洞庭湖河湖疏浚对洪水位影响分析(1)程力学毕

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；И

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

 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

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。

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