劉曉群,郝振純,薛聯(lián)青,徐 超

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院,湖南長(zhǎng)沙 410007)

洞庭湖防洪問(wèn)題一直是長(zhǎng)江中游防洪的難點(diǎn),而三峽水庫(kù)2003年蓄水以來(lái),洞庭湖水位下降明顯,連接長(zhǎng)江與洞庭湖的3口洪道的斷流時(shí)間加長(zhǎng),該區(qū)域濕地水文條件的改變?cè)絹?lái)越多地引起了人們的關(guān)注.

洞庭湖是長(zhǎng)江中游僅存的2個(gè)通江湖泊之一,是長(zhǎng)江上游洪水出三峽后的自然湖泊濕地調(diào)蓄區(qū)[1-2],與水庫(kù)、堤防并列為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江中游防洪的3大戰(zhàn)略手段.除經(jīng)淞滋口、太平口、藕池口3口分泄長(zhǎng)江洪水外,另有湘、資、沅、澧4水洪水直接匯入洞庭湖,最后經(jīng)城陵磯再匯入長(zhǎng)江,形成“7進(jìn)1出”的復(fù)雜水網(wǎng)體系,該體系具有洪道、湖泊、一般垸、蓄洪垸和重點(diǎn)垸(表1).其中,重點(diǎn)垸是在不超過(guò)1954年洪水水位時(shí)需確保防洪安全的堤垸,蓄洪垸則是長(zhǎng)江重現(xiàn)1954年洪水時(shí)確保江漢平原以及武漢安全的分蓄洪區(qū),一般垸是地勢(shì)較高或原居民圈圍的小型堤垸,相互交錯(cuò)分布,以堤防為屏障形成各自相對(duì)獨(dú)立的體系.不包括湖北省的3680km2,屬湖南省的湖區(qū)面積為15200km2,水系與堤垸條塊分割,交錯(cuò)相間,流態(tài)紊亂且方向不定,汛期水位一般都高于垸內(nèi)地面5m以上,對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)不利的影響非常突出.隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人類利益驅(qū)動(dòng)對(duì)自然干預(yù)的力度越來(lái)越大,三峽水庫(kù)的運(yùn)用對(duì)減少一般洪水威脅,并為洞庭湖區(qū)濕地開發(fā)都創(chuàng)造了新的條件.因此,為避免新的無(wú)序利用,規(guī)范人類行為,應(yīng)基于水情變化對(duì)洞庭湖濕地區(qū)域劃分進(jìn)行研究.

本文通過(guò)洞庭湖洪水形勢(shì)與3口洪道分流條件的研究,結(jié)合湖區(qū)城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)分布與自然地理?xiàng)l件,提出了湖區(qū)濕地劃分的總體框架.

表1 湖南省洞庭湖區(qū)濕地基本情況Table1 General conditions of wetlands of Dongting Lake in Hunan Province

1 洞庭湖濕地洪水形勢(shì)

1.1 三峽運(yùn)行前的洪水特征

洞庭湖是長(zhǎng)江和洞庭湖湘、資、沅、澧4水的洪水互相遭遇蓄積而成的積洪性湖泊,總集水面積129.5萬(wàn)km2.由于受到各水系洪水發(fā)生不同期性和下游泄流能力有限的影響,洞庭湖洪水出現(xiàn)延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)以及量級(jí)巨大的情況,延續(xù)時(shí)間多在30d以上,1951～1998年最大30d平均洪量為584億m3,故一般的調(diào)峰水庫(kù)對(duì)洞庭湖的防洪作用十分有限.因此,20世紀(jì)六七十年代確立了長(zhǎng)江中游防御1954年洪水的目標(biāo),并將長(zhǎng)江中游劃分為宜昌—沙市、沙市—城陵磯、城陵磯—漢口3個(gè)河段,以沙市、蓮花塘、漢口分別作為各河段的控制點(diǎn),其中控制蓮花塘水位不超過(guò)34.4m,在城陵磯附近布置了320億m3的蓄滯洪區(qū),即洞庭湖區(qū)24個(gè)蓄洪垸及江北洪湖各自承擔(dān)分蓄160億m3的超額洪量.但隨著江湖關(guān)系的不斷演變,1981年、1983年、1991年、1995年、1996年、1998年、1999年和2002年的洪水,雖洪峰、洪量都遠(yuǎn)小于 1954年來(lái)水,但最高水位已接近甚至遠(yuǎn)高于1954年洪水的水位(表2),洪水向城陵磯附近集中的特點(diǎn)十分明顯.

