根據下墊面情況及對湖區的影響；將湖區區間概化分為49個入流點；分別計算每一邊界點的入流過程。

(2)模型下邊界。洞庭湖水力學模型將長江與洞庭湖洞看成一個整體，因而模型的下邊界選擇長江螺山站。這樣就構成了上至長江宜昌，涵蓋四水及洞庭湖區間，下至長江螺山的水力學模型。洞庭湖出口至螺山河段水位流量關系不穩定，影響因素較多，年際間變化很大。而且受洪水漲落，下游回水頂托及河道沖淤等因素的影響，呈現出復雜的繩套關系。由于河湖疏浚對螺山站的水位影響甚微，因此可以認為疏浚前后螺山站水位基本保持不變。故可將典型年螺山站的實際水位過程作為模型的下邊界。

2.1.3洪水典型年的選擇

考慮到河道自然演變因素，典型年主要選擇近期的主要大水年，他們分別是1996、1998、1999年。這三個典型年有著不同的洪水特征、洪水組成，具有較好的代表性。主要情況如下：

(1)、1996洪水。造成該年暴雨洪水的主要天氣系統集中在7月份，共有三次暴雨過程，主要集中在資、沅水及湖區，總降雨量分別為：460mm，486mm，383mm。7月初，澧水和沅水相繼漲水，洪峰流量分別為11300m3/s和14000m3/s，先期抬高了洞庭湖底水。7月中旬資、沅水及湖區區間再次受暴雨襲擊，造成資水桃江于7月16日出現洪峰流量11600m3/s，沅水桃源出現洪峰流量29000m3/s，湖區區間最大流量8200m3/s，與此同時長江宜昌流量維持40000m3/s左右，三口最大入湖流量11200m3/s。最大入湖流量78.5%來自四水，三口僅占16.1%，比多年平均降低16.1%，屬于四水遭遇型洪水。

(2)、1998年洪水。1998年是1954年以后，長江流域又一次全域大洪水，僅次于1954年，但由于嚴防死守，沒有出現大的堤垸潰決，加之湖區及河道泥沙淤積的影響，長江與湖區各站水位高于1954年。1998年長江干流出現了8次大的洪水過程，洞庭湖及長江下游也出現了5次洪水過程，可謂峰高、量大，四水洪水與長江洪水過程遭遇，入湖最大合成流量63800m3/s，其中四水45000m3/s，三口為12200m3/s，湖區區間6630m3/s，分別占最大入湖的70.5%，19.1%，10.4%，從6月11日8時—8月20日8時，洞庭湖總入湖水量1696億m3，其中三口來水占38.2%，四水占48.3%，區別來水占13.5%，長江大水和四水洪水反復遭遇，造成了洞庭湖及長江干流均超歷史洪水位。

(3)、1999洪水。1999洪水為洞庭湖建國以來的第二大洪水，屬于四水，湖區區間及長江干流遭遇的最惡劣型洪水，主要降水進程分為兩次，第一次6月26日暴雨集中在沅水、澧水及湖區區間，最大1、3、7、15日洪量幾乎同步進入洞庭湖，加上長江干流20000m3/s—47000m3/s的維持量，日停留于洞庭湖的水量達30億m3左右，城陵磯水位日平均漲幅1米左右。第二次7月13日，湘、資、沅、澧和長江同時漲水，湘、資水最大1日、3日、7日、15日洪量，沅水洪峰流量22000m3/s，澧水洪峰流量8110m3/s，區間洪峰流量8000m3/s，長江干流50000m3/s，同時匯于洞庭湖，雖然四水與長江干流不是大洪水，但四水與長江同時遭遇、匯入洞庭湖，非常罕見。

表11996、1998、1999年洞庭湖不同年份總入流統計表

年份

宜昌洪峰流量

（m3/s）

最大一日洪量

(億m3)

最大三日洪量

(億m3)

最大七日洪量

(億m3)

最大十五日洪量

(億m3)

最大三十日洪量

(億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分析計算結果及原因分析

本次計算采用了3個典型年，上邊界用典型年的入流過程，下邊界選用典型年螺山站的水位，分別選擇疏浚前后的地理資料計算三個典型河段影響區的水位，在疏浚區每隔500米，模型輸出一個水位值。