歷史上,泥沙淤積又為長(zhǎng)江中下游河道逐漸渠化創(chuàng)造了條件.據(jù)估計(jì),自全新世到公元800年前后,歷時(shí)約9 000 a,云夢(mèng)澤區(qū)域淤積了泥沙5053.6億t[3]而形成江漢平原,并隨著云夢(mèng)澤消失、分流口堵閉和長(zhǎng)江河道固定等江湖關(guān)系的不斷演變,荊江河段在1949年以前的5000a中洪水水位抬升了13.6m[4],并導(dǎo)致通江湖泊向下遷移,洞庭湖向南擴(kuò)張,在防洪大堤連接成線后荊江完成了河道化過(guò)程[5].

在1949～1980年的30a間,城陵磯以下封堵了約1萬(wàn)km2的通江湖泊,城陵磯—漢口段短時(shí)期完成了河道化,下游槽蓄與泄流能力急速衰減.這種快速演變,導(dǎo)致蓮花塘1998年最高水位達(dá)到35.80m,比1954年抬高1.85m.另外,在1951～2007年的57a間,3口洪道進(jìn)入洞庭湖的懸移質(zhì)泥沙淤積總量達(dá)到64.04億t,合45.7億m3,大約使3 000km2范圍平均可抬高1.5m,西洞庭湖區(qū)局部河床最大抬高超過(guò)5m[6],直接抬高了湖區(qū)內(nèi)部洪水位,抬高程度更為嚴(yán)重.

表2 其他典型洪水與1954年洪水的對(duì)比Table2 Comparison between 1954 flood and other typical floods

1.2 三峽建庫(kù)對(duì)洞庭湖防洪的影響

研究三峽水庫(kù)對(duì)洞庭湖防洪的作用,需通過(guò)式(1)和式(2)來(lái)模擬該河段的洪水演進(jìn)過(guò)程.

式中:Z ——水位;V——流速;A——斷面面積;B——水面寬;g——重力加速度;C——謝才系數(shù);R——水力半徑;L——河長(zhǎng);t——時(shí)間;α——?jiǎng)幽苄Ｕ禂?shù);β——?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù);q——沿單位長(zhǎng)度的側(cè)向流量.

利用水文學(xué)原理,假定蓄水量與出流呈線性關(guān)系[7],則式(1)和式(2)可簡(jiǎn)化為

式中:S——河槽容積;Q——流量;I——入流;Z下——下游站水位;1,2——計(jì)算時(shí)段始末;Δt——時(shí)段長(zhǎng).

利用以上原理,根據(jù)1956～2003年的系列資料確定城陵磯控制站的水位-流量關(guān)系和河段的槽蓄曲線[8],可對(duì)1954年和1998年洪水進(jìn)行情景模擬(表3).

當(dāng)三峽水庫(kù)對(duì)城陵磯進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)度,城陵磯附近320億m3的蓄洪區(qū)配合使用,重現(xiàn)1954年洪水時(shí),蓮花塘的最高水位仍將達(dá)到35.04m,比現(xiàn)有堤防設(shè)計(jì)水位34.40m高0.64m;若沒有三峽水庫(kù)調(diào)節(jié),分洪后水位仍將達(dá)到 36.16 m,高于1998年35.80m的歷史最高水位0.36m.對(duì)于1998年洪水,假設(shè)運(yùn)用三峽水庫(kù)210億m3的防洪庫(kù)容,城陵磯附近仍有35億m3的蓄洪量,否則水位就會(huì)上升.

表3 三峽建庫(kù)后洞庭湖洪水形勢(shì)分析Table3 Flood situation in Dongting Lake after completion of Three Gorges Reservoir

由于當(dāng)時(shí)的資料條件以及保護(hù)江漢平原的出發(fā)點(diǎn),使得三峽水庫(kù)對(duì)減小城陵磯附近防洪壓力的作用發(fā)揮有限,特別是在考慮通江湖泊圍墾、河道槽蓄和泄流能力大幅度減小等方面的預(yù)期不足,因此,利用三峽水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江中游防御1954年洪水的目標(biāo),維持洞庭湖具有更多的分蓄洪容積是十分必要的,同時(shí)也說(shuō)明洪水對(duì)洞庭湖區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響仍是最為關(guān)鍵的問(wèn)題.

2 3口洪道分流能力分析

2.1 一般分流特征

3口洪道中以1852年、1860年大水反復(fù)沖決形成的藕池河和1870年大水沖決形成的淞滋河為主,1951年以來(lái)的分流分沙能力逐步衰減(表4),三峽水庫(kù)2003年蓄水以后衰減幅度進(jìn)一步加大.3口總分流能力當(dāng)前為495億m3,僅相當(dāng)于1951～1958年的33.1%,或多年平均964億m3的51.3%.總體而言,當(dāng)前以淞滋、虎渡分流為主,占3口的78.0%.

表4 3口洪道分流分沙統(tǒng)計(jì)特征Table 4 Statistical characteristics of flood and sediment diversions for three floodways

3口洪道斷流在三峽蓄水后明顯加長(zhǎng).淞滋?hào)|支從1974年出現(xiàn)斷流,2002年以前平均斷流150d,而2003～2007年則平均斷流248d,增加了98d;虎渡河南閘以上有中河口分流入淞滋?hào)|支,三峽蓄水后斷流由平均125d增至152d,增加了27d,受南閘底板高于河床5.0m的影響,下游斷流一般在280d以上;藕池河西支則相應(yīng)由斷流241d增加到259d,東支由138d增加到195d,分別延長(zhǎng)18d與57d.最長(zhǎng)的藕池河西支2006年斷流336d.3口洪道除松滋西支外,河流特征基本衰竭.相應(yīng)地,洞庭湖總?cè)牒繌?951～1958年均3636億m3減少到三峽蓄水以后的2303億m3,相對(duì)減少了36.7%,相當(dāng)于平均減少了城陵磯流量4220m3/s,平均降低湖泊水位2.0m左右;三峽蓄水后3口分流總量較1998年大水以后的1999～2002年年平均減少132.8億m3,洞庭湖平均流量再次減少421m3/s.

同時(shí),受清水下泄的影響,汛期水流挾沙能力加強(qiáng),使淤積在洲灘上的泥沙向河槽輸移,3口河道原來(lái)的深水河槽普遍出現(xiàn)了大量成片的波紋狀淤沙,即便岳陽(yáng)樓前的東洞庭湖1999年前中低水時(shí)期“岸—水—左岸洲灘”也在近期演變成“岸—水—條狀淤洲—水—左岸洲灘”的形式.

全湖區(qū)湖泊河道化、河槽洲灘化、洲灘陸地化程度在三峽水庫(kù)運(yùn)用后加快了演化趨勢(shì).

2.2 汛期分流

荊江多年平均洪峰流量為50800m3/s,經(jīng)3口分入洞庭湖17500m3/s,削減洪峰近1/3.1949年以來(lái)長(zhǎng)江宜昌發(fā)生大于600000m3/s的洪水有1954年、1958年、1974年、1981年、1987年和1998年,沙市—蓮花塘落差為9.31～12.75m,3口分流介于17432～27900m3/s之間.以這6個(gè)年份洪水平均分析,沙市—蓮花塘落差11.42m、宜昌洪峰64100m3/s時(shí),3口可分流22100m3/s,占34.5%,與多年平均水平相當(dāng).

三峽水庫(kù)正常運(yùn)行以后,遇百年一遇以下或者1954年洪水,控制荊江河道流量不超過(guò)56700m3/s,遇千年一遇或者1870年洪水則控制荊江流量不超過(guò)80000m3/s[9].荊江當(dāng)前的安全泄量為60000～68000m3/s,則長(zhǎng)江百年一遇以下洪水,3口洪道可不分流或以淞滋河分流即可;而千年一遇洪水3口分流12000～20000 m3/s即可實(shí)現(xiàn)荊江河段的防洪安全目標(biāo).

3 洞庭湖濕地劃分

以上分析表明,以三峽水庫(kù)理想調(diào)度為條件,一方面,即使抬高城陵磯附件的分蓄洪控制水位,保證洞庭湖濕地具有160億m3以上的蓄洪能力以及3口具有大于10000m3/s的分流能力,仍是十分必要的;另一方面,對(duì)于小于1954年的洪水,3口洪道出現(xiàn)高洪水位的情況將大量減少,三峽水庫(kù)作用的發(fā)揮也使得洞庭湖濕地具備了重新劃分的條件[10].