計算結果表明：在所選的典型河段中，澧水洪道的影響十分顯著，南洞庭湖一帶疏浚前后的影響次于澧水洪道。

這是因為澧水洪道為一狹窄性河道，洪水期間經常出現礙洪現象。疏浚后河道橫斷面面積增加，且主河槽深度加深，水流阻力減小，過流能力增加，洪水水位降低，經采用三個典型年分析，疏浚后洪水水位降低0.2～0.3米。而在南洞庭湖區，由于洪水期間水面寬廣，疏挖增加的河道面積占整個斷面面積的比重相對較小，雖然水流阻力也有所減小，但在影響湖區水流的復雜水力因素中，疏挖的影響仍不如澧水洪道。經采用三個典型年運用水力學模型計算，疏浚后可降低南洞庭湖洪水水位0.09～0.17米。各典型年計算情況見表2。

表2洞庭湖典型河段疏浚后降低洪水水位計算表

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

模型計算中采用疏浚前后兩種不同的地形資料條件下的水動力學計算結果的差值，作為疏浚對洪水水位的影響值，由于兩種計算的上下邊界條件相同，這樣做有利于將兩種計算結果統一到一致的基礎上，便于比較。另外可以降低參數的敏感性帶來的誤差，因為在水力學模型中最重要的參數是糙率，而糙率的微小的改變，都將引起模型計算水位較大的改變，但對兩種地形資料條件差值的計算，參數的敏感性就大大減低。在我們建立的SMS模型中，糙率每增加1%，可引起模型計算水位0.06米的變化，但對兩種水力邊界條件計算的差值的影響就降低到不足0.01米。

2.2水文學方法

本次分析的二個典型河段位于澧水洪道和南洞庭湖區。在澧水洪道上有石龜山水文站實測水位和流量資料。南洞庭湖區有沅江水位站，僅有水位資料。根據兩站不同的資料情況，分析中采用不同的分析方法?；痉治鏊悸肥牵哄⑺榈啦捎脝沃祷涣髁筷P系法，通過分析河道疏浚前后的單值化水位流量關系來分析疏浚對洪水水位的影響；南洞庭湖的沅江站因其只有水位資料，所以通過分析疏浚前后南嘴～沅江水位相關關系來分析疏浚對洪水水位的影響。2.2.1澧水洪道疏浚前后石龜山站水位流量關系變化分析

天然河道中水位流量關系由于受洪水漲落，變動回水，斷面沖淤等因素影響，水位流量關系并不是單值關系，而是呈現復雜的繩套關系，每次洪水的水位流量關系都不一樣。因此，將各年份的水位流量關系直接比較，則比較的基礎不一致，無法得出正確的結果。為此首先必須對觀測的水位流量關系進行單值化處理，消除洪水漲落，變動回水等附加比降因素的影響，使水位流量關系的比較統一到一致的基礎上來。石龜山站水位流量關系受澧水和長江淞茲口來水的影響，此外還受到南嘴站水位的頂托，水位流量關系更加復雜，呈多值繩套關系，因此必須進行單值化處理。

石龜山站單值化水位流量關系公式為：

式中：q——單值化流量（或流量校正因素）；

△Z——綜合落差，采用津市至石龜山落差△Z1和石龜山至南咀的落差△Z2的組合落差，其值為

△Z=0.6△Z1+0.4△Z2；

Q——實際流量。

用上上兩式計算出校正流量后，再用三次冪函數與水位擬合得單值水位流量關系，各年單值關系按照國際標準ISO1100/2的要求進行了符號、適線和偏離數值檢驗，檢驗結果合理。各年的單值化流量計算系數見表4-3。其公式形式為

q=a0+a1x1+a2x2+a3x3

式中，x1=Z-30、x2=x12、x3=x13。

表3石龜山站各年單值化水位流量關系系數

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

將上述個年份的單值化水位流量關系點繪在一張圖上（圖略），可看出澧水洪道上水位流量關系在疏浚前后有較大變化。主要結果如下：

（1）同流量級水位降低。澧水洪道疏浚前后石龜山站水位流量關系變化較大，在水位37.0米以下，歷年單值化水位流量關系曲線有部分交錯現象，但仍有較明顯的變化趨勢，疏浚前同級流量水位較高；水位在37.0米以上，與疏浚前1991年相比，均偏于該線的下方，表明同流量級水位降低。降低幅度一般位于0.2～0.5米之間。

（2）同水位級流量增加。與水位的變化一樣，疏浚前后石龜山站在水位37米以下，單值化水位流量關系有部分交錯現象，但仍有明顯趨勢；在水位37米以上，疏浚以后幾年的關系線均偏于疏浚前1991年的右方，表明同水位級流量有增大的趨勢。從圖中得知，疏浚后同水位級下，過流能力增加200～500m3/s。

2.2.2南洞庭湖疏浚前后沅江站水位流量關系變化分析

沅江站是南洞庭湖的水位站，有水位資料但無流量資料，無法進行水位流量單值化分析。因此我們選用南咀沅江洪峰水位相關關系來進行分析。在假定南嘴不受疏浚影響的情況下，此相關關系的變化反映了沅江站水位的變化，實際上根據水力學模型計算的結果，南嘴水位也受到一定的影響，因此，此相關關系僅反映沅江與南嘴的落差變化。由于洪水過程受附加比降等因素的影響，而使相關關系復雜化。因此選用兩站的洪峰水位做樣本，建立兩站的洪峰水位相關關系來分析疏浚對南洞庭洪水水位的影響。資料選樣以1990年-1997年資料作為疏浚前資料，選用了29場洪水的南咀沅江洪峰水位資料；1997年~2002年資料作為疏浚后資料，共選用了21場洪水的南咀沅江洪峰水位資料。

將選用的資料點據系列繪于南咀沅江洪峰水位關系圖上，分別擬訂疏浚前后兩條關系線(圖略)，可以看出兩條關系線僅有細微的差別,無顯著變化，這說明南洞庭湖疏浚后，對南洞庭湖洪水水位的影響較澧水洪道而言影響較小。1997年以后在南洞庭湖蓮花澳～廖洋口以及實洲嶺河段進行了一定規模的疏浚工作，其中實洲嶺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況下，水位降低約0.07-0.15米，這說明沅江與南嘴的落差加大，水流速度加快。很顯然，由于清淤疏浚，河床加深，過流能力得到一定程度的提高，對高洪水位的降低有一定作用，但是由于南洞庭湖區洪水期水面寬廣，湖泊疏浚增加的過流面積影響有限，在影響南洞庭湖水流的復雜水力因數中，其作用較河道偏小，因而疏浚對南洞庭洪水水位的影響不如澧水洪道。

2.3典型河段疏浚對澧水洪道及湖泊傳播時間影響分析

澧水洪道疏浚于1994年開始，根據掌握的資料疏浚前選用1978～1994年資料，疏浚后選用1995～2002年資料。1995年至今9場洪水平均傳播時間為18小時；而1978年至1994年27場洪水平均傳播時間為26小時，洪水平均傳播時間縮短8小時。很顯然澧水洪道由于河道疏浚，行洪能力增強，水流速度加快，洪水傳播時間已發生顯著變化，在原來的基礎上已縮短近三分之一。

南咀至營田河段疏浚時間起于1997年，故可將1997年及其以前的資料，作為疏浚前的資料，由于疏浚時間持續到2001年，因而疏浚后的資料十分有限，考慮到1998年已完成了相當一部分工作，故將1999年及其以后的資料作為疏浚后的資料進行分析。由于湖區來水組合復雜，在上述統計中盡量采用反映南洞庭湖來水的洪水為主，以便使統計值能反映實際情況。通過對1999年至今7場洪水統計，平均傳播時間為22小時，而1978年至1994年25場洪水平均傳播時間為24小時，兩者相差2小時。由此可見在南洞庭湖進行疏浚，對南咀至營田洪水傳播時間具有一定影響，但影響程度不如河道。

3河湖疏浚對洞庭湖洪水位影響預測

根據洞庭湖河湖疏浚規劃，疏挖、擴卡和掃障總土石方量33876.5×104m3。由于增加了行洪斷面的面積和湖泊容量，相應增加了洪道的行洪能力，增強了湖泊的調蓄能力，對降低湖區高洪水位起積極作用。整個疏浚工程土石方量也就相當于洞庭湖增加了約3.4×108m3容積，約占洞庭湖總容積（城陵磯水位33.5米時容積167×108m3）的百分之二左右。