其一,從保護(hù)安鄉(xiāng)、南縣、石首和華容4個(gè)縣城出發(fā),以現(xiàn)有堤線為基礎(chǔ),建閘控制全藕池河系、虎渡河南閘以下、淞滋河?xùn)|支,連接澧水洪道東岸,形成湖區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的中心區(qū)域,加大吸引農(nóng)村人口遷移力度,促進(jìn)融城和城鎮(zhèn)化進(jìn)程.按照這一布局,長(zhǎng)江發(fā)生不超過(guò)荊江安全泄量60000m3/s的洪水時(shí),可以縮短8個(gè)蓄洪垸和4個(gè)重點(diǎn)垸約1000km的一線臨洪大堤.這種布局的思路,保留松滋河與虎渡河自然分流的現(xiàn)狀,相應(yīng)長(zhǎng)江64 100m3/s以上的洪水可分流12200m3/s,在不遭遇澧水洪水時(shí)使長(zhǎng)江洪水經(jīng)澧水洪道進(jìn)入目平湖;在遭遇澧水洪水時(shí),打開3口洪道所有控制閘,全面恢復(fù)行洪狀態(tài).非洪水時(shí)期,被控制的洪道以河槽蓄水形成平原水庫(kù)群,既增強(qiáng)區(qū)域水資源的配置能力,也能夠緩解因斷流引起河道衰竭等水文條件惡化而導(dǎo)致的一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題.

其二,以在建可蓄洪50億m3的南洞庭湖共雙茶、東洞庭湖大通湖東垸和錢糧湖3大垸蓄洪工程為基礎(chǔ),形成一線蓄洪區(qū).這3大垸蓄洪工程是1998年大水以后,城陵磯附近建設(shè)100億m3蓄洪工程的湖南洞庭湖部分,采用加固圍堤、建設(shè)安全區(qū)和安全臺(tái)、修建分洪閘等工程,遷移52萬(wàn)人,投資57億元,建立分洪時(shí)期按計(jì)劃分蓄洪、非分洪時(shí)期進(jìn)行生產(chǎn)的“安全居住-風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)”的蓄洪垸運(yùn)行模式[11].配合三峽水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)度,在城陵磯水位超過(guò)34.4m時(shí)啟用,使小于1998年洪水量級(jí)的洪水發(fā)生時(shí),城陵磯附近水位不超過(guò)35m.

其三,將大通湖重點(diǎn)垸作為擴(kuò)大蓄洪區(qū),在一線蓄洪區(qū)不夠時(shí),配合江北洪湖啟用,以控制城陵磯附近水位不超過(guò)歷史最高水位35.8m.大通湖垸處于湖區(qū)腹心低洼地帶,面積1000km2,現(xiàn)有100km2的內(nèi)湖.當(dāng)前經(jīng)濟(jì)以農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、牧業(yè)為主,規(guī)?；?jīng)濟(jì)不強(qiáng),人口54萬(wàn)人,小于以上城市發(fā)展區(qū)8個(gè)蓄洪垸60萬(wàn)人的規(guī)模.輔以產(chǎn)業(yè)化引導(dǎo)主要居民外遷以上城市區(qū)域,逐漸恢復(fù)其自然濕地功能,蓄洪的損失將大量減少.在建蓄洪區(qū)和大通湖擴(kuò)大蓄洪區(qū)共有130億m3的蓄洪容積,加上4水尾閭的其他蓄洪垸,全洞庭湖可蓄洪容積將達(dá)到180億m3,比原來(lái)24垸160億m3容積更大,但影響范圍減小.

4 結(jié) 語(yǔ)

三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)長(zhǎng)江洪水調(diào)度作用的發(fā)揮,為洞庭湖治理提供了新的契機(jī),但并不能改變洞庭湖的分洪和蓄洪定位,更不能成為新一輪湖泊圍墾的理由.因此,本文提出的洞庭湖濕地區(qū)域劃分的新框架,既可有效保護(hù)3口洪道分泄洪能力和河道生命力,切實(shí)提高城陵磯附近的蓄滯洪能力并減小蓄洪影響范圍,提升長(zhǎng)江中游管理洪水的水平,也可以明確該區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的方向,促進(jìn)湖區(qū)城鎮(zhèn)化、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,并通過(guò)人口的集中居住逐步減小人類活動(dòng)對(duì)湖區(qū)的影響,形成洞庭湖“人類活動(dòng)集中區(qū)—擴(kuò)大蓄洪區(qū)—蓄洪區(qū)—自然濕地”的梯級(jí)層次,逐步減小人類活動(dòng)影響范圍,創(chuàng)造蓄洪濕地恢復(fù)成自然濕地特征的條件.

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