采用前面已經建立的水力學模型，經水力學模型模擬計算結果如下：

（1）四水尾閭及淞滋河、藕池河及汨羅江疏浚段附近洪水水位的降低較明顯。水位降低的程度與開挖的斷面面積占總斷面面積的比例及洪水級別有關。比例越大，水位降低愈明顯。洪水級別越大，水位降低越小。在計算河段中澧水尾閭可降低高洪水位0.15～0.35m，其余河段一般可降低0.1～0.25m，但在擴卡的局部區域，有時可降低水位0.3m以上。

（2）東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。湖區水位降低幅度仍然少于河道，這種趨勢同典型河段的計算結果一致。

4結論與建議

4.1結論

（1）根據典型河段的水力學和水文學分析，河湖疏浚對洞庭湖區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對洞庭湖的防洪作用相當于在四水干流修建一座防洪庫容為4～5×108m3的水庫，對四水尾閭疏浚段的防洪作用相當于在四水干流興建一座防洪庫容為10×108m3左右的水庫。經分析測算洞庭湖河湖疏浚工程減免上游堤垸洪澇災害損失、減少使用蓄洪垸來蓄洞庭湖區超額洪水而造成的蓄洪損失、可減免防汛搶險費用、減免電排排澇電費等四項合計約為4.57×108元/年。

（2）通過河湖疏竣相當于洞庭湖增加了約3.4×108m3的容積，約占洞庭湖總容積的百分之二。疏浚后湖泊水流歸槽，流速加大，水流挾沙力加大，便于泥沙輸送，有效減緩洞庭湖的淤積，延長湖泊使用壽命。而且由于河湖疏浚工程實施以后，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，洞庭湖的壽命延長，為長江中下游地區的防洪保安將起到重大的作用，具有巨大的社會效益。

4.2建議

（1）加強洞庭湖河湖疏浚與長江城漢河段綜合整治關系的研究[5]。洞庭湖河湖疏浚工程對于疏通湖區洪道，增加湖泊容積，緩解洪水壓力將起到重要作用，同時對于洞庭湖的水環境修復和自然生態系統的恢復也具有十分重要的意義。但是由于城陵磯至漢口河段上承長江干流荊江和洞庭湖水系來水，特別由于下荊江裁彎，城陵磯至漢口河段及洞庭湖淤積嚴重，城螺河段泄流能力下降，大量洪水滯留洞庭湖，目前三口四水的洪水僅靠一個小口渲泄，若湖口門檻不同步降低，城漢河段繼續淤積，湖內的疏挖增加的湖容大部分會變成死湖容。同時降低出湖口門也有利于洞庭湖對長江中下游徑流的補給。因此,必須認真研究并切實處理好洞庭湖河湖疏浚與長江城漢河段綜合整治的關系,切實研究并盡快實施城陵磯以下至漢口河段的綜合整治工程。

（2）加強洞庭湖水沙、水質、底泥監測。洞庭湖河湖疏浚作為洞庭湖綜合治理的主要工程措施，不僅具有擴大湖容、疏通航道等一般工程疏浚的技術特點，而且通過疏浚和清除湖泊水體中的污染底泥，為洞庭湖的自然生態系統恢復創造條件。在疏浚工程實施前、中、后期，要充分了解湖泊功能由于水沙條件變化、水質污染和生態破壞帶來的危害和問題，加強湖泊水量、泥沙、水質、底泥和水生生物的調查和監測。但是目前洞庭湖水文、水質監測站點嚴重不足，底泥污染監測尚屬空白，因此應在洞庭湖水文、水質監測站網充實和優化的基礎上，特別加強洞庭湖的底泥監測。

參考文獻

［1］《洞庭史鑒》編纂委員會．洞庭史鑒——洞庭湖區域發展研究[M]．長沙：湖南人民出版社，2002年12月．

［2］湖南省政協經濟科技委員會．三峽工程與洞庭湖關系研究[M]．長沙：湖南科學技術出版社，2002年12月．

［3］竇鴻身，姜加虎．洞庭湖[M]．合肥：中國科學技術大學出版社，2000年5月．

［4］吳作平，楊國錄，甘明輝．荊江—洞庭湖水沙關系及調整[J]．武漢大學學報（工科版），2002，35（3）．

［5］李正最,湯喜春．論三峽工程建成后長江城漢河段的綜合整治[J]．水電站設計，2002，18（4）．